Propuesta de nuevas técnicas de gestión de la demanda en sistemas de alumbrado público provistos por distribuidoras de electricidad: caso específico de Ecuador

• Autores: Giovani Santiago Pulla Galindo
• Directores de la Tesis: David Borge Diez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Número de páginas: 214
• Títulos paralelos:
  • Proposal of new demand-side management techniques for public lighting systems provided by electricity distributors: specific case of Ecuador
• Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Rosales Asensio (presid.), Rubén González González (secret.), Cristina Sáez Blázquez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Producción y Computación por la Universidad de León
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: BULERIA
• Resumen
  • español

    Los métodos, procesos y tecnologías que permitan un mejor aprovechamiento de la energía, en todo momento es una prioridad promovida ya sea por los gobiernos o la empresa privada que vista desde el lado de los usuarios o desarrolladores de procesos o tecnología han motivado y permitido que en la actualidad dispongamos de los mismos y que se siga procesos de transformación siempre en miras de mejorar los métodos, procesos y tecnologías referidas, buscando siempre disponer de equipos y procesos que permitan disponer de sistemas eficientes.

    En este contexto, el área de la iluminación pública es uno de los servicios que desde un inicio de la construcción de la primera bombilla eléctrica no ha escapado a la transformación tecnología, tanto así que Thomas Alva Edison, experimento en 1879, utilizando una metodología de prueba – error, hasta conseguir mejorar la vida útil de las primeras lámparas incandescentes habiendo mejorado los aspectos constructivos hasta conseguir que estas tengan una vida útil superior a varias decenas de horas en lugar de las desarrolladas inicialmente que duraban pocas horas. Posteriormente se construyeron lámparas de vapor de mercurio, de sodio de alta y baja presión, lámparas de inducción, etc., denotando un constante avance en la tecnología, así también el uso de los sistemas de alumbrado conllevo al desarrollo de sistemas de control, como relojes programables y solares, sistemas de autocontrol como fotocélulas, etc., que permitió establecer periodos de funcionamiento observando políticas de funcionamiento plasmados en procesos de sistemas de calidad. En este contexto en la actualidad desde la década de los años 80 en los sistemas de alumbrado público se empezó a utilizar luminarias con tecnología de light emisión diodo, LED desarrollada por los años 1962 siendo estos de bajas potencias, los cuales y luego de mejorar sus niveles de iluminación se adoptaron para su uso en luminarias para el servicio público de iluminación de vías, entre otras aplicaciones, años desde donde se inició una migración sustituyendo las luminarias de sodio de alta presión que prestaban este servicio por luminarias con tecnología LED, existiendo a la fecha varias ciudades en el mundo como en Madrid, Nueva York, Buenos Aires, Tucumán, etc., en donde ya se cuenta con un uso masivo de esta tecnología, lo cual entre otras ventajas ha conseguido disminuir el consumo de energía eléctrica prestando una mejor calidad de iluminación y de eficiencia energética en los lugares en donde se utiliza esta tecnología. Así también han existido cambios en los sistemas de control del servicio de iluminación pública ya no solo utilizando fotocélulas para autocontrol de las luminarias sino también sistemas de telegetión que permiten regular los niveles de iluminación prestados y controlar el encendido o apagado de los sistemas.

    Particularmente en el Ecuador no ha existido un plan de migración de luminarias de sodio de alta presión a luminarias con tecnología LED, que permita actuar a las diferentes entidades gubernamentales encargados de gestionar el servicio de alumbrado público, no vislumbrando la necesidad de realizar la gestión de la demanda desde el lado del alumbrado público con la premura del caso, más aún, cuando este servicio en el Ecuador tiene un consumo de energía eléctrica que corresponde al 5,56 % del total de la energía consumida, razón que permite intuir que no se ha dado la importancia de la gestión de este componente energético del Ecuador, observando que hasta el año 2019 se sigue adquiriendo mayoritariamente luminarias de sodio de alta presión para la expansión de los sistemas de alumbrado y reposición de los que han cumplido su vida útil.

    Otro aspecto ligado directamente al servicio de alumbrado público son las fuentes de generación eléctrica de las cuales se provee la energía a estos sistemas, que en el Ecuador para este propósito mayoritariamente se utilizan fuentes de generación hidráulica, que, aunque proveen de una anergia relativamente a un bajo costo, no existe en cantidades suficientes, debido a que esta generación proveen de energía a otros sistemas eléctricos como son los sistemas residenciales, comerciales e industriales.

    Con este antecedente, en esta tesis por compendio se determinar el estado actual de los sistemas de alumbrado público del Ecuador incluyendo la región Insular de Galápagos, analizando los aspectos legales, definidos en leyes y regulaciones estatales, identificando sus gestores directos e indirectos, esto es las Empresas distribuidoras de energía encargadas de prestar el servicio de alumbrado público, analizando la evolución de las inversiones en los últimos 10 años, identificando los costos de administración, operación, mantenimiento, los costos para expansión de los sistemas y los de reposición de los mismos, así como se identificó las políticas estatales del servicio, se analizó además el plan de expansión del servicio de alumbrado público definido por el Estado Ecuatoriano en el Plan Maestro de Electrificación 2019 – 2027, y se identificó y analizo la evolución de los inventarios de luminarias en los últimos 10 años, también se analizó los aspectos tarifarios y su evolución. Dentro del contexto del análisis también en esta investigación se observó la infraestructura que el Ecuador dispone en aspectos de laboratorios de luminotecnia, ya que son parte relevante para la gestión y desarrollo de los sistemas de alumbrado cuando se busca eficiencia energética, habiendo determinando que en el Ecuador existen dos laboratorios de investigación, uno de propiedad del Estado Ecuatoriano y que está destinado a prestar servicios al público en general y otro de la Universidad Católica de Cuenca, destinado netamente a temas de investigación. También se analiza las políticas ambientales y de residuos respecto de los servicios de alumbrado público. Adicionalmente como un factor relevante de la evaluación se ha determinado las emisiones de CO2 que se provocan por la prestación del servicio de alumbrado y se ha determinado la reducción de estas emisiones que se tendría luego de aplicar las políticas de gestión del lado de la demanda de los sistemas de alumbrado público SLDSM estudiadas en esta Tesis.

    Adicionalmente respecto de la región Insular de Galápagos, cuyo sistema de generación eléctrica, distribución y de alumbrado público se constituye en un sistema asilado del continente, se analiza de manera particular aspectos diferenciadores del área continental, como los aspectos legales, y los compromisos internacionales de conservación del ecosistema, que constituyen limitantes en los aspectos de gestión de los sistemas de alumbrado público. Debido a que en esta región los sistemas de alumbrado público se consideran conformantes de los sistemas de distribución eléctrica y que son administrados por una misma institución. Para su análisis se ha debido incluir investigaciones sobre los componentes de todo el sistema de energía eléctrica de las islas, habiendo analizado sus aspectos legales, económicos, financieros, de infraestructura, políticos, etc., lo cual ha permitido conocer el contexto general de este sistema que incluye el servicio de alumbrado público.

    Se analiza el y evalúa el impacto de la gestión del lado de la demanda de los sistemas de alumbrado público (SLDMS), tanto en área continental como en el área insular, habiendo determinado que con las nuevas políticas de migración de luminarias a LED, el uso de mini centrales independientes con generación renovable, para dotar de energía en los centros históricos de 16 ciudades, el uso de un sistema de control novedoso a través de un sistema de telegestión que puede constituirse como parte de un sistema Smart City, la identificación de niveles de iluminación considerados como parámetros de referencia para el encendido, apagado y dimerización de los sistemas de iluminación, así como la implementación de registradores de la claridad del cielo nocturno Sky Quality Meter, SQM, permitirá una disminución en las curvas de la demanda de hasta el 45,93% respecto del sistema actual.

    Los análisis del marco legal, económico, financiero de infraestructura, etc., han sido realizado para todo el sistema de alumbrado del área continental e insular del Ecuador, en tanto que los aspectos tecnológicos, como la identificación de las mini centrales de generación y su operación, así como la identificación de los sistemas de control a través de sistemas de telegestión con referencia de datos tomados por un sistema de medición SQM, han sido realizados y probados en la ciudad de Cuenca, con el apoyo y equipos del Laboratorio de investigación de Luminotecnia de la Universidad Católica de Cuenca, para luego expandir los criterios verificados al resto del sistema de alumbrado público tanto en el área continental como insular del Ecuador.

    Los principales análisis realizados en esta tesis han sido publicados en revistas de alta calidad, mostrando las novedades metodológicas y los aspectos técnicos que incluso pueden ser replicados en otras regiones con características similares a las analizadas, habiendo identificado además problemas que pueden ser motivo de otras investigaciones complementarias como en las áreas de contaminación lumínica y del tratamiento de residuos de sistemas de iluminación, que permitirá disponer de datos necesarios para la formulación de políticas públicas para los servicios de iluminación. Así también se ha recomendado complementar estudios a lo largo de un año que abarquen todas las estaciones climáticas, con el fin de observar el comportamiento de la luminosidad del cielo bajo diferentes condiciones de contaminación atmosférica por presencia de partículas, humedad y temperatura que permitan realizar ajustes a los parámetros de actuación de los equipos de control de los niveles de iluminación.

  • English

    The methods, processes and technologies that allow a better use of energy, at all times is a priority promoted either by governments or private enterprise. This seen from the side of the users or developers of processes or technology have motivated and allowed that at present we have them and that transformation processes are followed always in order to improve the methods, processes and technologies referred to, always seeking to have equipment and processes that allow to have efficient systems.

    In this context, the area of public lighting is one of the services that since the beginning of the construction of the first electric bulb has not escaped the technological transformation. Thus, Thomas Alva Edison experimented in 1879, using a trial-error methodology to improve the useful life of the first incandescent lamps; consequently, the constructive aspects of the bulb improved notably to achieve that these have a useful life exceeding several tens of hours instead of those initially developed that lasted a few hours. Subsequently, mercury vapor lamps, high and low pressure sodium lamps, induction lamps and so on were built, denoting a constant advance in technology as well as the use of lighting systems that led to the development of control systems, such as programmable and solar clocks, self-control systems such as photocells, etc. These advances allowed the establishment of operating periods observing policies embodied in quality system processes. Taking into account thise context, since the decade of the 80's, the public lighting systems began to use luminaires with light emitting diode technology, LED, the same that were developed by the years 1962. These were of low power, which and after improving their lighting levels were adopted for use in luminaires for the public service of road lighting. Since then, a migration began, replacing the high pressure sodium luminaires that provided this service with LED technology luminaires. At the date, there are everal cities around the world such as Madrid, New York, Buenos Aires, Tucumán, and so on that use this technology massively. Among other advantages of its usage, we can see that this technology not only has reduced the consumption of electric energy, but also has provided of a better lighting quality and energy efficiency in the places where this technology is used. There have also been changes in the control systems of the public lighting service, not only using photocells for self-control of the luminaires, but also using remote control systems that allow regulating the lighting levels provided and controlling the switching on and off of the systems.

    Particularly, in Ecuador there has not been a migration plan of high pressure sodium luminaires to LED technology luminaires which allows the different governmental entities in charge of managing the public lighting service to act; in consequence, it is not envisioning the need to manage the demand from the public lighting side with the urgency of the case, even more when this service in Ecuador has an electrical energy consumption that corresponds to 5.56% of the total energy consumed. Fact that allows us to intuit that the importance of the management of this energy component of Ecuador has not been given; thus, until 2019, the majority of high-pressure sodium luminaires were continue to be acquired for the expansion of the lighting systems and the replacement of those that have reached their useful life.

    Another aspect directly linked to the public lighting service are the sources of electricity generation from which energy is provided to these systems, same that in Ecuador for this purpose, mostly use hydraulic generation sources which although provide energy at a relatively low cost, they do not exist in sufficient quantities because this generation provides energy to other electrical systems, such as residential, commercial and industrial systems.

    With this background, in this thesis we determine the current state of public lighting systems in Ecuador including the Galapagos Island region, analyzing the legal aspects that are defined in the laws as well as in the state regulations, identifying their direct and indirect managers, that includes the energy distribution companies which responsibities is to provide the public lighting service. An analisis has been carried out about the evolution of investments in the last 10 years, identifying the costs of administration, the operation, the maintenance, the costs for expansion of the systems and their replacement, as well as identifying state policies for the service, The expansion plan of the public lighting service, defined by the Ecuadorian State in the Master Plan of Electrification 2019 – 2027, was also analyzed. Besides, the evolution of the inventories of luminaries in the last 10 years was identified and analyzed, as well as the tariff aspects and their evolution. Within this análisis, this research also considered the infrastructure that Ecuador has in reference of lighting laboratories due to the fact that they are a relevant part for the management and development of lighting systems when energy efficiency is sought. It has been determined that in Ecuador there are two research laboratories, one owned by the Ecuadorian State, which purpose is to provide services to the general public and another owned by the Catholic University of Cuenca which is purely for researching concerns. The environmental and waste policies regarding public lighting services are also analyzed. Additionally, as a relevant factor in the evaluation, the CO2 emissions caused by the provision of the lighting service have been determined. Besides, the reduction of these emissions that would be obtained after applying the demand-side management policies of the SLDSM public lighting systems studied in this thesis has also been established.

    In addition, referring to the Galapagos Island region, whose electricity generation, distribution and public lighting system are isolated from the mainland. It was analyzed aspects that differentiate the Islands from the mainland, such as: legal aspects and international commitments to ecosystem conservation, which limit the management of public lighting systems. Due to the fact that in this region the public lighting systems are considered part of the electric distribution systems and that are managed by the same institution, for this analysis, it has been necessary to include research on the components of the entire electric power system of the islands. Its legal, economic, financial, infrastructure, political aspects, and so on, were studied that allow to know the general context of this system that includes the public lighting service.

    The impact of demand-side management of public lighting systems (SLDMS) is analyzed and evaluated, both in continental and island áreas determining that: with the new policies of migration of luminaires to LED; the use of independent mini power plants with renewable generation to provide energy in the historic centers of 16 cities; the use of an innovative control system through a remote management system that can be part of a Smart City system; the identification of lighting levels considered as reference parameters for switching on, off and dimming of lighting systems, as well as the implementation of Sky Quality Meter, SQM, night sky brightness recorders will allow a decrease in demand curves of up to 45.93% with respect to the current system.

    The analysis of the legal, economic, financial, infrastructure, etc., framework has been carried out for the entire lighting system of the continental and insular area of Ecuador. While, technological concerns, such as the identification of the mini generation plants and their operation, as well as the identification of the control systems through remote management systems with reference of data taken by a SQM measurement system have been carried out and tested in the city of Cuenca. All this with the support and equipment of the Lighting Technology Research Laboratory of the Catholic University of Cuenca to later expand the verified criteria to the rest of the public lighting system, both in the continental and insular areas of Ecuador.

    The main analyses developed in the present thesis have been published in high quality journals, showing innovative methodologiies as well as technical aspects that can be replicated in other regions with similar characteristics to those that were analyzed. Besides, topics that can be subject of further complementary research came to light, such as: in the field of light pollution and the treatment of waste from lighting systems which will provide of the necessary data for the formulation of public policies for lighting services. It has also been recommended to complement studies throughout the year to cover all the climatic seasons due to the fact of observing the behavior of the sky brightness under different conditions of atmospheric pollution because of the presence of particles, humidity and temperature, allowing adjustments to be made to the performance parameters of the lighting level control equipment.