Curso: Gestión Integral del Agua• Una vez se conoce el comportamiento del recurso agua, se toman...
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Curso: Gestión Integral del Agua Modulo 1. Energías Renovables en la Gestión del Agua – Centrales Hidroeléctricas Expositor: Santiago Ortega Arango – EnergEIA – Universidad EIA
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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
WikimediaCommons
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
