Plan de Expansión del Sistema Interconectado … · Duración de la Ejecución del Proyecto..... 151 Simulación ... 98 391. Tomo II – Plan Indicativo de Generación 2017 – 2031

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Plan de Expansin del Sistema Interconectado Nacional 2017 2031

Tomo II Plan Indicativo de Generacin

Gerencia de Planificacin

ETE-DTR-GPL-147-2018

30 de enero de 2018

PANAM

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Contenido CAPTULO 1 ........................................................................................................ 1

INTRODUCCIN ........................................................................................... 1 CAPTULO 2 ........................................................................................................ 5

DESCRIPCIN DE TECNOLOGAS DE GENERACIN .............................. 5 Hidroelctricas .......................................................................................... 5 Termoelctricas ........................................................................................ 7

Nucleares ............................................................................................... 8 Solares ..................................................................................................... 12

Fotovoltaica ......................................................................................... 12 Concentracin Solar ........................................................................... 14

Canal Parablico .............................................................................. 15 Reflectores Fresnel .......................................................................... 16 Torres Solares .................................................................................. 17 Discos Solares ................................................................................. 18

Espacial ................................................................................................ 19 Elicas ..................................................................................................... 20

Turbinas de Eje Horizontal Instaladas en Tierra ............................... 20 Turbinas de Eje Horizontal Instaladas en Alta Mar ........................... 22 Turbinas de Ejes Verticales ................................................................ 23 Turbinas de Viento Flotantes ............................................................. 24

Marina ...................................................................................................... 25 Mareomotriz ......................................................................................... 28 Maremotrmica .................................................................................... 29 Osmtica .............................................................................................. 31

Geotrmica .............................................................................................. 33 Vapor Seco ........................................................................................... 35 Vapor por Destello............................................................................... 36 Ciclo Binario ........................................................................................ 38

Almacenamiento de Energa Elctrica .................................................. 40

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PESIN 2017

Impactos Ambientales ............................................................................ 41 CAPTULO 3 ...................................................................................................... 47

INFORMACIN BSICA, CRITERIOS Y PARMETROS ......................... 47 Pronsticos de Demanda ....................................................................... 47 Pronsticos de Precios de los Combustibles ...................................... 49 Criterios y Parmetros ........................................................................... 57

Criterio de Mnimo Costo .................................................................... 58 Criterio de Confiabilidad ..................................................................... 58 Costo de Racionamiento de Energa ................................................. 58 Parmetros Tcnicos y Econmicos ................................................. 58 Criterios Econmicos ......................................................................... 58

CAPTULO 4 ...................................................................................................... 61 SISTEMA DE GENERACIN EXISTENTE ................................................. 61

Generacin Hidroelctrica ..................................................................... 64 Generacin Termoelctrica ................................................................... 67 Generacin Renovable ........................................................................... 70 Pequeas Centrales y Auto Generadores ............................................ 71 Autoridad del Canal de Panam ............................................................ 71

CAPTULO 5 ...................................................................................................... 75 POTENCIAL ENERGTICO Y GENERACIN FUTURA ........................... 75

Potencial Energtico .............................................................................. 75 Potencial Elico ................................................................................... 75 Potencial Solar .................................................................................... 77 Potencial Hidroelctrico ..................................................................... 79 Potencial Trmico................................................................................ 81

Turba ................................................................................................. 81 Combustibles Fsiles ...................................................................... 82 Metano............................................................................................... 83

Sistema de Generacin Futura .............................................................. 83 Proyectos Elicos ............................................................................... 83 Proyectos Fotovoltaicos ..................................................................... 84

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Turba .................................................................................................... 86 Otros Proyectos de Generacin ......................................................... 86 Proyectos Hidroelctricos .................................................................. 86 Proyectos Termoelctricos ................................................................ 89

CAPTULO 6 ...................................................................................................... 93 METODOLOGA DEL ESTUDIO ................................................................. 93

Herramientas de Simulacin.................................................................. 94 Plantas Elicas y Solares ...................................................................... 94 Perodo de Estudio ................................................................................. 94 Hidrologa ................................................................................................ 94 Demanda ................................................................................................. 95

Bloques de Demanda .......................................................................... 95 Sistema de Generacin Existente ......................................................... 95 Proyectos de Generacin Futuros ........................................................ 95 Simulaciones........................................................................................... 95

CAPTULO 7 .................................................................................................... 105 ESCENARIOS DE EXPANSIN ............................................................... 105

Escenario Referencia ........................................................................... 107 Escenario Renovable ........................................................................... 112 Escenario Alternativo ........................................................................... 119 Anlisis de las Sensibilidades ............................................................. 124

Sensibilidad A .................................................................................... 124 Sensibilidad B .................................................................................... 128 Sensibilidad C .................................................................................... 132 Sensibilidad D .................................................................................... 135

Resumen ............................................................................................... 139 CAPTULO 8 .................................................................................................... 147

INTERCONEXIN ELCTRICA COLOMBIA -PANAM (ICP) ................ 147 Objetivo ................................................................................................. 147 Promotores............................................................................................ 148 Descripcin ........................................................................................... 148

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Beneficios del Proyecto ....................................................................... 150 Ventajas Tcnicas del Proyecto .......................................................... 150 Ventajas Econmicas del Proyecto .................................................... 150 Duracin de la Ejecucin del Proyecto ............................................... 151 Simulacin............................................................................................. 152

CAPTULO 9 .................................................................................................... 159 CONCLUSIONES ...................................................................................... 159

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ndice de Grficos Grfico 3. 1: Proyeccin de Precios del Combustible en Balboas por Milln de BTU Escenario de Precios Base ..................................................................... 56 Grfico 3. 2: Proyeccin de Precios del Combustible en Balboas por Milln de BTU Escenario de Precios Altos ...................................................................... 57 Grfico 4. 1: Composicin Porcentual del Sistema de Generacin .................... 62 Grfico 4. 2: Composicin Porcentual por Tecnologa del Sistema de Generacin ........................................................................................................................... 62 Grfico 4. 3: Capacidad Instalada por Agente a mayo de 2017 ......................... 64 Grfico 4. 4: Comportamiento de la Generacin Ao 2016 ................................ 65 Grfico 6. 1: Metodologa general de realizacin del Plan Indicativo de Generacin ......................................................................................................... 93 Grfico 7. 1: Costo Marginal de Demanda de Panam del Escenario Referencia ......................................................................................................................... 109 Grfico 7. 2: Intercambios de Energa con Centroamrica del Escenario Referencia ........................................................................................................ 110 Grfico 7. 3: Porcentaje de Participacin de Generacin del Escenario Referencia ........................................................................................................ 111 Grfico 7. 4: Generacin vs Demanda del Escenario Referencia ..................... 112 Grfico 7. 5: Costo Marginal de Panam del Escenario Renovable ................. 116 Grfico 7. 6: Intercambios de Energa con Centroamrica del Escenario Renovable ........................................................................................................ 117 Grfico 7. 7: Participacin de Generacin del Escenario Renovable ............... 118 Grfico 7. 8: Generacin vs Demanda del Escenario Renovable ..................... 118 Grfico 7. 9: Costos Marginales de Panam del Escenario Alternativo ............ 120 Grfico 7. 10: Intercambios de Energa con Centroamrica del Escenario Alternativo......................................................................................................... 122 Grfico 7. 11: Participacin de Generacin del Escenario Alternativo .............. 123 Grfico 7. 12: Generacin vs Demanda del Escenario Alternativo ................... 123 Grfico 7. 13: Intercambios de Energa con Centroamrica de la Sensibilidad A ......................................................................................................................... 125 Grfico 7. 14: Costo Marginal de Panam de la Sensibilidad A ....................... 126 Grfico 7. 15: Participacin de Generacin de la Sensibilidad A ...................... 127 Grfico 7. 16: Generacin vs Demanda de la Sensibilidad A ........................... 127 Grfico 7. 17: Costo Marginal de Panam de la Sensibilidad B ....................... 129 Grfico 7. 18: Intercambios de Energa con Centroamrica de la Sensibilidad B ......................................................................................................................... 130 Grfico 7. 19: Participacin de Generacin de la Sensibilidad B ...................... 131 Grfico 7. 20: Generacin vs Demanda de la Sensibilidad B ........................... 131 Grfico 7. 21: Costo Marginal de Panam de la Sensibilidad C ....................... 133 Grfico 7. 22: Intercambios de Energa con Centroamrica de la Sensibilidad C ......................................................................................................................... 133

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Grfico 7. 23: Participacin de Generacin de la Sensibilidad C...................... 134 Grfico 7. 24: Generacin vs Demanda de la Sensibilidad C ........................... 135 Grfico 7. 25: Costo Marginal de Panam de la Sensibilidad D ....................... 136 Grfico 7. 26: Intercambios de Energa con Centroamrica de la Sensibilidad D ......................................................................................................................... 137 Grfico 7. 27: Participacin de Generacin de la Sensibilidad D...................... 138 Grfico 7. 28: Generacin vs Demanda de la Sensibilidad D ........................... 138 Grfico 7. 29: Comparacin de los Costos Marginales por Escenarios ............ 142 Grfico 7. 30: Comparacin de los Costos Marginales por Sensibilidades ...... 144 Grfico 8. 1: Costos Marginales de Panam del Escenario de Referencia Vs Escenario con Colombia. .................................................................................. 153 Grfico 8. 2: Costos Marginales Mensuales de Panam del Esc. de Referencia Vs Esc. Ref. con Colombia. .............................................................................. 153 Grfico 8. 3: Intercambios del Escenario Ref. con Colombia ........................... 154 Grfico 8. 4: Intercambios Mensuales PA-CO del Escenario con Colombia. ... 155

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Tomo II Plan Indicativo de Generacin 2017 2031 vii Plan de Expansin del Sistema Interconectado Nacional

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ndice de Cuadros Tabla 3. 1: Pronstico de Demanda. .................................................................. 49 Tabla 3. 2: Proyeccin de Precios del Combustible Escenario de Precios Base ........................................................................................................................... 54 Tabla 3. 3: Proyeccin de Precios del Combustible Escenario de Precios Altos ........................................................................................................................... 54 Tabla 3. 4: Proyeccin de Precios del Combustible en Balboas por Milln de BTU Escenario de Precios Base.............................................................................. 55 Tabla 3. 5: Proyeccin de Precios del Combustible en Balboas por Milln de BTU Escenario de Precios Altos .............................................................................. 55 Tabla 3. 6: Poder Calorfico de los Combustibles ............................................... 56 Tabla 4. 1: Matriz Energtica a mayo de 2017 ................................................... 61 Tabla 4. 2: Capacidad Instalada del Sistema Interconectado Nacional a mayo de 2017 ................................................................................................................... 63 Tabla 4. 3: Sistema de Generacin Hidroelctrico Existente .............................. 66 Tabla 4. 4: Sistema de Generacin Termoelctrico Existente ............................ 68 Tabla 4. 5: Programa del retiro de unidades Termoelctricas ............................ 69 Tabla 4. 6: Sistema de Generacin Renovable Existente .................................. 70 Tabla 4. 7: Pequeas Centrales y Autogeneradores .......................................... 71 Tabla 4. 8: Plantas de la Autoridad del Canal de Panam ................................. 72 Tabla 5. 1: Licencias Definitivas para Generacin Elica ................................... 76 Tabla 5. 2: Licencias Provisionales para Generacin Elica .............................. 76 Tabla 5. 3: Licencias Definitivas Fotovoltaicas ................................................... 77 Tabla 5. 4: Licencias Provisionales Fotovoltaicas .............................................. 78 Tabla 5. 5: Concesiones Otorgadas de Centrales Hidroelctricas en Diseo y/o Construccin....................................................................................................... 80 Tabla 5. 6: Concesiones para Generacin Hidroelctrica en Trmite ................ 80 Tabla 5. 7: Resultados de los Ensayos de la Turba ........................................... 82 Tabla 5. 8: Licencias Definitivas para Generacin Termoelctrica ..................... 83 Tabla 5. 9: Licencias Provisionales para Generacin Termoelctrica ................ 83 Tabla 5. 10: Proyectos Elicos Considerados .................................................... 84 Tabla 5. 11: Proyectos Solares Considerados ................................................... 85 Tabla 5. 12: Proyectos Solares Considerados (continuacin) ............................ 86 Tabla 5. 13: Proyectos Hidroelctricos Considerados ........................................ 88 Tabla 5. 14: Proyectos Termoelctricos Candidatos Identificados ..................... 90 Tabla 5. 15: Proyectos Termoelctricos Candidatos Genricos ......................... 90 Tabla 6. 1: Parmetros de las Corridas SDDP ................................................... 96 Tabla 6. 2: Plan de Expansin de Costa Rica .................................................... 97 Tabla 6. 3: Plan de Expansin de El Salvador.................................................... 98

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Tabla 6. 4: Plan de Expansin de Guatemala .................................................... 99 Tabla 6. 5: Plan de Expansin de Honduras .................................................... 100 Tabla 6. 6: Plan de Expansin de Nicaragua ................................................... 101 Tabla 7. 1: Cronograma de Expansin de Corto Plazo .................................... 106 Tabla 7. 2: Costos del escenario Referencia .................................................... 107 Tabla 7. 3: Cronograma de Expansin de Largo Plazo del Escenario Referencia ......................................................................................................................... 108 Tabla 7. 4: Costos del Escenario Renovable .................................................... 113 Tabla 7. 5: Plan de Expansin de Largo Plazo del escenario Renovable ........ 114 Tabla 7. 6: Plan de Expansin de Largo Plazo del escenario Renovable (Continuacin) .................................................................................................. 115 Tabla 7. 7: Costos del Escenario Alternativo .................................................... 119 Tabla 7. 8: Plan de Expansin de Largo Plazo del escenario Alternativo ......... 121 Tabla 7. 9: Sensibilidades Analizadas .............................................................. 124 Tabla 7. 10: Costos de Sensibilidad A. ............................................................. 125 Tabla 7. 11: Costos de Sensibilidad B .............................................................. 128 Tabla 7. 12: Costos de Sensibilidad C .............................................................. 132 Tabla 7. 13: Costos de Sensibilidad D .............................................................. 136 Tabla 7. 14: Comparacin de Planes de Demanda Media ............................... 140 Tabla 7. 15: Comparacin de Planes de Demanda Media (continuacin) ........ 141 Tabla 7. 16: Comparacin de Costos por Escenario ........................................ 142 Tabla 7. 17: Comparacin de Costos Escenario Referencia vs Sensibilidades 143

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ndice de Figuras Figura 2. 1: Principio de operacin de una central hidroelctrica ......................... 5 Figura 2. 2: Central hidroelctrica con turbina tipo tornillo de Arqumedes .......... 6 Figura 2. 3: Central nuclear con reactor de agua presurizada ............................ 10 Figura 2. 4: Central nuclear con reactor de agua hirviendo ................................ 11 Figura 2. 5: Arreglo de paneles solares utilizados en centrales solares fotovoltaicas........................................................................................................ 13 Figura 2. 6: Central de concentracin solar con canales parablicos y almacenamiento trmico .................................................................................... 15 Figura 2. 7: Central de concentracin solar con reflectores Fresnel................... 16 Figura 2. 8: Central de concentracin solar con torre solar ................................ 17 Figura 2. 9: Central de concentracin solar con discos solares ......................... 18 Figura 2. 10: Concentracin solar fotovoltaica espacial ..................................... 19 Figura 2. 11: Parque elico con turbinas de viento de eje horizontal ................. 21 Figura 2. 12: Resumen de diferentes fundaciones fijas disponibles para turbinas de viento en alta mar .......................................................................................... 22 Figura 2. 13: Parque elico con turbinas de viento de eje vertical ...................... 23 Figura 2. 14: Prototipo de una turbina de viento flotante .................................... 24 Figura 2. 15: Clasificacin de tcnicas de generacin de energa olamotriz ...... 26 Figura 2. 16: Convertidores de energa olamotriz por desbordamiento .............. 26 Figura 2. 17: Convertidores de energa olamotriz con cuerpos oscilantes ......... 27 Figura 2. 18: Convertidores de energa olamotriz con columnas de agua oscilantes ........................................................................................................... 27 Figura 2. 19: Central mareomotriz con generacin unidireccional en bajamar ... 28 Figura 2. 20: Ciclo operativo de una central maremotrmica ............................. 30 Figura 2. 21: Ciclo operativo de una central osmtica por presin invertida ...... 32 Figura 2. 22: Diagrama Lindal de temperatura de agua y vapor geotrmico recomendado para diversas aplicaciones .......................................................... 33 Figura 2. 23: Usos directos del recurso geotrmico: Rangos de temperatura de algunos procesos industriales y aplicaciones agrcolas ..................................... 34 Figura 2. 24: Central geotrmica accionada por vapor seco .............................. 35 Figura 2. 25: Central geotrmica accionada por destello de vapor de una etapa ........................................................................................................................... 37 Figura 2. 26: Central geotrmica de ciclo binario de una etapa ......................... 39 Figura 2. 27: Aspectos considerados en un Anlisis de Ciclo de Vida para un recurso energtico .............................................................................................. 42 Figura 2. 28: Huellas de Carbono de diferentes tecnologas de Generacin ..... 43 Figura 8. 1: Trazado previsto de la interconexin entre Panam II y Cerromatoso ......................................................................................................................... 149 Figura 8. 2: Cronograma esperado en funcin de estudios y aprobaciones. .... 151

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Tomo II Plan Indicativo de Generacin 2017 2031 x Plan de Expansin del Sistema Interconectado Nacional

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ndice de Anexos

Tomo II - Anexo 1 Salidas del Escenario Referencia

Tomo II - Anexo 2 Salidas del Escenario Renovable

Tomo II - Anexo 3 Salidas del Escenario Alternativo

Tomo II - Anexo 4 Costo Variable de Produccin de Centrales Termoelctricas

Tomo II - Anexo 5 Definicin de Poltica y Criterios para la Revisin del Plan de

Expansin del Sistema Interconectado Nacional 2017

Tomo II - Anexo 6 Metodologa de los Modelos OPTGEN y SDDP

Tomo II - Anexo 7 Topologas de los Proyectos

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Tomo II Plan Indicativo de Generacin 2017 2031 xi Plan de Expansin del Sistema Interconectado Nacional

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Tomo II: Plan Indicativo de Generacin El objetivo del presente estudio es determinar un plan de expansin de la generacin que entregue informacin, de manera indicativa, sobre la evolucin del sector generacin y que permita verificar la situacin actual de suministro y las alternativas potenciales para abastecer la demanda de energa elctrica, considerando las diversas variables, como lo son la demanda de energa y potencia, hidrologa, disponibilidad y costos de los combustibles, recursos energticos, y la fecha de entrada en operacin de los proyectos, que influyen sobre el abastecimiento energtico y sus costos.

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Introduccin

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Captulo 1 INTRODUCCIN

La Empresa de Transmisin Elctrica, S.A. (ETESA) dentro de sus funciones est preparar el Plan de Expansin de la Generacin para el Sistema Interconectado Nacional, segn lo establece el texto nico de la Ley No. 6 de 3 de febrero de 1997, en su Artculo 68, Captulo IV del Ttulo III, y seala lo siguiente:

Preparar el plan de expansin de generacin para el sistema interconectado nacional, el cual ser de obligatorio cumplimiento durante los primeros cinco aos de vigencia de esta Ley. A partir del sexto ao de la entrada en vigencia de la presente Ley, este plan de expansin tendr carcter meramente indicativo.

En respuesta a lo anterior, en este documento se presentan los resultados del Plan Indicativo de Expansin de la Generacin para el Sistema Interconectado Nacional, el cual busca dar luces y orienta a los estamentos destinados a dirigir la poltica energtica del pas sobre las diferentes situaciones a la que estara sometido el sistema bajo los escenarios planteados. El presente documento fue desarrollado durante los primeros meses del ao 2017, en el cual se exponen los resultados correspondientes a la revisin y actualizacin del plan para el perodo 2017 2031, con especial nfasis en el establecimiento de los requerimientos de suministro de

potencia y energa del sistema. Para tales efectos, se consideraron los siguientes antecedentes vigentes a saber: La informacin solicitada a los agentes en febrero del ao 2017, para la elaboracin del Plan de Expansin de Generacin. Definicin de polticas y criterios para la expansin del Sistema Interconectado Nacional 2017, emitidos por la Secretara Nacional de Energa de Panam. Incluye una revisin de la capacidad instalada del pas, y de la situacin actual del parque de generacin elctrica. A partir de los antecedentes mencionados, se obtiene un plan de generacin indicativo donde se considera el crecimiento medio de la demanda, derivado de los anlisis del Tomo I Estudios Bsicos 2017 2031. Con respecto a la generacin, se hizo un estudio del potencial energtico con que cuenta el pas, adems de las diferentes tecnologas de generacin que se presentan a nivel mundial tomando en cuenta el costo de las mismas. De igual forma se considera el proyecto de interconexin SIEPAC y posible interconexin con la Repblica de Colombia. Dicho esto, se estudian diferentes hiptesis que simulan las distintas afectaciones que dan como resultado de las situaciones presentadas;

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adems, se busca comprobar y analizar las falencias y bondades con que cuenta el sistema para el corto y mediano plazo, con la finalidad de identificar y realizar los correctivos necesarios para subsanar dichas carencias en el Sistema Interconectado Nacional.

Este informe muestra resultados de un estudio del Sistema Elctrico Nacional, especficamente en el rea de generacin, bajo condiciones particulares de anlisis. Por tratarse de una simulacin, los datos presentados no son totalmente reales y sus resultados son proyectados a valor presente con base en el ao 2017. Por consiguiente, ETESA no se hace responsable por el uso de los datos en cualquier otro documento o diligencia, sin las reservas del caso.

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Descripcin de Tecnologas de

Generacin

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Captulo 2 DESCRIPCIN DE TECNOLOGAS DE

GENERACIN

Una revisin del estado del arte sobre las diferentes tecnologas en la generacin de energa elctrica es presentada en este captulo; tambin se hace mencin a los impactos ambientales que causan dichas tecnologas.

Hidroelctricas

La turbina hidrulica es una tecnologa madura, y se ve evidenciado en que sta es la mayormente utilizada en la actualidad para el aprovechamiento del potencial del movimiento de las aguas. Dependiendo de las caractersticas de cada sitio, cada, caudal, si existe embalse o si es a filo de agua, existen distintos tipos de turbinas apropiadas para cada

escenario. El agua es transportada mediante tuberas a la casa de mquinas en donde se encuentra una turbina acoplada a un generador elctrico; el agua transfiere su energa potencial y cintica en energa elctrica mediante el impulso de los labes de las turbinas. La Figura 2. 1 explica el funcionamiento de una central hidroelctrica.

Figura 2. 1: Principio de operacin de una central hidroelctrica

Referencia: Escuela de Ciencias del Agua de Estudios Geolgicos de los Estados Unidos.

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Recientemente se han diseado e implementado turbinas hidrulicas de baja presin para aprovechar la energa potencial de aguas en ros no muy caudalosos y con bajas cabezas hidrulicas (usualmente menores a 10 metros). Las turbinas se asemejan y funcionan con el principio del tornillo de Arqumedes: el agua ingresa al tornillo y mientras hace su recorrido su peso mueve los labes e impulsa la turbina. En la parte inferior del tornillo el agua es desfogada, mientras que en la parte superior se encuentra la caja de cambios y el generador elctrico. En la Figura 2. 2 se puede observar en funcionamiento esta turbina.

La principal ventaja de este diseo es que esta tecnologa puede implementarse para generacin distribuida sin afectar considerablemente la fauna y el ecosistema. Los peces pueden navegar por las turbinas sin ninguna complicacin ya que las velocidades de las mismas son relativamente bajas. Adems de esto, debido a que las cabezas de agua y caudales son relativamente bajos, no es requerido crear ninguna represa. Figura 2. 2: Central hidroelctrica con turbina tipo tornillo de Arqumedes

Referencia: Nuevas Tecnologas de Produccin y Transmisin de Energa, 2017.

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Termoelctricas

Las centrales termoelctricas involucran el aprovechamiento de la energa trmica producto de la combustin de una fuente de energa o insumo para la generacin de energa elctrica. La gran mayora de las fuentes de energa usadas son de origen fsil, aunque recientemente se ha estado incursionando en el uso de desechos de materias orgnicas.

En centrales de carbn, el contenido energtico de diferentes fuentes de carbn es aprovechado en las calderas para producir vapor y utilizar el ciclo termodinmico Rankine y sus variantes para impulsar una turbina de vapor. El ms reciente es la turba: tiene un porcentaje alto de humedad (hasta 90%), bajo poder calorfico (menos de 2000 kcal/kg) y poco carbono (menos de un 50%). Se debe secar antes de su uso. Se encuentra en zonas pantanosas.

Centrales termoelctricas que operan con motores de combustin interna usan productos derivados del petrleo. En general, los motores disel utilizan un destilado ligero del petrleo denominado disel (fuel oil No. 2); por otra parte, los modelos ms recientes pueden quemar diferentes combustibles como el gas natural, gas asociado a petrleo crudo, biogs, combustibles vegetales, emulsiones de residuos pesados y Bnker C (fuel oil No. 6).

Otro producto comnmente utilizado en la produccin de energa elctrica es el gas natural. Al igual que el carbn y el crudo, yacimientos de gas natural son encontrados en grandes cantidades debajo de la corteza terrestre y son el resultado de la descomposicin de animales y plantas de hace millones de aos atrs, sometidos a altas presiones y temperaturas. Centrales que aprovechan este recurso utilizan turbinas de gas con el ciclo termodinmico Brayton.

Por ltimo, la biomasa consiste en la combustin de desechos orgnicos tales como caas de azcar, madera, bamb, cscaras de arroz, tusa de mazorca de maz, algas, aserrn, hojas y ramas de rboles, desechos de animales de granja, desechos municipales y desechos residenciales entre muchos otros. En otros casos, se almacenan los desechos para producir biogs, el cual es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos especficos, por las reacciones de biodegradacin de la materia orgnica, mediante la accin de microorganismos y otros factores, en ausencia de oxgeno (esto es, en un ambiente anaerbico).

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Nucleares Centrales nucleares producen electricidad a partir de la energa liberada durante el proceso de fisin nuclear. La fisin es una reaccin nuclear que se lleva a cabo en los ncleos atmicos de los elementos qumicos y consiste en la separacin de ncleos pesados en unos ms pequeos. Reacciones de este tipo liberan grandes cantidades de energa en forma de calor y radiacin, por lo que la materia que se encuentre alrededor del espacio en donde se produce la fisin se calentar.

Los elementos de una central nuclear son: el circuito primario donde se produce la reaccin nuclear, el circuito secundario para la generacin de electricidad, el sistema de refrigeracin y el sistema de seguridad. El circuito primario contiene el reactor nuclear, el combustible fisible (uranio 235 o el plutonio 239), las barras de control que ayudan a acelerar o frenar las reacciones en cadena de liberacin de neutrones; todos estos elementos se albergan dentro de una estructura de contencin hecha de hormign designada para impedir que la radiactividad sea liberada al ambiente.

En un reactor nuclear, cuando un neutrn libre es bombardeado hacia las barras de combustible, el ncleo lo absorbe y se produce una versin inestable del tomo; posteriormente se lleva a cabo la separacin de

ncleo en varios fragmentos, que a su vez chocan con tomos vecinos y producen una reaccin en cadena. La energa liberada en forma de calor gracias a este proceso es utilizada para la produccin de vapor, y dicho vapor es usado de igual manera que en un ciclo termodinmico de centrales termoelctricas.

Existen dos configuraciones de reactores: de agua presurizada y de agua hirviendo. Ambos diseos utilizan agua (ya sea de ro o de mar) como medio de enfriamiento; sin embargo, el aprovechamiento de la propiedad intensiva del agua vara a cada caso.

Reactor de agua presurizada (PWR): El combustible se encuentra dentro de un recipiente con agua, y las altas presiones dentro del reactor impiden que el agua se convierta en vapor pero que s aumente su temperatura. La energa contenida en el agua a altas temperaturas es transferida en forma de calor al circuito de agua, el cual cambia de fase de lquido a vapor y es usado para impulsar las turbinas.

Reactor de agua hirviendo (AWR): El arreglo es similar al del reactor de agua presurizada, excepto que la presin del reactor es menor; por consiguiente, se le permite al agua cambiar de fase lquida a vapor, el cual es utilizada directamente para impulsar las turbinas.

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La gran ventaja de las centrales nucleares es que debido a la gran cantidad de energa que producen, stas son utilizadas como centrales base para suplir la demanda del sistema; adems, no producen emisiones de gases de efecto invernadero al ambiente ya que el combustible utilizado no es de origen fsil. A pesar de ello, tiene la gran desventaja de producir grandes cantidades de residuos radiactivos

nocivos para la salud y, por consiguiente, su manejo y descarte es muy delicado. Otra gran preocupacin que surge con la dependencia de centrales nucleares es la posible prdida del refrigerante, el cual conllevara a que el reactor se funda y la radiacin contenida en l se libere hacia el ambiente. En la Figura 2. 3 y Figura 2. 4 muestran los ciclos de operacin de centrales nucleares.

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Solares

Las tecnologas ms desarrolladas utilizando la energa suministrada por el sol son la fotovoltaica y la de concentracin solar. A continuacin, se hace una descripcin de ambas alternativas de produccin de energa.

Fotovoltaica Las celdas fotovoltaicas convierten directamente la radiacin solar en electricidad, por medio de un fenmeno fsico denominado efecto fotovoltaico. Las celdas fotovoltaicas pueden configurarse para crear mdulos que a su vez pueden conectarse en serie y/o paralelo para incrementar el voltaje y/o corriente y conectarse a la red elctrica, o bien en sitios aislados, por medio de sistemas que incluyen bateras.

A la fecha se pueden definir claramente tres generaciones de desarrollo tecnolgico:

1. Placas planas de silicio cristalino. 2. Lminas delgadas hechas con

silicio amorfo o materiales sin silicio.

3. Tecnologas emergentes e innovadoras, tales como la

concentracin fotovoltaica (espejos o lentes plsticos dirigen rayos solares a celdas fotovoltaicas), celdas fotovoltaicas orgnicas, lminas delgadas diseadas con impresoras de tinta y plsticos conductivos, etc.

En base a lo observado con el transcurso de los aos se espera que se siga invirtiendo an ms en investigacin y mejoramiento de la misma. La produccin de energa elctrica mediante fuentes solares fotovoltaicas ser ms competitiva en comparacin con fuentes de energa convencionales en trminos de precio, vida til y eficiencia.

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Concentracin Solar En contraste a las centrales solares fotovoltaicas, en este tipo de centrales se aprovecha directamente la energa proveniente del sol. La radiacin solar es recolectada a una zona en especfico, provocando que un fluido de trabajo se caliente, que a su vez ser utilizado para mover una mquina trmica y un generador elctrico va ciclo termodinmico convencional con el objetivo de producir energa elctrica; como beneficio adicional, puede aprovecharse la energa trmica del fluido para usos directos, tales como calefaccin, enfriamiento y procesos industriales entre muchos otros. El calentamiento del fluido se hace por lo general por medio de dispositivos pticos (espejos) que concentran la radiacin solar, logrando altas temperaturas.

Las centrales de concentracin solar tienen la ventaja adicional de que

pueden permitir, mediante inversiones adicionales, almacenar la energa en forma de calor, de manera que es posible generar electricidad aun cuando no hay radiacin solar, incluyendo das con alta nubosidad y/o despus del ocaso. Por ejemplo, si se utiliza un fluido con alta capacidad trmica para almacenar la energa solar durante las horas de mayor incidencia, dicha energa puede aprovecharse en las horas de la noche mediante la produccin de electricidad. Centrales con almacenamiento de energa obtienen mejores factores de planta en comparacin con aquellas que no cuentan con dicho almacenamiento.

Hasta la fecha se han diseado e implementado cuatro configuraciones de concentradores solares, los cuales sern presentados en las siguientes secciones.

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Canal Parablico Por ser la primera configuracin desarrollada a nivel mundial, esta representa la tecnologa ms madura. Espejos con forma parablica son ubicados de tal manera que los rayos solares son concentrados en tuberas de acero llamados receptores, los cuales se ubican a lo largo de la lnea focal de los espejos. Las tuberas estn

pintadas con un recubrimiento para maximizar la absorcin de energa y minimizar la radiacin infrarroja; adicionalmente, para reducir las prdidas de calor por conveccin hacia el ambiente, las tuberas operan dentro de un tubo de vaco de vidrio. En la Figura 2. 6 se logra apreciar el ciclo de operacin de una central con esta configuracin.

Figura 2. 6: Central de concentracin solar con canales parablicos y almacenamiento trmico

Referencia: Oficina de Eficiencia Energtica y Energa Renovable.

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Reflectores Fresnel Su distribucin es muy parecida a la de los canales parablicos, con la principal excepcin de que los espejos son planos y/o ligeramente curvados, y que son orientados a diferentes ngulos de inclinacin con la finalidad de concentrar la energa solar en un receptor fijo ubicado a varios metros de altura por encima

del campo de espejos. Las eficiencias pticas obtenidas son menores en comparacin con centrales parablicas; sin embargo, este tipo de centrales son ms simples que las primeras, por lo que la hacen econmicamente ms viable. En la Figura 2. 7 se presenta una central con reflectores Fresnel.

Figura 2. 7: Central de concentracin solar con reflectores Fresnel


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Torres Solares Centrales de este tipo utilizan helistatos, espejos direccionados por computadora, con la finalidad de rastrear el sol de forma individual sobre dos ejes y concentrar la radiacin solar en un nico receptor ubicado en una torre central. Con los helistatos se pueden conseguir temperaturas de operacin mucho ms elevadas que con centrales

parablicas y de reflectores Fresnel; por consiguiente, esta alternativa posee la ventaja de altas eficiencias, mejor almacenamiento trmico y altos factores de planta (Figura 2. 8). Sin embargo, la principal desventaja de centrales con torres solares es el alto costo de inversin y mantenimiento por el uso de los helistatos.

Figura 2. 8: Central de concentracin solar con torre solar


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Discos Solares Sistemas de generacin con esta configuracin disponen de concentradores con forma parablica, parecidos a los discos satelitales, con el objetivo de dirigir la radiacin solar a un receptor ubicado exactamente en el punto focal del disco; el receptor puede ser una mquina Stirling o una micro turbina. Dado a la naturaleza de su configuracin, esta variante tiene la gran ventaja de modularidad, lo cual es ideal para generacin distribuida;

sin embargo, sistemas seguidores de rayos solares de dos ejes son requeridos para obtener altos factores de concentracin y por consiguiente altas temperaturas de operacin. Si bien esta opcin ha sido implementada exitosamente y se han reportado altas eficiencias y resulta una alternativa prometedora, el sistema no ha sido implementado a grandes niveles comerciales. En la Figura 2. 9 se muestra un esquema de esta configuracin.

Figura 2. 9: Central de concentracin solar con discos solares


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Espacial La principal limitacin de las centrales fotovoltaicas consiste en la cantidad de horas en el da en el que se puede obtener el recurso solar y, si con suerte, el da no se encuentra demasiado nublado para su mximo aprovechamiento. Por tal motivo se ha considerado la alternativa de obtener continuamente la energa solar mediante la instalacin de concentradores de rayos solares en el espacio y enviarlos hacia los mdulos fotovoltaicos instalados en los campos solares.

Los satlites enviados al espacio tienen varios reflectores o espejos inflables y un transmisor de potencia de microondas o de lser. Los reflectores y espejos se encargan de recolectar los rayos solares y son dirigidos hacia el transmisor de

potencia para convertir la energa solar en un rayo lser o de microonda. El rayo es orientado ininterrumpidamente hacia centrales receptoras de potencia, donde reciben el rayo y realizan posteriormente la conversin de energa elctrica.

Como es de esperarse, esta tecnologa resulta ser muy costosa por los envos de los satlites al espacio y la construccin de los elementos. A pesar que se ha probado exitosamente en fase de experimentacin la transmisin de 10 kW de potencia en tierra, an le falta mucha inversin en desarrollo para ser implementada a nivel comercial. En la Figura 2. 10 se muestra el modelo conceptual de esta tecnologa.

Figura 2. 10: Concentracin solar fotovoltaica espacial

Referencia: Sistemas Espaciales de Japn.

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Elicas

El calentamiento no uniforme de zonas geogrficas provoca diferencia de presiones atmosfricas, lo cual produce las corrientes de aire (viento). Parques elicos aprovechan la energa cintica disponible en corrientes de aire para producir energa elctrica con la ayuda de turbinas de viento o sistemas de conversin de energa elica. Los labes de las turbinas de viento son impulsados por accin del viento, transformando la energa cintica del viento a energa rotacional para un eje acoplado a un generador y finalmente a energa elctrica mediante electromagnetismo.

Centrales elicas son generalmente clasificadas segn su conexin a la red elctrica (sistema aislado o conectado a la red), caracterstica de la instalacin (en tierra o en alta mar), y el tipo de turbina elica (eje vertical u horizontal). No obstante, gracias al ingenio y creatividad del ser humano, en los ltimos aos la tecnologa de las turbinas elicas ha ido evolucionando drsticamente, causando que se desarrollen nuevas configuraciones y que sus costos sean igual de competitivos con las tecnologas convencionales. Las siguientes secciones complementan con mayor informacin el avance de las configuraciones mencionadas.

Turbinas de Eje Horizontal Instaladas en Tierra Las primeras centrales elicas fueron construidas bajo este principio, por lo que existen comercialmente en todas partes del mundo. El eje es montado paralelo al flujo del viento y del suelo y las aspas estn diseadas de tal forma que se aprovecha al mximo la captura de la energa del viento para convertirla a energa mecnica rotacional.

El nmero de aspas tambin juega un papel muy importante en la eficiencia del generador; tres resulta ser el nmero adecuado ya que otorgan mejor balance a las fuerzas giroscpicas ejercidas a la turbina. Una caja de cambios es una caja con arreglos de engranajes que hace la funcin de amplificador de velocidad baja a alta para el generador.

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Turbinas de Eje Horizontal Instaladas en Alta Mar Esta tecnologa surge bajo el hecho de que en alta mar las velocidades del viento son mucho ms estables y mayores que en tierra firme. Otra diferencia significativa es el tipo de fundacin diseada: las de tierra firme son de concreto mientras que

las de alta mar pueden estar en el agua (tipo flotante) o fijadas en el suelo marino. La Figura 2. 12 muestra una gama de diseos utilizados en proyectos elicos junto con sus caractersticas, ventajas y desventajas.

Figura 2. 12: Resumen de diferentes fundaciones fijas disponibles para turbinas de viento en alta mar

Referencia: Carbon Trust, 2014. Segn lo recopilado en la literatura, la configuracin ms sencilla y comnmente usada es la monopilar; sin embargo, dicha configuracin solamente puede ser instalada en aguas de hasta 30 metros de profundidad. Fundaciones flotantes han sido instaladas usualmente en aguas con profundidades mayores a

los 50 metros debido a que los costos requeridos para una fundacin en el suelo marino son extremadamente altos; no obstante, tales estructuras se encuentran en fase de demostracin.

De acuerdo con el estudio presentado por la Organizacin de Nuevas Energas y Desarrollo

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Tecnolgico Industrial NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) en 2013, las prdidas energticas en el proceso de conversin son las siguientes: entre un 50% a 60% de la energa aerodinmica en las aspas y rotor de la turbina, 4% de la energa

mecnica en la caja de cambios y un 6% de la energa electromecnica en el generador. Con todas estas prdidas tomadas en consideracin, la eficiencia global de una central elica convencional est entre el 30% y 40%.

Turbinas de Ejes Verticales Esta configuracin corresponde a una de las modalidades ms modernas en la actualidad y, por sus resultados obtenidos a la fecha, tiene un potencial muy prometedor para competir con fuentes de produccin convencionales. En comparacin con las turbinas de eje horizontal, estas requieren menos espacio por lo que permiten la instalacin de ms generadores, adems de ser ms fcil la fabricacin y transporte de los elementos. Otros beneficios de esta configuracin son: la reduccin considerable de ruido, un

mantenimiento ms sencillo del generador debido a que ste se encuentra en el suelo, y el efecto sombra o de atenuacin de la fuerza del viento es beneficioso. Finalmente, estas pueden instalarse tanto en tierra firme como en alta mar; sin embargo, por ser una tecnologa relativamente nueva, sus costos de inversin son muy elevados y varios proyectos de este tipo se encuentran en fase experimental. Puede notarse en la Figura 2. 13 el espacio reducido requerido para la instalacin de un parque elico con esta tecnologa.

Figura 2. 13: Parque elico con turbinas de viento de eje vertical


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Turbinas de Viento Flotantes Esta tecnologa surge por el hecho de que a mayor altura la instalacin de la turbina de viento, mayor ser la velocidad de los vientos y por consiguiente una mayor potencia podr ser extrada del mismo. Combina las propiedades de una turbina de viento de eje horizontal y las de un dirigible. El dirigible se infla con helio y es mantenido en su

posicin con cuerdas y estructuras fijadas en el suelo para soportar las fuerzas del viento a elevadas alturas. Ya que estos dispositivos se encuentran a gran altitud, el ruido producido por las aspas es despreciable y requiere de poco mantenimiento. Un prototipo de esta tecnologa es mostrado en la Figura 2. 14.

Figura 2. 14: Prototipo de una turbina de viento flotante


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Marina

Centrales de esta categora aprovechan el ilimitado recurso energtico proveniente de los ocanos, los cuales incluye las olas, mareas, diferencia de temperatura de los ocanos y salinidad. Debido a que la variabilidad de las olas y mareas es

menor en comparacin con la de los vientos, es ms fcil predecir y estimar la generacin. A continuacin, se describen cada una de las alternativas de generacin elctrica con este recurso renovable.

Olamotriz Consiste en el proceso de conversin de la energa mecnica proveniente de las olas superficiales en los ocanos a elctrica. Toda central de produccin de energa de esta categora cuenta con cuatro componentes principales: 1. La estructura y el motor principal

encargado de capturar la energa de la ola y convertirla a energa mecnica.

2. La fundacin o anclaje que mantendr en su lugar la estructura y el motor principal.

3. El sistema de toma de potencia, el cual convierte la energa mecnica en elctrica.

4. Los sistemas de control que salvaguardan y optimizan el rendimiento durante las condiciones de operacin.

De acuerdo con la informacin presentada en el informe de la Agencia Internacional de Energa Renovable (IRENA por sus siglas en ingls) en su documento Energa de Olas: Resumen Tecnolgico del ao 2014, los dispositivos utilizados para capturar la energa de las olas se clasifican en tres tipos: columna de agua oscilante, cuerpos oscilantes y de desbordamiento. La Figura 2. 15 muestra a mayor detalle las diferentes opciones que hay actualmente desarrolladas. Complementariamente, en las Figura 2. 16 a Figura 2. 18 se puede observar diseos de dispositivos que han sido implementados exitosamente.

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Figura 2. 15: Clasificacin de tcnicas de generacin de energa olamotriz

Referencia: Energa de Olas: Resumen Tecnolgico, IRENA, 2014. Figura 2. 16: Convertidores de energa olamotriz por desbordamiento

Referencia: Energa de Olas: Resumen Tecnolgico, IRENA, 2014.

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Figura 2. 17: Convertidores de energa olamotriz con cuerpos oscilantes

Referencia: Energa de Olas: Resumen Tecnolgico, IRENA, 2014. Figura 2. 18: Convertidores de energa olamotriz con columnas de agua oscilantes

Referencia: Energa de Olas: Resumen Tecnolgico, IRENA, 2014.

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Mareomotriz Las mareas son producto de las interacciones gravitacionales del sol y la luna con la Tierra; centrales aprovechan la energa cintica (corrientes de la pleamar y bajamar) y potencial (diferencia de altura entre la pleamar y bajamar) de las masas de agua al implementar turbinas de bulbo similares a las utilizadas en centrales hidroelctricas instaladas en presas.

La generacin de energa con este recurso es posible con las siguientes alternativas:

1. Generacin unidireccional en la bajamar: Durante la pleamar, las compuertas permanecen abiertas para llenar el reservorio y mantenerlo en su nivel ms alto. Cuando inicia la bajamar, el agua del mar desciende del reservorio y pasa por las turbinas. Este ciclo

permite generar electricidad por cuatro horas una sola vez al da.

2. Generacin unidireccional en la pleamar: Durante la pleamar, las compuertas permanecen cerradas para aislar el reservorio y mantenerlo en su nivel ms bajo. Cuando inicia la pleamar, el agua del mar asciende al reservorio y pasa por las turbinas. Este ciclo permite generar electricidad por cuatro horas una sola vez al da.

3. Generacin bidireccional: combina los ciclos operativos de los dos primeros escenarios. El ciclo permite generar electricidad por cuatro horas dos veces al da; sin embargo, el sistema requiere de turbinas reversibles, lo cual hace los costos de inversin ms elevados en comparacin con las dos primeras alternativas.

Figura 2. 19: Central mareomotriz con generacin unidireccional en bajamar


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Maremotrmica En contraste con las tecnologas olamotriz y mareomotriz que aprovechan la energa cintica y potencial de las olas y mareas, la generacin maremotrmica es un tipo de conversin energtica mediante un ciclo termodinmico basado en la diferencia de temperatura que hay entre las aguas tibias superficiales y las aguas fras del fondo marino entre 800 y 1000 metros de profundidad. El agua tibia calienta un fluido de trabajo hasta convertirlo en vapor, el cual es eventualmente transportado hacia las turbinas para extraer su energa y finalmente ser enfriado con el agua del fondo marino.

Con estas centrales se pueden llegar a obtener factores de carga de entre 90 y 95%, una de las ms altas dentro de las tecnologas de generacin existentes; por otra parte, la produccin de energa se logra de manera continua y el recurso es ilimitado. No obstante, es necesario recalcar que esta tecnologa se encuentra en fase de desarrollo para niveles comerciales, por lo que hace de esta una tecnologa muy costosa. Igualmente, los costos se elevan an ms por el hecho de requerir tuberas y sistemas de bombas ms resistentes a la corrosin.

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Figura 2. 20: Ciclo operativo de una central maremotrmica

Referencia: Administracin de Informacin Energtica Departamento de Energa de los Estados Unidos.

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Osmtica Tambin conocida como energa de gradiente de salinidad y energa azul. Se basa en la diferencia de concentracin de salinidad que hay entre dos cuerpos de agua, usualmente agua salada del mar y agua dulce de ros que desembocan al mar. En la actualidad existen dos maneras de obtener energa elctrica mediante esta tecnologa: mediante smosis por presin retardada y la electrodilisis invertida.

En la smosis por presin retardada, una membrana delgada separa los reservorios de agua dulce y agua salada. El agua dulce fluye a travs de la membrana semipermeable hacia el reservorio de agua salada, provocando un aumento en la presin del reservorio. Cuando la presin acumulada en dicho reservorio es considerable se hace pasar por una turbina el cual realiza la conversin de energa elctrica.

La tcnica de electrodilisis invertida utiliza un principio fsico diferente a la smosis por presin retardada para

producir electricidad: crea una diferencia de potencial mediante el transporte de iones de sal por un grupo de membranas. Las membranas selectivamente permeables estn en un arreglo de tal manera en que se produce un intercambio alternado de cationes y aniones. Asimismo, entre las membranas se encuentran compartimientos que almacenan alternadamente agua dulce y agua salada, garantizando as el gradiente de salinidad.

A pesar de ser una tecnologa muy innovadora, an se requiere de mucha inversin en investigacin y desarrollo para ser competitiva comercialmente con otras fuentes renovables. Los principales retos aunados a esta tecnologa son el mejoramiento del diseo y calidad de las membranas para tener alta durabilidad en los procesos de conversin energtica, as tambin como el desarrollo de los mdulos que contienen las membranas, y el pretratamiento del agua.

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Geotrmica

Las centrales geotrmicas aprovechan el potencial energtico de algn fluido de trabajo proveniente de reservorios encontrados bajo tierra para el uso indirecto de produccin de energa elctrica y/o uso directo. El uso directo no involucra conversiones de energa trmica a elctrica, por consiguiente, sta es utilizada para calefaccin y/o

enfriamiento de recintos, procesos industriales y agrcolas. En las Figura 2. 22 y Figura 2. 23 pueden observarse algunas de las aplicaciones ms comunes para el cual el potencial geotrmico es aplicado y su rango de temperatura.

Figura 2. 22: Diagrama Lindal de temperatura de agua y vapor geotrmico recomendado para diversas aplicaciones

Referencia: Reporte del Estado de Energa Geotrmica del Centro Comn de Investigacin 2014, Comisin Europea, 2015.

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Figura 2. 23: Usos directos del recurso geotrmico: Rangos de temperatura de algunos procesos industriales y aplicaciones agrcolas

Referencia: Usos directos de los Recursos Geotrmicos, Universidad las Naciones Unidas Programa de Entrenamiento Geotrmico, 2014.

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Actualmente existen tres tipos de configuraciones de centrales geotrmicas, y la seleccin de stas depende del estado del fluido de trabajo (vapor o agua) y sus

temperaturas. En las siguientes secciones se explican cada una de las configuraciones con mayor detalle.

Vapor Seco Es una de las configuraciones convencionales ms antiguas, siendo la primera construida en el ao 1904. Bajo este diseo, agua en fase de vapor sobrecalentado y de temperaturas superiores a 150C es extrado desde los reservorios y es utilizado para impulsar las turbinas y producir energa elctrica. Una porcin del vapor es posteriormente condensado y reingresado al reservorio con la finalidad de reutilizarlo en el ciclo, mientras que la otra porcin del vapor es evacuada hacia el ambiente. En la Figura 2. 24 se presenta una configuracin tpica de una central geotrmica que opera con vapor seco. Centrales de

generacin geotrmica con este esquema tienen costos de inversin relativamente bajos en comparacin con los dems esquemas; adicionalmente, son altamente eficientes, llegando a valores de entre 50% y 70%. La principal restriccin para implementar esta tecnologa es encontrar reservorios con buen potencial de vapor. Otros aspectos que deben tomarse en cuenta con estas centrales son las concentraciones de gases no condensables en el vapor que sean expulsados al ambiente, la alta corrosividad que puede afectar los elementos de la central.

Figura 2. 24: Central geotrmica accionada por vapor seco

Referencia: Internet.

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Vapor por Destello Una de las configuraciones convencionales ms utilizadas para la produccin de energa elctrica. A diferencia de las centrales geotrmicas de vapor seco, stas utilizan agua en fase lquida con temperaturas mayores a 200C y altas presiones de operacin. Siguiendo el esquema de referencia de la Figura 2. 25, el agua es bombeada y transportada a un tanque en donde la presin del fluido es reducida drsticamente, lo cual provoca el repentino cambio de fase de lquido a vapor (de ah el nombre de destello o flasheo de vapor). La parte del agua convertida a vapor sigue el mismo recorrido que en la configuracin de una central de vapor seco; la parte del agua que se mantuvo en fase lquida se combina con el condensado del vapor usado en las turbinas para ya sea ser reinyectado al reservorio, para un segundo tanque para producir vapor por destello nuevamente y generar ms electricidad, o algn uso directo de calor. Eficiencias energticas globales son funcin de las veces que

el fluido es destellado y si ste es utilizado para otros procesos aparte de el de la produccin de generacin elctrica: si se destella una vez, eficiencias se encuentran entre 30% y 35%; si se destellan dos veces, 35% y 45%. Si se agregan intercambiadores de calor para el proceso de produccin de agua caliente, la eficiencia global es incrementada gradualmente. Centrales geotrmicas de vapor por destello sencillo requieren de un bajo costo de inversin, pero para poder ser competitivas deben disponer de un recurso geotrmico a temperaturas superiores a los 200C; por otra parte, centrales con destello doble demandan mayor costo de inversin y para ser competitivas deben contar con el recurso geotrmico a temperaturas superiores a los 240C. Independientemente de la cantidad de veces que sea destellado el vapor, los costos de operacin y mantenimiento aumentan considerablemente si el recurso tiene una alta concentracin de minerales.

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Figura 2. 25: Central geotrmica accionada por destello de vapor de una etapa

Referencia: Potencial de Sismicidad Inducida en Tecnologas Energticas, 2013.

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Ciclo Binario Es la configuracin ms reciente e innovadora dentro del grupo y se espera que futuras instalaciones de centrales geotrmicas adopten este arreglo ya que operan con el ciclo Rankine orgnico o el ciclo Kalina. Agua a temperaturas cercanas a 60C son transportadas a un intercambiador de calor en donde se transfiere su energa a un fluido de trabajo secundario con una temperatura de ebullicin muy inferior que la del agua, causando que ste cambie de fase lquida a vapor e sea el que impulse las turbinas. La Figura 2. 26 permite visualizar mejor el principio de funcionamiento del ciclo. En comparacin con las tecnologas mencionadas previamente, ste es un ciclo cerrado, lo cual significa que los fluidos primarios y secundarios no se mezclan durante el proceso y esto conlleva a una disminucin en las evacuaciones de vapor y gases nocivos al ambiente virtualmente nulas. Adicionalmente, no se requiere que las temperaturas del agua proveniente del reservorio sean tan elevadas. Una gran desventaja de

este ciclo de operacin es que la eficiencia del sistema es ligeramente inferior a las dems tcnicas. Por ejemplo:

Usando el ciclo Rankine Orgnico se pueden alcanzar eficiencias entre 25% y 45%.

Con el ciclo Kalina pueden obtenerse eficiencias entre el 30% y 65%.

Los costos de operacin y mantenimiento para una central de ciclo Rankine Orgnico son muy elevados debido a que el recurso contiene una mayor concentracin de salinidad que puede afectar los elementos de la planta. En contraparte, los costos de inversin y la complejidad tecnolgica son muy elevados para centrales que utilizan el ciclo Kalina debido a que este esquema es relativamente nuevo. La reduccin de los costos de inversin para centrales con el ciclo Kalina la harn ms competitiva contra la del ciclo Rankine Orgnico solamente cuando haya se efecten ms estudios de diseo y desarrollo.

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Figura 2. 26: Central geotrmica de ciclo binario de una etapa

Referencia: Potencial de Sismicidad Inducida en Tecnologas Energticas, 2013. Las centrales geotrmicas superan a las centrales trmicas que utilizan recursos no renovables (combustibles fsiles) en los siguientes aspectos:

Cuentan con recurso energtico confiable, abundante y renovable puesto que el agua puede ser reingresada al reservorio para producir ms vapor.

Reduccin en espacio fsico de la central generadora ya que no se requiere de un depsito para el almacenamiento del combustible.

Sus costos efectivos son ms baratos ya que no dependen de las variaciones de los precios del combustible.

Las emisiones de gases de efecto invernadero son menores.

A pesar de las ventajas descritas anteriormente, la produccin de energa elctrica mediante esta tecnologa lleva integrado intrnsecamente las siguientes desventajas:

La produccin de energa puede verse limitada por el agotamiento del recurso hdrico en los reservorios.

Los respiraderos naturales no son accesibles en su totalidad y solamente lo estn en ubicaciones selectas. Por otra parte, los respiraderos artificiales son muy lejanos y muy profundos en la tierra para ser lo suficientemente efectivos.

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Almacenamiento de Energa Elctrica

Las tecnologas de produccin de energa renovables no convencionales dependen de la disponibilidad momentnea del recurso, por lo que son consideradas como fuentes intermitentes. Con la finalidad de mitigar tal variabilidad, se recurren a los sistemas de acumulacin de energa, los cuales permiten almacenar la energa en el momento en que se tiene disponible y posteriormente utilizarla cuando sea necesario. En funcin de la tecnologa de generacin de energa elctrica, se presentan a continuacin las diferentes alternativas disponibles de sistemas de acumulacin de energa:

1. Sistemas Mecnicos a. Hidroelctricas con centrales de bombeo b. Aire comprimido c. Volantes de inercia

2. Electroqumicos a. Bateras secundarias b. Bateras de flujo

3. Qumicos a. Hidrgeno b. Gas natural sinttico

4. Elctricos a. Capacitores de doble capa b. Bobina magntica superconductora

5. Trmicos a. Calor sensible b. Calor latente c. Absorcin y adsorcin electroqumica

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Impactos Ambientales

Cada tecnologa de generacin de energa elctrica tiene sus ventajas y desventajas operativas, innovacin, costos, riesgos e impactos ambientales. Dentro de esos impactos ambientales pueden mencionarse los siguientes:

1. Impactos locales: Explotacin de los suelos: el explotar el recurso Agotamiento progresivo de los recursos de origen fsil no

renovables. Generacin de residuos slidos. Contaminacin del aire Contaminacin del suelo y del agua Contaminacin visual Contaminacin auditiva

2. Impactos globales: Contribucin al cambio climtico Reduccin drstica de la capa de ozono Incremento en la formacin de lluvias cidas Prdida de los ecosistemas y biodiversidad

Un anlisis de ciclo de vida es una herramienta muy til al momento de determinar los impactos ambientales asociados la produccin de energa elctrica, independientemente del tipo de tecnologa. Anlisis de ciclo de vida toman en consideracin sistemticamente los procesos requeridos y productos finales para la generacin de electricidad, los cuales incluyen la obtencin, procesamiento, transporte, almacenamiento y suministro de las materias primas, seguido por la produccin y consumo de energa a travs de las materias primas, y finalmente la gestin de las emisiones de los residuos. La Figura 2. 27 es una representacin visual del ciclo de vida general para cualquier fuente de generacin.

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Figura 2. 27: Aspectos considerados en un Anlisis de Ciclo de Vida para un recurso energtico

Referencia: Laboratorio Nacional de Energa Renovable. Basados en los anlisis del ciclo de vida presentado en la Figura 2. 28, las tecnologas ms responsables por impactos negativos al ambiente son aquellas dependientes de combustibles fsiles como el carbn y derivados del petrleo; seguidamente por las centrales que operan con gas natural y por las centrales nucleares por sus nocivos residuos de ndole radiactiva. Por otra parte, tecnologas de generacin con recursos renovables presentan huellas de carbono muy bajas.

A pesar de que estas tecnologas renovables no liberan emisiones de gases de efecto invernadero al ambiente como lo hacen las termoelctricas convencionales, las principales fuentes de huellas de carbono surgen de los procesos de extraccin de la materia prima y manufactura de los materiales de construccin. Dentro de los elementos de construccin que contribuyen a las huellas de carbono pueden mencionarse: las aspas de las turbinas de viento para los parques elicos, los paneles de silicio cristalino para los parques solares fotovoltaicos y los espejos reflectores en centrales de concentracin solar.

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Informacin Bsica, Criterios y

Parmetros

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Captulo 3 INFORMACIN BSICA, CRITERIOS Y

PARMETROS

Pronsticos de Demanda

El Plan Indicativo de Generacin 2017 2031, utiliz el crecimiento de la demanda analizada en el Tomo I: Estudios Bsicos 2017, primera parte del Plan de Expansin del Sistema Interconectado Nacional.

Como resultado de estos anlisis, la Empresa de Transmisin Elctrica (ETESA) pronostica que la demanda de energa elctrica crecer anualmente entre 5.5, 5.9, y 6.1 % a corto plazo (2017-2020), para los escenarios Bajo o Pesimista, Conservador o Moderado y el Alto u Optimista, respectivamente. En el Largo Plazo (2021-2031) se estima que estos parmetros se encuentren dentro de los rangos de 5.4 y 5.7 % de crecimiento anual sostenido.

Para todo el perodo de anlisis, 2017-2031, los respectivos escenarios de energa elctrica crecern anualmente en 5.5, 5.6 y 5.8%. La estrechez del rango de proyecciones entre los tres escenarios, con diferencias menores de 3 y 4 dcimas de por ciento, que se perciben no solo en el corto plazo, es consecuente con las leves diferencias en los principales supuestos que subyacen en los escenarios de pronsticos de la energa elctrica, dentro de un marco

general de factores positivos, que permanecen insertos en los escenarios econmicos analizados. Dichos escenarios presentan alternativas de desarrollo de la economa, realista y viable, que en las condiciones actuales no son tan diferentes ni mucho menos excluyentes entre s, que a su vez puedan desarrollar demandas elctricas muy disparejas entre s.

Los fundamentos de estos anlisis en el corto plazo se encuentran en las premisas tomadas para dichos aos, especialmente, aquellas relacionadas con las expectativas favorables; resultantes de las operaciones ampliadas del Canal de Panam, convergentes con nuevas operaciones aeroportuarias, que se traducen en el perfeccionamiento de la plataforma logstica de intercambio comercial global, regional y local. Adicionalmente, se tienen los beneficios de los proyectos estatales de la modernizacin de la infraestructura fsica, econmica y social, especialmente del rea metropolitana todos los cuales estn intrnsecamente relacionadas con las hiptesis de crecimiento econmico, utilizadas en el pronstico de electricidad.

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Con respecto al pronstico de la demanda de potencia elctrica, ETESA prev un crecimiento acumulado anual entre 5.2 y 5.5% a corto plazo (2017-2020) y entre 5.13, 5.18 y 5.22 % a largo plazo (2021-2031) en los respectivos escenarios pesimista, conservador y optimista. Para todo el periodo de anlisis (2017-2031), los resultados esperados, se encuentran respectivamente en 5.16 y 5.33%.

Es conveniente destacar que, para el periodo de Corto Plazo, los parmetros de generacin y potencia de los tres escenarios alternativos se mantienen en magnitud con una leve declinacin con respecto a los estimados presentados anteriormente en los PESINs, especialmente en los informes de los aos 2011-2025 al 2015-2029. Esta leve disminucin, 1 a 2 dcimas de por ciento, refleja elementos de ndole interna y aspectos derivados del reajuste del comercio y de la economa mundial.

A lo interno de nuestra economa, la disminucin de tasas de consumo y potencia de energa con respecto al desempeo estimado para aos anteriores, son consecuentes con recientes expectativas econmicas ms realistas, a nivel estatal y privado, en las que se revalan la prioridad de necesidades y se enfatiza en la administracin de los recursos disponibles Por lo cual, los plazos de culminacin de algunos proyectos anteriormente planteados se alargan en el tiempo, o son postergados al mediano y el largo plazo, mientras otros vuelven a las

etapas de pre-factibilidad, a la espera de mejores condiciones, para el inicio de su ejecucin.

Las actuales proyecciones de energa elctrica en el largo plazo, van de la mano con las expectativas econmicas nacionales, en donde los parmetros de crecimiento de la economa, se acercan al potencial de crecimiento de Panam. Esperando, que luego de la reduccin del impulso reciente de la evolucin econmica, los periodos subsiguientes sean acorde a un proceso ordenado de una economa en desarrollo, con tasas de crecimiento del PIB estables, entre 5 a 6%, que se reflejen en los pronsticos de consumo y potencia de energa elctrica a un nivel de 5%.

Estos nuevos pronsticos estn sintonizados, con las actuales perspectivas del crecimiento global y de la regin latinoamericana, que se han estado reduciendo, en momentos que declinan las economas lderes de Estados Unidos y Europa Occidental y por consiguiente su demanda internacional de bienes. A la presente debilidad de las economas emergentes como Brasil, Rusia y al renfoque hacia su mercado domstico de economas como India y China ante la fuerte declinacin del comercio mundial de bienes manufacturados. Esta declinacin y cada de la demanda de materias primas y/o en la prctica, la paralizacin del comercio mundial, con sus efectos derivados en las actividades motores de la economa panamea.

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PESIN 2017

En la Tabla 3. 1 se muestra el resumen de los escenarios medio o Moderado, alto u Optimista y bajo o

Pesimista de la proyecciones previstas para el periodo 2017 - 2031.

Tabla 3. 1: Pronstico de Demanda.

Nota: El Modelo incluye Autoconsumo de ACP. Referencia: ETESA, Tomo I: Estudios Bsicos, Plan de Expansin 2017.

Aunque en la tabla anterior no se muestra la demanda de Minera Panam, S.A., si se incluye en los modelos de optimizacin como demanda fija, el consumo de demanda de Minera Panam, S.A., el cual se estima segn datos d

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Plan de Expansión del Sistema Interconectado … · Duración de la Ejecución del Proyecto..... 151 Simulación ... 98 391. Tomo II – Plan Indicativo de Generación 2017 – 2031