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Perspectivas de movilidad eléctrica en Cali 2021 – 2029, Caso Tren de Cercanías del Valle

Perspectivas de movilidad eléctrica en Cali 2021 – 2029, Caso Tren de Cercanías del Valle www.cali.gov.co

Resumen: El transporte masivo es, sin duda, una de las áreas de mayor consumo energético dentro del sector transporte. Por tanto, la implementación de alternativas de transporte que hagan uso de recursos diferentes al petróleo se ha convertido en una necesidad en un entorno social orientado al consumo de recursos con menor afectación ambiental. En este documento se evalúa la incorporación del Tren de Cercanías del Valle del Cauca y se analiza su viabilidad técnica desde el punto de vista del sistema eléctrico de distribución de EMCALI y sus planes de expansión y refuerzo.

Palabras clave: Tren de Cercanías del Valle (TCV), Tren eléctrico, Movilidad eléctrica, Sistema de Distribución Local (SDL).

I. Introducción

La necesidad de nuevas formas de abastecimiento de energía ha motivado durante el siglo 21 la investigación y desarrollo de tecnologías que permitan cubrir los requerimientos energéticos de las personas. En el sector del transporte, la necesidad es apremiante para Colombia, ya que se estima que las reservas de fuentes convencionales de petróleo se agotarán dentro de los próximos 6.3 años [1].

Previendo esto, en los últimos años, tanto el sector privado como el Gobierno nacional, han incentivado la explotación de Fuentes de Energías Renovables No Convencionales (FERNC) para satisfacer la demanda energética en los diferentes sectores de la economía, desde los hogares hasta las grandes industrias. Para el sector transporte, la ley 1964 del 2019 promueve el uso de vehículos eléctricos en Colombia y la CREG a través del contrato 044 de 2018 establece metas de implementación de puntos de carga (electrolineras) para vehículos eléctricos considerando la expectativa de aumento de circulación de los mismos.

El transporte masivo es, sin duda, una de las áreas de mayor consumo energético dentro del sector transporte y por tanto se requieren alternativas de movilidad ciudadana que hagan uso de recursos diferentes al petróleo. Es por esta razón que la Gobernación del Valle del Cauca está haciendo grandes esfuerzos para llevar a cabo el proyecto Tren de Cercanías en un horizonte de 10 años, a partir del 2025 [2]. El proyecto consiste en 45 estaciones distribuidas a lo largo de 67 km aproximadamente.

En este artículo se analiza e ilustra, sobre el modelo de red de distribución eléctrica de la ciudad de Cali y alrededores, el impacto de la proyección y operación del Tren de Cercanías del Valle del Cauca, resaltando su posible distribución y la ubicación de sus estaciones.

II. Modelo de Red

Para evaluar el efecto en la demanda adicional de energía eléctrica que introduce la incorporación del TCV y sus alimentadores en el Sistema de Distribución Local, se modeló de la red eléctrica de Cali y sus alrededores con información suministrada por EMCALI, encargada de la administración, mantenimiento y operación de la red de distribución.

A. Características del sistema
El sistema operado por EMCALI está conformado por 22 subestaciones de potencia, con una capacidad instalada de 1.710 MVA. El sistema está conformado por redes de distribución en los niveles de tensión 4, 3, 2 y 1. Cuenta con inyecciones de potencia del STN al nivel de 230 kV desde cuatro (4) subestaciones, que conforman un anillo ubicado en la periferia de la ciudad. Este anillo a su vez alimenta un anillo secundario al nivel de 115 kV y desde aquí se configura un sistema fuertemente enmallado al nivel de 34,5 kV. El sistema de EMCALI tiene como característica principal subestaciones de gran capacidad, siendo las capacidades típicas de transformación de 41.75 MVA 115/13.5 kV, 58 MVA 115/34.5 kV y 28 MVA 34.5/13.2 kV, con una configuración (n-1) en cada subestación, es decir, generalmente se cuenta con dos unidades de transformación en cada nodo del sistema.

B. Consideraciones
El modelo de red considera los proyectos de transmisión (500 - 230 kV) aprobados por la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME) y adoptados por el Ministerio de Minas y Energía (MME) en los diferentes planes de expansión elaborados por la UPME a la fecha [3], [4].

Adicionalmente se tienen en cuenta los proyectos en el Sistema de Transmisión Regional STR [5] y los proyectos de EMCALI a nivel de 115 kV aprobados por la UPME para las subestaciones Sur, Diésel II, Arroyohondo y Ladera. El modelo del SDL actual de EMCALI se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama unifilar SDL EMCALI 2020

Respecto a la demanda nacional, se considera la proyección de demanda en el STN calculada por la UPME, a julio de 2019, considerando como base de proyección la demanda de potencia máxima en Colombia, excluyendo GCE, Panamá y GD [3], [4].

En el caso particular de la ciudad de Cali, se asume el crecimiento alto definido por la UPME en el horizonte de la proyección para la UCP Cali.Además del comportamiento proyectado, se considera el desarrollo de los proyectos urbanísticos especiales y otros proyectos especiales de ciudad, promovidos por el Municipio y por el propio EMCALI, entre los que se citan transporte masivo (M.I.O.) eléctrico, taxis eléctricos y vehículos eléctricos, de acuerdo con información provista por EMCALI.

Adicionalmente EMCALI, en sus planes de inversión, contempla proyectos de expansión de la red eléctrica a través de la ampliación de subestaciones actuales y la construcción de nuevas subestaciones. En la Tabla 1 se enumeran los proyectos de reconfiguración del sistema eléctrico de EMCALI en el horizonte al año 2029.

C. Cálculo de Cortocircuito previo al proyecto TCV

A partir del modelo de red obtenido y proyectado al año 2033, se realizan simulaciones de estado estacionario (Cortocircuito) con el objetivo de evaluar la capacidad del SDL.

Tabla 1. Proyectos en el SDL, horizonte 2020 - 2029 [EMCALI]

Los resultados de la evaluación de cortocircuito muestran una capacidad alta en la mayoría de subestaciones. La Figura 2 muestra las corrientes de cortocircuito calculadas en cada barra de 34.5 kV del SDL de EMCALI considerando una falla franca trifásica.

El nivel de cortocircuito es relevante para asegurar que los equipos a instalar operarán en condiciones satisfactorias para asegurar su desempeño. Un alto nivel de cortocircuito evidencia un sistema eléctrico robusto que soporta las exigencias del tipo de cargas que constituye el TCV.

Figura 2. Nivel de Cortocircuito trifásico en barras de 34.5 kV


III. Tren de Cercanías del Valle TCV

Con el objetivo de mejorar la movilidad en Cali y permitir la integración con los municipios de Jamundí, Yumbo y Palmira, se ha promulgado el proyecto de Tren de Cercanías del Valle (TCV). El TCV proyecta movilizar entre 180 y 270 mil pasajeros diarios a partir del año 2025 con un periodo de implementación total de 10 años[2].

Figura 3. Etapas del TCV [2]

Para ello se plantea implementar un tranvía con infraestructura a nivel con prioridad semafórica, que pueda alcanzar una velocidad máxima de hasta 80 km/h, manteniendo un promedio de hasta 25 km/h y permita el transporte de hasta 30.000 pasajeros en hora pico [2]. Para su construcción se definen cinco (5) etapas, las cuales se presentan en la Figura 3. El sistema propuesto contará con dos líneas principales conformadas por un total de 45 estaciones distribuidas a lo largo de su recorrido, siendo 17 estaciones de alta capacidad y 28 menores. Para proyectar el consumo de potencia de cada estación del TCV se tienen en cuenta las características generales del sistema de tranvía y se compara con proyectos similares actuales. Se estima una demanda de 2.7 MW para las estaciones de alta capacidad y de 500kW en las estaciones menores. La configuración de las estaciones es redundante desde el punto de vista de equipos, para asegurar que ante la probable falla de uno de los elementos del sistema este cuente con respaldo inmediato.

Como referencia para el TCV y con el propósito de conocer el estado del arte de los modernos sistemas de transporte masivo implementados a escala mundial, se consideraron varios sistemas actualmente en operación, algunos de los cuales que fueron tomados como referencia [6] se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Proyectos tren – tranvía [6]

Para proyectar la ubicación propuesta de las estaciones de abordaje, se tuvo en cuenta la infraestructura y el trazado existente para el ferrocarril del pacífico y se realizó un reconocimiento, identificando el estado actual de la misma, su articulación con el sistema de transporte masivo de la ciudad y las necesidades particulares para asegurar su disponibilidad para el proyecto y una armonización con los proyectos motivadores de la región.

De acuerdo con los recorridos planteados para el TCV en cada una de sus cinco etapas, se identifican las subestaciones de EMCALI más cercanas y que brinden capacidad eléctrica suficiente para atender la demanda del TCV (Figura 4).

El criterio para el diseño de la alimentación de las estaciones del sistema del TCV enfatiza el aspecto de confiablidad, para lo cual se plantea un esquema redundante que permita contar con dos posibles fuentes de alimentación de energía eléctrica ante una contingencia sencilla que pueda afectar la operación segura del sistema y un esquema que permita que entre las mismas estaciones puedan configurarse esquemas de alimentación de respaldo.

◊ Para la alimentación del TCV en la Etapa I (Jamundí – Cali) se proponen las subestaciones Nueva SE 115 - 2 en Jamundí, Alférez, Meléndez, Sur, Diésel II y Diésel I que pueden atenden la totalidad de estaciones del TCV para el tramo I, contando con posible respaldo de las subestaciones Pance, Nueva SE 115 - 3 y Centro.

◊ Para la Etapa II (Cali – Yumbo) se establece la alimentación de 11 estaciones del TCV desde las subestaciones Diésel I, Menga, Arroyohondo, Termoyumbo y Guachicona, con posible respaldo desde Centro, Nueva SE 115 - 1 y Guachal.

◊ En la Etapa III (Cali – Palmira) se considera la alimentación de 8 estaciones del TCV cubiertas por las subestaciones Diésel I y San Luis con posible respaldo desde las subestaciones PTAR y Juanchito.

◊ La Etapa IV (Centro de Cali) contaría con el suministro de energía desde la subestación San Antonio, considerando un posible respaldo desde la subestación Nueva SE 115 - 4.

Figura 4. Subestaciones cercanas al TCV por etapas

Considerando el TCV hasta su tercera etapa y la disposición de subestaciones eléctricas prevista, se realizan análisis de flujo de carga para evaluar el impacto del TCV en el SDL de EMCALI para el año 2029.

Los resultados obtenidos de las simulaciones de flujo de carga con el modelo de red proyectado para el año 2029, muestran que todos los elementos del SDL se encuentran dentro de valores permitidos por la CREG, establecidos en el código de redes. Los niveles de tensión no superan el 110%, ni descienden por debajo del 90%, y no se observan sobrecargas en líneas o transformadores.

Las diez condiciones de cargabilidad más alta identificadas se presentan en la Figura 5, Figura 6 y Figura 7 para las líneas de 34.5 kV, a 115 kV y los transformadores de potencia respectivamente del sistema evaluado.

Figura 5. Cargabilidad en Líneas a 34.5 kV (SDL EMCALI)

La cargabilidad máxima de las líneas a 34.5 kV es 30 MVA, la recomendada en operación es de 20 MVA

Figura 6.Cargabilidad en líneas a 115 kV (STR)

La cargabilidad máxima de las líneas a 115 kV es 180 MVA, la recomendada en operación es de 125 MVA

Figura 7.Cargabilidad Transformadores (SDL EMCALI)

Como se evidencia en el estudio, aunque en el sistema no se identifican condiciones de sobrecarga, en los transformadores se proyectan valores de cargabilidad en las subestaciones Diésel, San Antonio, San Luis y Sur que superan el 70% de cargabilidad en el escenario evaluado.

IV. Conclusiones

◊ El TCV es un proyecto clave para el desarrollo social y económico tanto regional como nacional. Posibilita la movilidad masiva de ciudadanos a lo largo del departamento del Valle del Cauca, con eficiencia y sostenibilidad, en cuanto utiliza una fuente energética alejada de emisiones de CO2. A su vez el TCV incorpora tecnologías de primer nivel y permitirá la creación de nuevos empleos.

◊ EMCALI ha realizado esfuerzos importantes para garantizar que el SDL se encuentre en capacidad de suministrar energía eléctrica al TCV. Lo anterior se ve reflejado en el amplio número de proyectos de expansión que se han incluido en el horizonte 2020-2029.

◊ Los resultados del estudio de cortocircuito garantizan que el sistema de EMCALI es lo suficientemente robusto para soportar las exigencias de la carga que supone el TCV.

◊ Los análisis realizados muestran ausencia tanto de sobrecargas como violaciones de límites de tensión, lo cual indica que el SDL está preparado para atender este desafío cumpliendo con los requisitos de calidad, confiabilidad y seguridad establecidos en el código de redes (resolución CREG 025 de 1995).

◊ La configuración propuesta asegura el criterio de confiabilidad exigido por los sistemas de este tipo de clase mundial.

V. Referencias

[1] MinMinas, «Reservas probadas de petróleo aumentaron a 6.3 años al cierre del 2019», Boletín informativo Presidencia de Colombia, abr. 2020.
https://id.presidencia.gov.co/Paginas/prensa/2020/Reservas-probadas-de-petroleo-en-Colombia-aumentaron-a-6-3-anios-al-cierre-de-2019-200430.aspx#:~:text=Bogot%C3%A1%2C%2030%20de%20abril%20de,representa%20un%20aumento%20del%204%25. (accedido sep. 20, 2020).
[2] C. A. Londoño Gómez, «Sistema de transporte férreo intermunicipal entre Cali - Palmira - Yumbo - Jamundí». Gobernación del Valle del Cauca - Proyecto TCV, ago. 2019.
[3] Unidad de Planeación Minero Energética - UPME, «Plan de expansión de referencia generación - transmisión, 2017 - 2031». Ministerio de Minas y Energía MME, jul. 2018.
[4] Unidad de Planeación Minero Energética - UPME, «Plan de expansión de referencia generación - transmisión 2019 - 2033». Ministerio de Minas y Energía MME, 2019.
[5] Empresa de Energía del Pacífico EPSA S.A. E.S.P. y Compañía de Electricidad de Tuluá CETSA S.A. E.S.P., «Plan de expansión de referencia del Valle del Cauca». EPSA - CETSA, jul. 2018.
[6] A. García Álvarez y M. del P. Martín Cañizares, «Metodología de cálculo del consumo de energía de los trenes viajeros y actuaciones en el diseño del material rodante para su reducción», Monografías ElecRail, vol. 5, p. 58, 2012.
[7] Universidad Tecnológica de Pereira y Centro de Energía de la Universidad de Chile, «Estudio para el diseño de indicadores de seguimiento y evaluación de la integración de la Autogeneración y la Generación Distribuida en el Sistema Interconectado Nacional». CREG, sep. 2018.
[8] EMCALI, «Infraestructura movilidad eléctrica Movilidad». EMCALI, 2018.
[9] República de Colombia - Gobierno Nacional, «LEY 1964 de 2019». Congreso de Colombia, jul. 11, 2019.
[10] Gobernación del Valle del Cauca, Alcaldía de Santiago de Cali, Municipio de Palmira, Alcaldía de Yumbo, y Alcaldía de Jamundí, «Tren de Cercanías del Valle TCV, Hacia un modelo de desarrollo urbano orientado al transporte masivo». 2018.
[11] J. E. Ceballos Delgado, E. F. Caicedo Bravo, y S. Ospina Arango, «Una propuesta metodológica para dimensionar el impacto de los vehículos eléctricos sobre la red eléctrica», Revista Ingeniería, vol. 21, no 2, pp. 154-175, mar. 2016.

Fabio Andrés Perea:
Ingeniero de Proyectos en GERS S.A.S, Especialista en Sistemas de T&D (Univalle, en curso). Ingeniero Electricista (Univalle, 2011). Con experiencia en análisis de sistema de potencia, desarrollo de planes de expansión y aplicaciones para integración de modelos eléctricos GIS y SCADA. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Andrés Eduardo Pérez:
Ingeniero de Proyectos en GERS S.A.S, Magister en Sistemas Energéticos (Universidad Autónoma de Occidente). Ingeniero Electricista (Universidad Autónoma de Occidente, 2012). Tecnólogo en Electrónica Industrial (2001). Posee experiencia en modelado de sistemas de potencia y desarrollo de estudios eléctricos aplicados en proyectos de planeamiento y conexión. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Héctor Enrique Peña Gonzales:
Profesional Operativo del departamento de Planeación en EMCALI EICE ESP. Magister en gerencia de proyectos (Icesi, 2020), Especialista en Sistemas de T&D (Univalle, 2016), ingeniero electricista (Univalle, 1992). Experiencia en formulación y estructuración de proyectos, planeamiento de sistemas eléctricos, modelado de sistemas eléctricos, sistemas de medición inteligente, gestión de demanda, miembro del CAPT entre 2008 y 2014, participe comité 144 ICONTEC, gestor de varios proyectos de innovación en EMCALI.
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Modificado por última vez en Miércoles, 28 Octubre 2020 17:34

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