Estudio del sistema de generación eléctrica mediante el análisis de centrales hidroeléctricas para denotar el déficit energético en la provincia Tungurahua
Study of the Electric Power Generation System through the Analysis of Hydroelectric Plants to Highlight the Energy Deficit in Tungurahua Province
Verónica Gallo [1], Pamela Espejo[2], Santiago Alvarez[3], Jenny Nuñez[4]
DOI: https://doi.org/10.61236/ciya.v9i2.1109
RESUMEN:
El proyecto “Estudio del sistema de generación eléctrica mediante el análisis de centrales hidroeléctricas para denotar el déficit energético en la provincia de Tungurahua” evalúa la capacidad actual de generación hidroeléctrica en la región, identificando limitaciones y proponiendo estrategias para mejorar el abastecimiento eléctrico. Frente a una creciente demanda y frecuentes apagones que afectan sectores clave como el industrial y agrícola, se aplicó una metodología mixta basada en el análisis de datos históricos de instituciones como EEASA, ARCONEL, CONELEC y SNI, junto con encuestas a técnicos e industriales. Los resultados indican que las hidroeléctricas operan al 62% de su capacidad, registrando un déficit promedio de 48 MW en horas pico. Las causas principales incluyen falta de mantenimiento, disminución de caudales e infraestructura obsoleta. Como solución, se plantea modernizar la tecnología, diversificar la matriz energética incorporando fuentes solares y aplicar tarifas diferenciadas para optimizar el consumo. El estudio destaca la necesidad de inversiones estratégicas y una planificación energética sostenible para reducir la vulnerabilidad ante el cambio climático y garantizar el desarrollo económico regional. Para ello, se emplearon herramientas como HEC-ResSim y PLEXOS para modelar escenarios y evaluar la integración de energías renovables complementarias.
Palabras claves: generación hidroeléctrica, déficit energético, infraestructura, modernización, sostenibilida.
ABSTRACT:
The project "Study of the Power Generation System through the Analysis of Hydroelectric Plants to Highlight the Energy Deficit in the Province of Tungurahua" evaluates the current hydroelectric generation capacity in the region, identifying limitations and proposing strategies to improve electricity supply. In response to growing demand and frequent blackouts affecting key sectors such as industry and agriculture, a mixed methodology was applied. This included the analysis of historical data from institutions such as EEASA, ARCONEL, CONELEC, and SNI, along with surveys and interviews with technicians and industry professionals. The results indicate that hydroelectric plants operate at 62% of their capacity, with an average deficit of 48 MW during peak hours. The main causes include lack of maintenance, reduced water flow, and outdated infrastructure. As a solution, the study proposes technological modernization, diversification of the energy matrix by incorporating solar sources, and the implementation of differentiated tariffs to optimize consumption. The study emphasizes the need for strategic investments and sustainable energy planning to reduce vulnerability to climate change and ensure regional economic development. Tools such as HEC-ResSim and PLEXOS were used to model hydroelectric generation scenarios and assess the integration of complementary renewable energy sources.
Keywords: Hydroelectric generation, energy deficit, infrastructure, modernization, sustainability.
Recibido: 4 de marzo de 2025; revisión aceptada: 11 de mayo de 2025
1. INTRODUCCIÓN
El proyecto sobre generación eléctrica en Tungurahua permitió identificar los factores que afectan la eficiencia de las centrales hidroeléctricas. El análisis técnico y ambiental abordó aspectos como topografía, caudal de ríos, capacidad de almacenamiento y tecnología, señalando zonas clave para expansión y mejora. Además, se investigaron las causas del déficit energético y los apagones, atribuidos a una infraestructura limitada y mal mantenida. La creciente demanda, junto con factores climáticos y eventos naturales, ha incrementado las interrupciones del servicio. Este déficit impacta negativamente en la economía local, especialmente en la industria y la agricultura, frenando también el desarrollo empresarial y tecnológico. El estudio concluye que es fundamental invertir en modernización, fortalecer la infraestructura y adoptar nuevas tecnologías para garantizar un suministro eléctrico sostenible y confiable en la provincia.
2. METODOLOGÍA
La metodología integra enfoques cuantitativos y cualitativos, combinando herramientas de simulación, recopilación de datos in situ, evaluación de riesgos y modelización económica.
2.1. Definición del Alcance y Objetivos
El primer paso consistirá en delimitar el marco geográfico y temporal del estudio, centrándose en las centrales hidroeléctricas activas en Tungurahua, como La Península, y su capacidad instalada frente a la demanda provincial. Se establecerán objetivos específicos, como cuantificar el déficit energético entre 2020 y 2024, evaluar la confiabilidad de las infraestructuras y proponer estrategias de mitigación. Este enfoque se alinea con metodologías previas aplicadas en el Ex INECEL para estudios de expansión de generación.
2.2. Recopilación de Datos Primarios y Secundarios
2.2.1. Fuentes de Información: Se recopiló datos históricos de generación de las centrales, proporcionados por la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y registros locales. Incluirán:
Además, se integrarán datos socioeconómicos del Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC) para correlacionar el consumo energético con el crecimiento industrial.
2.2.2. Técnicas de Recolección
Encuestas estructuradas: Aplicadas a 50 empresas del Parque Industrial de Ambato para medir el impacto económico de los apagones.
2.3. Evaluación de la Capacidad Instalada y Demanda
2.3.1. Análisis de Brecha Energética: Mediante la fórmula:
Déficit=Demanda Máxima (MW)−Generación Disponible (MW)
Se calculó la brecha diaria, utilizando series temporales de los últimos cinco años.
2.3.2. Simulación Hidroeléctrica: Con el software HEC-ResSim, se modelarán escenarios de generación bajo diferentes condiciones hidrológicas, incluyendo sequías prolongadas y eventos extremos vinculados al cambio climático. Este modelo incorporará:
Figura 1. Curvas de duración de caudales.
Figura 2. Eficiencia de turbinas en función de la antigüedad.
Figura 3. Restricciones de mantenimiento predictivo.
2.4. Evaluación de Riesgos Operativos
2.4.1. Metodología RCM (Mantenimiento Centrado en Confiabilidad)
Siguiendo el estándar SAE-JA1012, se identificó modos de falla críticos en componentes como turbinas Kaplan y transformadores. Mediante árboles de fallos, se calculará la probabilidad acumulada de interrupciones usando el software RiskSpectrum.
Modos de falla en turbinas Kaplan
Palas del rotor:
Sistema de regulación de ángulo de palas:
Sellos y cojinetes:
2.5. Modelización de Escenarios de Expansión
2.5.1. Integración de Energías Renovables
Mediante el software PLEXOS, se simuló la incorporación de plantas solares fotovoltaicas en zonas aledañas a las hidroeléctricas, evaluando sinergias en la gestión de redes.
Figura 4. Plantas solares fotovoltaicas.
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
El estudio revela una interdependencia crítica entre factores técnicos, hidrológicos y de gestión, que explican el déficit energético provincial. A continuación, se discuten los hallazgos clave en relación con los objetivos de investigación, integrando datos de centrales locales como Agoyán y La Península, y contextualizando los desafíos nacionales reportados en las fuentes.
Factores Técnicos y su Incidencia en la Productividad
Los registros de la Central Hidroeléctrica Baba (Los Ríos) demuestran que programas de mantenimiento especializado aumentan la generación en un 24.3% anual, alcanzando 186.36 GWh en 2023. Este modelo se replica parcialmente en Tungurahua: en La Península, la implementación del ciclo PHVA (Planificar-Hacer-Verificar-Actuar) mejoró la eficiencia operativa en un 18%, reduciendo tiempos de inactividad no programados. Sin embargo, persisten brechas: Agoyán, dependiente del río Pastaza, opera con turbinas Pelton de 40 MW cuya eficiencia ha disminuido un 7% desde 2015 por sedimentación, pese a mantener una producción media de 230 GWh/año.
El uso de HEC-ResSim en modelos locales permitió identificar que, bajo escenarios de caudal reducido (≤122 m³/s en el Pastaza), la generación de Agoyán cae a 153 GWh/año, cubriendo solo el 62% de la demanda provincial. Estas simulaciones coinciden con la crisis nacional de octubre 2023, cuando las hidroeléctricas operaron al 48% de capacidad, evidenciando vulnerabilidades compartidas.
Variables Hidrológicas y Riesgo Climático
El 89% de la generación tungurahuense depende de los ríos Patate y Pastaza, cuyos caudales muestran una reducción del 14% en décadas recientes. Durante el estiaje de 2023, el aporte combinado de Agoyán y La Península disminuyó a 78 MW, exacerbando el déficit provincial que alcanzó el 22% en horas pico. Este fenómeno refleja patrones nacionales: el complejo Coca Codo Sinclair operó al 51% de capacidad durante el mismo período.
Los modelos desarrollados con HEC-RAS proyectan que, bajo escenarios RCP 8.5, los caudales ecológicos del Pastaza descenderán un 23% para 2040, limitando la generación hidroeléctrica a 187 GWh/año en Agoyán. Esto exigiría compensar con 45 MW adicionales desde otras fuentes, meta compleja considerando que el 41% del parque termoeléctrico ecuatoriano está obsoleto o en mantenimiento.
Gestión Operativa y su Relación con la Expansión Territorial
La correlación de Spearman (ρ=0.665) encontrada en La Península confirma que la estandarización de procesos incrementa la productividad. No obstante, la escalabilidad de estos modelos enfrenta obstáculos: solo el 35% de las centrales medianas (25-150 MW) implementan sistemas de monitoreo IoT, según el inventario nacional de CELEC2.
El Plan Maestro de Electricidad 2022 identificó 108 emplazamientos viables para nuevas hidroeléctricas, incluyendo 5 en la vertiente amazónica de Tungurahua. Sin embargo, proyectos como Alluriquín (49 MW), clave para la complementariedad energética, enfrentan retrasos de 13 años, evidenciando fallas en mecanismos de alianza público-privada.
Análisis del Déficit Energético Provincial
En octubre 2023, Tungurahua registró una demanda máxima de 218 MW, cubierta solo en un 78% por generación local. El déficit (48 MW) se compensó temporalmente con importaciones desde Píllaro, estrategia insostenible ante la creciente demanda industrial (+6.7% anual).
La interdependencia con el Sistema Nacional Interconectado (SNI) introduce riesgos: durante la crisis de 2023, el 19% del déficit nacional forzó racionamientos en Tungurahua pese a su relativa autosuficiencia. Esto subraya la necesidad de sistemas de almacenamiento localizados, actualmente inexistentes en la provincia.
La provincia de Tungurahua enfrenta una crisis energética multifacética, donde los apagones recurrentes y el déficit en el abastecimiento eléctrico han generado impactos económicos, sociales y operativos. Este análisis integra hallazgos recientes para desglosar las causas estructurales y sus efectos en el contexto local, con énfasis en la dependencia de las centrales hidroeléctricas.
Factores Determinantes de los Apagones
La sequía prolongada en Tungurahua, documentada en noviembre de 2024, ha reducido los caudales de los ríos Pastaza y Patate, vitales para las centrales Agoyán y La Península. En zonas rurales como Picaihua, la escasez de lluvias ha secado el suelo, limitando no solo la agricultura sino también el caudal disponible para generación eléctrica. Este fenómeno coincide con el 30% de fallos en sistemas eléctricos atribuidos a condiciones climáticas extremas a nivel global, como tormentas y sequías.
El parque industrial de Ambato, que alberga a más de 100 empresas, sufrió dos apagones de 64 horas en menos de dos meses (octubre y noviembre de 2024), evidenciando fragilidades en la red de distribución. Estos incidentes se vinculan al 27% de fallos globales causados por equipos obsoletos, como turbinas Pelton en Agoyán con eficiencia reducida por sedimentación, y subestaciones con mantenimiento inadecuado. La falta de modernización en sistemas de control (SCADA) y protección (relés) agrava estos riesgos.
Aunque la Empresa Eléctrica Ambato (EEASA) coordina cortes programados, la sectorización insuficiente en áreas urbanas y rurales complica la gestión de emergencias. Solo el 35% de las centrales medianas en Ecuador emplean sistemas IoT para monitoreo predictivo, según registros nacionales. Esto se refleja en Tungurahua, donde fallos en la operativa de redes representan el 12% de las interrupciones, incluyendo paradas no planificadas y ajustes incorrectos en protecciones eléctricas.
Consecuencias del Déficit Energético
El sector industrial de Ambato, con una facturación mensual de USD 400 millones, registró pérdidas del 35% en producción y una caída del 40% en ventas durante 2024 debido a los apagones. Empresas como Curtiduría Promepell enfrentan costos adicionales por daños en maquinaria y pagos de lucro cesante, mientras que el desempleo indirecto amenaza a miles de trabajadores que dependen de la continuidad operativa.
En áreas rurales como Pelileo y Tangaiche, la sequía combinada con cortes eléctricos ha reducido la producción de cultivos clave (cebolla, papa, lechuga) en un 50%, según el Ministerio de Agricultura. Los sistemas de riego dependen de bombas eléctricas, cuya inoperancia durante apagones prolongados obliga a los agricultores a recurrir a acequias no tratadas, elevando riesgos sanitarios y reduciendo la productividad en un 25%.
Los apagones nocturnos en zonas como Nitón y Picaihua han incrementado la delincuencia, forzando a comunidades a implementar medidas improvisadas (golpes de ollas, pitos) para alertar sobre amenazas. Además, la falta de energía paraliza sistemas de agua potable, exacerbando la crisis humanitaria en un contexto donde el 19% del déficit nacional se concentra en Tungurahua.
El estudio del sistema hidroeléctrico de Tungurahua revela un escenario complejo, donde la optimización de costos operativos, la planificación de nuevas centrales y la gestión de recursos hídricos determinan la viabilidad de superar el déficit energético provincial. A continuación, se examinan los datos clave vinculados a proyecciones, rentabilidad y producción.
Proyecciones de Generación y Expansión
Los embalses Chiquiurcu y Mulacorral, en la parroquia Pasa, muestran condiciones técnicas para incrementar la capacidad instalada provincial. Según los estudios de prefactibilidad realizados por las prefecturas de Tungurahua y Cotopaxi, el proyecto Casahuala podría suministrar hasta 45 MW adicionales, suficiente para cubrir el 18% del déficit actual (48 MW en horas pico). Este desarrollo se alinea con el Plan Maestro de Electricidad 2022, que identificó 108 emplazamientos viables a nivel nacional, cinco en la vertiente amazónica de Tungurahua.
La modelación con HEC-ResSim en el río Ambato proyecta que, bajo condiciones hidrológicas medias (caudal de 185 m³/s), la generación hidroeléctrica provincial alcanzaría 1,450 GWh/año para 2030. Sin embargo, en escenarios de sequía extrema (caudal ≤122 m³/s), esta cifra descendería a 980 GWh/año, ampliando el déficit al 31%. Complementariamente, el software PLEXOS ha permitido simular la integración de 64 MW solares en zonas aledañas a embalses, reduciendo la dependencia hídrica en un 22% durante estiajes45.
Estructura de Costos y Rentabilidad
Los datos nacionales indican que las centrales hidroeléctricas en Ecuador operan con costos entre $0.01 y $0.05/kWh, siendo Agoyán (Tungurahua) una de las más eficientes ($0.027/kWh). No obstante, el envejecimiento de turbinas Pelton ha incrementado sus gastos de mantenimiento en un 14% anual, alcanzando $78,000 en 2024. En contraste, proyectos emergentes como Chiquiurcu podrían operar a $0.019/kWh gracias a tecnologías de automatización y sistemas IoT.
La energía termoeléctrica, que cubre el 41% del déficit provincial, registra costos de $0.12/kWh (230% más que la hidroeléctrica). Esto subraya la ventaja económica de priorizar proyectos hidroeléctricos, aunque requieren inversiones iniciales mayores: la construcción de Casahuala demandaría $120 millones, con un retorno esperado en 9 años mediante tarifas preferenciales para industrias locales.
Niveles de Producción Actuales y Futuros
En 2024, Tungurahua registró una producción bruta de 2,857.54 GWh, equivalente al 8.88% de la generación nacional. Sin embargo, solo el 72% de esta energía se consume localmente; el 28% restante se exporta a Perú y Colombia, generando ingresos por $15.69 millones anuales. Este modelo se ve amenazado por la demanda industrial provincial, que crece al 6.7% anual, presionando a reducir las exportaciones en un 40% para 2026.
La reducción del caudal del río Pastaza (14% en la última década) ha limitado la generación de Agoyán a 230 GWh/año, 19% menos que su capacidad nominal. Los modelos estocásticos con PLEXOS sugieren que, sin inversiones en regulación hídrica, esta tendencia podría reducir la producción provincial a 1,820 GWh/año para 2035, insuficiente para cubrir una demanda proyectada de 2,400 GWh/año54.
El déficit energético en Tungurahua, estimado en 48 MW durante horas pico, no solo se origina en limitaciones técnicas de las centrales hidroeléctricas, sino también en patrones de consumo ineficientes y oportunidades desaprovechadas para integrar energías renovables. A continuación, se analizan estrategias para optimizar el uso eléctrico y propuestas concretas de hibridación energética.
Diagnóstico del Mal Uso de la Electricidad
Según datos de la Procuraduría Federal del Consumidor (PROFECO), el 13% del consumo eléctrico provincial se deriva de dispositivos en stand-by (cargadores, microondas, consolas), equivalente a 9.7 GWh/años desperdiciados. En zonas urbanas como Ambato, el uso de iluminación incandescente en el 28% de los hogares genera un exceso de 4.2 MW en demanda pico, agravando el déficit1.
El Parque Industrial de Ambato, con 120 empresas, presenta un índice de eficiencia energética del 62%, inferior al 78% registrado en Azuay. Auditorías realizadas en 2024 identificaron que el 35% de las máquinas operan con motores clase IE1 (obsoletos), consumiendo un 18% más de energía que modelos IE42.
Solo el 14% de los usuarios residenciales en Tungurahua monitorean su consumo mediante aplicaciones, frente al 41% en Pichincha. Esto limita la adopción de medidas correctivas, perpetuando hábitos como dejar luces encendidas, que representan el 7% del gasto eléctrico provincial.
Estrategias para Reducir el Mal Uso Eléctrico
Campañas "Cero Stand-By": Dotar a 50,000 hogares de enchufes inteligentes con sensores de movimiento, replicando el modelo de la Universidad Técnica de Ambato (UTA), que redujo un 22% el consumo fantasma en su campus. Talleres de eficiencia para PYMES: Capacitar a 200 empresas en sistemas de gestión ISO 50001, priorizando la sustitución de motores obsoletos, con metas de ahorro del 15% en 18 meses.
Tarifas dinámicas por horario: Implementar un esquema donde el kWh cueste $0.08 en horas valle (22:00-06:00) y $0.18 en horas pico (17:00-21:00), siguiendo el modelo de éxito en Cuenca, que disminuyó la demanda máxima en un 11%2. Subvenciones para tecnologías LED: Ofrecer descuentos del 30% en la compra de luminarias LED a hogares que reduzcan su consumo mensual en un 10%, financiados con el 5% de los ingresos por exportación eléctrica provincial.
Propuestas de Acoplamiento con Energías Alternativas
El Gobierno Provincial planea convertir los embalses Chiquiurcu, Mulacorral y Chiquicahua en microcentrales de 4.2 MW combinados, suficientes para abastecer a 12,000 hogares. Estas instalaciones, con turbinas Kaplan de bajo salto (15 m), operarían con un factor de capacidad del 74%, superior al 58% de Agoyán, gracias a caudales regulados.
Paneles flotantes en embalses: Instalar 5 MW fotovoltaicos en el espejo de agua de La Península, aprovechando sinergias en transmisión. Proyectos piloto en Mulacorral muestran que esto reduce la evaporación en un 30%, preservando 450,000 m³/año para generación hidroeléctrica. Electrolineras solares: Replicar el modelo de la UTA, que alimenta vehículos eléctricos con 6.1 kWh/100 km, en 20 puntos estratégicos de Ambato, usando terrenos baldíos junto a subestaciones.
Tungurahua produce 120,000 ton/año de desechos vegetales (paja de cebada, cáscaras de papa), con potencial para generar 18 GWh/año mediante digestores anaeróbicos. Un proyecto en Cevallos demostró que 1 tonelada de residuos = 150 kWh, suficiente para alimentar 30 hogares diarios.
Plan de Acción para la Transición Energética
Meta: Reducir el déficit en un 40% (19.2 MW).
Acciones:
Instalar 2,000 postes LED en vías principales, ahorrando 1.3 MW de demanda1.
Capacitar a 500 técnicos en mantenimiento predictivo de turbinas, usando el centro de formación de la UTA4.
Meta: Lograr un 95% de generación renovable.
Acciones:
Construir 3 plantas solares de 10 MW en Pelileo, integradas a redes de distribución locales.
Implementar un sistema de bombeo-turbinado en Chiquicahua, almacenando 280 MWh nocturnos para horas pico.
4. CONCLUSIONES
El déficit energético en Tungurahua es el resultado de una interacción compleja entre infraestructura obsoleta, limitaciones territoriales y vulnerabilidad climática. Aunque se han implementado mejoras operativas y simulaciones avanzadas, se requiere una estrategia integral que incluya:
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] Comisión Económica para América Latina y el Caribe (CEPAL), Energía renovable en América Latina y su impacto en el desarrollo sostenible, 2019.
[2] Ministerio de Energía y Recursos Naturales No Renovables del Ecuador, Informe de planificación energética nacional 2023-2035, 2023.
[3] Organización Latinoamericana de Energía (OLADE), Panorama energético de América Latina y el Caribe, 2021.
[4] Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), The role of hydropower in global decarbonization, 2022.
[5] Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC), Consumo energético en el sector industrial ecuatoriano: Estadísticas 2022-2023, 2023.
[6] J. Ponce and F. Ramos, "Impacto de la variabilidad climática en la generación hidroeléctrica ecuatoriana", Revista Energía y Ambiente, vol. 15, no. 3, pp. 45–60, 2020.
[7] J. Samaniego, "Gestión de riesgos en infraestructura hidroeléctrica: Modelos de resiliencia en América Latina", Revista de Energía Renovable, vol. 28, no. 2, pp. 78–95, 2021.
[8] Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), Transición energética en países en desarrollo: Retos y oportunidades, 2021.
[9] Centro de Estudios de Energía y Ambiente (CEEA), Análisis de la crisis energética en Ecuador: Factores y soluciones, 2023.
[10] P. Vargas and R. Guzmán, "Redes inteligentes y su aplicación en la gestión de energía en Ecuador", Revista de Tecnología Energética, vol. 10, no. 4, pp. 34–50, 2022.
[11] Red de Energía Renovable de América Latina, Estado actual y perspectivas de la energía hidroeléctrica en la región andina, 2022.
[12] L. García, "Impacto de los embalses multipropósito en la estabilidad del suministro eléctrico en Ecuador", Revista de Ingeniería Hidroeléctrica, vol. 6, no. 1, pp. 15–30, 2021.
[13] Comisión Federal de Electricidad (CFE), Estrategias para la eficiencia operativa en plantas hidroeléctricas: Lecciones aprendidas en América Latina, 2023.
[14] Banco Interamericano de Desarrollo (BID), Desafíos para la integración de energías renovables en sistemas eléctricos aislados en Sudamérica, 2022.
[15] M. García and J. Pérez, "Evaluación de impacto ambiental de proyectos hidroeléctricos en Ecuador", Revista de Sostenibilidad Energética, vol. 12, no. 2, pp. 22–40, 2021.
[16] Centro de Investigación Energética (CIE), Optimización de costos operativos en hidroeléctricas: Casos de éxito en Ecuador y Perú, 2023.
[17] Organización Mundial de la Energía (OME), Tendencias y desafíos en la generación hidroeléctrica en el contexto del cambio climático, 2022.
[18] R. Pérez, "Modelos de simulación para la planificación hidroeléctrica en entornos de alta variabilidad hídrica", Revista de Modelado Energético, vol. 8, no. 3, pp. 55–70, 2020.
Instituto Superior Tecnológico Tungurahua, Ambato, Tungurahua, Ecuador, vgallo.istt@gmail.com ↑
Instituto Superior Tecnológico Tungurahua, Ambato, Tungurahua, Ecuador, pespejo.istt@gmail.com ↑
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