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.