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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS
CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Informe: DEFICION DE ECENARIO FUTURO DE LA
GENERACION HIDROELECTRICA Y LA
POSIBLE SOLUCIÓN DE LA
ELECTRIFICACIÓN DE POBLADOS
ALEJADOS CON PICO CENTRALES
HIDROELECTRICAS
Presentado por:
Frans Dennys Carhuamaca Castro
Huancayo-12 de Marzo de 2012
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ÍNDICE
ÍNDICE ........................................................................................................................................................ 2 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 3 2 CONTENIDO ....................................................................................................................................... 4 RESERVAS PROBADAS DE ENERGÍA COMERCIAL .......................................................................... 4
Medición de Caudal .................................................................................................................................. 8
TIPO DE TURBINAS ............................................................................................................................ 11
BOMBAS USADAS COMO TURBINAS ............................................................................................ 14
ELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA ................................................................................................. 14
3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................. 16 4 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA .................................................................................................... 16
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1 INTRODUCCIÓN
No estamos en una etapa de crisis, tenemos la máxima demanda y oferta
(capacidad instalada) y se tiene que tener un margen del 20 al 30% para
contingencia para fallas de línea, plantas o el crecimiento económico.
Entonces los que tenemos ahora para los próximos 2 años es un sistema
que está normalmente en condiciones de atender la demanda pero la
reserva es exigua lo cual hace que el sistema sea débil ante cualquier falla
lo que produciría racionamiento.
Todo lo expuesto seria una información más contundente para que la
atención de las localidades fuera de las aéreas de concesiones de las
empresas regionales de distribución y sin acceso se pudiera atender con
las energías renovables como la energía eólica, solar e hidráulica ya que
no podrán ser atendidos tampoco por el área de electrificación rural del
ministerio por tener muy poca habitantes y muy dispersos.
Es por estos motivos que en este trabajo se está proponiendo las centrales
pico y micro hidráulicas para atender a estas localidades alejadas y con un
acceso por el cual donde no se puede llevar con el sistema convencional.
Primera mente trataremos la oferta energética que existe en el Perú, donde
se podrá de manifiesto las los tipos de energía con la que contamos, asi
como las reservas comprobadas de energía comercial.
También se indica las Demanda de energía del Perú y la Capacidad
Instalada que es la oferta hasta el año 2020.
En la descripción de los temas se presentaran los cuadros donde se indica
la demanda de energía y la oferta hasta el año 2019, el cual nos dará una
idea de cómo se encuentra podrá solucionar la demanda de estos pueblos
pequeños, fuera de la concesión y dispersas donde no ha llegado la
electricidad no hay llegado a un.
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2 CONTENIDO
Para la demanda eléctrica crece a la velocidad de 10% por año entonces
en el año 2019 estaríamos requiriendo 10 000 MW, pero según los
expertos no se cree que llegaremos hasta esa cantidad si no hasta el año
2022 tendríamos 20 años para instalara los 5000 MW.
RESERVAS PROBADAS DE ENERGÍA COMERCIAL
Las reservas probadas de energía comercial al 31 de diciembre de 2008,
fueron aproximadamente 26 471 442 TJ.
GAS NATURAL.- Las reservas probadas de gas natural a diciembre de
2008 representan el mayor porcentaje en términos energéticos (45,1%),
alcanzando los 345,5 x 109 m3 (12,20 x 1012 ft3). Cabe resaltar que
respecto al año 2008, las reservas probadas de gas natural se han
incrementado en 3,21 %.
LÍQUIDOS DE GAS NATURAL.- A fines de 2008, las reservas probadas
de líquidos de gas natural fueron del orden de 104,64x 106 m3 (658,2 x
106 bbl). En relación al año 2008 se tuvo una disminución de 2,34%.
CUADRO N° 1 RESERVAS PROBADAS DE ENERGÍA COMERCIAL: 2009
(TJ)
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HIDROENERGÍA.- Las “reservas” de esta fuente renovable de energía se
miden considerando la energía media anual a producirse durante 50 años
en las centrales eléctricas instaladas, en construcción y en proyecto.
Las reservas probadas hidroenergéticas se definen como la energía
promedio producible en un año en las centrales hidroeléctricas que
actualmente se encuentran en operación, en construcción, en proyecto y
las que tengan estudios de factibilidad y definitivos. Las reservas probadas
de hidroenergía totalizan 1,3 x 106 GW.h.
PETRÓLEO CRUDO.- Las reservas probadas de petróleo crudo a fines de
2008, fueron del orden de los 84,68 x 106 m3 (532,66 x 106 bbl). Con los
niveles actuales de cargas de petróleo crudo a las refinerías del país, estas
reservas pueden satisfacer la demanda interna hasta el año 2020.
CARBÓN MINERAL.- Las reservas probadas de carbón mineral a fines de
2009, fueron cercanas a las 38,07 x 106 ton, correspondiendo en cerca de
un 82,24% a carbón del tipo antracita y el resto a carbón bituminoso. Las
Regiones La Libertad, Ancash y Lima son las que poseen las mayores
reservas de carbón mineral, del total nacional.
URANIO.- Las reservas probadas de uranio son del orden de 1 800 ton y
están localizadas en la parte nor occidental del área de distribución de los
volcánicos de la formación Quenamari, distrito de Corani, provincia de
Carabaya, Región Puno. Tales reservas fueron obtenidas mediante el
“prospecto uranífero Chapi” entre 1984 – 1986 y confirmadas mediante el
inventario de reservas probadas de 1989, después del cual no se realizaron
más actividades exploratorias. No obstante ello, en los últimos años ha
habido un marcado interés de parte de empresas privadas en invertir en
exploración de nuevos yacimientos de uranio especialmente en la zona sur
del país.
ESTRUCTURA DE LAS RESERVAS PROBADAS
DE ENERGÍA COMERCIAL: 2009
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DEMANDA DE ENERGIA DEL PERÚ
Para la proyección de la demanda de largo plazo, se utilizó el modelo
econométrico considerando una tasa esperada de crecimiento constante de
PBI de 5.1% en el período 2014-2020, los crecimientos históricos de
grandes cargas y las estimaciones de crecimiento de proyectos basados en
la información existente.
En el Cuadro N° 4.1, se muestra el detalle de las proyecciones de: ventas,
cargas especiales e incorporadas, proyectos y otros (pérdidas, consumos
propios de centrales, etc.).
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Cuadro N° 4.1 Proyección de la demanda de largo plazo 2014-2020
CAPACIDAD INSTALADA (OFERTA)
Al respecto, según el ministerio de energía y minas el ingreso de la cuarta
unidad de la Central Térmica Kallpa (una turbina a vapor de 292 MW, con
la cual completa su ciclo combinado) está registrado para octubre de 2012,
y para diciembre de este año se espera la entrada en operación de la CT
Chilca (596 MW).
Asimismo, están considerados tres proyectos adjudicados de reserva fría
(800 MW) que deben entrar en operación comercial a más tardar el año
2013. En setiembre de 2013 se prevé también el ingreso de la Central
Térmica Santo Domingo de los Olleros (196 MW).
En el 2015 operará la Central Hidroeléctrica Cheves (168 MW), la CH
Quitaracsa (112 MW) y la CH Pucará (149 MW). Asimismo, se estima para
este año la operación de la CH Santa Teresa (90 MW). Finalmente, las
centrales hidroeléctricas Chaglla (409 MW) y Cerro del Aguila (402 MW)
deben entrar en operación el 2016.
La demanda de energía eléctrica del sector industrial representa el 55% del
consumo total y se prevé un crecimiento de 10% anual debido al impulso
de la actividad minera.
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Conociendo esta realidad nos pondremos a realizar el diseño de nuestra
pico central hidroeléctrica.
Medición de Caudal
El caudal de un río es fundamental en el dimensionamiento de presas,
embalses y obras de control de avenidas. Dependiendo del tipo de obra, se
emplean los caudales medios diarios, con un determinado tiempo de
recurrencia o tiempo de retorno, o los caudales máximos instantáneos. La
forma de obtención de uno y otro es diferente y, mientras para los primeros
se puede tomar como base los valores registrados en una estación de
medición, durante un número considerable de años, para los segundos, es
decir para los máximos instantáneos, muy frecuentemente se deben
calcular a través de modelos matemáticos.
La medición práctica del caudal líquido en las diversas obras hidráulicas,
tiene la debida importancia, ya que de estas mediciones depende muchas
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veces el buen funcionamiento del sistema hidráulico como un todo, y en
muchos casos es fundamental para garantizar la seguridad de la
estructura. Existen diversos procedimientos para la determinación del
caudal instantáneo, como se puede observar en los párrafos siguientes.
LOS CAUDALES DE LOS RÍOS Y ARROYOS
Caudal instantáneo
Como su nombre lo dice, es el caudal que se determina en un instante
determinado. Su determinación se hace en forma indirecta, determinado el
nivel del agua en el río (N0), e interpolando el caudal en la curva calibrada
de la sección determinada precedentemente. Se expresa en m3/s.
Caudal medio diario
Es la media de los caudales instantáneos medidos a lo largo del día. Si la
sección de control es del tipo limnimétrico, normalmente se hacen dos
lecturas diarias de nivel, cada 12 horas.
Si la sección es del tipo limnigráfico convencional, es decir que está
equipada con un registrador sobre cinta de papel, el hidrólogo decide,
según la velocidad de variación del nivel del agua, el número de
observaciones que considerará en el día. Siendo M, el número de puntos
considerado, la fórmula anterior se transformará en la siguiente:
Se expresa en m3/s.
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Si la sección es del tipo telemétrico, donde el registro del nivel del agua se
hace a intervalos de tiempo determinado dt (en segundos), el número diario
de registros será de
, aplicándose la fórmula anterior.
Caudal medio mensual
El caudal medio mensual es la media de los caudales medios diarios del
mes en examen (M = número de días del mes, 28; 30; o, 31, según
corresponda):
Se expresa en m3/s.
Caudal medio anual
El caudal medio anual es la media de los caudales medios mensuales.
Se expresa en m3/s.
El aprovechamiento de los ríos depende de del caudal que tienen, es decir,
de la cantidad de agua que transporta.
Relación caudal pico/caudal diario
Generalmente, se admite un valor promedio de 1.6 para esta relación,
sabiendo que los resultados de numerosos estudios de crecidas extremas
en el mundo dan valores de dicho coeficiente variando entre 1,2 y 2,2 (con
valor promedio 1,6) con una probabilidad de 90%. Sin embargo, los valores
pueden alcanzar valores mucho más elevados para cuencas pequeñas. A
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título de ejemplo, en la costa norte del Perú, la relación entre caudales
medios diarios y caudal máximo instantáneo varía en función del tamaño
de la cuenca hidrográfica. Se pueden considerar los siguientes valores:
Relación caudal pico/caudal diario, en la vertiente del Pacífico, en el norte
de Perú
Superficie mayor a 3000 km2 1,2
Superficie comprendida entre 1000 y 3000 km2 1,3
Superficie comprendida entre 800 y 1000 km2 1,4
Superficie comprendida entre 600 y 800 km2 1,6
Superficie comprendida entre 400 y 600 km2 2,0
Superficie comprendida entre 200 y 400 km2 2,5
Superficie menor a 200 km2 de 3,0 hasta 5,0 ó 6,0
Para efectos de determinar el caudal de diseño en la zona a electrificar, se
tomará los datos en el afluente o en el pequeño río cercano al lugar de la
población a dotar con energía, así como los datos que pueden ser
proporcionados por la municipalidad provincial, o autoridades del lugar.
TIPO DE TURBINAS
TURBINA HIDRÁULICA
Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que
aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir
un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve
directamente una máquina o bien un generador que transforma la
energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una
central hidroeléctrica.
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Las turbinas hidráulicas, junto con los molinos de viento, son las
turbomáquinas más antiguas que existen. Se puede explicar su
antigüedad por la gran disponibilidad geográfica de las cuencas
hidrológicas, siendo los viejos molinos de agua un lugar común.
Clasificación
De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de
reacción:
Turbinas de acción: o de vena libre, son aquellas en las que el fluido de
trabajo (agua) no sufre un cambio de presión importante en su paso a
través de rodete; aquellas en las que el agua mueve el rodete
exclusivamente con energía cinética.
Turbinas de reacción: o de vena forzada, son aquellas en las que el
fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a
través de rodete; aquellas que utilizan energía cinética y de presión para
mover el rodete.
Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere
calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción
aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las
de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce
en su interior.
De acuerdo al diseño del rodete
Existen Cartas para seleccionar turbinas hidráulicas en función del
caudal y el salto.
Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de
cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los
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álabes o cangilones, o de otras partes de la turbomáquina distinta al
rodete. Los tipos más importantes son:
Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de
poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están
diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes
caudales. (Turbina de reacción)
Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a
diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.
Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial.
Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez
de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están
diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con
caudales pequeños. (Turbina de acción)
Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen
algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus
álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con
saltos de agua medios y caudal medios.
Turbina de Flujo Cruzado – Mitchel Banqui (Cross Flow): es de
construcción simple, esto le da la característica muy importante de poder
ser construida sin mucha tecnología. Las dos partes principales de una
turbina Cross Flow son el rotor o rodete y el conjunto de elementos que
conforman la carcasa, ambas piezas se hacen con lámina de acero
soldada y requieren cierto fresado.
La eficiencia de la turbina Cross Flow es del 80% y mayor, y por ende es
apropiada para pequeñas centrales generadoras hidroeléctricas. La
regulación del flujo y el control del regulador central, se realiza mediante
un mecanismo de cierre, en la forma de una compuerta.
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El agua es accionada dos veces en las paletas de la rueda, la
transferencia de energía es de 72% en la primera acción, y 28% en la
segunda. El flujo de agua cruza la rueda, de ahí proviene el nombre de
Cross Flow (fluir a través).
BOMBAS USADAS COMO TURBINAS
Cuando se trata de la situación energética en países en desarrollo y en
especial en las zonas rurales, las pequeñas centrales hidroeléctricas
juegan un papel importante para el desarrollo de éstas zonas. Sin
embargo el costo inversión inicial se ha considerado relativamente alto,
aspecto que ha restringido en algunos países más que en otros el
desarrollo de éstas potenciales energía renovables. La utilización de
bombas centrífugas estándar es una alternativa técnica y con una
considerable ventaja económica, con lo que debe contribuir en la
aplicación en pequeñas centrales hidroeléctricas.
Las bombas con sentido de rotación inverso, están siendo utilizados
como turbinas en aplicaciones industriales y en lugares aislados en
micro o pico centrales de generación hidroenergéticos. Respecto al
tamaño de mercado, las bombas usadas como turbinas, representan
tener un costo menor y se cuenta con disponibilidad en relación a las
turbinas convencionales, además el mantenimiento en más fácil, puesto
que se cuenta con talleres y técnicos idóneos y experimentados. Sin
embargo la eficiencia de una bomba utilizada como turbina tendrá el
doble de pérdidas hidráulicas.
ELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA
Con los parámetros caudal Q y altura neta Hn se determina el tipo de Turbina a implementar o diseñar, en base al grafico siguiente:
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Fuente: II Curso Internacional de Especializacion en Micro y Minicentrales Hidroelectricas, Ing. Ariel R. Marchegiani - página 16 de 46.
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3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Solo contamos con unas futuras instalaciones de planta de generación
hasta el año 2017.
No se ha podrido atender con la energía eléctrica a las poblaciones
alejadas y de difícil acceso.
La demanda energía eléctrica en el 2022 posiblemente sea de 10 000
MW.
Se de contar con una organización que planifique las futuras
inversiones en generación hidroeléctrica.
El estado peruano debería de financiar los futuras centrales
hidroeléctricas.
4 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de
investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011
Betancourt Jurado, Marcelo. Diseño de un Módulo Interactivo de
Generación Hidráulica de Energía Eléctrica. Universidad Tecnológica de
Pereira, febrero del 2007.
Dirección General de Energía. Manual de Pequeña Hidráulica. Bruselas,
Bélgica: European Small Hydropower Association, 1998.
Polo Encinas, Manuel. Turbomáquinas Hidráulicas. Monterrey, Mexico:
Editorial Limusa, 1983.
Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de
investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011
Orlando A. Audisio. Pequeñas Centrales Hidráulicas. Neuquen Argentina.
