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Rubén Darío Montoya Ramírez, Ic; Msc Phd Felipe Isaza Cuervo, IM; Msc Phd
Facultad de Ingenierías –Universidad de Medellín
Grupo de investigación
en Ingeniería Civil
GICI
EVALUACIÓN TECNICO FINANCIERA DE ENERGÍA HIDROCINÉTICA EN
CANALES DE DESCARGAS DE GRANDES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
EN COLOMBIA
Cesar Antonio Monsalve Rico - EPM
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Contenido
Contenido
• Introducción
• Posibilidades de la EHC en el sector energético
Colombiano. Caso EPM
• Evaluación técnico – Financiera – Caso EPM
• Pruebas de laboratorio - UDEM
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Introducción
MOTIVACIÓN-EFECTOS BENEFICOS
ENERGÍA HIDROCINÉTICA
La energía hidrocinética hace referencia a la energía eléctrica generada por el
movimiento de un fluido sin necesidad de una cabeza hidráulica. Se refiere
básicamente a la energía generada por la velocidad de una corriente o un
movimiento ondulatorio. Se diferencia de los sistemas de generación hidráulica
tradicional basados en su energía potencial definida por una diferencia de
elevación.
• Oleaje (ondulatorio)
• Corrientes de marea
• Corrientes superficiales
• Cualquier tipo de corriente
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Introducción
MOTIVACIÓN-EFECTOS BENEFICOS
• 70% de la energía en Colombia es hidroeléctrica (1/3 parte corresponden a grandescentrales hidroeléctricas). 30% plantas térmicas.
• Alta vulnerabilidad del sistema ante condiciones climáticas del país. Alta influencia delas fases calidad (El Niño) y fría (La Niña).
• La expansión del sistema es hecho principalmente mediante plantas térmicas ygrandes y medianas hidroeléctricas para asegura su confiabilidad. Pequeñosporcentajes de pequeñas microcentrales y otras energías renovables como la energíaeólica.
• La energía hidrocinética Renovable podría diversificar las fuentes de generación deenergía y reducir las emisiones de Carbón a la atmósfera
• Complementar o aliviar el sistema interconectado durante las temporadas de inviernoy verano.
• Permitiría generación de energía para zonas no interconectadas (pequeñas poblacionescosteras, Islas, etc).
• Posibilidades de generación para uso doméstico.
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Introducción
MOTIVACIÓN-EFECTOS BENEFICOS
MOTIVACIÓN- DATOS MUNDIALES ENERGÍA OCEANO
Fuente: Ocean Energy: Global Technology Development. IEA-OES Doc No. T0104
Grad.Salinidad Mareas (Presa) Gradiente Térmico Mareas (Corrientes) Olas
Nú
me
ro d
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iste
ma
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Introducción
MOTIVACIÓN-EFECTOS BENEFICOS
POTENCIAL MUNDIAL
Fuente: IEA NEET WORKSHOP, Brasilia, Nov. 2007
Energía Oceánica
Mareas(Corrientes)800 + TWh
Gradiente Térmico
10,000 TWh
Gradiente Salino
2,000 TWh
Mareas(Presa)
300 + TWh
Olas8,000 a 80,000
TWh
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INTRODUCCIÓN
POSIBILIDADES EN COLOMBIA
• Oleaje: Grandes zonas costeras (1600 km en el Caribe y 1300 Km en el Pacífico).
• Mareas: Estuarios en las costas del Pacífico
• Corrientes ocenicas: Costa Caribe y Pacífica.
• Corrientes en rios – canales artificiales
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INTRODUCCIÓN
ALGUNOS TIPOS DE DISPOSITIVOS OLAS
Sistemas basculantes FlotantesAbsorbedores Atenuadores
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INTRODUCCIÓN
ALGUNOS TIPOS DE DISPOSITIVOS OLAS
Sistemas basculantes Flotantes
Convertidor sumergidobasculante (horizontal)
Absorbedor puntual sumergido diferencia de presión
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INTRODUCCIÓN
POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE
•Energía en Colombia relativamente escaza(<10 kW/m)•Usando las tecnologÍas adecuadas proyectospuedes ser posibles.•Olas mas energéticas en el Caribe pero masestacionarias durante un año dado para elPacífico•El Caribe -> Podrian complementar la energíadel sistema interconectado durante estacionessecas.•Pacific -> Atender la demanda para zonas nointerconectadas. Fuente:Ortega y otros (2011)
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INTRODUCCIÓN
POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE
• No hay corrientes fuertes cerca de las costas
Colombianas
• Las corrientes existentes cambian fuertemente durante el
año.
• Las corrientes medias del orden de ~0.6 m/s no son lo
suficientemente fuertes para facilitar proyectos con
las tecnologías actuales.
POSIBILIDADES EN COLOMBIA CORRIENTES
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INTRODUCCIÓN
POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE
CONSTANTES INNOVACIONES
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INTRODUCCIÓN
POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE
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Posibilidades EHC Sector energético Colombiano
Grandes centrales – Canales de descarga
Alta participación Hidráulica
Año 2014
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Posibilidades EHC Sector energético Colombiano
Caso EPM – Canales descarga
For this research,
five (5) of EPM’s six (6) large hydropower
plants were selected,
representing 21.1% of the total net power
generation in Colombia.
Para esta investigación:
• 5 de las 6 principals centrales de EPM
• 21.1% del potencial de generación en Colombia.
Canal 1 Canal 2
Canal 3
Canal 4
Canal 52 casos seleccionados
Caso 1: Pelton – Canal
Caso 2: Francis- Canal
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Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Pasos:
1. Análisis estadístico preliminar: Primera aproximación para
evaluar el potencial energético en un canal
• Análisis preliminar de la información (faltantes, inconsistencias).
• Inspección visual para detectar los rangos de variabilidad de los
caudales de descarga.
• Análisis de clustering para detectar los caudales mas energéticos y
probables.
• Análisis de rachas para determinar la firmeza de los rangos mas
energéticos y probables.
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DATOS HORARIOS DE CAUDALES
•Eliminación de datos faltantes
•151 dato perdido faltante
•255 No dato
•Convenciones no incluidas
141, 254 Fueron eliminadas por lo general datos
asociados registrados como cero (0)
Evaluación técnica
Procedimiento – Análisis preliminar
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•Clustering K-means : Los objetos dentro de un grupo son
similares a otros objetos dentro del grupo pero diferentes
de los objetos de otros grupos.
Evaluación técnica
Procedimiento – Clustering
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Evaluación técnica
Procedimiento – Clustering
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• Firmeza de la energía cinética en el canal
Evaluación técnica
Procedimiento – Rachas
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• Análisis de Rachas por clusters Sistema Francis- Canal
Centroide (137.05 m^3/s+-1.75 m^3/s)
Evaluación técnica
Procedimiento – Rachas
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• Análisis de Rachas por clusters Sistema Francis- Canal
Centroide (40.086 m^3/s+-2.12 m^3/s)
Evaluación técnica
Procedimiento – Rachas
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• Análisis comparativo ambos sistemas clusters energéticos
Mayor Firmeza Sistema Pelton - Canal
Evaluación técnica
Procedimiento – Rachas
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• Otros análisis (Series históricas Horarias- Ciclo horario)
Ejemplo Sistema Pelton-Canal
Evaluación técnica
Procedimiento – Otros análisis
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2. Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS
(1D)- Modulo no estacionario.
Sistema Pelton- Canal
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
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• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –
Modulo no estacionario.
Sistema Francis - Canal
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
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• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –
Modulo no estacionario.
Configuración modelo HEC - RAS
• Caudales horarios (m^3/s) – Series horarias de Velocidad
(V) y profundidad media de flujo (Y).
• Coeficientes de rugosidad de los canales según material
(Fondo y bancas).
• Pérdidas de carga generados por cambios en la sección
transversal.
• Levees – Para controles de flujo.
• Courant < 0.9 (Estabilidad numérica)
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
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• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –
Modulo no estacionario.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Sistema Tipo de Canal Material Longitd [m] Ancho
del
fondo
[m]
Coeficiente
de
Mannig
Pendiente de la
banca - H:V,
pendiente del
canal
Francis-canall-1 Rect/Trapez Fondo/Banca
enrocado
400 13 0.004 (para el
fondo y las
bancas)
Banca1.5:1,
Pendiente canal
0.25%
Pelton-canal-1 Trapezoidal Bancas
Concreto,
fondo en
protección de
roca
784 5 Banca:0.015,
Fondo:0.04
Banca 2:1, Canal
0.02% a 1%
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• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –
Modulo no estacionario.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
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3. Selección prototipos:
• Curvas Velocidad – Potencia
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
• Máximas y mínimas velocidades teóricas (Fabricantes).
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4. Selección prototipos:
• Profundidades mínimas y máximas admisibles para
adecuada operación
• Geometría
• Otros detalles técnicos
• Problemas mecánicos asociados a cambios súbitos
de velocidad.
• Calidad del agua
• Condiciones ideales de flujo
• Operatividad para dispositivos en serie
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
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4. Selección prototipos (Aplicación corrientes Oceanograficas)
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Modelo grande - Clean energy company CC018A, CC025A,
CC035A, CC050A profundidades mínimas requeridas de 3.6-5.4m,
5.0-7.5m, 7.0-10.5m, 10.0-15m respectivamente.
Los modelos de Ocean Flow energy de Escocia. Requerimientos
mínimos de profundidad de 5m.
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4. Selección prototipos (Aplicación corrientes oceanográficas)
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
El modelo de Verdant Power de Estados Unidos. Profundidades
mínimas de 10 a 22m.
Dispositivo Tocardo Canadiense. Profundidades mínimas
de 4 m.
Dispositivo de Ocean Renewable Power Company de
Estados Unidos. Profundidades mínimas de 4 m.
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4. Selección prototipos (Características dispositivos seleccionados)
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Dispositivo Rangos de
velocidad
[m/s]
Características geométricas principales
Alto [m] Longitud
[m]
Ancho
[m]
Potencia
[kW]
Tipo de
eje
1 1.5 – 3.0 1.82 2.4 3.96 2.0-12.5 Horiz
2 1.5 – 2.75 1.85 1.97 1.74 0.2-5.0 Horiz
3 1.5 – 3.0 1.52 1.52 1.52 1.2-10.0 Vertical
4 1.5 – 3.0 0.76 0.76 0.76 0.5-5.0 Vert
1) 2) 3 y 4)
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5. Series de tiempo Velocidad y Profundidad (Curvas de probabilidad
conjunta) – Criterio preliminar de selección.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Porcentajes de ocurrencia- condiciones de operación
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5. Series de tiempo Velocidad y Profundidad (Curvas de masa de velocidad y
profundidad ) – Criterio de selección.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Dispositivo
N°
Condiciones
de Flujos
Características Geométricas
Altura [m] Longitud [m] Ancho [m] Potencia [kW]
4 1.5 – 3.0 0.76 0.76 0.76 0.5-5.0
Sistema Francis - Canal
DECISION
DESCARTADO
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5. Series de tiempo Velocidad y Profundidad (Curvas de masa de velocidad y
profundidad ) – Criterio de selección.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Dispositivo
N°
Condiciones
de Flujos
Características Geométricas
Altura [m] Longitud [m] Ancho [m] Potencia [kW]
4 1.5 – 3.0 0.76 0.76 0.76 0.5-5.0
Sistema Pelton - Canal
DECISION
ACEPTADO
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5. Series de tiempo Velocidad y Profundidad (Curvas de masa de velocidad y
profundidad ) – Criterio de selección.
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Dispositivo
N°
Velocidad
De Flujo DECESION FINAL BASADA EN CONDICIONES GEOMÉTRICAS E HIDRÁULICAS
Configuración Pelton-Canal
1 1.5 – 3.0 Descartado: Velocidades de flujo minimas permisibles con alta probabilidad de ocurrencia acordes
con el rango de operación del equipo (mas del 82% del tiempo). Profundidades de flujo menores a
la profundidad minima requerida de 1.82 m 100% del tiempo. Sin restricciones de flujo para
velocidades máximas.2 1.5 – 2.75 Descartado: : Velocidades de flujo minimas permisibles con alta probabilidad de ocurrencia
acordes con el rango de operación del equipo (mas del 85% del tiempo). Profundidades de flujo
menores a la profundidad minima requerida de 1.82 m 100% del tiempo. Sin restricciones de flujo
para velocidades máximas.
3 1.5 – 3.0 Descartado: Velocidades de flujo minimas permisibles con alta probabilidad de ocurrencia acordes
con el rango de operación del equipo (mas del 82% del tiempo). Baja probabilidad de excedencia
de valores superiors a la profundidad mínima requerida de 1.52 m (Solo un 38% del tiempo). Sin
restricciones de flujo para velocidades máximas.4 1.5 – 3.0 Aceptado: Velocidades de flujo minimas permisibles con alta probabilidad de ocurrencia
acordes con el rango de operación del equipo (mas del 85% del tiempo). Alta probabilidad de
excedencia de valores superiors a la profundidad mínima requerida de 1.52 m (Superior al 80% del
tiempo. Sin restricciones de flujo para velocidades máximas.
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6. Evaluación Financiera (Series Históricas de Energía teórica )
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Dispositivo
N°
Condiciones
de Flujos
Características Geométricas
Altura [m] Longitud [m] Ancho [m] Potencia [kW]
4 1.5 – 3.0 0.76 0.76 0.76 0.5-5.0
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6. Evaluación Financiera (Datos operacionales dispositiva 4 )
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Parámetros operacionales Francis-Canal 1 Pelton-canal1
Factor de Capacidad 17.10% 38.10%
Rango operacional de velocidad 1.5 - 3 m/s 1.5 - 3 m/s
Capacidad Instalada 5kW 10kW
Número de Turbinas 1 2
Vida útil de los equipos 20 20
El número de turbinas se definió según la longitud del canal
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6. Evaluación Financiera (Datos operacionales )
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
Parámetros Financieros y Operativos Rango Unidades
Costos de Inversión 3000 -7000 USD/kW
Operación y mantenimiento 2 – 30
(44 – 660)
cUSD/kWh
(COP/kWh)
Precio de electricidad en el mercado 5 – 12
(110 – 265)
cUSD/kWh
(COP/kWh)
Factor de importación 1.75
Al momento del estudio la tasa de cambio era de alrededor de 2200COP/USD.
El factor de importación considera beneficios arancelarios asociados con la Ley 1715 de 2014.
Valor esperado
VPN
[USD]
Desviación
estándar
[USD]
Francis-Canal 1 -86.509 17.247
Pelton – Canal 1 -85.293 25.785
Análisis de Valor Presente Neto (VPN)
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6. Evaluación Financiera (Datos operacionales )
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
-$ 100.000
-$ 80.000
-$ 60.000
-$ 40.000
-$ 20.000
$ 0
$ 20.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Flu
jo [
USD
]
Años Operación
Flujos Operación
Flujo Caja Operacional Flujo Acumulado
Payback Time Simple:16-17 años
No considera costo financiación
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6. Evaluación Financiera (Costo Nivelado de Energua -LCOE )
Evaluación técnica
Caso EPM – Procedimiento
LCOE
Francis-Canal 1 43.05cUSD/kWh
Pelton Canal-1 93.5cUSD/kWh
Precio Actual electricidad:
5-12cUSD/kWh
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CONCLUSIONES
• Este trabajo propone una metodología simple para un análisis técnico y
financiero preliminar de turbinas hidrocineticas en canales de descarga de
grandes centrales hidroelectricas existentes en Colombia o para futuros
proyectos hidroelectricos.
• No viables financieramente bajo las condiciones de Mercado actuales para
zonas conectadas.
• Altas posibilidades de similitude hidráulica (velocidad- profundidad) con otras
centrales en Colombia. Alto potencial de energía dependiendo de las
condiciones de precios del Mercado.
• Posibilidades para zonas no interconectadas, microgeneración a nivel doméstico
• Posibilidades de sistemas mixtos (Viento, Solar Fotovoltaico, Biomasa).
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CONCLUSIONES
• Bajos Factores de Capacidad: Asociado con el rango de velocidad de los
equipos y el regimen de operación de la central principal.
• Modificaciones en las secciones transversales de los canales – Gran aumento en
la viabilidad Técnica y Financiera – Grandes posibilidades para proyectos
futuros. Análisis de sensibilidad en el pre-diseño de canales de descarga.
• Vigilancia tecnología - reducción de costos.
• Altas posibilidades de tecnologías propias – reducción de costos.
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PUBLICACIÓN
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PRUEBAS EN LABORATORIO
MECANICA DE FLUIDOS UDEM
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GRACIAS