Curso: Gestión Integral del Agua Modulo 1. Energías Renovables en la Gestión del Agua Centrales Hidroeléctricas

Transcripción

1 Curso: Gestión Integral del Agua Modulo 1. Energías Renovables en la Gestión del Agua Centrales Hidroeléctricas Expositor: Santiago Ortega Arango EnergEIA Universidad EIA

2 El Agua como recurso energé0co Recurso Renovable y abundante en la naturaleza Se aprovechan sus manifestaciones mecánicas, potenciales y ciné;cas. Presión Velocidad Momentum

3 El Agua como recurso energé0co superawesomepics.com

4 Rctv.net

5 Wikimedia Commons

6 hep://

7 Tesla Society

8 El Agua como recurso energé0co ENERGÍA SOLAR + FUERZA DE GRAVEDAD Es un recurso variable en el ;empo, de acuerdo con las condiciones geográficas y climá;cas Buscamos almacenarla y u;lizarla de forma controlada para dis;ntos usos, entre ellos la generación de energía

9 Ciclo del Agua

10 Recurso Agua hep://statkraztrainee.files.wordpress.com

11 Cuenca Hidrográfica

12 Recurso Agua Q

13 Qué buscamos? NO buscamos un río con mucha fuerza, porque no trabajamos en flujo libre (canal) sino que trabajamos en flujo confinado (tubería) Un lugar para un proyecto debe tener buena disponibilidad de agua y una caída aprovechable La escala del proyecto está ín;mamente ligada con los criterios de localización

14 Flujo Confinado -Bernoulli Presión Velocidad Posición H Z+ V 2 /2g + P/γ =cte Q Casa Máquinas

15 Potencial Hidroeléctrico P=γηQH [W] Donde H= cabeza de altura (m) Q= caudal (m3/s) γ = peso específico del agua (N/m3) η= eficiencia general del sistema (%) ~ 85% E= 0 t Pdt [Wh]

16 GeograCa y Geología La localización es LO MÁS IMPORTANTE en una central hidroeléctrica Incide directamente en los costos y los ingresos de la misma Además del Q y el H se busca Geología Competente Accidentes geográficos apropiados Vías de accesso Armonía con el entorno

17 vanguardia.com Geología Wikimedia Commons

18 elespectador.com Comunidades

19 Esquema General infoescola.com Hay muchos ;pos de centrales, pero se pueden agrupar en 2. Centrales con embalse y centrales a filo de agua

20 Tipos de Centrales Filos de Agua No requieren embalse No pueden guardar agua Menores impactos sobre el paisaje Ejemplo: Proyecto Hidroeléctrico Ambeima (Colombia) hep://youtu.be/e4rpuyl48wc Embalses No requieren estructuras sedimentadoras Pueden guardar agua Afectación fuerte sobre el paisaje Ejemplo: Proyecto Hidroeléctrico Angostura (Chile) hep://youtu.be/lbncpu1snei

21 Partes del Embalse Carlos Saldarriaga

22 Cadenas de Embalses

23 sociedadcolombianadearquitectos.org

24 Centrales a filo de agua B. Ogayar et al (2008) Renewable Energy Journal

25 Centrales a Filo de Agua Celsia.om

26 Tipos de Turbinas De acuerdo a la caracterís;cas del proyecto, hay un ;po de turbina más apropiado, ya que es más eficiente para cada caso. Dependen de Q y H Los ;pos de turbina más u;lizados son Francis Pelton Kaplan Bulbo hep://

27 Turbina Pelton hep://weltce.com.br

28 Turbina Francis Voith Siemens Wikimedia Commons

29 Turbina Kaplan Voith Hydro

30 Turbina Bulbo hep://

31 Escogencia Turbinas

32 Escogencia Turbinas

33 Comportamiento Caudales Siendo el agua el insumo más importante, es necesario entender la variación del recurso y las restricciones para la u;lización del mismo. Para esto, es necesario usar herramientas estadís;cas para conocer, a par;r de registros instrumentales, el comportamiento del recurso

34 Comportamiento Caudales El recurso debe cuan;ficarse en dis;ntas escalas temporales y espaciales. Entre los estadís;cos usados en el medio se encuentran: Caudal Promedio Ciclo Anual de Caudales Caudales Mínimos Caudales Máximos Curva de Duración de Caudales Caudal Ecológico

35 Caudal Promedio Es el promedio de toda los registros de caudal en una determinada escala de ;empo. Q (m3/s) 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Caudal promedio anual Chiquito L.

36 Ciclo anual Se construye a par;r de los caudales medios mensuales de cada mes del periodo de registro Con esos caudales mensuales se encuentran: Serie de caudales promedio mensuales mul;anuales Serie de caudales mínimos mensuales mul;anuales Serie de caudales máximos mensuales mul;anuales

37 Ciclo anual Con estas series se construye la gráfica que ilustra el ciclo anual Proyecto Chili-Hidrología Caudal medio=6.75 m3/s 15.0 m3/s Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Media Máximo Mínimo Saldarriaga

38 Curva de Duración de Caudales Muestra la variabilidad de la ocurrencia de los caudales en un río Es una medida de la regulación que puede tener una corriente natural La longitud y resolución de los recursos varían la forma de la curva. Se busca tener la mayor resolución posible

39 Curva de Duración de Caudales m3/s % Excedencia Saldarriaga

40 Curva de Duración de Caudales De acuerdo a la geomorfología de los ríos, sus caudales tendrás comportamientos dis;ntos Q Alta Pendiente Llanura % Exc

41 Caudal Ecológico Qe Un proyecto hidroeléctrico no debe tener afectaciones sobre la flora y la fauna, ni sobre los ecosistemas que dependen del río Hay aproximaciones que pueden usarse para dimensionar el caudal ecológico. Una de ellas el 25% de caudal mínimo de la serie mensual mul;anual

42 PASO 1: Caracterización Sub -Tramo i Caracterización morfología EST. A EST. B Tipo Ancho Profundidad Pendiente PASO 2: Homogeneidad de series de tiempo PASOS 3-4: Influencia macroclimática TRAMO DE ESTUDIO Concentración 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 Caracterización Calidad de agua Tiempo DBO DQO Nitrógeno Coliformes SST Fósforo Normal Niña Niño PASO 5: Propuesta inicial caudales ambientales Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Mes Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Q95% vs. 7Q10 Ciclo anual Caudal ambiental 01/01/95 01/04/95 01/07/95 01/10/95 01/01/96 01/04/96 01/07/96 01/10/96 01/01/97 01/04/97 01/07/97 01/10/97 01/01/98 01/04/98 01/07/98 01/10/98 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre PASO 6: Evaluación de Criterios hidrológicos Mes Ciclo anual Caudal ambiental üalteración máxima de curva de duración. ü Alteración máxima caudales mínimos extremos ü Alteración del régimen hidrológico Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Mes PASO 7: Evaluación de Criterios ambientales 3.00E+06 Sub -Tramo 1 MODELO HIDRÁULICO + MODELO TRANSPORTE COLI (#/l) 2.50E E E E E+05 Sub -Tramo 2 Sub -Tramo i Asimilación / IIH 0.00E Tiempo (s)

43 Potencia Y Energía Una vez se conoce el comportamiento del recurso agua, se toman decisiones sobre la ubicación, capacidad instalada, existencia o no de embalse y salto bruto de la planta a través de un ejercicio de decisión mul;dimensional La operación del proyecto dependerá del ;po de proyecto y el comportamiento del recurso agua.

44 Operación Filo de Agua Una central a filo de agua no puede guardar agua, es decir, debe turbinar todo el recurso posible cuando este aparece. Sin embargo, existen restricciones a la operación que hay que tener en cuenta. Se define: Caudal de producción Qp, caudal aprovechable por la planta (variable) Caudal de Diseño Qd, el caudal que se usa para para generar con toda la capacidad instalada (constante) Caudal Ver;do Qv, el caudal que excede la capacidad instalada (constante)

45 Operación Filo de Agua Qp Qd Máx Qp=Qd Mín Qv=0 Qv=Qrio-Qd-Qe SI Q río<qe Qp=0 Qv=0 Qe=min(Q río,qe) SI Q río>=qe Qp=min {Qdiseño ; (Qrío-Qe) } Qe Qd Qrío=Qp+Qe+Qv Qrío Saldarriaga C, 2008 Qv=max{Qrío - (Qdiseño+Qe);0}

46 Energía Firme Para garan;zar el 95% se debe hacer una curva de duración de caudales pero teniendo en cuenta las restricciones del proyecto. Se construye con el caudal turbinado! Si Qi<Qmin Qi= 0 Si Qi>Qd Qi=Qd El caudal mínimo será el menor entre el Q ecológico y el Caudal mínimo turbinable

47 Caudales Mínimos Turbinables De acuerdo al ;po de turbina, existen limitaciones de operación cuando hay poca agua. En términos gruesos se puede considerar que los caudales mínimos para la operación son: Turbina Pelton: 20% caudal de diseño Turbina Francis 40% del caudal de diseño

48 Potencia Y Energía Energías proyecto Chili Hidrología Mensual Qd=7 m3/s PI=65 MW Qecológico=0.9 m3/s GWh/año E media E firme E secundaria E vertida

49 Regulación Embalses A mayores embalses hay: Mayores Costos (-) Mayores Impactos Ambientales (-) Mayor Regulación (+) Más energía (+) Lo que se busca es un tamaño óp;mo del embalse, considerando el tamaño y la capacidad de regulación del embalse

50 Operación Embalses

51 Regulación Embalses

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