TEMÁTICA - Revista Politécnica · 2020. 7. 8. · Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No....
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es contribuir al conocimiento científico y tecnológico, mediante la publicación de estudios científicos relacionados a las áreas de
ciencias básicas (física, química y matemática) e ingenierías (agroindustria, ambiental, civil, eléctrica, electrónica, geología, mecánica,
petróleos, sistemas y química). La Revista Politécnica está dirigida a profesionales e investigadores que trabajan en estos campos del
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CONSEJO EDITORIAL
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Teléfono: (+593) 2976300 ext. 5220
EDITOR Oscar Eduardo Camacho, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
Enio Da Silveira, Ph.D.
Universidad Católica de Río, Brasil.
Carlos Smith, Ph.D.
University of South Florida, Estados
Unidos
Gyimah-Brempong Kwabena, Ph.D.
University of South Florida, Estados
Unidos
Raymundo Forradelas, Ph.D.
Universidad Nacional del Cuyo,
Argentina
Ricardo Carelli, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina.
Vanderlei Bagnato, Ph.D.
Universidad de Sao Paulo, Brasil.
Rui Pedro Pinto de Carvalho, Ph.D.
University of Coimbra, Portugal
Vicenzo Vespri, Ph.D.
Università degli studi di Firenze, Italia
Oscar Ortiz, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina
Gustavo Scaglia, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan,
Argentina
Chen Ning, Ph.D.
Universidad de Mineralogía y
Tecnología de China, China.
Alex Ruiz Torres, Ph.D.
Universidad de Puerto Rico, Puerto
Rico.
CO-EDITORA Silvana Ivonne Hidalgo Trujillo, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional
Lizandro Solano, Ph.D.
Universidad de Cuenca, Ecuador
Romel Montufar, Ph.D.
Pontificia Universidad Católica,
Ecuador
Marcos Villacís, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Andrés Rosales, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Danilo Chávez, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Oscar Camacho, Ph.D.
Universidad de Los Andes, Venezuela
Carlos Ávila, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Rector
Jaime Calderón, MBA
Vicerrector de Investigación y
Proyección
Alberto Celi, Ph.D.
Vicerrector de
Docencia
Tarquino Sánchez, MBA
AUTORIDADES
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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PALABRAS DEL EDITOR
Esta edición de la Revista Politécnica muestra significativos trabajos realizados por importantes
investigadores sobre diversos temas. Estas diferentes contribuciones muestran un amplio alcance con un rico
contenido científico, algunos de ellos poseen una aplicación potencial en nuestro entorno.
El primer artículo es realizado por Mayorga y Rivera, quienes presentan una investigación asociada a los
Sistemas de Información Geográfica (GIS) como herramienta clave para la eficiente planeación y respuesta
ante la ocurrencia de derrames de petróleo en el Ecuador. Este trabajo pretende determinar las zonas proclives
a derrames de hidrocarburos, establecer las zonas vulnerables que podrían ser afectadas cuya conservación es
prioritaria y sugerir alternativas para reducir los tiempos de respuesta frente a emergencias.
En el segundo trabajo, Oscullo y Romero, muestran un análisis para el periodo 2011- 2015 mediante la
evolución de indicadores electro-energéticos del Sistema Nacional Interconectado (SNI) del Ecuador
considerando las diferentes fuentes disponibles de producción de energía eléctrica, así como también del
consumo. Seleccionando adecuadamente un conjunto de indicadores que son función de la expansión y
operación de los distintos recursos de generación, permiten, de una manera gráfica, determinar la robustez
para un sistema eléctrico. Esta disposición gráfica del valor en porcentaje de cada indicador en un eje, se lo
conoce como la herramienta denominada “Rosa de Robustez”; donde cada indicador a ser considerado se
obtiene en base a la información disponible en documentos oficiales de las instituciones del sector energético
En el tercer documento, Armijos-Abendaño y colaboradores, hacen un estudio de la curva de rotación de la
galaxia NGC 7331 situada a 14,7 Mpc de la Tierra. La curva de rotación se deriva usando observaciones
radioastronómicas del monóxido de carbono (CO. Se revela que el ensanchamiento de la línea de CO,
transición 2-1, está dominado por efectos turbulentos del gas de CO antes que por efectos térmicos. Asimismo,
se estudia el campo de velocidades de NGC 7331, lo que pone en evidencia la rotación de la galaxia en el
sentido de las agujas del reloj.
El cuarto trabajo es realizado por Quistial y colaboradores. Ellos presentan en su artículo modelos para el
cálculo de pérdidas de trayectoria en ambientes con línea de vista y sin línea de vista para microceldas en la
banda de 900MHz. Para obtener el modelo de pérdidas de trayectoria utilizan el método de aproximación por
mínimo cuadrado y lo determinan a partir de mediciones realizadas en la ciudad de Quito de potencia recibida
en diferentes puntos de una zona de cobertura. Las expresiones de los nuevos modelos obtenidos se basan en
los modelos existentes de espacio libre, Okumura, Okumura - Hata, COST - 231, Egli y Walfisch. Los métodos
de ajuste de los modelos existentes a las mediciones fueron el del error cuadrático medio y el método simple.
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En el quinto artículo, Aguilar–Jaramillo y Aguinaga describen un modelo eléctrico equivalente de una celda
electrolítica simple, utilizada para la producción de hidrógeno a partir de vapor sobrecalentado de agua, con
la finalidad de brindar una base teórica que pueda ser aplicada al momento de elegir o diseñar equipos para
sistemas de electrólisis de este tipo. Para ello realizan el estudio de los componentes que conforman el
electrolizador, las leyes y ecuaciones que rigen el comportamiento del sistema, las variables que inciden en la
producción de hidrógeno, así como la espectroscopia de impedancia electroquímica, esta última útil para
interpretar de forma matemática los fenómenos que se presentan en el proceso de electrólisis. La
implementación y simulación del modelo análogo por circuito eléctrico equivalente (EEC) de la celda
electrolítica, utilizando las características de un electrolito de YSZ, un ánodo de LSM y un cátodo de Ni -
YSZ, permitió concluir que se pueden obtener resultados eficientes en la producción de hidrógeno a mayor
área transversal del electrolito y menor separación entre los electrodos, al trabajar con una señal de excitación
de pulsos a frecuencia de resonancia y a temperaturas de vapor sobrecalentado altas
Finalmente, Casa y colaboradores realizan un estudio que tiene como objetivo principal desarrollar la
modelación numérica del flujo rasante en una rápida escalonada aplicando el paquete comercial FLOW -3D.
En la actualidad el diseño de este tipo de estructuras se realiza con el uso de expresiones empíricas obtenidas
con base en la modelación física y estudios complementarios en la modelación numérica del flujo sobre la
rápida escalonada con apoyo de un código CFD. Con el modelo numérico obtenido se busca estimar la
velocidad del flujo en la región uniforme, y el coeficiente de fricción para cuatro caudales de operación de la
rápida escalonada.
Deseamos que el contenido de este volumen sea de interés para los lectores de la Revista Politécnica.
Oscar Eduardo Camacho Quintero, Ph.D.
EDITOR
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CONTENIDO Vol. 41, No. 2
MAYO – JULIO 2018
7
Mayorga, Henry Santiago; Rivera, José Luis
Environmental Risks for Oil Spills in Northeastern Ecuador using GIS: Response
Times and Vulnerable Areas
Riesgos Ambientales por Derrames de Petróleo en el Nororiente Ecuatoriano usando
GIS: Tiempos de Respuesta y Zonas Vulnerables
15
Oscullo, José; Romero, Luis
Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del Ecuador
Determination of the Rose of Robustness for the Electrical Matrix of Ecuador
23
Armijos-Abendaño Jairo; López Ericson; Llerena Mario; Aldas Franklin
Cinemática y Masa dinámica de la Galaxia NGC 7331
Kinematics and Mass of the NGC 7331 Galaxy
29
Quistial, Alvin; Lupera Morillo, Pablo; Tipantuña, Christian; Carvajal, Jorge
Modelo Matemático Adaptado para el Cálculo de Pérdidas de Propagación en la
Banda de 900 MHz para Microceldas en la Ciudad de Quito
An 900 MHz Adapted Path Loss Model for Microcells in Quito
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37
Aguilar-Jaramillo, Edwin; Aguinaga, Álvaro
Modelamiento y Simulación de la Producción de Hidrógeno en un Electrolizador a
Partir de Vapor Sobrecalentado de Agua
Modeling and Simulation of Hydrogen Production in an Electrolyzer from Superheated
Water Vapor
53
Casa E.; Hidalgo X.; Castro M.; Ortega P; Vera P
Modelación Numérica del Flujo Rasante en una Rápida Escalonada Aplicando la
Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Mediante el Uso de Flow-3D
Numerical Modeling of Flush Flow in a Rapid Step Applying Computational Fluid
Dynamics (CFD) Using Flow-3D
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Environmental Risks for Oil Spills in Northeastern Ecuador using GIS: Response Times and Vulnerable Areas
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
[email protected] Recibido: 17/08/2017
Aceptado: 20/07/2018
Publicado: 31/07/2018
11. INTRODUCTION
Ecuador is one of the most biodiverse countries in the world,
considering the number of species per unit area (Bravo, 2014).
Its territory has a set of ecological, geographical and climatic
conditions to denominate it as a megadiverse country (Finding
Species, 2010). This diversity has become a strategic axis for
Ecuador. Therefore, proposals are being implemented to
conserve their wealth and to exploit resources in a rational way
in order to ensure sustainable development (IGM, 2014).
Every industrial process implies the generation of a certain
impact on the environment that surrounds it (Escrig, 2008).
However, activities such as exploration, production and
transportation of oil are prone to cause major damage.
Throughout the history of Ecuador, there have been several
cases of environmental disasters related to oil industry,
especially oil spills.
Environmental Risks for Oil Spills in Northeastern Ecuador using
GIS: Response Times and Vulnerable Areas
Mayorga, Henry Santiago1; Rivera, José Luis1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería en Geología y Petróleos, Quito, Ecuador
Abstract: In the present investigation Geographic Information Systems (GIS) are used as a key tool for an efficient
planning and response to the occurrence of oil spills in Ecuador; considered as a megadiverse country. It is intended
to identify areas prone to oil spills, to identify vulnerable areas which conservation is a priority, and to suggest
alternatives to reduce response times to these emergencies. The area of study corresponds to seven blocks of the
Northeastern Ecuador, an area of immense ecological value, in which oil activities are developed. GIS was used to
perform spatial analyzes of wells, platforms, production stations, oil pipelines and environmental factors such as
protected areas. In addition, a statistical analysis was carried out to determine if the proximity to roads, houses, towns,
rivers and flood zones are risk factors that could cause oil spills. An innovative proposal is presented to improve the
prior planning and remediation of oil spills by identifying patterns of occurrence and vulnerable zones with GIS; thus
minimizing environmental and social impact through rapid response. It also allows operating companies to update
their contingency plans to respond effectively to new emergencies and optimize their resources, providing a new
alternative to conserve the enormous biodiversity of Ecuador.
Keywords: GIS, Oil Spills, Ecuador.
Riesgos Ambientales por Derrames de Petróleo en el Nororiente
Ecuatoriano usando GIS: Tiempos de Respuesta y Zonas
Vulnerables
Resumen: En la presente investigación se utilizan Sistemas de Información Geográfica (GIS) como herramienta
clave para una eficiente planeación y respuesta ante la ocurrencia de derrames de petróleo en el Ecuador; considerado
como un país megadiverso. Se pretende determinar las zonas proclives a derrames de hidrocarburos, establecer las
zonas vulnerables que podrían ser afectadas cuya conservación es prioritaria y sugerir alternativas para reducir los
tiempos de respuesta frente a estas emergencias. La zona de estudio corresponde a siete bloques del Nororiente
ecuatoriano, área de inmenso valor ecológico a nivel mundial en la cual se desarrollan actividades petroleras. Se
utilizó GIS para realizar análisis espaciales de pozos, plataformas, estaciones de producción, oleoductos y factores
ambientales como áreas protegidas. Además, se realizó un análisis estadístico para determinar si la cercanía a vías,
casas, poblados, ríos y zonas inundables constituyen factores de riesgo que puedan ocasionar derrames. Se presenta
una propuesta innovadora para mejorar la planificación previa y remediación de derrames de petróleo al identificar
patrones de ocurrencia y zonas vulnerables mediante GIS; minimizando con ello el impacto ambiental y social
mediante una rápida respuesta. Además permite a las empresas operadoras actualizar sus planes de contingencias para
responder eficazmente ante nuevas emergencias y optimizar sus recursos, convirtiéndose en una nueva alternativa
para conservar la enorme biodiversidad del Ecuador.
Keywords: GIS, Derrames de Petróleo, Ecuador.
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Mayorga, Henry Santiago; Rivera, José Luis
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
An oil spill represents the discharge (intentionally, by accident
or by incorrect work practices) of hydrocarbons into the
environment (Udoh, 2010). Oil spills are a major source of
human contamination, as they can spread rapidly depending on
the type of hydrocarbons and topographical and climatological
conditions in the area (Zambrano, 2015). Effects produced by
a spill can be persistent over time, putting lives of humans and
species at risk (ITOPF, 2011).
Insufficient investment in infrastructure and research, lack of
legislation and environmental education have been the main
factors for developing countries not having considered the
damaging effects generated by an oil spill (Lawler, Horst, &
Champan, 2011). Specifically, in Ecuador, there are several
historical causes that have caused oil spills such as natural
disasters, technical and human failures, lack of environmental
awareness of domestic and foreign companies, poor
maintenance of oil facilities, sabotage and vandalism
(Mohamadi, 2015).
Although we can not predict the occurrence of an oil spill, nor
the degree of involvement that could cause in the ecosystem,
we must be prepared by prevention and quick response tools
to reduce possible environmental risks (Udoh, 2010). The
updated contingency plans are the main procedures for dealing
with oil spills (Mohamadi, 2015). A contingency plan is a
program to achieve an immediate, organized and effective
response to an emergency within the different phases of the oil
industry; which details the actions, equipment and
responsibilities of personnel to control, remedy and minimize
the damage caused by an oil spill (Torres, 2011).
The areas where oil activities in Ecuador are developed,
particularly protected areas, represent zones of immense
ecological value worldwide. So, it is necessary to make
environmental sensitivity maps that could be of vital
importance for conservation of planet's biodiversity
(OILWATCH, 2004).
These maps can be made using Geographic Information
Systems (GIS), software used to manage geographic data that
allows the integration of different types of information and
communicate the results obtained visually (IPIECA, 2012).
The advantage of GIS is that it improves the pre-contingency
planning of an oil spill by establishing priority areas to be
conserved and facilitates communication through a rapid
information link (IPIECA, 2012). The use of GIS helps to
minimize the effects that a hydrocarbon spill may cause on the
environment and reduce the economic costs that should be
incurred by companies in their remediation.
Secretary of Hydrocarbons, entity of regulation of oil activities
in Ecuador, divided the country territorially into 83 areas
called “oil blocks” (Figure 1). This division was carried out in
accordance with Hydrocarbons Law, which establishes a space
of no more than 200 000 hectares for the awarding of oil
exploration and production contracts to operating companies.
These oil blocks are designated by a number, a name and its
operating company.
This research intends to identify areas prone to oil spills, to
determine vulnerable areas that could be affected and establish
optimal response times; analyzing patterns of occurrence of oil
spills based on historical data in seven oil blocks of the
Northeastern Ecuador. The results obtained in the present
project will be of great relevance for state and private
companies involved in the oil industry in Ecuador owing to the
lack of similar studies in the area of analysis.
2. METHODOLOGY
2.1 Study Area
The zone of analysis is located in Northeastern Ecuador
(Figure 1). The oil blocks studied were Block 12 (Eden-
Yuturi), Block 15 (Indillana), Block 58 (Cuyabeno-Tipishca)
and Block 59 (Vinita) operated by Petroamazonas EP, Block
16 (Iro) operated by Repsol, Block 53 (Singue) operated by
Gente Oil and Block 62 (Tarapoa) operated by Andes
Petroleum. These companies were in charge of the operation
of the blocks of analysis at the time of the study.
Figure 1. Oil Blocks in Ecuador and Study Area.
2.2 Data acquisition
The Environmental and Social Reparation Program of the
Ministry of Environment (PRAS-MAE) is the state agency that
keeps the official count of oil spills in Ecuador. This institution
makes a complete survey of information to determine its
causes in situ and propose remediation programs. It is a legal
obligation to operating companies to report oil spills and apply
contingency measures to reduce possible environmental and
social effects.
A total of 1168 oil spills have been registered from 1972 to
2015 in Ecuador by PRAS-MAE. Of this total, 61 oil spills are
located within the investigated blocks, as shown in Figure 2.
Wells, platforms and production stations were obtained from
PRAS-MAE database. Oil pipelines, roads, rivers, houses and
villages were downloaded from the website of Instituto
Geográfico Militar (IGM, 2015). The National Information
System provided the layers of mass movements and flood
zones (SNI, 2010). Finally, protected areas were drawn by
georeferencing the map of the National System of Protected
Areas of Ecuador. All these parameters will be used in later
analyzes.
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Environmental Risks for Oil Spills in Northeastern Ecuador using GIS: Response Times and Vulnerable Areas
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Figure 2. Location of Oil Spills in the Study Area.
2.3 Data processing
Spatial analyzes were made using ArcGIS version 10.3. The
processes and tools used in each of the stages of study are
detailed below.
Causes of Oil Spills: Selections by attributes were used to establish the causes of oil spills in the study area and
to determine what type of oil facility was associated
(well, platform or oil pipeline). A generalized linear
model for binary data was then performed using the
program SPSS version 23. A total of 74 possibilities (61
oil spills, 14 random control points and 1 case excluded
by the program) were taken, in which it is considered the
probability that an oil spill occurs as a dependent variable
and as categorical factors to its proximity to roads,
houses, towns, rivers and flood zones. This statistical
analysis allowed to determine if these environmental and
social variables represent risk factors that could directly
influence in the occurrence of oil spills.
Determination of Oil Spill Zone Prone (OSZP): The maximum impact radius reported in the 61 oil spills is
approximately 100 meters, so that buffers of 300 meters
were created around the points of location of these
events. Then, areas with a pattern of occurrence prone to
oil spills were drawn.
Determination of Vulnerable Areas: Vulnerable areas are the zones of primary protection when an oil spill
ocurrs. For their identification, environmental sensitivity
factors such as protected areas, flood zones, rivers,
houses and villages in each block were superimposed on
a map.
Response Times for Oil Spills: Information in the contingency plans by block was analyzed. Then, stations
where it would be recommended to locate human and
material resources, as well as the type of transport
suitable to reduce response times against an oil spill were
proposed. For a vehicle traveling by land, routes were
drawn along the roads from the chosen station to the most
distant points in which a particular oil facility is located.
Also considering an average speed of 30 km/h (average
speed of heavy transport on the roads in the East of
Ecuador), maximum times of response were calculated.
Finally, to determine the time it would take to arrive by
helicopter at the most distant point of an oil facility in
each block of analysis, trajectories of rectilinear flight
were drawn and it was considered that in this type of
emergencies the average speed is 180 km/h (Exxon,
2008).
3. RESULTS
As can be seen in Figure 3, of the 61 oil spills occurred in the
study area, 50 of them are registered in Cuyabeno-Tipishca
Block, 5 in Tarapoa Block, 3 in Indillana Block, 2 in Iro Block
and 1 in Vinita Block. While in Eden-Yuturi and Singue Block
no oil spills have been recorded.
Figure 3. Number of Oil Spills per Block.
3.1 Causes of Oil Spills
Of the total oil spills registered, 19 were caused by corrosion
(31 %), 16 were caused by mechanical failures (26 %), 12
without determining their cause (20 %), 8 of them occurred by
attacks (13 %), 6 for human failures (10 %) and there was no
event that originated because of natural disasters. With respect
to the oil facility associated to each oil spill, it was verified that
20 occurred in production stations (33 %), 1 originated in flow
lines (2 %), 38 oil spills are associated to wells (62 %) and 2
of them occurred in platforms (3 %), as shown in Figure 4.
In the generalized linear model it was obtained that the
significance values for each categorical factor are greater than
0,05 (ρ> 0,05), so it is deduced that at least for the socio-
environmental factors considered there is no significant
influence that explains the reason why oil spills occur in the
study area. The ρ values are presented in Table 1.
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Mayorga, Henry Santiago; Rivera, José Luis
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
Figure 4. Causes of Oil Spills and associated Petroleum Facility.
Table 1. ρ values per categorical factor studied.
Categorical Factor ρ
Houses 0,999
Towns 1,000
Roads 0,999
Rivers 0,764
Flood Zones 0,856
3.2 Determination of Oil Spill Zone Prone (OSZP)
An OSZP was identified in the study blocks, whose
approximate area is 52 square kilometers. This area is located
in the Cuyabeno-Tipishca Block as shown in Figure 5. In this
zone have occurred 43 of the 61 oil spills, that is, 70,5 % of
total oil spills are recorded in this zone.
Of these, 43 oil spills were determined that 13 were caused by
corrosion, 12 were caused by a mechanical failure, 7 spills
have not been established, 7 of them occurred by attacks and 4
by human failures. Considering the petroleum facility to which
they are related, 13 spills are associated with production
stations and 30 occurred in wells.
Figure 5. Zone prone to the occurrence of Oil Spills.
3.3 Determination of Vulnerable Areas
124 villages, around 6000 houses and 3 protected areas of
global ecological importance (Cuyabeno Fauna Production
Reserve, Yasuni National Park and Limoncocha Biological
Reserve) were identified as shown in Figure 6a. In addition,
flood zones and the rivers that cross the studied oil blocks
proposed in Figure 6b.
Figure 6. Vulnerable Areas.
3.4 Response Times for Oil Spills
It was determined that Sansahuari and Cuyabeno Station,
being within the OSZP and where 65 % of the events
associated with production stations occurred, represent the
best options for locating the equipment for oil spill response
throughout this area. The use of vehicles of heavy transport by
land constitutes the means of transport advisable for this zone.
The maximum time it would take to get from both stations to
the furthest point in this area is 13 minutes at an average speed
of 30 km/h (Figure 7).
In addition, two alternatives are proposed by air for an
effective response to all research blocks and areas without a
likely pattern of occurrence, using a helicopter containing spill
containment and remediation equipment (Figure 8a and 8b).
One option is to locate the helicopter in Tarapoa Base Camp,
which would achieve a specific point in an average time of
approximately 17 minutes. The other alternative is to locate it
in the Cuyabeno Station, taking on average 19 minutes to reach
a future spill. This is a reasonable time considering the most
distant point of the covered area and depending on the speed
of the helicopter, this time could be reduced.
Figure 7. Response Times for Oil Spills in the OSZP.
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Environmental Risks for Oil Spills in Northeastern Ecuador using GIS: Response Times and Vulnerable Areas
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Figure 8. Response Times by Helicopter.
4. DISCUSSION
The area of study is a place of immense biological value
because it presents unique ecosystems in the world and a high
degree of endemism of species (Acción Ecológica, 2006), but
also represents a site of economic interest because of oil
reserves found. As a result, this research is of great importance
for responsible oil exploitation in Ecuador because areas with
the highest probability of occurrence of oil spills and
vulnerable zones that are of priority conservation have been
identified, thus improving response times.
The Cuyabeno - Tipishca Block registers the greatest number
of spills (82 % of the total). This block represents one of the
main mature fields of exploration and production of Ecuador,
with an approximate production of 25 000 BOPD. However, it
is verified that there is no relationship of dependence among
the production of a given block with respect to the number of
spills. An example is the Eden-Yuturi Block with a production
of around 50 000 BOPD but does not record the occurrence of
any emergencies caused by oil spills (ARCH, 2013).
4.1 Causes of Oil Spills
According to the BBC (2013), its study was to determine the
causes of oil spills in Ecuador, it is estimated that 539 spills
have been recorded from 2000 to 2010. The results showed
that 27 % of them occured through corrosion, 26 % for attacks,
18 % for mechanical failures, 15 % without data, 12 % for
human failures and 2 % for natural disasters. While in this
investigation, it was obtained that corrosion and mechanical
failures represent the causes with greater percentage.
Consequently, the two studies agree that corrosion is the main
cause of occurrence of oil spills in Ecuador.
In addition, the generalized linear model indicates that at least
for the categorical factors considered (houses, towns, roads,
rivers and flood zones) there is no direct risk relationship in
the occurrence of oil spills. Oil spills in the study area are
mostly caused by operational problems owing to the lack of
adequate and constant maintenance of the equipment and
installations by the operating companies.
Considering the oil facility in which oil spills have occurred,
the largest percentage occured in wells and production
stations. Contrary to what was presented in the analysis by
Achebe et al. (2012), which determines that oil pipelines
represent the facility with the highest number of associated oil
spills and despite the fact that main oil pipeline of Ecuador,
SOTE, has exceeded its optimal life (BBC, 2013), in the
investigated blocks there are only 2 % of them occurring in
flow lines.
The high percentage of oil spills for attacks is because of the
proximity of the study area with respect to the border with
Colombia, the possible presence of insurgent groups,
settlements of uncontacted indigenous communities, that the
operating companies dissociate themselves from any
responsibility and possible sabotage of people to obtain
compensation. In addition, most of the area presents lands of
low susceptibility to mass movements so there is a low
percentage of oil spills caused by natural disasters.
The number of oil spills related to human failures could be
significantly reduced through adequate staff training and
strong policies against alcohol and drug use during workdays
(DeCola & Sierra, 2006).
4.2 Determination of Oil Spill Zone Prone (OSZP)
The OSZP is located in the southern part of the Cuyabeno-
Tipishca Block, very close to the Singue Block. It represents
only 3 % of the total territory of Block 58. Although its area is
minimal compared to the total of the block, this zone has the
most oil facilities and human settlements. In this zone has
occurred a 70,5 % of the total events, which demonstrates an
area with a high probability of occurrence of future oil spills.
This identified area is the only one that presents a clear pattern
of occurrence to oil spills.
4.3 Determination of Vulnerable Areas
Ecuadorian Amazon is a very fragile habitat and events like oil
spills can cause ecological and economic consequences,
affecting fauna and flora, tourism and the communities that
inhabit it (BBC, 2013). This research found that the study area
is highly vulnerable resulting from the large number of houses
and villages near the oil facilities, the presence of 3 protected
areas of global ecological importance and rivers that could
cause emergencies of greater magnitude.
There are three fundamental problems that could lead to
catastrophic consequences in the study blocks. The first is the
fact that the oil spill zone prone is being limited to the
Cuyabeno Reserve and that oil spills have been recorded
within protected areas. The Yasuní National Park, with almost
one million hectares, is the most biodiverse place on the planet
and a symbol of preservation for its ecological and cultural
wealth (Larrea, 2011). Likewise, the Cuyabeno Fauna
Production Reserve and the Limoncocha Biological Reserve
are sensitive and priority conservation areas in case of the
occurrence of oil spills, as they are home to one of the largest
concentrations of wildlife, both in flora and fauna, many of
them in danger of extinction (Acción Ecológica, 2006).
The second problem is that there are 124 villages in the area
under investigation, including uncontacted indigenous
11
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Mayorga, Henry Santiago; Rivera, José Luis
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communities (such as Huaoranis, Tagaeris and Toromenanes),
who would be seriously affected by the occurrence of an oil
spill. In addition to causing diseases in people, depending on
the impact of the spill, communities that depend on fishing and
rivers as a source of drinking water would have great
implications for their survival (Chang et al., 2014).
Finally, it was observed that the Cuyabeno River crosses the
oil spill zone prone and flows directly into the Cuyabeno
Reserve. Also, most of the blocks contain permanently flooded
areas; this could generate a rapid dispersion of the spilled oil
and cause further environmental damage.
4.4 Response Times for Oil Spills
The great vulnerability of the study area altogether with
environmental conditions that favor a rapid spread of
hydrocarbons, it is necessary a prompt and effective response
to reduce the impacts that oil spills could generate. For this, all
information of the contingency plans, such as equipment and
personnel necessary to deal with these events, should be
carefully analyzed. But, despite being a requirement for the
award of the environmental license prior to any operation in
the oil industry in Ecuador (Constitution of Ecuador, 2008), it
is incomprehensible that contingency plans of all the analyzed
blocks are not available and they are not properly updated. For
an adequate ecological protection, there is a need for localized
GIS operations with local data to assist in immediate response.
This is the case of the Cuyabeno-Tipishca Block that is of
special interest since in its territory is the OSZP and whose
contingency plan establishes only the equipment required for
the containment of spills, but their location is not specified. So,
it has been recommended to locate them in strategic
production stations that allow obtaining appropriate response
times for this type of emergencies.
The best proposal to reduce the response time in the OSZP is
to place the equipment in the Sansahuari and Cuyabeno
Stations and to use vehicles of heavy transport by land. The
maximum estimated time is 13 minutes; this improves the
response time suggested in the contingency plan of the
Cuyabeno-Tipishca Block. While two alternatives were
proposed to contain oil spills by means of a helicopter, either
to locate it in the Cuyabeno Station or in the Tarapoa Base
Camp. In both cases response times are low (20 minutes on
average) and it could reach any point where an oil spill could
be generated. This approach was made in view of the fact that
there are not enough roads to reach all oil facilities by land and
it would take too long. The only limitation is that the blocks
are operated by different companies, which requires the
intervention of the national environmental authority to achieve
a mutual agreement among them. In addition, it is more
economically feasible to locate a helicopter in the whole area
than one per block.
Through these proposals, it is possible to deal with oil spills
effectively by reducing response times and involving all
companies in order to achieve sustainable oil exploitation in
Ecuador.
5. CONCLUSIONS
A total of 61 oil spills have been recorded in the study area.
The main causes are corrosion and mechanical failures; most
of the oil spills occurred in wells and production stations. It is
concluded that the oil spills in this area are caused by
operational problems because of the lack of adequate and
constant maintenance of the equipment and installations by the
operating companies. The best way to fight against the
environmental impact of oil spills is through prevention.
Therefore, government of Ecuador should invest more
resources on continuous monitoring and supervision on oil
infrastructure.
The OSZP is located in the southern part of the Cuyabeno-
Tipishca Block and represents an area with a high probability
of occurrence of oil spills. It occupies 3 % of the total territory
of Block 58 with an approximate area of 52 square kilometers.
There are very fragile habitats, highly vulnerable areas and
favorable conditions for a rapid spread of hydrocarbons, so an
immediate response is required to minimize possible
environmental risks that a spill may cause. In the OSZP, it is
proposed to locate the containment equipment in the
Sansahuari and Cuyabeno Stations and to use heavy transport
by land; this reduces to a maximum response time of 13
minutes. For the remaining study area, two alternatives are
proposed through the use of a helicopter. Placing it in the
Cuyabeno Station or the Tarapoa Base Camp, the response
time is 20 minutes on average for the entire investigated area.
This research should be extended to all oil blocks in Ecuador
because it allows operating companies to update their
contingency plans to respond effectively to the occurrence of
oil spills. For the correct use of GIS will be necessary that the
companies invest in a constant training of their personnel.
As a complement to this investigation, it is recommended to
make a numerical model for the prediction and dispersion of
oil spills in the study area.
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Escuela Politécnica Nacional.
BIOGRAPHIES
Henry Santiago Mayorga Mayorga.
Nació en Quero-Ecuador el 5 de
Septiembre de 1993. Culminó sus
estudios secundarios en el Colegio
Bolívar de Ambato. Se graduó de
Ingeniero en Petróleos en la Escuela
Politécnica Nacional a inicios del 2017.
Actualmente labora como ingeniero de
reservorios en Grupo Synergy E&P. Está interesado en iniciar
sus estudios de posgrado.
José Luis Rivera Parra. Nació en Quito-
Ecuador el 22 de Julio de 1984. Se graduó
de Licenciado en Biología en el 2007 en
la Pontificia Universidad Católica del
Ecuador. Obtuvo su Maestría en Biología
en University of Missouri-St. Louis en el
2010. Y en el 2013 obtuvo su título de
Ph.D. en Ecología, Evolución y
Sistemática en University of Missouri-St.
Louis. Está interesado en modelamiento de riesgos
ambientales asociados a las actividades extractivas y cree que
se puede explotar los recursos naturales de una manera
responsable.
13
-
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Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del Ecuador
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
[email protected] Recibido: 09/01/2018
Aceptado: 20/07/2018
Publicado: 31/07/2018
11. INTRODUCCIÓN
La característica principal de una matriz eléctrica es presentar
el nivel más alto posible de la oferta para asegurar el
suministro de energía eléctrica para el consumo de las
diferentes actividades de la sociedad. Esta característica del
sistema eléctrico depende de variables económicas y técnicas,
las mismas son derivadas de la planificación de la expansión
del sistema la cual está sujeta a decisiones del ámbito político,
económico y ambiental. Así, la seguridad de suministro de
energía eléctrica dada por un sistema eléctrico, es una de las
componentes, en búsqueda de la sostenibilidad de energía de
Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del
Ecuador
Oscullo, José1; Romero, Luis1
1Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Ecuador
Resumen: El adecuado análisis en la expansión de la generación de un país, en un determinado periodo, permite
conocer el nivel de seguridad para el suministro de energía eléctrica; por medio de lo que se garantiza el
abastecimiento del consumo de la misma para las diferentes actividades requeridas por la sociedad. El desarrollo de
la matriz eléctrica se basa en la accesibilidad a las diferentes fuentes con fines de producción eléctrica, siempre y
cuando se cuente con un adecuado nivel de disponibilidad de la tecnología de generación considerada en la
planificación de la expansión del parque generador. Sin embargo, en cualquier país existen momentos, políticos,
económicos y ambientales que determinan de manera tácita el nivel de seguridad energético, el cual no es determinado
explícitamente en la planificación, y en la práctica es analizado considerando por lo general la dimensión técnica. Al
ser el abastecimiento un tema transversal es necesario tomar en cuenta las diferentes aristas de la expansión.
En el presente trabajo se muestra un análisis para el periodo 2011-2015 mediante la evolución de indicadores electro-
energéticos del Sistema Nacional Interconectado (SNI) del Ecuador considerando las diferentes fuentes disponibles
de producción de energía eléctrica y el consumo. Mediante un conjunto adecuadamente seleccionado de indicadores
que son función de la expansión y operación de los distintos recursos de generación; lo cuales, estructurados
adecuadamente y dispuestos gráficamente determinan la robustez para un sistema eléctrico, es decir, la adaptabilidad
del mismo ante variaciones del entorno. Esta disposición gráfica del valor en porcentaje de cada indicador en un eje,
se lo conoce como la herramienta denominada “Rosa de Robustez”; donde cada indicador a ser considerado se obtiene
en base a la información disponible en documentos oficiales de las instituciones del sector energético.
Palabras clave: Indicadores energéticos, gerenciamiento de la seguridad, economía de sistemas de potencia,
expansión de generación.
Determination of the Rose of Robustness for the Electrical Matrix
of Ecuador
Abstract: The adequate analysis in the expansion of generation for a country that allows knowing the level of security
for the supply of electrical energy, and that is guaranteed the supply of consumption for the different activities
required by society. The development of the electrical matrix is based on the accessibility to the different sources for
the purpose of electricity production that it is provided, there is an adequate level of availability of the generation
technology considered in the planning expansion of generator park. However, any country there are political,
economic and environmental moments, which tacitly determine level of energy security that is not explicitly
determined in planning, and in practice is analyzed considering technical dimension in general. As supply is a cross-
cutting issue, it is necessary to take into account the different edges of the expansion.
The present work an analysis is shown for 2011-2015 through evolution of electro-energy indicators for the National
Interconnected System (SNI) of Ecuador considering different available sources of electricity production and
consumption. Through a suitably selected set of indicators that are a function of expansion and operation different
generation resources; which, suitably structured and graphically arranged, determine the robustness of an electrical
system, its adaptability to environmental variations. This graphic layout of percentage value of each indicator on an
axis is known as the tool called " Rose of robustness "; where each indicator can be considered and must be obtained
in based on information available in official documents of institutions the energy sector.
Keywords: Power generation indicators, security management, power system economics, expansion of generation.
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Oscullo, José; Romero, Luis
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
un país, la misma ha sido tratada de diversas formas, dadas las
coyunturas que cada ámbito puede ser analizado a través de
diferentes indicadores (DNETN, 2007; Blanco, 2015).
El término seguridad de suministro de energía eléctrica
representa la garantía de obtener energía eléctrica con calidad
a un nivel de precios que los consumidores puedan acceder.
Cada matriz eléctrica busca garantizar la oferta, la cual
depende de las centrales existentes, proyectos en construcción,
disponibilidad y diversidad de los combustibles de acuerdo a
las fuentes primarias que disponga o pueda acceder el país
(Retamales, 2005). En cada caso se considera una adecuada y
adaptada expansión del sistema de transmisión que permita
utilizar la energía de las distintas centrales; la cual sale del
alcance del trabajo propuesto.
Mientras que el término robustez del sistema eléctrico, en el
presente trabajo, se entiende como la adaptabilidad del mismo
ante variaciones del entorno; mediante el análisis de los
diferentes ámbitos de seguridad del suministro eléctrico.
(Molina,2005).
La matriz eléctrica de un país se planifica, aunque sea de forma
indirecta el nivel de seguridad del suministro de acuerdo a la
disponibilidad de recursos técnicos y económicos con los que
cuente el sector eléctrico, esta realidad determina que la
seguridad de suministro no trate de incrementar la
autosuficiencia del país por medio de solo un tipo de
tecnología para el suministro de energía y reducir al máximo
la dependencia energética de los recursos energéticos que no
cuente el país, sino que busque balancear la diversidad de
tecnologías de producción de energía eléctrica en la matriz
(Retamales, 2005).
Como se indicó anteriormente cada decisión ejecutada en la
matriz eléctrica puede ser evaluada mediante el
establecimiento de indicadores para determinar la seguridad en
el suministro, para lo cual es necesario contar con información
a detalle para determinar el indicador respectivo y que
adecuadamente engranados permita conocer el grado de
seguridad de suministro del sistema eléctrico de un país.
De acuerdo a la realidad del sector eléctrico de cada país, los
pocos estudios existentes respecto a este tema han planteado
un conjunto de indicadores para determinar el nivel de
seguridad de suministro eléctrico; pero solo se colocando
énfasis en uno de ellos (Retamales, 2005; Blanco, 2015).
Sin embargo, en un sistema hidrotérmico debido a que la
energía disponible depende de la aleatoriedad de los caudales
afluentes a las centrales hidroeléctricas esta situación
compromete la seguridad del abastecimiento de la demanda y
cuyo análisis debe ser ágil y rápido; estas características deben
se plasmadas en las herramientas que permitan ser observadas
de manera gráfica, esto se lo consigue a través de la ubicación
espacial de indicadores de las principales variables técnico-
económica de la expansión y operación de un sistema
eléctrico, siendo los principales: la diversidad de fuentes de
producción de energía, energía firme y el impacto económico
de contar con estas fuentes energéticas. Como segundo paso la
herramienta debe ser fácilmente replicable en cada escenario
analizado; mediante lo cual evaluar el nivel de seguridad en el
suministro eléctrico.
El conjunto de indicadores dispuestos gráficamente permite
determinar la robustez del sistema, por medio del valor de un
indicador ubicado en cada eje que en conjunto con otros
determinan un polinomio al cual se lo denomina “Rosa de
Robustez” (DNETN, 2007).
En este trabajo se presenta la aplicación de la herramienta Rosa
de Robustez para determinar el nivel de seguridad de
suministro de energía eléctrica del SNI del Ecuador en el
periodo 2011-2015 considerando los siguientes indicadores:
- La diversidad de fuentes de producción de energía, - Energía firme, de las tecnologías de producción eléctrica
en base a fuentes autóctonas,
- Valor presente de los costos de operación e inversiones de los proyectos en construcción, y;
- Generación del valor agregado del sector eléctrico en la economía nacional;
Debido a que el acceso a la información requerida para
determinar los distintos indicadores debe basarse en análisis de
datos proveniente de documentos oficiales disponibles de las
instituciones del estado. Es así que en la Sección II se presenta
a la Rosa de Robustez como la herramienta que determina la
seguridad a través de un conjunto de indicadores. En la
Sección III, se introduce la metodología para la determinación
de la Rosa de Robustez. Dicha metodología es aplicada para el
periodo 2011-2015 y se obtiene la Rosa de Robustez del
sistema eléctrico ecuatoriano, comparándola con la Rosa de
Robustez del sistema eléctrico uruguayo y del sistema
eléctrico chileno para un horizonte que contenga el periodo de
estudio realizado. Finalmente, en la Sección IV, se presentan
las conclusiones y recomendaciones del trabajo, así como
futuras líneas de desarrollo.
2. INDICADOR DE ROBUSTEZ PARA UN SISTEMA
ELÉCTRICO MEDIANTE ROSA DE ROBUSTEZ
El indicador de robustez fue planteado por primera vez por la
Dirección Nacional de Energía y Tecnología Nuclear de
Uruguay para analizar diferentes estrategias de expansión de
la oferta de generación a través de la determinación de 5
indicadores para analizar las variables técnicas y económicas
de la misma (DNETN, 2007).
El indicador de cada variable analizada se coloca en un eje en
una escala de 0 a 1; cada nivel del indicador representa la
contribución a la robustez del sistema y la unión de cada uno
de los niveles alcanzados determina un polígono donde a
mayor área del mismo, es decir mayor perímetro determina la
mayor robustez, y si un indicador está ubicado internamente
afecta a la robustez del sistema; como se observa en la figura
1 (DNETN, 2007; Molina, 2005; Mosto, 2008).
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Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del Ecuador
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
Figura 1. Rosa de Robustez para un año t
A continuación, se presentan los indicadores de cada eje de la
rosa de robustez:
2.1 Diversidad de fuentes (IDF): Este indicador determina la diversidad de las fuentes de producción de energía
eléctrica con que cuenta una matriz eléctrica, en la
ecuación 1 se muestra la determinación del indicador de
diversidad de fuentes.
t
t MaxIDF
1
))(
1(
(1)
En la ecuación 2 se determina la desviación estándar dado
el aporte de cada fuente.
i
i
NFPEFT
EFA 2)1
( (2)
La máxima desviación estándar se presenta en la ecuación
3.
22 )1
)(1()1
1()NFP
NFPNFP
Max(σ (3)
Siendo:
EFA: La energía firme anual de la generación de clase i
EFT: Energía firme total de la matriz eléctrica
NFP: Número de fuentes primarias existentes en la matriz
eléctrica
t : Periodo de análisis.
2.1.1 Energía Firme de una central se la entiende como la mínima energía no interrumpible y garantizada de
acuerdo a la disponibilidad de la infraestructura y el
acceso al recurso para la producción de energía
eléctrica en todo momento.
La energía firme, presenta ciertas características
particulares según el tipo de generación. Para el caso de
las centrales hidroeléctricas se tiene principalmente dos
tipos de centrales, sin embalse de regulación también
conocidas como de “pasada” y con embalse de
regulación.
Para el caso de las centrales de pasada al no tener
embalse el cual sirva para el almacenamiento de agua,
situación que determina que se transforme la energía
potencial del agua en energía eléctrica inmediatamente;
lo cual determina que la energía firme corresponda a la
mínima producción del periodo de análisis.
Para el caso de las centrales con embalse es necesario
determinar el caudal mínimo histórico del periodo y
considerar el factor de planta de la misma a fin de
determinar la energía mínima del periodo en base a las
características físicas del embalse de la central.
Para las centrales térmicas el factor de planta del
periodo determina el consumo de combustible debido a
las condiciones operativas del sistema, las mismas que
son controlables y planificadas por el operador de la
central, es decir; la energía firme de este tipo de
tecnología depende de la potencia disponible en el
periodo en función de su factor de planta.
2.2 Fuentes autóctonas (FA): Este indicador determina la proporción de la energía firme de fuentes locales respecto
del total de generación de la matriz eléctrica, como se
muestra en la ecuación 4.
i
i
EFT
EFAAFA (4)
Siendo:
EFAAi: La energía firme anual de la generación local de la
clase i
2.3 Energía firme del territorio nacional (EFTN): Este indicador determina la energía firme, entendida como la
mínima energía posible de una central de generación para
la menor disponibilidad de la fuente del recurso de
producción energética, respecto al consumo de energía
eléctrica en un periodo de tiempo como se muestra en la
ecuación 5.
i
i
AnualEnergíaConsumo
FirmeEnergíaEFTN
__
_ (5)
2.4 Valor presente de los costos (IVPC): Este indicador determina el costo total de la operación y del escenario de
inversión de los proyectos de generación realizada para
cada año considerando una tasa de descuento. Si el costo
es el menor posible permite a los consumidores acceder al
suministro de energía eléctrica, como se muestra en la
ecuación 6.
)( j
j
j
VPIVPCOMax
VPIVPCO
IVPC
(6)
Siendo:
VPCO: Valor presente de los costos de operación del periodo
de análisis.
VPCIj: Valor presente dela inversión del escenario j en el
periodo de análisis.
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Oscullo, José; Romero, Luis
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
Para transferir una cantidad de dinero a valor presente es
necesario considerar el efecto de la inflación anual del periodo
en análisis.
2.5 Generación de valor agregado (IGVA): Este indicador muestra el impacto del sector eléctrico respecto al valor
agregado nacional, como se presenta en la ecuación 7.
)(CVAGNSEMax
VPASEIGVA (7)
Siendo:
VPASE: Valor presente del agregado del sector eléctrico en
el periodo de análisis.
CVAGNSE: Valor agregado nacional codificado del sector
eléctrico
3. APLICACIÓN DE LA ROSA DE ROBUSTEZ AL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO
DEL ECUADOR
En el numeral anterior se presentó los indicadores que
conforman la rosa de robustez, mas la construcción de los
mismos requiere el procesamiento de información de acuerdo
a las características del sistema eléctrico, para el caso de un
sistema hidrotérmico. La información es obtenida de
documentos públicos de entidades del sector eléctrico y
económico del país.
Para el caso de la energía firme de la generación hidráulica se
determina la energía anual con probabilidad de excedencia del
90%, o el percentil del 10% de la fuente primaria de
producción de energía y a través de las funciones de
producción respectivas obtener la mínima energía que
garantiza anualmente suministrar la central.
Para el caso de la generación térmica se determina la potencia
efectiva considerando la tasa de salida forzada (FOR) que
disminuye la potencia nominal de la central o unidad, como se
indica en la ecuación 8, para las 8760 horas que posee un año.
8760*)1( FORPNEFGT (8)
Siendo:
EFGT : Energía firme de generación térmica.
PN : Potencia nominal de la central o unidad.
Para las centrales fotovoltaicas y eólicas disponibles en el
despacho centralizado del SNI al representar un porcentaje
reducido de la potencia instalada del sistema eléctrico, la
energía firme se la considera como si fuese una central
hidroeléctrica de pasada, es decir, como la menor energía
suministrada hacia el sistema eléctrico en el periodo de
análisis.
Dado el hecho de que se analiza la evolución de las inversiones
realizadas y los costos operativos de cada año es necesario
analizarlo al año más actual lo cual se utiliza la inflación para
determinar el valor presente de los montos de dinero.
Se calcula para cada año los diferentes indicadores con la
información de la disponibilidad de las unidades de generación
y energía producida, mediante lo cual se construye la rosa de
robustez para cada uno. Mientras que, para definir la rosa de
robustez del periodo total de análisis se considera el valor
promedio ponderado en base a la demanda del mismo.
La herramienta rosa de robustez se aplica al SNI del Ecuador,
considerando la operación de las centrales y unidades
disponibles obtenidas de los informes anuales del Operador
Nacional de Electricidad (CENACE) e inversiones y fechas de
los proyectos de generación realizadas en cada año en base a
información del operador del sistema eléctrico y de la agencia
de regulación y control eléctrico (ARCONEL).
A fin de contrastar la información económica se utilizó la
documentación pública del Ministerio de Electricidad y
Energía Renovable (MEER), Ministerio Coordinador de
Sectores Estratégicos (MICSE) y del Banco Central del
Ecuador (BCE).
Con la información de ARCONEL (n.d.) y CENACE (n.d.) en
la tabla 1, la energía firme anual de las centrales y unidades del
SNI donde se considera como energías renovables la central
eólica Villonaco de 15 MW y las centrales solares.
Tabla 1. Datos del SNI, Ecuador 2011-2015.
Año
DEMANDA
(GWh)
TÉRMICA
(GWh)
HIDRAÚLICA
(GWh)
ENERGÍA
RENOVABLE
(GWh)
2011 17747,80 3876,6 5156,88 0,12
2012 18605,91 4512,12 5145,48 22,8
2013 19458,95 3022,44 4335,36 209,88
2014 20882,55 2985,48 4658,52 406,08
2015 21934,39 3498,96 6301,44 594,96
Fuente: En base a datos de ARCONEL Y CENACE.
En la tabla 2, se presenta el consolidado de la inversión, costos
operativos y el valor agregado del suministro eléctrico para
cada uno de los años, así como el valor presente de los mismos
considerando la inflación de los años respectivos. Donde se
observa que en los años 2013 y 2014 debido a que los caudales
afluentes a las centrales hidroeléctricas disminuyeron los
costos operativos incrementaron debido a la operación de
centrales térmicas a fin de abastecer la demanda (MICSE, n.d.;
MEER, n.d.; BCE, n.d.; INEC, n.d.).
Tabla 2. Monto de la Inversión, Costos Operativos y valor Agregado del
Sector Eléctrico 2011-2015 Año
Inflación
(%)
Costo de Operación
e Inversión
(Miles de Dólares)
Valor Agregado de
Suministro Eléctrico
(Miles de Dólares)
2011 5,41 1 479 570,0 927 655,0
2012 4,16 1 747 370,0 1 046 322,0
2013 2,70 2 200 440,0 1 065 528,0
2014 3,67 2 258 970,0 1 301 923,0
2015 3,38 1 924 800,0 1 557 354,0
Fuente: En base a datos de BCE, INEC, MEER y MICSE.
18
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Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del Ecuador
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
En la tabla 3, se muestra los indicadores obtenidos mediante el
procesamiento de la información de los documentos oficiales,
para el caso de los valores monetarios los mismos se
encuentran trasladados al año 2015 por medio de la inflación.
Considerando que el SNI cuenta con siete fuentes primarias y
secundarias de energía; con la información de las tablas 1 y 2,
mediante la aplicación de las ecuaciones anteriores se
determina los indicadores de la rosa de robustez.
Tabla 3. Indicadores de la Rosa de Robustez del SNI, Ecuador 2011-2015
Año
IDF
(%)
EFTN
(%)
IVPC
(MM$)
FA
(%)
IGVA
(MM$)
2011 0,757 0,85 1267.42 0,442 805,13
2012 0,758 1,03 1582.44 0,387 947,58
2013 0,766 0,90 2048.04 0,392 991,76
2014 0,797 0,90 2182.62 0,389 1.257,92
2015 0,790 1,08 1924.8 0,450 1.557,35
Al normalizar los mismos respecto al máximo valor de cada
uno en el periodo de análisis; cuyos valores se muestran en la
tabla 4.
Tabla 4. Indicadores Normalizados Rosa de Robustez del SNI, Ecuador
2011-2015 Año
IDF
(%)
EFTN
(%)
IVPC
(%)
FA
(%)
IGVA
(%)
2011 0,95 0,79 0,59 0,98 0,52
2012 0,95 0,95 0,73 0,86 0,61
2013 0,96 0,83 0,94 0,87 0,64
2014 1,00 0,83 1,00 0,86 0,81
2015 0,99 1,00 0,88 1,00 1,00
La figura 2, presenta las rosas de robustez de las matrices
eléctricas de los sistemas ecuatoriano, uruguayo y chileno;
donde los indicadores IGVA y EFTN presenta un
comportamiento similar, mientras que los otros tres
indicadores son diferentes en las matrices eléctricas, las
siguientes figuras analizan de manera individual cada rosa de
robustez de cada sistema eléctrico.
Figura 2. Comparación de Rosa de Robustez.
En la figura 3, se presenta la rosa de robustez obtenida para el
SNI para el periodo 2011-2015, donde se observa que la misma
muestra una matriz eléctrica que cuenta con una alta diversidad
de fuentes ya que en el sistema existen dos tipos de centrales
hidráulicas (embalse y pasada); diferente tipo de tecnología de
centrales térmicas como son residuo, diésel, nafta; centrales en
base a fuentes de energía renovables e interconexiones
eléctricas. Debido a la alta participación de la generación
hidráulica del sistema los costos de energía son bajos, dado
que en el periodo ha existido una buena hidrología. Si bien en
el periodo la energía firme se ha incrementado; es necesario
tener presente que la misma se debe a la participación de
centrales hidráulicas de pasada, centrales eólicas y solares,
cuya energía depende de la disponibilidad estocástica del
recurso renovable (agua, viento y radiación solar
respectivamente). En el periodo el indicador presenta un alto
valor, es debido a la reducida demanda frente a la potencia
instalada existente, para el caso del indicador de fuentes
autóctonas este se ha incrementado debido al bajo despacho en
el periodo de la interconexión eléctrica internacional e
importación de diésel, lo cual es función de la hidrología que
depende del nivel de lluvias en los sitios donde están ubicados
las centrales hidroeléctricas.
A fin de mostrar la característica de análisis de esta
herramienta para determinar de manera gráfica la robustez de
una matriz eléctrica, en la figura 3 se muestra la rosa de
robustez para el sistema eléctrico del Uruguay establecida en
(DNETN, 2007) para el periodo 2007-2025 para la expansión
del sistema en base a centrales de gas natural, donde se ve que
una mejor robustez del sistema ecuatoriano debido a que la
rosa de robustez está en el perímetro externo, en especial los
indicadores de fuentes autóctonas y diversidad de fuentes del
territorio nacional, mientras que no existe diversidad de
fuentes. Los indicadores económicos del sistema eléctrico
uruguayo muestran un mejor desempeño lo cual es una medida
de que la expansión del sistema considero un mejor
aprovechamiento para el financiamiento de los proyectos.
Figura 3. Rosa de Robustez del SNI, Ecuador 2011-2015.
En la figura 4, se presenta la rosa de robustez para el sistema
eléctrico chileno establecida en Molina (2005) para 2007-2025
en base a la planificación de la expansión del sistema eléctrico
chileno, donde se presenta una rosa de robustez de
comportamiento muy semejante a la de la matriz eléctrica
ecuatoriana, en la cual dos de los cinco indicadores son
aproximadamente iguales, fuentes autóctonas y energía firme
19
-
Oscullo, José; Romero, Luis
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
del territorio nacional. Mientras que, para los indicadores
económicos presenta un mejor desempeño el sistema eléctrico
ecuatoriano lo que da una medida de que la expansión del
sistema considero un mejor aprovechamiento del
financiamiento de los proyectos.
Figura 4. Rosa de Robustez del Sistema Eléctrico Uruguayo 2007-2025.
El análisis de la rosa de robustez permite establecer
lineamientos para la expansión de la generación y para el caso
del sistema eléctrico ecuatoriano es posible determinar los
siguientes lineamientos:
- Las instituciones estatales deben invertir recursos a fin de contar con un catálogo de proyectos de la cadena de
producción eléctrica con estudios actualizados y con una
base de datos de información pública sobre el potencial de
los recursos energéticos con fines de generación eléctrica
existentes en el país.
- Mantener y continuar en la senda de la diversificación de fuentes de generación eléctrica, se recomienda incentivar
la expansión del parque generador mediante el uso energías
renovables de manera masiva por medio de generación
distribuida.
- Optimizar la planificación de expansión del sector eléctrico considerando el uso eficiente de recursos energéticos y
económicos, a fin de incrementar el índice IDF.
- Revisar los esquemas de comercialización local e internacional de energía eléctrica: analizar esquemas de
contrato a largo plazo, mediante lo cual puede mejorar el
valor agregado de cada kWh de energía eléctrica.
Figura 5. Rosa de Robustez del Sistema Eléctrico Chileno 2007-2025.
4. CONCLUSIONES
Se mostró que la herramienta Rosa de Robustez permite
determinar de manera gráfica la robustez del sistema eléctrico
respecto a variables técnicas y económicas; así como comparar
esta característica entre sistemas colocándole en una base que
no depende del nivel de consumo o de oferta de generación.
Mediante el conjunto de indicadores, estos permiten evaluar el
grado de robustez alcanzado en un periodo por un país y
mediante el cual es posible plantear lineamientos, políticas
para la planificación de la expansión del mismo, así como
determinar metas para el cumplimiento de las mismas.
La seguridad de suministro en el abastecimiento de la energía
eléctrica debe buscar un equilibrio entre las fuentes primarias
en base a recursos estocásticos y el nivel de energía térmica
dada por fuentes autóctonas que demandan la producción de
combustibles en refinerías locales. Dada la dinámica de la
demanda se requiere que el sistema lleve una continua
planificación, desarrollo y construcción de proyectos
eléctricos de bajo costo operativo y de un alto impacto en el
valor agregado del país.
Para trabajos futuros se recomienda colocar indicadores del
nivel de CO2 emitido por la operación de la matriz eléctrica;
así como incluir la elaboración de escenarios para analizar la
expansión en un tipo o mix de tecnologías de producción de
generación eléctrica.
REFERENCIAS
Agencia Nacional de Regulación y Control de Electricidad (n.d.).
Información estadística del sector eléctrico ecuatoriano, Obtenido de:
http://www.arconel.gob.ec (Mayo, 2017).
Banco Central del Ecuador (n.d.). Información de la Política Económica Obtenido de: http://www.bce.fin.ec (Mayo, 2017).
Blanco, N. (2015). Análisis de seguridad y productividad del suministro de
energía eléctrica en el sistema eléctrico de Nicaragua en el periodo comprendido desde el año 2010 hasta el 2018, Revista Iberoamericana
de Bioeconomía y Cambio Climático, Vol.1, Nº 2, pp. 20-53.
DNETN (2007). Robustez del Sistema Eléctrico Nacional: Aporte Metodológico y Ejercicio de Aplicación, Nota Técnica, Dirección
Nacional de Energía y Tecnología Nuclear, Ministerio de Industria,
Energía y Minería Uruguay.
Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (n.d.). Información estadística del
país, Obtenido de: http://www.ecuadorencifras.gob.ec (Mayo, 2017).
Ministerio Coordinador de Sectores Estratégicos (n.d.). Información Energética de Sectores Estratégicos, Obtenido de:
http://www.sectoresestrategicos.gob.ec (Mayo, 2017).
Ministerio de Electricidad y Energía Renovables (n.d.). Información del sector eléctrico, Obtenido de:http://www.energia.gob.ec (Mayo, 2017).
Molina, J., Martínez, V., y Rudnick H. (2005). Indicadores de Seguridad
Energética: Aplicación al Sector Energético de Chile, PUC-Chile. Mosto, P. (2008). Robustez de Sistemas Eléctricos: Conclusiones del Aporte
Metodológico y ejercicio de aplicación para el Sistema Uruguayo,
Revista Energía - CEDDET, Nº 2, pp. 14-17. Operador Nacional de Electricidad (n.d.). Información sobre la operación del
SNI, Obtenido de: http://www.cenace.org.ec (Mayo, 2017).
Retamales, G. (2005). Indicadores de Seguridad de Suministro Eléctrico (SSE) en Chile, Tesis Universidad de Chile.
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.01
2
34
5
Uruguay
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0IDF
FA
EFTNIVPC
IGVA
Chile
20
http://www.arconel.gob.ec/http://www.bce.fin.ec/http://www.ecuadorencifras.gob.ec/http://www.sectoresestrategicos.gob.ec/http://www.energia.gob.ec/http://www.cenace.org.ec/
-
Determinación de la Rosa de Robustez para la Matriz Eléctrica del Ecuador
Revista Politécnica - JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
BIOGRAFÍAS
Oscullo Lala José. Nació en
Sangolquí, Ecuador, en 1971. Recibió
su título de ingeniero eléctrico en la
Escuela Politécnica Nacional en
1996, Master en ingeniería eléctrica
de la Universidad Estatal de
Campinas, Sao Paulo Brasil en 2002.
Actualmente se desempeña como
profesor titular del Departamento de Energía Eléctrica de la
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela
Politécnica Nacional. Su campo de investigación se encuentra
relacionado a la aplicación de herramientas de inteligencia
computacional para la estabilidad de sistemas eléctricos de
potencia.
Romero Luis. Nació en Quito, Ecuador,
en 1990. Recibió el título de ingeniero
eléctrico en la Escuela Politécnica
Nacional en 2018. Actualmente se
encuentra ejerciendo el libre ejercicio
profesional en el campo de la eficiencia
energética. Sus áreas de interés son:
Economía de la Energía, Eficiencia
Energética y Optimización de la planificación de largo,
mediano y corto plazo de sistemas hidrotérmicos.
21
-
22
-
Cinemática y Masa dinámica de la Galaxia NGC 7331
Revista Politécnica – JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
*[email protected] Recibido: 01/12/2016 Aceptado: 20/07/2018 Publicado: 31/07/2018
11. INTRODUCCIÓN
NGC 7331 es una galaxia espiral cercana, con un tamaño aparente de 13.5 minutos de arco (Bosma, 1978) y situada a 14,7 Mpc de la Tierra (de Blok et al., 2008). La normal del plano de esta galaxia posee una inclinación (i) de 74.8 grados con respecto a la línea de mira del observador (de Blok et al., 2008). Gráficas de la velocidad de rotación del gas de hidrógeno atómico representadas en función del radio galáctico se han usado en un estudio del campo de velocidades de NGC 7331 (Bosma, 1981). Este tipo de gráficas se conocen como curvas de rotación. La masa de la materia visible (gas atómico y molecular, polvo cósmico, estrellas, etc.) observada en NGC 7331 y en otras galaxias deberían dar lugar a curvas de rotación con velocidades que disminuyen con el aumento del radio galáctico, contrario a lo que revelan las observaciones de NGC 7331 (Bosma, 1981) y de otras galaxias (Bosma, 1981; Sofue y Rubin, 2001). Un estudio llevado a cabo por de Blok et al., (2008) revela que las curvas de rotación de NGC 7331 obtenidas a partir del gas HI de las regiones que se acercan y se alejan del observador difieren en alrededor 25 km s-1. La curva de rotación en NGC 7331 se mantiene relativamente constante en regiones externas situadas a gran distancia de su centro (Rubin, 1965; Bosma, 1981). Este hecho es característico de las galaxias espirales
(Sofue et al., 1999). Se ha propuesto la presencia de un halo de materia oscura en las galaxia espirales, materia responsable de mantener constante la velocidad rotacional en regiones tan alejadas de los centros galácticos. Hasta el momento se desconoce la naturaleza de la materia oscura, pues ésta se puede estudiar únicamente por sus efectos gravitatorios. Sofue et al., (1999) estudiaron las curvas rotacionales de una muestra de galaxias espirales, hallando que las galaxias barradas muestran mayor dispersión de velocidad que aquellas de galaxias “normales”, ello posiblemente debido a movimientos no circulares del gas. Estos autores también descubrieron que estallidos de formación estelar nuclear y núcleos activos parecen no correlacionar con las propiedades de las curvas de rotación, sugiriendo así que estos procesos nucleares son causados por efectos locales y no por propiedades dinámicas globales. Teniendo en cuenta una aproximación esférica, la masa (M) de una galaxia se relaciona con la velocidad de rotación (Vrot) mediante la siguiente expresión (Sofue y Rubin, 2001):
𝑀 =R
(1)
Cinemática y Masa dinámica de la Galaxia NGC 7331
Armijos-Abendaño Jairo1*; López Ericson1; Llerena Mario1; Aldas Franklin1
1Escuela Politécnica Nacional, Observatorio Astronómico, Quito, Ecuador
Resumen: Se llevó a cabo un estudio de la curva de rotación de la galaxia NGC 7331 situada a 14,7 Mpc de la Tierra. La curva de rotación se derivó usando observaciones radioastronómicas del monóxido de carbono (CO). La forma de la curva de rotación y las velocidades son muy similares a aquellas derivadas previamente, empleando datos de hidrógeno atómico, lo que sugiere la coexistencia de ambos elementos en las regiones estudiadas en NGC 7331. Se descubrió que el ensanchamiento de la línea de CO, transición 2-1, está dominado por efectos turbulentos del gas de CO antes que por efectos térmicos. Asimismo, se estudió el campo de velocidades de NGC 7331, lo que puso en evidencia la rotación de la galaxia en el sentido de las agujas del reloj. Finalmente, asumiendo una aproximación esférica para la forma de la galaxia se estimó una masa dinámica de 1,4E+10 masas solares para NGC 7331. Palabras clave: Radioastronomía, galaxia, curva de rotación, masa galáctica, gas molecular.
Kinematics and Mass of the NGC 7331 Galaxy
Abstract: The study of the rotation curve of the galaxy NGC 7331, located at 13,870 Mpc from the Earth, was carried out. The rotation curve is obtained using radio astronomy observations of the carbon monoxide (CO). The shape of the rotation curve and the velocities are very similar to those derived from atomic hydrogen data, suggesting the coexistence of both elements in the studied regions of NGC 7331. We found that the CO (2-1) line broadening is dominated by turbulent effects rather than by thermal effects. The velocity field of the galaxy is studied as well, showing that the galaxy is rotating clockwise. Finally, assuming a spherical approximation for the galaxy shape, a dynamical mass of 1,4E+10 solar masses is estimated for NGC 7331. Keywords: Radio astronomy, galaxy, rotation curve, galactic mass, molecular gas.
23
-
Armijos-Abendaño Jairo; López Ericson; Llerena Mario; Aldas Franklin
Revista Politécnica – JULIO 2018, Vol. 41, No. 2
donde R es el radio de la galaxia y G es la constante gravitacional e igual a 6,67E-11 m3 kg-1 s-2. Uno de los objetivos del presente trabajo consiste en la estimación de la masa de la galaxia NGC 7331, ello a partir de su curva de rotación derivada a partir de datos de monóxido de carbono CO (2-1) (Leroy et al., 2009), donde (2-1) denota el hecho que se observó la transición rotacional 2-1 a 230,5 GHz. Estos datos se describen brevemente en la Sección 2. En la Sección 3 se muestra un mapa y espectros de CO (2-1) de NGC 7331. En la Sección 3.1 se lleva a cabo un estudio sobre el ensanchamiento de la línea de emisión de CO (2-1). La Sección 4 ofrece una explicación sobre la metodología empleada en la obtención de una curva de rotación, en base a los datos de monóxido de carbono. Un estudio sobre el campo de velocidades en la galaxia NGC 7331 se presenta en la Sección 5. El procedimiento usado en la derivación de la masa dinámica de la galaxia NGC 7331 se expone en la Sección 6. Finalmente, en la Sección 7 se presentan las conclusiones del presente trabajo.
2. DATOS
Para llevar a cabo el presente estudio se emplearon datos públicos de CO (2-1), los cuales se publicaron por primera vez en Leroy et al., (2009). Estos datos se obtuvieron con el radio telescopio IRAM de 30 metros de diámetro (http://www.iram-institute.org/EN/30-meter-telescope.php). A la frecuencia (230,5 GHz) de la transición de CO (2-1) el radiotelescopio proporcionó una resolución espacial de 13 segundos de arco. El autocorrelador WILMA se usó en las observaciones del radio telescopio IRAM, produciendo espectros con una resolución de 2,6 km s-1 y un ancho de banda de 1200 km s-1 a la frecuencia de la transición CO (2-1) (Leroy et al., 2009). En la observación de la galaxia NGC 7331 y de otras galaxias con el radio telescopio IRAM se usó el modo de observación On the Fly. La información de las observaciones se guardó en cubos de datos, donde las intensidades de los espectros de CO (2-1) están dadas en temperatura de antena y los espectros suavizados a una resolución de 10,4 km s-1. Los datos que se descargaron para nuestro trabajo ya están corregidos por la línea de base. Para el desarrollo del presente trabajo se descargó el cubo de datos de CO (2-1) correspondiente a la galaxia NGC 7331 que está disponible en la página web de IRAM (http://www.iram-institute.org/). 3. MAPA Y ESPECTROS DE LA GALAXIA NGC 7331
Se usó el software GILDAS (https://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS/) para la visualización del cubo de datos de NGC 7331. Seguidamente con este software se procedió a ejecutar una tarea que permitió ob