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Propuesta de Práctica Académica
Modalidad Práctica Empresarial
Departamento de Ingeniería Civil
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Actividad económica
ANÁLISIS DEL POTENCIAL HIDROENERGÉTICO EN EL DEPARTAMENTO DE
ANTIOQUIA, PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS.
Introducción
Las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH’s) comenzaron a
implementarse en Colombia a finales del siglo XIXen Bogotá, Bucaramanga y
Cúcuta; en la década de los años treinta las PCH’s existentes generaban una
potencia de 45 MW, aprovechamientos que fueron desplazados en la
década de los setenta por los grandes proyectos hidroeléctricos que
conformaron la base de la generación a través del Sistema Interconectado
Nacional (SIN) Colombiano [1]. Actualmente, en el Departamento de
Antioquia se lleva a cabo la construcción del proyecto hidroeléctrico de
Ituango, el proyecto más grande e importante de Colombia,diseñado para
generar2400 MW.Proyectos hidroeléctricos de esta magnitud resultan
óptimos en términos de generación pero, de acuerdo con la Unidad de
Planeación Minero-Energética [Upme], presentan grandes inconvenientes
relacionados con las demoras en las licencias ambientales y la oposición de
las comunidades cercanas a los proyectos. Estos inconvenientes se traducen
finalmente en retrasos de las obras, los cuales en proyectos como
Hidroituango, según la revista Portafolio [2], alcanzan hasta un 29 por ciento
de retraso con respecto al cronograma establecido para su finalización y
estos retrasos implican incrementos económicos que pueden llegar a afectar
la propia viabilidad de los proyectos, lo cual de acuerdo con la Asociación
Colombiana de Generadores de Energía Eléctrica [Acolgen] [2] está
promoviendo una movilización hacia el desarrollo de proyectos de PCH’s,en
vista de las múltiples ventajas que presentan en relación con los grandes
proyectos hidroeléctricos, algunas de estas ventajas son [3]:
Solución energética para atender la demanda de zonas no
interconectadas, de los sectores industrial y minero y para el suministro
de electricidad a poblaciones y municipios aislados.
Generación distribuida, lo cual favorece la expansión del sistema de
transmisión nacional.
Estos pequeños aprovechamientos hidroeléctricos son considerados
como fuentes no convencionales de energía renovable, cuyo marco
regulatorio(Ley 1715 DE 2014) establece incentivos como: deducciones
en el pago de impuestos de renta (Artículo 11), exención del pago del
impuesto de IVA (Artículo 12), exención del pago de losderechos
arancelarios de importación de maquinaria (Artículo 13) y régimen de
depreciación acelerada (Artículo 14). Todo esto hace de estos
aprovechamientos alternativas financieramente atractivas, que
permiten la participación de inversionistas privados o entidades
públicas locales.
Los tiempos de construcción requeridos son mucho menores.
Son fuentes de energía limpia y renovable que contribuyen a la
reducción de las emisiones de Gases Efecto Invernadero.
En esta propuesta se presenta el procedimiento requerido para el análisis del
potencial hidroenergético de algunas cuencas en el departamento de
Antioquia para el desarrollo de PCH’s, partiendo de la caracterización de las
cuencas de interés para obtener un valor aproximado de su potencial
hidroenergético en diferentes puntos de la éstas, con el fin de definir las
alternativas más viables técnicamente.
Objetivos
Objetivo general
Identificar zonas potenciales para la generación de energía
hidroeléctrica implementando proyectos de Pequeñas Centrales
Hidroeléctricas.
Objetivos específicos
Identificar la zona para realizar el análisis de su potencial
hidroenergético, descartando cuencas hidrográficas que se
encuentren en estudio por parte de otras entidades.
Consultar estudios hidrológicos existentes de cuencas en la zona
de interés, que permitan inferir el rendimiento hídrico aproximado
de las cuencas de estudio.
Obtener los perfiles altimétricos de los ríos de interés e identificar
los saltos hidráulicos (diferencias de cotas) más importantes a lo
largo de éste, con el fin de ubicar los posibles sitios de captación
y de casa de máquinas, para así restringir la zona del proyecto.
Calcular el área de la cuenca aguas arriba del punto de
captación y por medio de su rendimiento hídrico, el cual está
asociado a la precipitación de la zona, calcular el caudal
medio aprovechable aproximado del río y con éste el potencial
hidroenergético de la cuenca para cada alternativa.
Evaluar cada una de las alternativas disponibles dentro de la
cuenca de estudio, considerando ciertos criterios técnicos que
permitan la selección de los mejores esquemas de desarrollo.
Definir un esquema previo de las obras civiles requeridas de
acuerdo a las características hidráulicas y topográficas de la
zona.
Evaluar las facilidades de acceso que tiene la zona de interés y
su cercanía con los posibles proyectos.
Marco Teórico
Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía hidráulica potencial, existente
en el salto de agua comprendido entre la cota de captación y la cota de
salida del agua en las turbinas, para generar energía eléctrica. En este
proceso de generación la energía potencial sufre una serie de
transformaciones a través de las obras de conducción y de las máquinas de
generación eléctrica, como sigue: a) en energía cinética de traslación en la
conducción forzada que lleva el agua a las turbinas; b) en energía
mecánica por rotación de los órganos móviles de las turbinas y de los
alternadores; y c) en energía eléctrica en los alternadores mediante la
acción inductiva del campo giratorio sobre una armadura estacionaria. Una
vez utilizada, el agua es devuelta a su corriente natural [4].
Las centrales hidroeléctricas se clasifican, según la cantidad de energía
hidroeléctrica que generan, en grandes, medianas y pequeñas centrales. En
Colombia los pequeños aprovechamiento hidroeléctricos, también llamados
Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH’s), corresponden a plantas de
generación con una capacidad neta menor a 20 MW.
Estas PCH’s pueden ser diseñadas con presa o con derivación, aunque las
PCH’s con presa no son recomendadas, ya que la generación de un
embalse requiere un diseño más profundo que, en la mayoría de los casos,
encarece el costo de kilovatio instalado [5].
En cuanto a las PCH’s con derivación, no se genera un embalse ya que es
una planta a filo de agua, en la cual el caudal se toma directamente de la
fuente de aprovechamiento por medio de una bocatoma;ésta bocatoma
direcciona el caudal a un canal que se conecta con un desarenador y un
tanque de presión donde se alcanza la caída necesaria para obtener la
potencia requerida, desde este punto se conduce el caudal hacia la turbina
de generación en la casa de máquinas, a través de una tubería de presión y
finalmente se retorna el agua a la corriente natural del río por un canal de
derivación.
La potencia hidráulica se define como el trabajo que realiza cierto volumen
de agua por unidad de tiempo, al desplazarse de una altitud a otra. El
trabajo realizado está definido por la siguiente expresión:
𝑇 = 𝑊𝑎 × 𝐻𝑏Ecuación 1
Donde
𝑇: trabajo
𝑊𝑎: peso del volumen de agua
𝐻𝑏: salto bruto
Al expresar el trabajo realizado en términos del peso específico del agua, se
obtiene la siguiente expresión para la potencia hidráulica:
𝑃 =𝑇
𝑡=
𝜆×𝑉𝑎×𝐻𝑏
𝑡= 𝜆 × 𝑄 × 𝐻𝑏Ecuación 2
Donde
𝑃: potencia en vatios
𝑉𝑎: volumen de agua en m3
𝜆: peso específico del agua en N/m3
𝑄: caudal en m3/s
𝑡: tiempo en segundos
Para definir la potencia neta es necesario considerar las pérdidas de energía
que se presentan durante la conducción del agua desde la captación hasta
las turbinas, pérdida que significa una disminución del salto bruto disponible,
del cual solo se aprovecha una fracción, denominado salto neto. Para fines
prácticos en el desarrollo de la presente propuesta, se considera que el salto
neto es aproximadamente el 90% del salto bruto; otra consideración
importante en el cálculo de la potencia es el rendimiento de la turbina, el
generador y el transformador para lo cual se asume un rendimiento total del
sistema del 88%.
Consideradas estas pérdidas, se tiene que la potencia hidráulica neta
generada por un determinado caudal al trasladarse un salto neto en MW, es
la siguiente:
𝑃𝑛 =𝜆 × 𝑄 × 0.9𝐻𝑏 × 𝑒
1000
𝑃𝑛 = 0.00981 × 𝑄 × 0.9𝐻𝑏 × 0.88 Ecuación 3
Donde
𝑃𝑛: potencia neta en MW
𝜆: peso específico del agua en N/m3
𝑄: caudal en m3/s
𝑒: eficiencia del sistema, se asume del 88%
De acuerdo con la ecuación 3, para calcular el potencial hidroenergético
de una fuente dada, es necesario definir el salto hidráulico y el caudal medio
aprovechable en el punto de captación.
Para definir el salto hidráulico se traza el perfil de la fuente de
aprovechamiento y se establece la cota de captación y la cota de
descarga.El caudal aprovechable de la cuenca se estima con base al
rendimiento de la cuenca en litros/s*km2, por tanto solo se requiere calcular
el área de la cuenca aguas arriba del punto de captación para establecer
un caudal medio aproximado. Con estos parámetros básicos se calcula de
forma aproximada el potencial hidroeléctrico.
Metodología
El alcance de los objetivos planteados requiere de la metodología
presentada a continuación, la cual consta de las siguientes actividades:
1. Evaluación de la información disponible: Estudiar la información
disponible sobre estudios de potencial hidroeléctrico realizados
previamente en zonas específicas del departamento, para definir
zonas puntuales de estudio.
2. Búsqueda de información de la zona: Identificar los puntos de interés
en el software Google Earth, para obtener las coordenadas
geográficas de la cuenca. Con estas coordenadas se obtiene un
modelo digital del terreno en Nasa’s Earth ObservingSystem Data And
InformationSystem.
3. Procesamiento de la información: El modelo digital del terreno es
procesados en los programas QGIS, HidroSIG y MapWindows.
Herramientas con las cuales es posible obtener el perfil de la fuente y el
área de la cuenca aprovechable.
4. Definición de los parámetros de la cuenca: Se determinan las zonas
potenciales de acuerdo al perfil de la fuente, en el cual se pueden
identificar los saltos hidráulicos más sobresalientes. Después de definir el
punto de captación se calcula el área aprovechable de la cuenca,
parámetro que se emplea para calcular un caudal medio
aprovechable aproximado, considerando el rendimiento de la
cuenca.
5. Cálculo del potencial hidroenergético: El potencial hidroenergético se
calcula con los datos obtenidos de la caracterización de la cuenca,
empleando la ecuación 3.
6. Esquema de las obras civiles: Se realiza un esquema aproximado de la
disposición de cada una de las obras civiles requeridas por la central.
7. Análisis de resultados: Se define la opción más apropiada para el
aprovechamiento de la cuenca, considerando la potencia
proporcionada y la magnitud de las obras civiles requeridas.
Cronograma de Actividades
A continuación se muestran las diferentes actividades a realizar según la
metodología, indicando el tiempo programado para su ejecución.
Actividades Quincenas
1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
5
6
7
Resultados Esperados
Se espera encontrar zonas potenciales, viables técnicamente, para la
generación de energía hidroeléctrica implementando proyectos de
Pequeñas Centrales.
Presupuesto
La realización del proyecto comprende el uso de software libre, e
información proporcionada por la empresa Integra S.A. Ingenieros
Consultores, por tanto no se requiere ningún recurso económico.
Referencias bibliográficas
[1] Ávila F. Raúl (2008). “Caracterización de las pequeñas centrales
hidroeléctricas PCH’s”. Mundo eléctrico - revista especializada del sector
eléctrico, No. 72, Julio - Septiembre, pp. 62-63.
[2] Celedón, Nohora (2014). “¿Se acerca el fin de las grandes
hidroeléctricas?”. Revista Portafolio, Octubre
4.http://www.portafolio.co/negocios/fin-hidroelectricas
[3]. Gil M., Smith R. y Ángel W. (2005). “Análisis de inversión en pequeñas
centrales hidroeléctricas”. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente,
Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia.
[4]. Santo E. (1971). “Centrales hidroeléctricas”. Editorial Gustavo Gil, S. A.,
Barcelona, pp. 25.
[5]. Mora D. y Hurtado J. (2004). “Guía para estudios de prefactibilidad de
pequeñas centrales hidroeléctricas como parte de sistemas híbridos”.
Pontificia Universidad Javeriana, Facultad de Ingeniería, pp. 26.
[6]. Quintero B. (2009). “Metodologías de diseño de obras hidráulicas en
estudios de pre factibilidad de pequeñas centrales hidroeléctricas”.
Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia, pp. 16-17.
[7] ArangoB. Lina (2010). “Desarrollo de proyectos de pequeñas centrales
hidroeléctricas – PCH, en el marco del Mecanismo de Desarrollo Limpio -
MDL”. Mundo eléctrico - revista especializada del sector eléctrico, No. 80,
Julio - Septiembre, pp. 32-35.
[7] Ley 1715 del 13 de mayo de 2014. Por medio de la cual se regula la
integración de las energías renovables no convencionales al sistema
energético nacional.Congreso de Colombia. Colombia, mayo de 2014.
pp. 11-12.
Visto bueno de los asesores
Como asesores de la estudiante, avalamos que la propuesta está bien
estructurada, contiene información adecuada y manifestamos que cumple
con los requisitos necesarios para ser una práctica académica.
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