temÁtica - revista politécnica · 2020. 7. 8. · revista politécnica - julio 2018, vol. 41, no....

Comisión de Apoyo Editorial

Ing. Javier Páez G.

Diseño de Portada

Sr. Diego Flores

TEMÁTICA Y ALCANCE La Revista Politécnica es una publicación periódica semestral, editada por la Escuela Politécnica Nacional del Ecuador, cuyo objetivo

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

conocimiento.

La Revista Politécnica está incluida en Latindex, catálogo y directorio: Sistema Regional de información en línea para Revistas

Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal. Además la Revista Politécnica se encuentra en SciELO - Scientific

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Se autoriza la reproducción total o parcial de su contenido siempre y cuando se cite la fuente. Los conceptos expresados son de

responsabilidad exclusiva de sus autores.

CONSEJO EDITORIAL

Coordinador Técnico Operativo

Ing. Javier Páez G.

[email protected]

Teléfono: (+593) 2976300 ext. 5220

EDITOR Oscar Eduardo Camacho, Ph.D.

Escuela Politécnica Nacional

[email protected]

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.


Argentina

Gustavo Scaglia, Ph.D.


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

[email protected]

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.


Danilo Chávez, Ph.D.


Oscar Camacho, Ph.D.

Universidad de Los Andes, Venezuela

Carlos Ávila, Ph.D.


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]

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.

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

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

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

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.

7



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.

8



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.

9



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.

10



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



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



[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.

15



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).

16



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.

17



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



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



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

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5

Uruguay

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1.0IDF

FA

EFTNIVPC

IGVA

Chile

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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/



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.

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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)


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.

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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

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