Capitulo 2 (Mini-hidro)

CAPITULO 2

FUENTES RENOVABLES DE ENERGIA

Energía Hidroeléctrica (pequeña escala)

• Introducción

• Aspectos conceptuales y técnicos

• Aplicaciones

Pequeña hidroeléctrica de pasada, Canadá (www.retscreen.net)

Introducción

• Energía: componente clave del desarrollo

• La mayoría de actividades energéticas generan impactos ambientales negativos

• Demanda de energía (desarrollo) vs. contaminación (calentamiento global)

• Generación eléctrica (térmica) representa el 1/3 del CO2 producido por el hombre

• Los sistemas energéticos (sector eléctrico) enfrentan un reto de la sostenibilidad. Dos opciones:1. Mantener la expansión en la producción de combustibles fósiles

2. Desarrollar sustitutos (fuentes alternativas)

Situación del sector energético

ecuatoriano

• Alta vulnerabilidad (seguridad energética en

riesgo).

• Reducido portafolio de fuentes (dependencia en

pocas tecnologías)

• Baja autarquía energética

• Bajos niveles de eficiencia.

• Distorsión de precios y subsidios.

• Debilidad institucional.

• Pobre aplicación de criterios ambientales

Sector Eléctrico Ecuatoriano

(año 2010)• Cobertura eléctrica: 92% (>3 Millones de usuarios)

– URBANA 95% RURAL 80%

• Potencia instalada: 4000 MW

– 45% hidro 45% térmica 8% Colombia

• Energía generada: 16000 GWh

• Pérdidas: 15%

• Precio promedio energía: USD¢/kWh 8,4 (costo real 10,8)

• Subsidio del Estado para combustibles

– Centrales térmicas 500 M$

– Total subsidios > 2300 M$

• Hacia un nuevo paradigma energético?

Fuente: MEER, Conelec

Conventional paradigm New paradigm

Fuel resource Finite stocks Renewable flows

Energy type Concentrated Diffuse

Technology Large scale Smaller scale

Generation Centralized Decentralized

Environmental impact Large, global Small, local

Market Monopoly Liberalized

Time Frame Short-term Long-term

Adapted from Elliott (2000)

El nuevo paradigma energético

PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS

• La energía hidroeléctrica es, por definición, fuente

renovable de energía

• Dentro de las fuentes de ER, la hidroelectricidad

es la mas conocida y difundida

• Se la clasifica en grandes/medianas y pequeñas

por su impacto socio-ambiental

• Pequeñas (hasta 5MW), medianas (5-50MW),

Grandes (mas de 50 MW)

– Mini (hasta 500 KW); micro (hasta 50 KW); pico

PEQUEÑAS CENTRALES

HIDROELECTRICAS

POTENCIA

TIPICA

CAUDAL

RETScreen®DIAMETRO

RETScreen®

MICRO < 100 Kw < 0.4 m3/s <0.3 m

MINI 100 – 1000 kw 0.4 – 12.8 m3/s 0.3 – 0.8 m

PEQUEÑA 1 -50 MW >12.8 m3/s > 0.8 m

―Pequeña‖ no está universalmente definida

El tamaño del proyecto está relacionado no solo con la capacidad de

generación eléctrica sino también a si se cuenta con ya sea alta o

baja altura de carga

PEQUEÑAS CENTRALES

HIDROELECTRICAS• Electricidad para:

– Redes Eléctricas Interconectadas

– Redes Eléctricas Aisladas

– Suministros eléctricos remotos

• Ventajas:

– Confiabilidad

– Muy bajos costos operativos

– Menor volatilidad del precio de la energía


E. Potencial—presión—E.cinética—E.mecánica—E.eléctrica

• Para aprovechamiento: flujo (Q) y altura (H)

P = g*Q*H*η

η= 0.5 (desde reservorio hasta electricidad)

Donde:

• P, potencia extraíble o aprovechable (kW)

• g, aceleración de la gravedad (m/s2)

• H, altura neta (m)

• Q, caudal (m3/s)

• η, eficiencia del sistema de generación (0.5 a 0.9)

Recursos Hidráulicos en el Sitio

Flow-Duration Curve

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Percent Time Flow Equalled or Exceeded (%)

Flo

w (

m³/

s)

• Muy específicos del sitio:

Cambio en la elevación sobre una relativa corta distancia (altura de carga

o caída)

Variación aceptable del caudal en el tiempo: curva de duración de caudal

• Estimar la curva de duración de caudal basándose en:

Medición del caudal en el tiempo

Tamaño de la cuenca sobre el

sitio, escorrentía específica, y

perfil de la curva de duración del

caudal


• Ejemplo: suponga una eficiencia de planta

del 83% para dos sistemas:

1) Altura efectiva de 25 m. y caudal de 10 lit/s

2) Altura efectiva de 100 m. y caudal de 6000

m3/seg

P = g*Q*H*η

P [kW] = 10*η*Q*H

PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…

MEDICION DE CAUDAL: 1 año (Q mínimo)

Método Simple: volumen por tiempo

Método del Área: Q= v(media) x área

Método del Vertedero: rectangular, triangular

TIPOS DE CENTRALES:

• De agua fluyente (de pasada)

• De pie de presa: mayor energía ―firme‖

• En canal de riego/abastecimiento

• ―Pumped storage power plant‖ (*)

Pequeña hidroeléctrica de pasada, Canadá (www.retscreen.net

Represa Daniel Palacios (Amaluza)

Central con canal de abastecimiento


CRITERIOS DE DISEÑO:

• Caudal requerido: % a usar del Qt del río (Q. Mín.)

• Determinación del salto útil (salto neto)

• Potencia a instalar (P=9.81*Q*H*n)

OBRA CIVIL:

• Azudes/presas

• Captación: tomas, canales

• Cámara de carga

• Tubería forzada

• Edificio de la central

• Elementos de cierre/regulación

COMPONENTES PEQUEÑAS HIDRO

Obras Civiles

• Puede alcanzar el 60% (+) del costo de inversión de la planta

• Represa o dique de desviación

– Represa baja de construcción simple para central de pasada

– Concreto, madera, albañilería

– Sólo el costo de la represa puede hacer el proyecto inviable

• Conducción de agua

– Toma con rejilla de bloqueo de basura y compuerta;

canal de descarga a la salida

– Canal excavado, túnel subterráneo y/o tubería de presión

– Válvulas/compuertas a entrada/salida de la turbina (mantenim.)

• Casa de máquinas: aloja la turbina, y equipos electromecánicos

Descripción de un Sistema de

Pequeña Hidroelectrica

Embalse/Desarenador

Represa

y Aliviadero

Rejilla de Bloqueode Basura

Altura deCarga (m)

Casa de Máquinas

Generador

Turbina

ControlesEléctricos

Caudal (m3/s)

Canal de Descarga

Conexión a la Red Eléctrica

Potencia en kW ≈ 7 x Altura de Carga x Caudal

Patio de Llaves

COMPONENTES PEQUEÑAS HIDRO…

TURBINAS: en pequeña escala de grandes turbinas hidráulicas

• Acción: aprovechan la velocidad del flujo del agua

– Para aplicaciones de alta altura de carga (caída)

– Utiliza la energía cinética de un chorro de alta velocidad

– Pelton: 80-90% de rendimiento

– Michel-Banki: hasta 85% rendimiento

– Turgo, flujo transversal

• Reacción: aprovechan presión de la corriente

– Para aplicaciones de baja y media altura de carga

– Turbinas sumergidas utilizan presión y energía cinética

– Francis: 90% rendimiento

– Kaplan: 90% rendimiento

Tipos de turbinas

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina

PELTON

KAPLAN

FRANCIS

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Kartell_Kraftwerk,_Pelton_Turbine.jpg

//commons.wikimedia.org/wiki/File:S_vs_kaplan_schnitt_1_zoom.jpg

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_runner_glen_canyon.jpg

COMPONENTES PEQUEÑAS HIDRO…

GENERADORES:

• Inducción

– Debe estar enlazado con otros generadores

– Uso para suministrar electricidad a una gran red

• Síncrono: Ns=60f/p

– Puede funcionar de forma aislada de otros

generadores

– Para aplicaciones autónomas y redes aisladas


• EQUIPO ELÉCTRICO: transformación,

protección, medición

• VARIADOR DE VELOCIDAD para igualar a la

turbina con el generador

• REGULACIÓN, CONTROL Y PROTECCIÓN:

voltaje, nivel, caudal (Q)

• EQUIPO AUXILIAR: ventilación, alumbrado,

puesta a tierra

• AUTOMATIZACIÓN: reducción de costos en O/M,

aumento de confiabilidad y seguridad de equipos,

optimizar generación de energía, etc.

Obras de Captación

Proyecto Hidroeléctrico Chorrillos. 4 MW

Proyecto Hidroeléctrico Santiago. 400kW

Fuente: Ministerio Electricidad y Energías Renovables, 2008

Canal de Conducción


Tanque de Presión (Proyecto Santiago)


Tubería de Presión


Casa de Máquinas


• Proyecto Ocaña 26 MW*(Javín, Cañar)

(*) Boletines informativos Elecaustro, 2011

Proyecto Ocaña 26 MW*(Javín, Cañar)

(*) Boletines informativos Elecaustro, 2011

Consideraciones para Proyecto• Mantener los costos bajos con diseños simples y

estructuras civiles prácticas y de fácil construcción

• Pueden ser usadas represas y obras civiles existentes

• Tiempo de desarrollo de 2 a 5 años

– Estudios de recursos y estudios ambientales (aprob.)

• Cuatro etapas para el trabajo de ingeniería:

– Inspección de reconocimiento/estudios hidráulicos

– Estudio de pre-factibilidad

– Estudio de factibilidad

– Planeamiento del sistema e ingeniería del proyecto


ASPECTOS ECONÓMICOS:

• Obra Civil/Tubería: 30-35%

• Grupo Generador: 20-30%

• Equipo Regulación/Control: 10-25%

• Ingeniería/Dirección de Obra: 8-14%

• Distribución: 6-20%

COSTOS:

• Instalación: $ 1200-5000/KW

• Producción: 1-2 cent/KWh

• Mantenimiento: 0.1-0.2 cent/KWh


• Altos costos iniciales, pero…

– obras civiles y equipos pueden durar >50 años

• 75% de los costos son específicos al sitio

• Muy bajos costos de operación y mantenimiento

– Usualmente es suficiente un operador a tiempo parcial

– El mantenimiento periódico de los equipos mayores

requieren un contratista externo

• Desarrollos de mayores alturas de carga tienden a ser

menos costosos

IMPACTOS AMBIENTALES

• Se eliminan (o reducen) frente a proyectos

convencionales (gran escala)

• Una pequeña central (5 MW):

– Sustituye 1400 Tep

– Evita 16,000 Tm/año de CO2

– Elimina la formación de NOx y Sox (lluvia ácida)

IMPACTOS AMBIENTALES• Una pequeña hidro puede cambiar:

– Hábitat de peces

– Estética del sitio

– Usos recreacionales/de navegación

• Requerimientos de evaluación de impactos ambientales

dependen del sitio y tipo de proyecto:

– Planta de pasada en represa existente: relativamente menor

– Planta de pasada en sitio no desarrollado: construcción de

represa/dique/derivación

– Desarrollos de almacenamiento de agua: mayores impactos

que crece con la escala del proyecto

AZUD: Hábitat de peces (Ocaña)

Azud – escalera de peces – obras de toma, finalizadas


IMPACTOS SOCIO-ECONÓMICOS:

• Inversión inicial

• Proyecto de uso múltiple

• Genera mano de obra local

• Promueve la participación local

(―endogenicidad‖)

• Aplicable en comunidades rurales aisladas

PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…EN EL ECUADOR:

• Potencial aprovechable: 23 GW

• Actualmente: 2000 MW (50% total instalado)– 1075 MW Paute (Hidropaute)

– 170 MW Mazar (Hidropaute)

– 213 MW Daule-Peripa (Hidronación)

– 73 MW Pisayambo (Hidroagoyán)

– 156 MW Agoyán (Hidroagoyán)

– 224 MW San Francisco (Hidroagoyán)

– 26 MW Ocaña

• Potencial a gran escala (>10MW): 12 GW (103 proyectos)

• A pequeña escala (<10 MW): 261 MW (126 proyectos)

• La aplicación de los pequeños proyectos es factible y beneficioso para el país y comunidades (rurales) que cuentan con el recurso… Es un medio de producción.

TERMOESMERALDAS II

96 MW

MINAS SAN FRANCISCO

275 MW

MANDURIACU

62 MW

VILLONACO

16 MW

QUIJOS

50 MW

MAZAR DUDAS

21 MW

JARAMIJÓ

140 MW

SANTA ELENA II

40 MW

DELSITANISAGUA

116 MW

JIVINO

40 MW

TOACHI PILATÓN

254 MWCOCA CODO

SINCLAIR

1500 MW

SOPLADORA

487 MW

Gen. Hidráulica

Gen. Térmica

Gen. Eólica

BABA

42 MW

OCAÑA

26 MW

RESUMEN

PROYECTOINICIO DE

OPERACIÓNCOSTO TOTAL (MM USD)(1)

POTENCIA INSTALADA (MW)

ENERGIA MEDIA ANUAL (GWH)

COCA CODO SINCLAIR ene-16 2245 1500 8743

SOPLADORA dic-14 721,5 487 2800

TOACHI PILATON abr-15 528 253 1120

DELSITANISAGUA dic-15 215,84 115 904

MANDURIACU oct-14 132,9 60 341

MAZAR DUDAS dic-14 51,2 21 125

MINAS SAN FRANCISCO dic-15 508,8 270 1290

QUIJOS dic-15 115,89 50 355

OCAÑA mar-12 65,05 26 205

VILLONACO jul-12 41,8 16,5 59

BABA (2) jul-12 492 42 180

TOTAL(3) 4.626 2.799 15.942

(1) Los costos de los proyectos no incluyen costos de financiamiento, IVA, doble tributación, ajuste de precios,etc

(2) El costo presentado es el total del Proyecto Multiproposito Baba (incluye trasbase)

(3) No se incluye el costo del Proyecto Multipropósito Baba en el Total

MAZAR DUDAS (CAÑAR)

Potencia: 21 MW

Energía media: 125.4 GWh/año

Tipo de turbinas/No.: PELTON / 3

PRESUPUESTO: USD 51.2 MM

DESCRIPCIÓN:

• Inicio de Obras: diciembre 2011

• Inicio de operación: enero 2014

• Contratista CNEEC

• Reducción emisiones CO2: 66 mil

ton/año

• Aprox. 180 empleos directos y 675

indirectos

• Inicio de trabajo en las vías 26 dic 2011

• Acta de inicio suscrita el 25 de enero de

2012

• Trabajos de nivelación, replanteo y

construcción y topografía.

ASPECTOS RELEVANTES:

QUIJOS (NAPO)

Potencia: 50 MW

Energía media: 355 GWh/año

Tipo de turbinas/No.: FRANCIS / 3

PRESUPUESTO: USD 115,8 MM

DESCRIPCIÓN:

• Inicio de Obras: enero 2012

• Inicio de operación: diciembre 2015

• Contratista: CNEEC

• Reducción emisiones CO2: 190 mil

ton/año

• Aprox. 150 empleos directos y 450

indirectos

• Inicio de construcción de vías internas

• Trabajos de topografía, movilización y

replanteo

• Actualización de diseños de licitación


• Avance de construcción: 100%

• Inicio de operación comercial : abril 2012

• Operación experimental notificada por el

CENACE a partir del 25 de febrero.

• Entregando al sistema el 100% de su

capacidad de producción


OCAÑA (CAÑAR)

Potencia: 26 MW

Energía media: 205 GWh/año

Tipo de turbinas/No.: PELTON / 2

PRESUPUESTO: USD 65,05 MM

DESCRIPCIÓN:

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