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

Contenido

Contenido

• Introducción

• Posibilidades de la EHC en el sector energético

Colombiano. Caso EPM

• Evaluación técnico – Financiera – Caso EPM

• Pruebas de laboratorio - UDEM

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

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.

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

e S

iste

ma

s

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

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

INTRODUCCIÓN

ALGUNOS TIPOS DE DISPOSITIVOS OLAS

Sistemas basculantes FlotantesAbsorbedores Atenuadores

INTRODUCCIÓN

ALGUNOS TIPOS DE DISPOSITIVOS OLAS

Sistemas basculantes Flotantes

Convertidor sumergidobasculante (horizontal)

Absorbedor puntual sumergido diferencia de presión

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)

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

INTRODUCCIÓN

POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE

CONSTANTES INNOVACIONES

INTRODUCCIÓN

POSIBILIDADES EN COLOMBIA OLEAJE

Posibilidades EHC Sector energético Colombiano

Grandes centrales – Canales de descarga

Alta participación Hidráulica

Año 2014

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

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.

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

•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

Evaluación técnica

Procedimiento – Clustering

• Firmeza de la energía cinética en el canal

Evaluación técnica

Procedimiento – Rachas

• Análisis de Rachas por clusters Sistema Francis- Canal

Centroide (137.05 m^3/s+-1.75 m^3/s)

Evaluación técnica

Procedimiento – Rachas

• Análisis de Rachas por clusters Sistema Francis- Canal

Centroide (40.086 m^3/s+-2.12 m^3/s)

Evaluación técnica

Procedimiento – Rachas

• Análisis comparativo ambos sistemas clusters energéticos

Mayor Firmeza Sistema Pelton - Canal

Evaluación técnica

Procedimiento – Rachas

• Otros análisis (Series históricas Horarias- Ciclo horario)

Ejemplo Sistema Pelton-Canal

Evaluación técnica

Procedimiento – Otros análisis

2. Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS

(1D)- Modulo no estacionario.

Sistema Pelton- Canal

Evaluación técnica

Caso EPM – Procedimiento

• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –

Modulo no estacionario.

Sistema Francis - Canal

Evaluación técnica

Caso EPM – Procedimiento

• 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

• 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%

• Modelación Hidráulica- Modelo simplificado HEC-RAS –

Modulo no estacionario.

Evaluación técnica

Caso EPM – Procedimiento

3. Selección prototipos:

• Curvas Velocidad – Potencia

Evaluación técnica

Caso EPM – Procedimiento

• Máximas y mínimas velocidades teóricas (Fabricantes).

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

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.

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.

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)

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

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

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

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.

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

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

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)

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

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

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).

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.

PUBLICACIÓN

PRUEBAS EN LABORATORIO

MECANICA DE FLUIDOS UDEM

GRACIAS