Curso: Gestión Integral del Agua

Modulo 1. Energías Renovables en la Gestión del Agua – Centrales Hidroeléctricas

Expositor: Santiago Ortega Arango – EnergEIA – Universidad EIA

ElAguacomorecursoenergé0co•  RecursoRenovableyabundanteenlanaturaleza

•  Seaprovechansusmanifestacionesmecánicas,potencialesyciné;cas.– Presión– Velocidad – Momentum

ElAguacomorecursoenergé0co

superawesomepics.com

Rctv.net

WikimediaCommons

hEp://www.flickr.com/photos/foresthistory

TeslaSociety

ElAguacomorecursoenergé0co•  ENERGÍASOLAR+FUERZADEGRAVEDAD•  Esunrecursovariableenel;empo,deacuerdoconlascondicionesgeográficasyclimá;cas

•  Buscamosalmacenarlayu;lizarladeformacontroladaparadis;ntosusos,entreelloslageneracióndeenergía

CiclodelAgua

RecursoAgua

hEp://statkraZtrainee.files.wordpress.com

CuencaHidrográfica

RecursoAgua

Q

¿Québuscamos?•  NObuscamosunríoconmucha“fuerza”,porquenotrabajamosenflujolibre(canal)sinoquetrabajamosenflujoconfinado(tubería)

•  Unlugarparaunproyectodebetenerbuenadisponibilidaddeaguayunacaídaaprovechable

•  Laescaladelproyectoestáín;mamenteligadaconloscriteriosdelocalización

FlujoConfinado-Bernoulli

𝑍+ 𝑉↑2 /2𝑔 + 𝑃/𝛾 =𝑐𝑡𝑒

Posición

Velocidad

Presión

CasaMáquinas

H

Q

PotencialHidroeléctrico

•  DondeH=cabezadealtura(m)Q=caudal(m3/s)γ=pesoespecíficodelagua(N/m3)η=eficienciageneraldelsistema(%)~85%

𝑃=𝛾𝜂𝑄𝐻 [𝑊]

𝐸=∫0↑𝑡▒𝑃𝑑𝑡  [𝑊ℎ]

GeograCayGeología•  LalocalizaciónesLOMÁSIMPORTANTEenunacentralhidroeléctrica

•  Incidedirectamenteenloscostosylosingresosdelamisma•  AdemásdelQyelHsebusca–  GeologíaCompetente–  Accidentesgeográficosapropiados–  Víasdeaccesso–  Armoníaconelentorno

Geologíavanguardia.com

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Comunidades

elespectador.com

EsquemaGeneral

•  Haymuchos;posdecentrales,perosepuedenagruparen2.Centralesconembalseycentralesafilodeagua

infoescola.com

TiposdeCentralesFilosdeAgua• Norequierenembalse• Nopuedenguardaragua• Menoresimpactossobreelpaisaje•  Ejemplo:ProyectoHidroeléctricoAmbeima(Colombia)hEp://youtu.be/e4RPuYl48wc

Embalses• Norequierenestructurassedimentadoras• Puedenguardaragua• Afectaciónfuertesobreelpaisaje•  Ejemplo:ProyectoHidroeléctricoAngostura(Chile)hEp://youtu.be/LbncpU1sneI

PartesdelEmbalse

CarlosSaldarriaga

CadenasdeEmbalses

sociedadcolombianadearquitectos.org

Centralesafilodeagua

B.Ogayaretal(2008)RenewableEnergyJournal

CentralesaFilodeAgua

Celsia.om

TiposdeTurbinas

hEp://www.youtube.com/watch?v=HzQPNpP55xQ&feature=related

•  Deacuerdoalacaracterís;casdelproyecto,hayun;podeturbinamásapropiado,yaqueesmáseficienteparacadacaso.

•  DependendeQyH•  Los;posdeturbinamásu;lizadosson– Francis– Pelton– Kaplan– Bulbo

TurbinaPelton

hEp://weltce.com.br

TurbinaFrancis

VoithSiemens

WikimediaCommons

TurbinaKaplan

VoithHydro

TurbinaBulbohEp://www.yacyreta.org.ar

EscogenciaTurbinas

EscogenciaTurbinas

ComportamientoCaudales•  Siendoelaguaelinsumomásimportante,esnecesarioentenderlavariacióndelrecursoylasrestriccionesparalau;lizacióndelmismo.

•  Paraesto,esnecesariousarherramientasestadís;casparaconocer,apar;rderegistrosinstrumentales,elcomportamientodelrecurso

ComportamientoCaudales•  Elrecursodebecuan;ficarseendis;ntasescalastemporalesyespaciales.Entrelosestadís;cosusadosenelmedioseencuentran:–  CaudalPromedio–  CicloAnualdeCaudales–  CaudalesMínimos–  CaudalesMáximos–  CurvadeDuracióndeCaudales–  CaudalEcológico

CaudalPromedio

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Q(m

3/s)

Caudalpromedioanual•  Eselpromediodetodalosregistrosdecaudalenunadeterminadaescalade;empo.

ChiquitoL.

Cicloanual•  Seconstruyeapar;rdeloscaudalesmediosmensualesdecadamesdelperiododeregistro

•  Conesoscaudalesmensualesseencuentran:– Seriedecaudalespromediomensualesmul;anuales– Seriedecaudalesmínimosmensualesmul;anuales– Seriedecaudalesmáximosmensualesmul;anuales

Cicloanual•  Conestasseriesseconstruyelagráficaqueilustraelcicloanual

Proyecto Chili-HidrologíaCaudal medio=6.75 m3/s

0.0

5.0

10.0

15.0

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

m3/

s

Media Máximo Mínimo

Saldarriaga

CurvadeDuracióndeCaudales

•  Muestralavariabilidaddelaocurrenciadeloscaudalesenunrío

•  Esunamedidadelaregulaciónquepuedetenerunacorrientenatural

•  Lalongitudyresolucióndelosrecursosvaríanlaformadelacurva.Sebuscatenerlamayorresoluciónposible

CurvadeDuracióndeCaudalesProyecto Chili-Curva de Duración de caudales mensuales

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% Excedencia

m3/

s

Saldarriaga

CurvadeDuracióndeCaudales

•  Deacuerdoalageomorfologíadelosríos,suscaudalestendráscomportamientosdis;ntos

AltaPendiente

Llanura

Q

%Exc

CaudalEcológicoQe•  Unproyectohidroeléctriconodebetenerafectacionessobrelafloraylafauna,nisobrelosecosistemasquedependendelrío

•  Hayaproximacionesquepuedenusarseparadimensionarelcaudalecológico.Unadeellasel25%decaudalmínimodelaseriemensualmul;anual

PASO 1: Caracterización

EST. A EST. B

Sub -Tramo i

Caracterización morfología

TRAMO DE ESTUDIO

TipoAncho

ProfundidadPendiente

0

0.5

1

1.5

2

2.5

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

(mg/l)

Nitrógenototal Nitrógenoamoniacal Nitratos

Tiempo

Concentración

0

0.5

1

1.5

2

2.5

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

(mg/l)

Nitrógenototal Nitrógenoamoniacal Nitratos

Tiempo

Concentración

Caracterización Calidad de agua

DBODQO

NitrógenoColiformes

SSTFósforo

CaudalesmediosmensualesparaperíodosconeventosElNiño,LaNiñayNormales

0

500

1000

1500

2000

2500

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviem

bre

Diciem

bre

Mes

Caud

alm

ediom

ensual(m

3 /s) Normal Niña Niño

PASOS 3-4: Influencia macro-climática

PASO 2: Homogeneidad de series de tiempo

PASO 5: Propuesta inicial caudales ambientales CaudalesmediosmensualesparaperíodosconeventosEl

Niño,LaNiñayNormales

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviem

bre

Diciem

bre

Mes

Caud

alm

ediom

ensual(m

3 /s) Cicloanual Caudalambiental

0

5

10

15

20

25

30

35

40

01/0

1/95

01/0

4/95

01/0

7/95

01/1

0/95

01/0

1/96

01/0

4/96

01/0

7/96

01/1

0/96

01/0

1/97

01/0

4/97

01/0

7/97

01/1

0/97

01/0

1/98

01/0

4/98

01/0

7/98

01/1

0/98

Q95%

7Q10vs.

PASO 6: Evaluación de Criterios hidrológicosCaudalesmediosmensualesparaperíodosconeventosEl

Niño,LaNiñayNormales

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviem

bre

Diciem

bre

Mes

Caud

alm

ediom

ensual(m

3 /s) Cicloanual Caudalambiental üAlteración máxima de

curva de duración.

ü Alteración máxima caudales mínimos extremos

ü Alteración del régimen hidrológico

PASO 7: Evaluación de Criterios ambientales

0.00E+00

5.00E+05

1.00E+06

1.50E+06

2.00E+06

2.50E+06

3.00E+06

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Tiempo (s)

CO

LI (#

/l)

Sub -Tramo 1

Sub -Tramo 2

Sub -Tramo iMODELO HIDRÁULICO

+MODELO TRANSPORTE Asimilación / IIH

PotenciaYEnergía•  Unavezseconoceelcomportamientodelrecursoagua,setomandecisionessobrelaubicación,capacidadinstalada,existenciaonodeembalseysaltobrutodelaplantaatravésdeunejerciciodedecisiónmul;dimensional

•  Laoperacióndelproyectodependerádel;podeproyectoyelcomportamientodelrecursoagua.

OperaciónFilodeAgua

•  Unacentralafilodeaguanopuedeguardaragua,esdecir,debeturbinartodoelrecursoposiblecuandoesteaparece.Sinembargo,existenrestriccionesalaoperaciónquehayquetenerencuenta.

•  Sedefine:–  CaudaldeproducciónQp,caudalaprovechableporlaplanta(variable)–  CaudaldeDiseñoQd,elcaudalqueseusaparaparagenerarcontodalacapacidad

instalada(constante)–  CaudalVer;doQv,elcaudalqueexcedelacapacidadinstalada(constante)

Qp

QríoQe Qd

Qd

Qv=Qrio-Qd-Qe

45° 45°

Máx Qp=QdMín Qv=0

Qrío=Qp+Qe+Qv

OperaciónFilodeAgua

SaldarriagaC,2008

SIQrío<QeQp=0Qv=0Qe=min(Qrío,Qe)SIQrío>=QeQp=min{Qdiseño;(Qrío-Qe)}Qv=max{Qrío-(Qdiseño+Qe);0}

EnergíaFirme•  Paragaran;zarel95%sedebehacerunacurvadeduracióndecaudalesperoteniendoencuentalasrestriccionesdelproyecto.Seconstruyeconelcaudalturbinado!

SiQi<QminQi=0SiQi>QdQi=Qd

•  ElcaudalmínimoseráelmenorentreelQecológicoyelCaudalmínimoturbinable

CaudalesMínimosTurbinables

•  Deacuerdoal;podeturbina,existenlimitacionesdeoperacióncuandohaypocaagua.Entérminosgruesossepuedeconsiderarqueloscaudalesmínimosparalaoperaciónson:– TurbinaPelton:20%caudaldediseño– TurbinaFrancis40%delcaudaldediseño

Energías proyecto ChiliHidrología Mensual 1988-2007

Qd=7 m3/s PI=65 MW Qecológico=0.9 m3/s

186

237

31

423

0.0

50.0

100.0150.0

200.0

250.0

300.0

350.0400.0

450.0

1 2

GW

h/añ

o

E media E firme E secundaria E vertida

PotenciaYEnergía

RegulaciónEmbalses•  Amayoresembalseshay:

•  MayoresCostos(-)•  MayoresImpactosAmbientales(-)•  MayorRegulación(+)•  Másenergía(+)

•  Loquesebuscaesuntamañoóp;modelembalse,considerandoeltamañoylacapacidadderegulacióndelembalse

OperaciónEmbalses

RegulaciónEmbalses

san0ago.ortega@eia.edu.co