Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 25-10-2021, Aprobado tras revisión: 18-01-2022
Forma sugerida de citación: Saltos, M.; Velásquez, A.; Aguirre, M.; Villamarín, A.; Haro, R.; Ortiz, D. (2022). “Planificación
óptima de Recursos Energéticos Distribuidos para Mejorar la Resiliencia de Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica frente
a Desastres Naturales: Caso en Lahares Volcánicos”. Revista Técnica “energía”. No. 18, Issue II, Pp. 13-24
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Optimal Planning of Distributed Energy Resources for Enhancing the Electric
Power Distribution System Resilience against Natural Hazards: Case on
Volcanic Lahars
Planificación Óptima de Recursos Energéticos Distribuidos para Mejorar la
Resiliencia de Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica frente a
Desastres Naturales: Caso en Lahares Volcánicos
M. Saltos
1
A. Velásquez
1
M. Aguirre
1
A. Villamarín
2
J. R. Haro
2
D. Ortiz
1
1
Departamento de Eléctrica y Electrónica, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Sangolquí, Ecuador
E-mail: masaltos2@espe.edu.ec; xaguirre1@espe.edu.ec; amvelasquez1@espe.edu.ec; ddortiz5 @espe.edu.ec
2
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile, Santiago, Chile
E-mail: avillama@ing.uchile.cl; jharo@ing.uchile.cl
Abstract
Distributed Energy Resources (DERs) can play a key
role in decarbonization of the energy matrix and the
transition towards to carbon neutrality.
Futhermore, DERs can make the network less
vulnerable to disasters and the response to an
emergency much faster and more efficient, thus
improving the resilience of distribution networks.
Consequently, the present work proposes a
methodological framework to determine the optimal
location and sizing of DERs for resilience
enhancement of power distribution systems against
the impact of natural hazards, in this particular case,
against lahars that form after the occurrence of a
volcanic eruption. Moreover, existing emergency
resources on the contingency plans of the electrical
utilities are considered for the effective restoration
of the distribution system. The proposed
methodology is evaluated on a radial distribution
system in Sangolquí, Ecuador, considering the
lahars that could form on the Cotopaxi volcano
north slope. The results obtained show that our
proposal can enhance the resilience of distribution
networks against natural hazards through
investment in photovoltaic systems and battery
energy storage systems to the energy supply of
critical loads such as shelters, hospitals, among
others.
Resumen
Los recursos energéticos distribuidos DERs (del
inglés Distributed Energy Resources) pueden jugar
un rol clave para la descarbonización de la matriz
energética y su transición hacia la carbono
neutralidad. Además, los DERs pueden hacer que la
red sea menos vulnerable a eventos extremos y que
la respuesta a una emergencia sea mucho más rápida
y eficiente, logrando de esta forma mejorar la
resiliencia de las redes de distribución. Por lo tanto,
el presente trabajo propone un marco metodológico
para determinar la ubicación y dimensionamiento
óptimo de DERs para mejorar la resiliencia de los
sistemas de distribución de energía eléctrica frente al
impacto de desastres naturales, en este caso
particular ante lahares que se forman después de la
ocurrencia de una erupción volcánica. Además, para
una restauración eficiente del sistema se consideran
los recursos existentes en los planes de contingencia
de las empresas de distribución. La metodología
propuesta se evalúa sobre un sistema de distribución
radial en la ciudad de Sangolquí, Ecuador,
considerando los lahares que se podrían formar en el
flanco norte del volcán Cotopaxi. Los resultados
obtenidos muestran que nuestra propuesta puede ser
utilizada para mejorar la resiliencia de las redes de
distribución frente a eventos extremos, a través de la
inversión en sistemas fotovoltaicos y sistemas de
almacenamiento en base a baterías, con el objetivo
de mantener el suministro de cargas a críticas tales
como albergues, hospitales, entre otros.
Index terms
Resilience, power distribution
systems, distributed energy resources, volcanic
eruptions, stochastic optimization.
Palabras clave
Resiliencia, sistemas de
distribución, recursos energéticos distribuidos,
erupciones volcánicas, optimización estocástica.
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Edición No. 18, Issue II, Enero 2022
1. INTRODUCCIÓN
La energía eléctrica es un factor clave para el
desarrollo de las sociedades modernas, ya que influye
directamente sobre su crecimiento económico y la
calidad de vida de sus habitantes. Estos ámbitos están
estrechamente condicionados a una creciente
dependencia energética, por lo cual se ha vuelto
indispensable asegurar un suministro energético en
concordancia con las metas planteadas a nivel mundial
para una transición energética responsable y resiliente.
En un contexto de transición energética, la mejora de la
seguridad de suministro energético se ha vuelto un tema
de mayor preocupación para gran parte de los gobiernos
del mundo [1]. Por esta razón, el desarrollo de redes
eléctricas resilientes que sean capaces de responder a
situaciones climáticas cada vez más adversas (producto
del cambio climático) es la apuesta para mejorar los
niveles de seguridad y calidad de suministro eléctrico. La
Fig. 1 muestra un nuevo marco conceptual de transición
energética y resiliencia en redes eléctricas. Este marco se
alinea con las exigencias de adaptar el sistema eléctrico a
la nueva realidad climática (provocado por un aumento
en los eventos climáticos extremos y desastres naturales)
con estrategias que permitan transitar a la carbono
neutralidad considerando la electrificación de la
economía, la integración masiva de energías renovables
y la eficiencia energética.
Los recursos energéticos distribuidos o DERs (del
inglés Distributed Energy Resources) son fuentes de
generación distribuida, así como dispositivos de
almacenamiento que son capaces de desempeñar un rol
clave para el incremento de la resiliencia frente a eventos
exógenos de baja probabilidad y alto impacto (HILP, del
inglés High Impact Low Probability) como los desastres
naturales. Además, los DERs representan energía local,
descentralizada, acentuando el rol de las comunidades y
de las regiones en la descarbonización y la transición
energética. De hecho, generar, almacenar y controlar
energía localmente sin la necesidad de largas líneas de
transmisión puede provocar que la red sea menos
vulnerable a desastres y que la respuesta a una
emergencia sea mucho más rápida y eficiente [2].
En ese sentido, existen varios trabajos que proponen
diferentes métodos para mejorar la resiliencia de las redes
eléctricas a través de la planificación y operación de
DERs [3]. Por ejemplo, en [4] se presenta una propuesta
para mejorar la resiliencia de las redes de distribución de
energía eléctrica, aprovechando la naturaleza distribuida
de los sistemas fotovoltaicos (PV, del inglés
Photovoltaic) y el almacenamiento por baterías o BESS
(del inglés Battery Energy Storage System). En este
contexto, los recursos BESS ofrecen flexibilidad
operativa adicional para mejorar la resiliencia durante la
ocurrencia de eventos HILP debido a sus características
de alta eficiencia, respuesta rápida y bajos costos de
mantenimiento. No obstante, actualmente los costos de
inversión de los sistemas de almacenamiento BESS son
relativamente caros y escalan conforme al tipo de
tecnología de baterías que se desee implementar (litio,
plomo ácido, entre otros). Por otro lado, en el contexto de
los sistemas híbridos, los equipos BESS pueden ser
considerados una tecnología viable para estudios de
resiliencia. Incluso, si a futuro se consideran los
beneficios o sinergia positiva de la complementariedad
(PV + BESS) para mejorar la resiliencia de los sistemas
eléctricos se podrían desplazar los generadores diésel del
portafolio óptimo de inversión, para mejorar la resiliencia
de las redes de distribución frente a eventos HILP [5].
Figura 1: Nuevo marco conceptual de transición energética y
resiliente en redes eléctricas
Entre los diferentes eventos HILP de origen natural,
los terremotos y las erupciones volcánicas son
impredecibles y tienen efectos devastadores en las redes
eléctricas. Al realizar una revisión de la literatura técnica
especializada es acotado el número de publicaciones
referente a la evaluación del impacto de las erupciones
volcánicas en las redes eléctricas [6]–[8]. Dentro de los
peligros volcánicos, las caídas de ceniza pueden provocar
una interrupción del suministro de energía causada por
descargas disruptivas de los aisladores debido a la
acumulación de ceniza, mientras que los lahares (flujos
de lodo y escombros) son más destructivos, causando
daños considerables en postes eléctricos y líneas
eléctricas aéreas [9]. Por ejemplo, según [10], la erupción
del Volcán Fuego en Guatemala causó daños al sistema
eléctrico en 2018 por el descenso de lahares y flujos
piroclásticos, que afectaron al sistema de distribución de
energía eléctrica. Las pérdidas económicas se calcularon
en USD 1,04 millones, con cortes de energía que
ocurrieron en 9 comunidades y afectaron a 3.705 clientes
durante al menos dos días. Otro evento volcánico reciente
fue la erupción del volcán Cordón Caulle en Chile que
provocó continuos cortes de energía y apagones que
afectaron alrededor del 40% de las ciudades cercanas
durante al menos un mes [11].
Ecuador es un país permanentemente amenazado por
este tipo de desastres debido a que está situado en el
cinturón de fuego del Pacífico, que se caracteriza por
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