capitulo 2 (mini-hidro)
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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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS
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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS
• 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‖ (*)
PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…
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
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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…
• 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
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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…
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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…
• 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
PEQUEÑAS CENTRALES HIDRO…
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
ASPECTOS RELEVANTES:
• 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
ASPECTOS RELEVANTES:
OCAÑA (CAÑAR)
Potencia: 26 MW
Energía media: 205 GWh/año
Tipo de turbinas/No.: PELTON / 2
PRESUPUESTO: USD 65,05 MM
DESCRIPCIÓN: