elías andrade trabajo de grado presentado a la facultad...
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Desarrollo de una metodología para diseñar una planta de energía
osmótica
Elías Andrade
Trabajo de grado presentado a la
Facultad de Ingeniería como requisito para optar al Título de Ingeniero
Eléctrico
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad de ingeniería
Proyecto curricular Ingeniería Eléctrica
Bogotá D.C.
2015
Desarrollo De Una Metodología Para Diseñar Una Planta De Energía
Osmótica
Elías Andrade
Cód. 20041007024
Director:
Ing. Phd. Johann Alexander Hernández Mora
Línea de Investigación en Fuentes
Alternativas de Energía (LIFAE)
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad de ingeniería
Proyecto curricular Ingeniería Eléctrica
Bogotá D.C.
2015
Bogotá D.C. Octubre de 2015
Nota de aceptación:
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
“La cultura es el remanente que queda
después de olvidar lo aprendido”
A. Einstein.
5
CONTENIDO
CONTENIDO ..................................................................................................................... 5
1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 9
2 OBJETIVOS DEL PROYECTO .............................................................................. 12
2.1 Objetivo General ............................................................................................... 12
2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 12
3 CONTEXTUALIZACIÓN ....................................................................................... 13
4 PROBLEMÁTICA DE LA ENERGÍA EN COLOMBIA ........................................ 17
5 RECURSOS NATURALES IMPLICADOS ............................................................ 19
5.1 Agua en los océanos .......................................................................................... 19
5.2 Agua de los ríos ................................................................................................ 21
5.3 Otras fuentes potenciales para la generación por ósmosis ................................ 21
6 BREVE ANÁLISIS DEL ENTORNO OBJETIVO ................................................. 23
6.1 ZNI en la Costa Pacífica ................................................................................... 24
6.2 Selección de la zona de estudio: Pizarro, Bajo Baudó, departamento del Chocó.
30
6.2.1 Situación eléctrica de Pizarro ........................................................................ 32
6.2.2 Servicios básicos ........................................................................................... 33
7 ANTECEDENTES DEL SISTEMA PROPUESTO ................................................. 35
8 FUNDAMENTOS DE LA ENERGÍA OSMÓTICA ............................................... 36
8.1 Características del sistema ................................................................................ 39
8.2 El sistema de ósmosis en la generación de energía eléctrica ............................ 40
8.3 Análisis de los fluidos en el sistema ................................................................. 43
8.4 Análisis de las presiones en el sistema ............................................................. 46
8.5 Potencia hidráulica obtenible del sistema ......................................................... 48
9 ESTUDIOS REQUERIDOS ..................................................................................... 50
6
9.1 Medio abiótico .................................................................................................. 53
9.1.1 Geología ........................................................................................................ 53
9.1.2 Geomorfología .............................................................................................. 54
9.1.3 Suelos ............................................................................................................ 55
9.1.4 Hidrología ..................................................................................................... 56
9.2 Medio biótico .................................................................................................... 60
9.2.1 Flora .............................................................................................................. 60
9.2.2 Fauna ............................................................................................................. 61
9.2.3 Ecosistemas acuáticos ................................................................................... 63
9.3 Medio socioeconómico ..................................................................................... 64
9.3.1 Aspectos arqueológicos ................................................................................ 64
9.3.2 Paisaje ........................................................................................................... 64
9.3.3 Vías de acceso ............................................................................................... 65
9.3.4 Actividad económica del sector .................................................................... 66
9.3.5 Disponibilidad de mano de obra ................................................................... 66
9.3.6 Disponibilidad de materiales de construcción .............................................. 67
9.3.7 Corredores de transmisión. ........................................................................... 67
9.3.8 Licencia ambiental, L.A. ............................................................................... 68
10 ESTUDIOS TÉCNICOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO ......................... 72
10.1 Demanda de energía .......................................................................................... 72
10.1.1 Demanda de la cabecera municipal ........................................................... 73
10.2 Comparación de la energía osmótica frente a las principales alternativas
energéticas renovables .................................................................................................. 76
10.3 Análisis de la membrana ................................................................................... 78
10.3.1 Descripción de los flujos en la membrana ................................................ 79
10.3.2 Especificaciones técnicas de la membrana ............................................... 80
10.3.3 Disposición de módulos de membrana ..................................................... 81
10.3.4 Análisis de la eficiencia de la membrana .................................................. 82
7
10.4 Coste teórico de generación, LCOE .................................................................. 82
10.5 Análisis económico del sistema, según la mejora en la eficiencia de la
membrana ...................................................................................................................... 83
11 MARCO LEGAL ...................................................................................................... 87
11.1 Generalidades .................................................................................................... 87
11.1.1 Normatividad General ............................................................................... 88
11.1.2 Normatividad aplicable a un generador de energía eléctrica .................... 88
12 PRE-FACTIBILIDAD .............................................................................................. 91
12.1 Evaluación de la pre-factibilidad ...................................................................... 91
13 DISEÑO TÉCNICO PRELIMINAR ........................................................................ 93
13.1 Cálculo de la membrana necesaria .................................................................... 93
13.2 Caudal necesario ............................................................................................... 95
13.3 Intercambiador de presión ................................................................................. 96
13.4 Bomba Booster .................................................................................................. 96
13.5 Turbina .............................................................................................................. 97
13.5.1 Calculo de la velocidad del caudal de agua salobre .................................. 98
13.5.2 Selección del tipo de turbina ..................................................................... 99
13.5.3 Equivalente en altura de la potencia hidráulica de la planta de energía
osmótica 100
13.5.4 Consideraciones especiales de la turbina para PRO. .............................. 102
13.6 Generador ........................................................................................................ 102
13.7 Pre-tratamiento de agua .................................................................................. 103
13.7.1 Pre-tratamiento de agua dulce ................................................................. 103
13.7.2 Pre-tratamiento de agua de mar .............................................................. 104
13.8 Características de la Planta de Energía Osmótica para el caso de estudio en
Pizarro 105
14 ALCANCES Y LIMITACIONES .......................................................................... 106
8
15 CONCLUSIONES .................................................................................................. 107
15.1 Recomendaciones ........................................................................................... 109
15.2 Proyectos adelantados con este trabajo ........................................................... 110
16 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 111
17 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. 124
18 LISTA DE TABLAS .............................................................................................. 126
ANEXOS ............................................................................................................................. i
Anexo 1. Definiciones .................................................................................................... ii
Anexo 2. Glosario ........................................................................................................... x
Anexo 3. Tabla de impactos durante la construcción ................................................... xii
Anexo 4. Tabla de impactos durante la explotación .................................................... xiii
Anexo 5. Diagrama esquemático de R.S. Norman ...................................................... xiv
Anexo 6. Altura teórica alcanzada por la presión osmótica .......................................... xv
Anexo 7. Usos de la ósmosis ...................................................................................... xvii
Aplicaciones de la ósmosis directa ......................................................................... xvii
Aplicaciones de la ósmosis inversa ........................................................................ xviii
Potabilización de agua de mar en Colombia ............................................................ xix
Anexo 8. Fuentes de información oficial ..................................................................... xxi
Anexo 9. Fuentes de internet útiles para la elaboración de los estudios .................... xxiii
Anexo 10. Intercambiador de presión. ....................................................................... xxiv
9
1 INTRODUCCIÓN
Al decidir la construcción de una planta de energía osmótica se hace necesario un apoyo
bibliográfico que permita orientar el dimensionamiento de una central osmótica con un
criterio técnico y económico dada la tecnología necesaria. No obstante, en nuestro medio
son muy escasos o nulos los textos con estas características, encontrándose información
parcial y dispersa en diferentes libros de ingeniería aplicada, publicaciones en revistas
científicas y artículos publicados en los sitios web de empresas que han construido y
colaborado con el desarrollo de esta tecnología.
Por tal motivo este documento es una referencia para realizar diseños de centrales
osmóticas, partiendo de unos conocimientos básicos en hidráulica, mecánica y de
máquinas eléctricas, aplicados en un caso de estudio en una localidad del Chocó, que se
irá realizando a medida que se va avanzando. Particularmente se escoge a la cabecera
municipal de Bajo Baudó, Pizarro, en el departamento del Chocó, que cuenta con una
población de 2.936 habitantes (en 2011) [1], dado que cumple con las condiciones
necesarias y óptimas para la implementación de la tecnología, donde se pretende diseñar
una planta de energía osmótica que permita reducir los costos por el uso del ACPM
necesario para el grupo electrógeno existente –valga aclarar que se escoge por ser la
cabecera municipal, razón por la que cuenta con mayor información disponible necesaria
para los estudios– para el ejemplo.
De tal forma el presente material se compone de una breve descripción de la generación
de energía usando ósmosis, un análisis de los recursos y el entorno objetivo, luego se
presentan y desarrollan los estudios previos necesarios para el proyecto y finalmente el
diseño técnico preliminar para la selección de los principales equipos de una central
osmótica.
10
Figura 1. Desarrollo metodológico. Autor.
La Figura 1 muestra un esquema metodológico que tiene como objeto mostrar el flujo de
los pasos principales para el desarrollo de una planta de energía osmótica, que contempla
parámetros para el diseño, donde se parte de la selección de una localidad ubicada en
Zona No Interconectada, ZNI, que tenga cerca un río con desembocadura directa al mar,
11
donde se analizan datos hidrológicos para determinar el caudal de operación de la planta
(Qop), que dependerá del caudal disponible del río (Qrío). El caudal de diseño (Qdis),
representa la capacidad instalada de la planta. El mínimo vital (Qmín), se define como el
caudal mínimo con el que el río mantiene su estabilidad ecológica.
Se deben contemplar estudios ambientales, económicos, técnicos, legales, financieros y
sociales para comprobar la viabilidad y proceder al diseño técnico preliminar o
abandonar, reformular o postergar el proyecto. Dadas las condiciones que permiten la
viabilidad energética del recurso, confirmada por los estudios del medio abiótico, para
poder iniciar el dimensionamiento de las obras es necesario disminuir el impacto
ambiental causado en el área de influencia. Para ello se realiza la evaluación ambiental
que estipula la Autoridad Nacional de Licencias Ambientales, ANLA [2].
En las ZNI el Marco Legal cobra relevancia debido a la importancia ecológica del sector,
a la pobreza reinante, y las posibilidades de desarrollo que una solución energética
significa en el desarrollo de esta población en educación, creación de empleo, vivienda
digna, servicios básicos, mejora en la infraestructura y seguridad, entre otros tantos
beneficios que son responsabilidad del estado, para lo cual dispone a entidades como el
Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas, IPSE, para brindar
planes que financien la construcción y sostenibilidad de fuentes de energía eléctrica, en
especial aquellas de carácter renovable.
Así es como toma relevancia la necesidad de desarrollar una metodología conceptual para
el diseño preliminar de una planta de energía osmótica, que sirva de referente teórico de
las distintas posibilidades de generación de energía eléctrica, en los lugares en los cuales
pueda ser aplicado, que indique la forma en que se dimensiona el sistema, incluyendo
parámetros y conceptos como los usados en las tecnologías de generación tradicionales,
con el fin de conocer otros métodos que en algún momento la conviertan en una fuente de
energía más competitiva con las tecnologías tradicionales.
12
2 OBJETIVOS DEL PROYECTO
2.1 Objetivo General
Desarrollar una metodología para diseñar una planta de energía osmótica.
2.2 Objetivos Específicos
Revisar y analizar la bibliografía existente sobre generación de energía eléctrica
usando potencia osmótica.
Contrastar las aplicaciones realizadas con potencia osmótica y definir qué tipo de
recursos naturales maneja esta tecnología.
Generar un esquema ordenado que contemple los parámetros para el diseño de
una planta de energía osmótica.
Presentar un caso de estudio cuyos parámetros se asemejen a condiciones reales
donde se pueda facilitar la implementación de este tipo de central.
13
3 CONTEXTUALIZACIÓN
La energía a base de ósmosis se conoce popularmente en el mundo como: “Energía azul”
u Osmosis por Presión Retardada PRO: Pressure Retarded Osmosis [3] y es una forma de
hidrogeneración que aprovecha la presión osmótica para obtener un caudal con el que se
accione una turbina. No se debe confundir con la Ósmosis Inversa (RO: Reverse
Osmosis) [4], la cual se usa principalmente para procesos de potabilización de aguas.
Ya existe una primera implementación de la energía azul por parte de la empresa
Statkraft quienes en 2009 construyeron una planta de pruebas ubicada en la ciudad de
Tofte, Hurum, en Noruega, donde se ha implementado con éxito una metodología no sólo
para el diseño, sino también para la construcción de la planta. Esta metodología sería
extensiva para el desarrollo de plantas futuras de mayor envergadura, esto dada la noticia
-en su momento- de la empresa de construir en algunos años plantas de mayor capacidad
cuando el desarrollo tecnológico lo permitiera [5].
En la búsqueda de información bibliográfica que soportara la tecnología, se encontraron
trabajos científicos realizados por diferentes autores y universidades del mundo como la
Universidad YALE (Universidad privada en New Haven), Universidad UCLA
(Universidad de California en Los Ángeles), Universidad Tecnológica de Nanyang (de
Singapur) y la Universidad Católica de Leuven (en Bélgica), y también con los resultados de
la planta en Noruega de Statkraft, que han sido plasmados en diversos artículos
científicos enfocados en estudios técnicos y económicos.
De la misma forma se encontró el resultado de experimentos de laboratorio como el
llevado a cabo por Achilli [6], Lee y otros [7], enfocados en la probar la eficiencia de la
membrana usada en ósmosis inversa para PRO, la determinación de las condiciones de
funcionamiento más óptimas y la máxima eficiencia de la membrana.
14
En este orden de ideas se abordó la información de diversos papers publicados en la
reivista Science y presentaciones que brindan información en lo respectivo a:
1. Descripción de la tecnología y su potencial eléctrico
2. Condiciones físicas necesarias y adecuadas
3. La energía osmótica como alternativa al desarrollo limpio
4. Descripción de la planta prototipo construida en 2009
5. Descripción del sistema, sus principales elementos, de la función de los mismos y
de su conexionado
6. Sobre la membrana: los tipos, la densidad de potencia y el precio de energía
7. Planes a futuro
El proceso implementado en esta planta prototipo, conocido como PRO, es una forma
alterna de hidrogeneración [8], ya que aprovechando la presión osmótica se obtiene un
caudal a una velocidad determinada con el que se acciona una turbina.
A nivel nacional recientemente se encontró la tesis llamada: Diseño de planta piloto para
la generación de energía eléctrica y potabilización del agua a partir de reactores de
membrana osmótica [9] de la Universidad de Cartagena, quienes realizaron una
factibilidad técnica y económica de estos sistemas incluyendo un presupuesto para el
global del proyecto; lo que demuestra el interés real en el desarrollo de este tipo de
tecnología como fuente de energía renovable. Dados los resultados plasmados en el
trabajo de G. Garcés y A. Carreño [9], se pretende complementar la investigación,
reforzando en la metodología y en los parámetros relacionados a la eficiencia de la
membrana respecto a la generación de energía en términos de potencia eléctrica por
unidad de área de membrana.
Revisando la información disponible, también se encuentra el desarrollo de la tecnología
que implementa la electrodiálisis inversa o RED de Reverse Electro Dialysis, descrita en
15
Osmotic Power Plants [10], que no aprovecha la energía hidráulica, sino que genera una
corriente eléctrica por la transferencia de electrones entre el agua dulce y el agua de mar.
Esta tecnología también cuenta con una planta prototipo de 50 KVA desarrollada en 2005
por la empresa REDStack en Harlingen, Holanda [11].
La tecnología de membranas semipermeables tiene también una aplicación conocida
como OI: ósmosis inversa o, RO, de las siglas en inglés Reverse Osmosis, en la cual se
inyecta sólo el líquido de mayor concentración de modo que se obtiene una solución
diluida. Es usada ampliamente en distintos procesos, siendo los más relevantes la
potabilización o desalación de agua de mar, y la purificación de plasma (sangre) en las
máquinas de diálisis.
Por lo tanto, con la información disponible hoy día sobre la generación de energía usando
la potencia osmótica, sumado a los conocimientos y técnicas dominadas por el sector de
generación de energías renovables, incluida la hidrogeneración, se desarrolla la
metodología para el diseño de una planta de energía osmótica que enfatiza en la relación
de los procesos que la constituyen, soportando los pasos de la misma con argumentos
técnicos, y enfatizando en el estudio y desarrollo de la membrana que es el elemento
nuevo que juega un rol protagónico en lo concerniente al desarrollo de la tecnología de
generación por ósmosis.
Algunos de los conocimientos disponibles sobre la generación hidroeléctrica, podemos
consultarlos en bibliografía como por ejemplo la Guía de Diseño de Pequeñas Centrales
Hidroeléctricas [12] y Pequeñas Centrales Hidroeléctricas de R. Ortíz [13] entre otros, de
modo que como primer paso permita la apropiación del conocimiento necesaria para,
análogamente, diseñar una planta de energía osmótica, enfocada hacia una posible
implementación a futuro en nuestro país.
16
En lo que respecta a la revisión de los fundamentos teóricos, se puede contar con los
documentos que recopilan lo descrito por Sidney Loeb, Andrea Achilli, Amy E. Childress
y Srinivasa Sourirajan, como: Osmotic Power Plants [10], Pressure retarded osmosis:
From the vision of Sidney Loeb to the first experimental installation [3] y Power
generation with pressure retarded osmosis: an experimental and theoretical investigation
[6] y más adelante por Torleit Holt y Thor Thorsen en los 80’s en The potential for power
production from salinity gradients by pressure retarded osmosis [14] y en ‘Uso de una
membrana semipermeable en osmosis retardada por presión para proporcionar energía
eléctrica, y planta.’ [15]. En lo concerniente al desarrollo de la membrana para este uso
en particular se puede consultar el documento Power Production based on Osmotic
Pressure [16], así como la revisión Pressure Retarded Osmosis and Fordward Osmosis
Membranes: Materiales and Methodos [17], y también vale tener en cuenta el documento
Desalación de aguas mediante ósmosis inversa [18].
En este documento se citará como “Energía Osmótica” a la energía generada con base a
la ósmosis, aunque en inglés es llama “Osmotic power” [5], cuya traducción literal
(Potencia osmótica), podrá ser usada pero refiriéndose entonces a la potencia hidráulica
resultante de la membrana.
Finalmente, para una metodología de esta clase se revisó la normatividad Colombiana,
donde el proyecto se enmarcará en primera instancia bajo la Constitución Política de
Colombia, consecuentemente por la “Ley Eléctrica” Ley 143 de 1994 [19], la “Ley de
servicios públicos y domiciliarios” Ley 142 de 1994 [20] y por lo contemplado en el
Código de Comercio [21]. En la actualidad existe la Ley 1715 de 2014 [22], que en
resumen dice que se tiene como finalidad establecer el marco legal y los instrumentos
para la promoción del aprovechamiento de las fuentes no convencionales de energía,
principalmente aquellas de carácter renovable, lo mismo que para el fomento de la
inversión, investigación y desarrollo de tecnologías limpias para la producción de
energía, mediante su integración al mercado eléctrico, y su participación en las ZNI [22].
17
4 PROBLEMÁTICA DE LA ENERGÍA EN COLOMBIA
Debido al aumento en la demanda de energía eléctrica a nivel mundial, y a él gran
impacto ambiental generado por el hombre por el uso de fuentes energéticas
contaminantes, surge la necesidad de aprovechar las fuentes de energía no
convencionales, al tiempo de promover y fomentar la investigación y el desarrollo de
energías limpias, con objeto de preservar el medio ambiente y ayudar a suplir la creciente
necesidad energética.
También, a causa de las sucesivas crisis del petróleo cuyo primer episodio se registra en
el año 1973, se pone en consideración la explotación y aprovechamiento racional de otros
recursos energéticos, que tengan un impacto ambiental mínimo, dada la gran importancia
de los problemas medioambientales, que son de profunda preocupación a nivel
internacional, tales como el aumento de la concentración de gas carbónico en la
atmósfera o la lluvia ácida, que están íntimamente relacionadas con los índices de
consumo energético actuales, el cual se basa en más de un 75% en el empleo de
combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) [23].
En Colombia, para proveer de energía a la mayoría del territorio nacional se utilizan
principalmente centrales hidroeléctricas y plantas termoeléctricas, sin embargo, existen
regiones que no se ven beneficiadas de estas tecnologías ya que sus características
geomorfológicas no permiten represamientos, tienen una demografía reducida, y su
lejanía hace inviable o imposible llevar la energía hasta allí. Estos lugares son
denominados Zonas No Interconectadas, ZNI, según la Unidad de Planeación Minero
Energética, UPME [24]. Las ZNI no cuentan con servicio del Sistema Interconectado
Nacional, SIN, y en la gran mayoría de los casos no poseen una solución energética
definitiva, lo que no les deja otra alternativa que recurrir a la generación usando
combustible fósil, como en el caso del Pacífico, que es un buen ejemplo de las ZNI pues
18
su población en general está repartida en pequeños grupos separados unos de otros,
conocidos popularmente como caseríos.
Como alternativas para estos sectores y aprovechando sus distintas características
geográficas, físicas y climáticas, se puede implementar otros sistemas de generación no
convencionales aprovechando lo contemplado en el Artículo 1 de la Ley 1715 de 2014
[22] y según el Sector de Generación de Colombia, ISAGEN [25] que constituyan una
respuesta a su necesidad energética, de las cuales las más populares son la energía solar,
eólica, biomasa, y pequeñas centrales hidroeléctricas o PCH’s, entre otros, que incluso
podrían sustituir a la generación de energía con hidrocarburos que presenta los
inconvenientes de funcionamiento en tiempo limitado y contaminación del medio
ambiente.
Entre las distintas alternativas, en este documento se presenta la generación con potencia
osmótica, una alternativa renovable [8], prácticamente desconocida (a pesar de
contemplarse desde los años setentas) y que usando una membrana semipermeable
aprovecha la energía osmótica potencial entre dos cuerpos de agua que tengan diferentes
concentraciones de salinidad, según se valida en la patente de W. Finley y E. Pscheidt
[26].
Gracias al avance de la tecnología, este tipo de aplicación puede llegar a ser una
alternativa adecuada a implementar por ser amigable con el medio ambiente. Sin
embargo, es importante concienciar sobre esta posibilidad a todo aquel relacionado con el
desarrollo energético.
19
5 RECURSOS NATURALES IMPLICADOS
Se requiere de una diferencia de concentración entre dos soluciones líquidas para que
exista la ósmosis. Esta diferencia existe y es aplicable a la diferencia de salinidad entre
dos cuerpos de agua, como lo son el agua de los ríos y del mar, por esta razón los lugares
donde se puede disponer de ambos recursos en la cantidad requerida, ubican
geográficamente a las desembocaduras de los ríos al mar como los más óptimos. Por
tanto, los recursos naturales necesarios son el agua de los ríos y del mar.
La ósmosis para la generación de energía no emplea combustibles fósiles, ni depende
directamente del sol, ni del viento. El agua es devuelta al océano sin contaminantes, con
lo que los recursos son renovables.
5.1 Agua en los océanos
Según la USGS, Science for a changing world se calcula que en los océanos del mundo
reposan 1.338’000.000 kilómetros cúbicos de agua [27], la cual se considera como agua
salada, pero, el agua del mar no es sólo agua salada sino que contiene otras substancias
disueltas o en suspensión como el Cloruro de Sodio, Cloruro de magnesio, Sulfato de
Sodio y Cloruro de Calcio, entre otros descritos a detalle en la Tabla 2, y además las
concentraciones de estas sales varían su proporción en los mares y onceaos del mundo
cambiando la densidad del agua. Ver la Tabla 1.
La presión osmótica varía en función de la concentración, y para evitar un análisis de los
componentes y proporciones de una solución marina, y así dar una magnitud que indique
la salinidad, normalmente se usa la medida de ppm (partes por millón), que indica los
miligramos de sal por litro de agua.
20
Tabla 1. Variación de la salinidad en el mundo. S. Montes [18]
Mar u océano1 Salinidad aproximada (ppm)
Mar Báltico 7000
Mar Negro 13000
Mar Adriático 25000
Mar Mediterráneo 31500
Océano Pacífico 33600
Océano Índico 33800
Mar Caribe 38600
Océano Atlántico 39400
Golfo de Arabia 43000
Mar Rojo 43000
En la Tabla 2 se observa la composición química media de un litro de agua de mar.
Tabla 2. Composición química del agua de mar. S. Montes [18]
Componente Concentración (ppm)
Cloruro de sodio (NaCl) 24000
Cloruro de magnesio (MgCl2) 5000
Sulfato de sodio (Na2SO4) 4000
Cloruro de calcio (CaCl2) 1100
Cloruro de potasio (KCl) 700
Bicarbonato de sodio (NaHCO3) 200
Bromuro de sodio (NaBr) 96
Ácido bórico (H3BO3) 26
Cloruro de estroncio (SrCl2) 24
Fluoruro de sodio (NaF) 3
1 Los mares Muerto, Aral y el Caspio, entre otros, a pesar de sus nombres son lagos endorreicos,
por lo tanto no se toman en cuenta en la Tabla 1, aunque tienen una elevada concentración de
sales.
21
En la Tabla 3, se observan los diferentes tipos de agua que existen en función de su
salinidad, medida en función del TDS (total de sólidos disueltos). Es importante conocer
la salinidad del agua que se va a tratar, ya que es uno de los factores importantes para
determinar la potencia osmótica.
Tabla 3. Tipos de agua en función de su salinidad (en TDS). S. Montes [18]
Tipo de agua Salinidad (ppm de TDS)
Ultra pura 0,03
Pura 0,3
Des ionizada 3
Dulce <1000
Salobre 1000-10000
Salina 10000-30000
Marina 30000-50000
Salmuera >50000
5.2 Agua de los ríos
Según la USGS, se calcula que en los ríos del mundo está en el orden de 2.120 kilómetros
cúbicos de agua [27]. El agua de los ríos es principalmente agua fresca o dulce que corre
por la superficie, la cual se denomina escorrentía. No contiene una elevada salinidad,
como se aprecia en la Tabla 3, pero puede contener otros sólidos disueltos como lodos,
escombros o contaminación causados por el hombre que se traducen en sobrecostos en
pre-tratamientos y pueden ocasionar la inviabilidad de un proyecto.
5.3 Otras fuentes potenciales para la generación por ósmosis
Existen otros cuerpos de agua distintos al agua de río y de mar donde puede ocurrir el
fenómeno de la ósmosis, se pueden clasificar en dos grupos: los recursos naturales y los
artificiales. Entre los recursos naturales se puede incluir los lagos endorreicos que tengan
22
cerca alguna fuente de líquido de menor concentración, también los algunos esteros y
salinas de origen natural, y entre las fuentes artificiales están las salinas donde se toma
cierta cantidad de agua salada y se espera hasta que se evapore para obtener la sal, allí se
podría obtener una porción de agua en algún estado elevado de salinidad (ver la Tabla 3)
y también están las plantas potabilizadoras de agua de mar que como subproducto tienen
aguas salmueras.
Estas aguas con elevada concentración de sales, o sólidos disueltos, tienen una mayor
presión osmótica que representa un mayor potencial para generar energía eléctrica, siendo
su principal inconveniente la disponibilidad de agua dulce, -o de menor concentración de
sólidos disueltos-, para completar el sistema, aunque entregan diversas variables que
tienen impactos en cada uno de los aspectos desarrollados en este documento.
23
6 BREVE ANÁLISIS DEL ENTORNO OBJETIVO
El pacífico, zona no interconectada y costera, presenta las condiciones hidrogeológicas,
geográficas y socio económicas adecuadas (para la solicitud de subsidios), lo que
convierte al sector en el objeto de estudio de la presente metodología, donde con apoyo
del estado se pueda construir una planta de este tipo como solución energética básica y
reducir o eliminar el uso del ACPM, usado en las pequeñas generadoras de la región.
En la Figura 2 se puede diferenciar las zonas interconectadas de las no interconectadas.
La región del Pacífico de Colombia, limita al norte con Panamá, al sur con Ecuador, al
oriente por la Cordillera Occidental y al occidente por el Océano Pacífico.
Figura 2. Zonas interconectadas y zonas no interconectadas [28]
24
Una muy buena descripción de estas zonas la da Jaime Cifuentes Ramírez, el cual dice:
Este gran valle, defectuoso en su simetría (disimétrico) viene por la Costa del
Pacifico desde el Ecuador, penetra a Colombia y entra por las depresiones de los
ríos San Juan, y Atrato llegando hasta las Costas del Océano Atlántico. Se
encuentra atravesado por ríos de un extraordinario caudal, que no guardan
proporción con su longitud, debido a que ésta es una de las regiones más lluviosas
del mundo. Los ríos desembocan en el Pacífico a través de una red intrincada de
esteros y bocanas [29].
Las condiciones hidrogeológicas de esta zona costera requieren de especial atención dada
la biodiversidad del ecosistema marino y en los terrenos de bajamar, estuarios y esteros,
por los que hay que seguir con las recomendaciones y lineamientos del Instituto de
Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM.
Es necesario conocer la situación de la región fisiográfica, su escorrentía, la situación
geológica y la climatología del Pacífico Colombiano, sea con una visita a terreno, o bien,
se recomienda ampliamente la revisión del libro “Memoria Cultural del Pacífico, de
Ramiro Cifuentes” [29].
6.1 ZNI en la Costa Pacífica
Para mejorar las condiciones de vida de las comunidades del Pacífico, el Ministerio de
Minas y Energía, MINMINAS, estableció el Instituto de Planificación y Promoción de
Soluciones Energéticas, IPSE, para atender las ZNI, el cual tiene como objetivos el
evaluar, investigar y promover soluciones energéticas basadas en tecnologías
convencionales y no convencionales y mejorar la calidad de la prestación del servicio de
energía eléctrica.
25
Según el IPSE [30], en su sección de preguntas y respuestas de su sitio web, una ZNI se
reconoce por las siguientes características:
1. 77% de la población con necesidades energéticas básicas insatisfechas
2. Zonas dispersas (Baja Densidad Poblacional)
3. Bajo nivel de consumo promedio
4. Baja capacidad de pago
5. Bajo nivel de recaudo
6. Deficiente gestión para la prestación del servicio
7. Alto nivel de pérdidas
8. Carencia de adecuados mecanismos de vigilancia y control
El detalle de la prestación del servicio en ZNI del Pacífico Colombiano se puede ver en la
Figura 3.
Hay que consultar las autoridades territoriales, CARES, de los departamentos que tienen
parte del Pacífico, y ubicar el POT correspondiente para cada municipio. En la Tabla 4 se
presenta la CAR correspondiente a cada departamento, y la dirección web para fines de
consulta detallada.
26
Figura 3. Prestación Servicio ZNI. Tomado del Centro Nacional de Monitoreo, disponible en el
Portal del IPSE [31].
27
Tabla 4. Listado de CARES de los departamentos pertenecientes al Pacífico Colombiano. Autor
Departamento CAR Página web Observaciones
Antioquia
Corporación Autónoma Regional
del Centro de Antioquia
(CORANTIOQUIA)
http://www.corantioquia.gov.co
Su segmento de región, Urrao,
perteneciente al pacífico que es ZNI
está retirada del mar
Chocó
Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo
Sostenible del Chocó (CODECHOCO)
http://www.codechoco.gov.co
Valle del Cauca
Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca
(CVC)
http://www.cvc.gov.co
Buenaventura es la cabecera municipal y comprende toda
la costa del departamento.
Cauca Corporación
Autónoma Regional del Cauca (CRC)
www.crc.gov.co
Nariño
Corporación Autónoma Regional de
Nariño (CORPONARIÑO)
http://www.corponarino.gov.co
Los municipios propiamente costeros que presentan las mejores condiciones para la
construcción de una planta de energía osmótica se relacionan en la Tabla 5 donde se
enumera la cantidad de municipios por departamento y también se indica la cantidad de
habitantes sin servicio de energía eléctrica.
Para cada municipio existirá una propuesta para el ordenamiento territorial. Cada uno de
estos POT o Esquema de Ordenamiento Territorial (EOT), según sea el caso, deberán
revisarse para el caso particular.
28
Tabla 5. Municipios costeros en ZNI. Autor
Departamento Municipios/Ciudad costeros Cantidad Habitantes sin
servicio de energía eléctrica (miles)
Chocó Juradó, Río Sucio, Bahía Solano, Nuquí, Bajo Baudó y Litoral de
San Juan 6 94,8
Valle del Cauca Buenaventura 1 13,4
Cauca López, Timbiquí y Guapí 3 28,9
Nariño Santa Bárbara, El Charco, La
Tola, Olaya Herrera, Mosquera, Francisco Pizarro y Tumaco
7 77,2
TOTAL 17 214,3
En la Tabla 6 se complementa la información del POT o similar, para cada uno de los
municipios costeros, donde se indica la dirección web (indicada en las respectivas
páginas web de las alcaldías) disponibles el día de la consulta.
Los planes de cada alcaldía relacionados no son exhaustivos, pueden existir planes
complementarios, como aquellos que no estén actualizados en las páginas, o estén en las
distintas etapas de diseño, estructuración, aprobación o implementación, entre otros.
A modo de recomendación, es importante tener en cuenta que la información en las
páginas correspondientes a cada municipio suelen tener información desactualizada, -no
en todos los casos-, teniendo que buscar corroborar información por solicitud directa a las
alcaldías de cada municipio de la lista.
29
Tabla 6. POT’s y EOT’s tomados de cada una de las páginas web de las alcaldías de cada municipio.
Recopilación del Autor Agosto de 2014.
Departamento CAR POT Página web
Chocó
Juradó EOT del Municipio de Jurado http://bit.ly/1pnKMOy
Río Sucio EOT de Río Sucio http://bit.ly/1tNzqtp
Bahía Solano
POT 2102-2015 http://bit.ly/1sfevko
Nuquí POT Nuquí http://bit.ly/1AZL30u
Bajo Baudó EOT de Bajo Baudó http://bit.ly/1DqRJsD
Litoral de San Juan
ACUERDO No 002 DE 2002 EOT PARA EL LITORAL DEL
SAN JUAN 2020 http://bit.ly/1AZK3th
Valle del Cauca Buenaventur
a POT de Buenaventura http://bit.ly/Z5COoa
Cauca
López PLAN DE ACCIÓN
DESARROLLO AGROPECUARIO AMBIENTAL Y MINERO
http://bit.ly/Z5DSIT
Timbiquí PLAN BÁSICO DE
ORDENAMIENTO TERRITORIAL http://bit.ly/1ql0qdF
Guapí DECRETO No 59
De 30 de Septiembre de 2009. Plan de Acción GEL.
http://bit.ly/1uPP87z
Nariño
Santa Bárbara
Resolución 433 de 2009. Plan de Acción GEL.
http://bit.ly/1AZMWdN
El Charco - No hay un POT
actualizado
La Tola Plan desarrollo nacional http://bit.ly/1DqVePI
Olaya Herrera
EOT Olaya Herrera http://bit.ly/1mokfpt
Mosquera Plan de desarrollo municipal. http://bit.ly/1uPQSxN
Francisco Pizarro
POT 2012-2015 http://bit.ly/XU5aRg
30
6.2 Selección de la zona de estudio: Pizarro, Bajo Baudó, departamento del
Chocó.
Dadas las consideraciones manifestadas anteriormente, se irá procediendo con un caso de
estudio. La selección de Pizarro, visto en la Figura 4, se hace a partir de la información de
la Tabla 5 y Tabla 6, donde se registran los municipios ubicados en ZNI, y de acuerdo al
Plan Estratégico de la Macrocuenca del Pacífico [32], dada la oferta natural del sector al
ser la zona con mayor precipitaciones del mundo (260 días promedio al año), se escoge a
la cabecera municipal de Bajo Baudó, Pizarro, en el departamento del Chocó, que cuenta
con una población de 2.936 habitantes (en 2011) [1]. Además, se escoge a Pizarro porque
tiene la mayor cantidad de información disponible necesaria para los estudios del
proyecto, lo que permitirá evaluar la pre-factibilidad permaneciendo dentro del alcance
de este trabajo.
Figura 4. Pizarro - Choco, Colombia. Escala: 1:25.000. [33]
31
En el Departamento Nacional de Estadística DANE, se encuentra la siguiente
información del sector:
El corregimiento Pizarro (Cabecera Municipal), perteneciente a corregimiento de
Bajo Baudó, geográficamente se encuentra localizado entre las coordenadas 4° 57'
de latitud norte y 77° 22' de longitud oeste, con una temperatura promedio de
28°C. Posee una extensión de 4.840 kilómetros cuadrados y limita por el norte
con los Municipios de Nuquí y Alto Baudó, por el oriente con los Municipios de
Medio Baudó y Medio Sanjuán, por el sur con el municipio de Litoral del San
Juan y por el occidente con el Océano Pacífico.
Su territorio en la mayoría es plano y selvático, y cerca del 12.5% de la extensión
territorial está dedicada a cultivos; sus suelos poseen un alto potencial agrícola y
pecuario. Presenta periodos secos durante los meses de enero a marzo y el resto
del año es húmedo. Se cree que el vocablo Baudó significa en lengua noanamá
"río de ir y venir”, Posiblemente porque las altas mareas del pacífico que a la
altura de las Bocas del Baudó en Pizarro, alcanzan hasta 4 metros de diferencia
vertical entre el flujo y el Reflujo, presionando las aguas dulces para que se
corran hasta su nacimiento en los ciclos de crecimiento [34].
El principal río que desemboca al mar cerca de Pizarro es el Río Baudó, el cual recibe
números aportes –cerca de 112 afluentes– entre los que se cuentan ríos, quebradas y
arroyos, los principales: Dubasa, Pegadó, Pepé, Curundó, Querá, Torreidó, Misará,
Antadó, San Luis, entre otros [35].
En tanto que la zona urbana, Pizarro, lo conforman once barrios de los cuales el 10%
están en zonas de inundación, sus calles descubiertas y la parte céntrica está siendo
pavimentada y sólo aquí se prestan algunos servicios en forma interrumpida, el 32% de la
población es urbana [36].
32
6.2.1 Situación eléctrica de Pizarro
Tanto el EOT de Bajo Baudó, como el Plan de Desarrollo Municipal [37], el Instituto de
Investigaciones Ambientales del Pacífico, IIAP, y el Informe Mensual de Telemetría del
IPSE de diciembre de 2014 [38], muestran que el servicio eléctrico se presta con una planta
eléctrica de ACPM igual que en las áreas rurales de Pizarro, donde se utilizan plantas
particulares como principal medio para obtener energía, supliendo así las deficiencias del
Estado.
La cobertura de la red eléctrica está a cargo de la Empresa de Energía de Pizarro S.A.
ESP, ELECTROBAUDO, que abarca principalmente a la cabecera municipal de 2.936
habitantes. Esto ocurre porque el servicio se presta mediante una planta Diesel – ACPM,
como se ve en la Figura 5, que genera a 500KVA y 830A conectada a un transformador
de 800KVA, que hasta el 2013 tuvo condicionada el en los horarios de 11:30 am a 2:00
pm y de 6:30 pm a 11:00 pm. La cobertura de ELECTROBAUDO es del 85%. La
empresa está regulada por la Comisión Reguladora de Energía y Gas, CREG y pertenece
a una junta de accionistas donde el municipio tiene la mayoría de acciones [35].
Figura 5. Diagrama unifilar de la localidad [38].
33
En esta región podría instalarse una solución energética parcial que potencialice la
generación eléctrica, para que se pueda extender el servicio al 25% de los habitantes de
Pizarro que no cuentan con electricidad, teniendo en cuenta -hasta el momento- la
existencia de los recursos naturales necesarios para la ósmosis y la situación eléctrica de
Pizarro, según el EOT, -fuente oficial de información-, de tal forma que podría verse
beneficiada con la implementación de una planta de energía osmótica, que reduzca los
gastos en trasporte de ACPM y disminuya los impactos ambientales, entre otros
beneficios.
Según el informe mensual de telemetría para Pizarro [38] la potencia máxima fue de
378,84KW en 2013 y 349,8KW en 2014, con una tensión de 440V y una corriente de
830A en la parte de baja del transformador (conectada al generador), se estima que la
potencia generada es de 365,2KW con un factor de potencia de 0,95; lo cual muestra que
el sistema podría suministrar lo necesario para el total de la población de Pizarro, si se
aumenta el rendimiento.
6.2.2 Servicios básicos
Acueducto
En la cabecera municipal existe este servicio en una cobertura del 95% de la población,
de manera deficiente, el agua es sin tratar tomada de la quebrada Coredó y en verano
presenta mayores dificultades [37] [35]. En resumen se tienen las siguientes condiciones:
Cantidad de viviendas: 524.
Viviendas conectadas al acueducto: 446.
Tipo de captación: Canalización subterránea por gravedad.
Estado del acueducto: Bueno.
Calidad del agua: Regular.
34
Cobertura: 85,3%.
Alcantarillado
Sólo 355 viviendas están conectadas al sistema de alcantarillado que, no tiene planta de
tratamiento, y además lleva las aguas negras directamente al Río Baudó. 179 viviendas
tienen fosos sépticos en estado regular.
Aseo
La basura se recoge a través de un tractor que luego deposita los residuos en un lugar casi
aledaño a la playa y a cielo abierto. La gran mayoría de los habitantes del municipio están
acostumbrados a depositar la basura detrás de la casa, donde hay surcos por donde con la
ayuda del agua se arrastran los desperdicios en los ríos, que luego van al mar o a playa.
Comunicaciones
Hay unos cuantos teléfonos domiciliarios, sin embargo no existen medios masivos de
comunicación [35]. Hay una parabólica y señal de celular con cobertura de Claro de entre
30 a 80dBm [39].
35
7 ANTECEDENTES DEL SISTEMA PROPUESTO
En 1950, los científicos Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan encontraron una alternativa
más para potabilizar el agua del mar [40]. Loeb, encontró una manera de obtener energía
eléctrica mediante la desalinización del agua, a ese proceso lo denominó presión
retardada por ósmosis.
En 1980, Torleit Holt y Thor Thorsen continuaron con la investigación y desarrollo de la
energía osmótica, así, entre 1995 y 1997, obtuvieron financiamiento para realizar un
proyecto de viabilidad y establecieron un convenio de colaboración con la empresa
noruega Statkraft [10] [14].
En 2003, Statkfraft obtiene su primera patente para las membranas de energía osmótica y
en 2009 construye la primera planta de esta clase, que está ubica en Tofte, Hurum,
Noruega, aproximadamente a 60 Km al sur de Oslo; se diseñó para una capacidad inicial
aproximadamente de 4KW [41], que aumentaría conforme se aumente la eficiencia de la
membrana, y funciona con un esquema que envía directamente la presión obtenida de las
membranas a la turbina.
36
8 FUNDAMENTOS DE LA ENERGÍA OSMÓTICA
Una planta de energía osmótica es una instalación que puede funcionar donde existan
cuerpos de agua que puedan generar el efecto de ósmosis, sin que sea fundamental la
existencia de una caída geodética. Para aprovechar éste fenómeno físico la planta hace
uso de una membrana semipermeable artificial que como resultado produce un caudal a
una presión suficiente para accionar una turbina, y esta a su vez un generador eléctrico.
El fenómeno físico de la ósmosis se puede ver a detalle en el texto Reverse Osmosis
Design, Processes, and Applications for Engineers de Jane Kucera [4] del cual se extrae
lo siguiente:
La ósmosis es un proceso natural donde fluye a través de una membrana
semipermeable una solución con una baja concentración de sólidos disueltos y
otra con una alta concentración de sólidos disueltos, como se ve en la Figura 6.
Figura 6. Célula dividida en dos compartimentos separados por una membrana
semipermeable.
Por ósmosis, la solución de baja concentración en el compartimiento de la
derecha pasa a través de la membrana semipermeable a la solución de alta
concentración en el otro compartimiento.
37
El agua seguirá fluyendo a través de la membrana hasta que la concentración se
iguala a ambos lados de la membrana, como se ve en la Figura 7.
Figura 7. Concentración de equilibrio. La diferencia en altura corresponde a la presión osmótica de la solución.
La presión osmótica es una función de la concentración de sólidos disueltos, así
para un líquido con una concentración de 1000 ppm TDS (partes por millón de
solidos totales disueltos), la presión osmótica correspondería a 75,84 KPa, y para
un agua salobre de aproximadamente 550 ppm STD serían 34,47 KPa, finalmente,
para el agua de mar, de aproximadamente 35,000 ppm STD equivaldría a
2.654,48 KPa.
La presión osmótica suele representarse con el símbolo “π”, y la variación de la presión
osmótica sería Δπ, como se puede ver en la Figura 7, este diferencial representa la presión
que, si se aplica como una presión hidráulica (ΔP) a la solución más concentrada,
impediría transporte neto de agua a través de la membrana. Entonces PRO es un proceso
donde se aplica presión hidráulica a la solución de extracción pero el flujo de agua neto
se encuentra en la dirección de la solución de extracción concentrada. Así, la ecuación (1)
que representa el transporte de agua en la membrana de PRO es:
38
𝐽𝑤 = 𝐴(𝛥𝜋 − 𝛥𝑃) (1)
Donde Jw es el flujo en la membrana y A es el coeficiente de permeabilidad de la
membrana [6].
En PRO, la potencia que se puede generar por unidad de área de la membrana (es decir, la
densidad de potencia) es igual al producto del agua de reflujo y el diferencial de presión
hidráulica a través de la membrana, representado de la siguiente forma:
𝑊 = Jw𝛥𝑃 = 𝐴(𝛥𝜋 − 𝛥𝑃)𝛥𝑃 (2)
Para hallar la máxima potencia que se puede generar, se deriva la ecuación (1) en función
a ΔP para hallar el máximo valor en que la función resultante de cero [42], entonces se
puede demostrar que la densidad de potencia W alcanza un máximo cuando:
𝛥𝑃 = 𝛥𝜋 / 2 (3)
Sustituyendo (3) en (2) se obtiene:
𝑊𝑚á𝑥 = 𝐴𝛥𝜋
4
(4)
Lo que muestra la proporcionalidad entre la potencia y el la presión osmótica, de tal
forma que si “La presión osmótica es una función de la concentración de sólidos
disueltos” y “la presión osmótica es directamente proporcional a la potencia”, entonces la
concentración de sólidos está relacionada con la potencia, de tal forma que a mayor
concentración de sólidos mayor potencia. Y según la ecuación (4) también estará
determinada por el coeficiente de permeabilidad de la membrana, A.
39
8.1 Características del sistema
Se puede considerar que una planta de energía osmótica tiene las siguientes
características:
1. Es una energía renovable, por depender de un recurso en teoría inagotable [8].
2. Es una forma de hidrogeneración, por accionar el grupo turbina-generador [8].
3. Está catalogada como una forma de energía marina, según la IPCC [8].
4. Funciona en zonas costeras, donde se disponga de agua de río y de mar [8].
5. Es una fuente de energía limpia, por no emitir dióxido de carbono [8].
6. Genera de forma silenciosa [43].
7. Funciona de manera continua, considerando que exista agua dulce desembocando
al mar [8].
8. Es confiable, en la medida en que los flujos de operación son constantes y las
presiones regulares, lo que se traduce en un caudal de salida estable [44].
9. Brinda seguridad, pues no posee elementos de riesgo o situaciones de riesgo
inminentes, y se puede poner fuera de servicio sin mayores medidas de control
que en las usadas en una planta hidroeléctrica [19].
10. Se basa en un diseño modular gracias a las membranas [10].
11. Su diseño modular permite un rápido reemplazo de membranas, lo que facilita el
mantenimiento preventivo y correctivo [10].
12. Es actualizable, ya que se pueden implementar mejoras en los componentes que
están en desarrollo como son las membranas y el sistema de pre-tratamiento [16].
13. Posibilidad de compartir costos con las plantas de tratamiento y desalinización de
agua ubicadas cerca de las costas [43].
40
8.2 El sistema de ósmosis en la generación de energía eléctrica
Los componentes necesarios para una planta de energía osmótica son: Las membranas, el
intercambiador de presión, el sistema de pre-tratamiento, las bombas, la tubería y el
grupo turbina generador.
En la Figura 8 se ven los componentes descritos y su conexionado, y en la Figura 9 el
diseño esquemático que brinda una mejor comprensión de la interacción de los
elementos. El esquema también muestra que no hay el aprovechamiento de una caída
geodética, en cambio de la membrana donde ocurre la ósmosis, sale un caudal de agua a
la presión osmótica (que a su vez depende de la diferencia de salinidad entre los fluidos)
con el que se acciona una turbina.
Figura 8. Componentes y conexionado del sistema. Recuperado del sitio web de Statkraft [45]
41
La disposición de estos elementos se debe adecuar a las oportunidades que brinde la zona
de implementación, y esto es posible gracias a que el sistema de generación por ósmosis
tiene una construcción modular, especialmente por el elemento membrana.
La integración de la planta de energía contempla dos frentes que vale la pena diferenciar:
uno en lo concerniente a la integración de la planta con el entorno, y otro en lo que
respecta a la integración de los elementos constitutivos, donde el segundo frente está
anidado en el primero. Por esto, el desarrollo de la metodología para el diseño de una
planta de este tipo se enfoca en la metodología y trata al tiempo aspectos técnicos.
Figura 9. Diseño esquemático de la planta prototipo construida en Tofte. Elaboración basada en el
diagrama que aparece en el documento Pressure retarded osmosis: From the vision of Sidney Loeb to
the first experimental installation [3]
La membrana en el sistema, es un arreglo de varios módulos como se ve en la Figura 10-
C. Cada módulo cuenta con dos recámaras separadas por una membrana semipermeable
(permeable al agua e impermeable a la sal), una se llena constantemente con agua dulce y
la otra con agua salada de modo que ocurre un fenómeno físico conocido como ósmosis
donde el agua dulce permea a la recamara de agua salada aumentando la presión a un
42
volumen constante. Finalmente la presión resultante es aprovechada por una turbina para
generar electricidad.
En la Figura 9 aparece una bomba tipo Booster que tiene el objetivo de compensar las
pérdidas del intercambio hidráulico-hidráulico que ocurre en el intercambiador de
presión, en otras palabras ayudarlo, y la optimización de esta bomba mejora el
rendimiento del intercambiador, por consiguiente del sistema.
La implementación actual involucra el uso de un intercambiador de presión, como el de la
Figura 10-E, que aprovecha aproximadamente la mitad de la presión de salida para
bombear agua de mar, lo que maximiza el rendimiento de las membranas y a la vez el
desempeño del sistema; el resto de la presión que sale de las membranas va por una
tubería a presión que está conectada directamente al distribuidor que suministra un flujo a
la turbina. Este distribuidor actúa como un órgano regulador de caudal.
En el sistema se usa una turbina de acción, cuyas partes son el distribuidor, el rodete, y el
eje al generador, donde el agua entra sin presión y en los conductos móviles del rodete
cambia de dirección y aceleración. En ella, la presión de salida del sistema disminuye
entre la entrada y salida del rodete. En la Figura 10-F se muestra una turbina Pelton de eje
horizontal correspondiente a la planta en Oslo.
Para el correcto funcionamiento de las membranas y por ende del sistema, se requiere que
las aguas tanto dulce como salada tengan cierto grado de limpieza, así se evita la
incrustación de suciedades en las porosidades de la membrana que cause la obstrucción,
por eso se realiza un pre-tratamiento con los dispositivos como los que aparecen en la
Figura 10-A y 10-Figura 10B, que se diseñan según las condiciones del sector de uso, y
las características de la membrana.
43
Figura 10. A) Pre-tratamiento de agua dulce, B) Pre-tratamiento de agua salada, C) Membranas, D)
Tuberías y válvulas, E) Intercambiadores de presión y F) Turbina. Imágenes tomadas de la cuenta en
Flickr (flickr.com) de Statkraft [46]
De la Figura 10 vale la pena destacar la 10-E donde se puede ver una fotografía del
intercambiador de presión, y la 10-C donde están las membranas que se convierten en los
principales elementos que hacen viable el sistema puesto en marcha en Noruega. De
ambos, la membrana es el elemento más desconocido ya que está especialmente diseñado
para este propósito. No es posible conseguir comercialmente una membrana para osmosis
del tipo industrial, de gran tamaño, y las membranas usadas para la OI funcionan pero no
son óptimas para su uso a la inversa.
8.3 Análisis de los fluidos en el sistema
A partir de la Figura 9 y con las premisas de que a la salida de la membrana se toma
aproximadamente la mitad de la presión para ayudar a bombear agua de mar, se formula
el siguiente diagrama de bloques de la Figura 11.
A B C
D E F
44
Figura 11. Diagrama de bloques de los flujos del sistema. Autor
Dónde:
As: Agua salada.
Asl: Agua salobre.
Aslt: Agua salobre a la turbina.
Asli: Agua salobre al intercambiador de presión.
Restos de Asli: Restos de agua salobre del intercambiador.
Permeado: Flujo de agua dulce que permea al compartimento del agua salada.
De tal manera que resulta la ecuación (5) para los flujos del sistema:
𝐴𝑠 − 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝐴𝑠𝑙𝑖 + 𝐴𝑠𝑙𝑖 + 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜 = 𝐴𝑠𝑙𝑡 (5)
Y dadas las condiciones:
𝐴𝑠𝑙_𝑖 = 𝐴𝑠𝑙/2
(6)
y luego,
𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝐴𝑠𝑙_𝑖 = 𝐴𝑠𝑙/2 = 𝐴𝑠𝑙_𝑖
(7)
se reemplazan (6) y (7) en la ecuación (5) con lo que resulta:
𝐴𝑠 −𝐴𝑠𝑙
2+
𝐴𝑠𝑙
2+ 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜 = 𝐴𝑠𝑙𝑡
(8)
45
𝐴𝑠 + 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜 = 𝐴𝑠𝑙𝑡
(9)
Que significa que el agua salobre resultante corresponde a la cantidad de agua salada que
ingresó más el flujo de agua dulce que permea al compartimento del agua salada de la
membrana. Sin embargo el agua salobre que va a la turbina corresponde a la mitad del
agua salobre que sale de la membrana es:
𝐴𝑠𝑙_𝑡 = 𝐴𝑠𝑙/2
(10)
Por lo que finalmente resulta la ecuación (11).
𝐴𝑠 + 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜
2= 𝐴𝑠𝑙𝑡
(11)
El flujo de permeado se calculará a partir de la cantidad de módulos necesarios
multiplicados por su correspondiente flujo de permeado, de tal forma que para optimizar
el sistema se debe ingresar al sistema una cantidad de agua salada equivalente en
proporción al flujo total permeado, con lo que la ecuación (11) se puede aproximar a:
𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜 ≈ 𝐴𝑠𝑙𝑡
(12)
Por otra parte, el agua dulce necesaria es mayor al flujo de permeado, y depende, de
nuevo a las características de la membrana, que corresponden en proporción al doble del
flujo de permeado, según la ecuación (13).
2 ∗ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑢𝑙𝑐𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎
(13)
El total de agua de mar captada se bombea con ayuda de la presión osmótica usando un
intercambiador de presión, y a su vez este intercambiador tiene unas pequeñas perdidas
que son suplidas por una bomba Booster, ya antes mencionada. Por lo que hace falta ver
como intervienen las presiones en el sistema.
46
8.4 Análisis de las presiones en el sistema
El diagrama de bloques de la Figura 12 representa las presiones del sistema de la
siguiente forma:
Figura 12. Diagrama de bloques de las presiones del sistema. Autor
Donde, de manera análoga tenemos:
PAs: Presión de agua salada.
PAsl: Presión del agua salobre.
PAslt: Presión del agua salobre a la turbina.
PAsli: Presión del agua salobre al intercambiador de presión.
PRestos de Asli: Presión de los restos de agua salobre del intercambiador.
Po: Presión osmótica.
Resultando la ecuación (14) para las presiones del sistema:
𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟(𝑃𝐴𝑠 − 𝑃𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝐴𝑠𝑙𝑖 + 𝑃𝐴𝑠𝑙𝑖) + 𝑃𝑜 = 𝑃𝐴𝑠𝑙
(14)
Y dadas las condiciones:
𝑃𝐴𝑠𝑙_𝑖 = 𝑃𝐴𝑠𝑙/2
(15)
y luego,
47
𝑃𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠 𝐴𝑠𝑙𝑖 =𝑃𝐴𝑠𝑙
2= 𝑃𝐴𝑠𝑙𝑖
(16)
se reemplazan (15) y (16) en la ecuación (14) con lo que resulta:
𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟(𝑃𝐴𝑠 −𝑃𝐴𝑠𝑙
2+
𝑃𝐴𝑠𝑙
2) + 𝑃𝑜 = 𝑃𝐴𝑠
(17)
𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑃𝐴𝑠 + 𝑃𝑜 = 𝑃𝐴𝑠 (18)
Que significa que la presión resultante a la salida de las membranas corresponde a la
presión del agua salada que ingresó más la presión osmótica resultado de la ósmosis en la
membrana.
Sin embargo la presión del agua salobre que va a la turbina equivale a la mitad de la
presión que sale de la membrana,
𝑃𝐴𝑠𝑙_𝑡 = 𝑃𝐴𝑠𝑙/2
(19)
por lo que operando (19) en (18) resulta la ecuación (20):
𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑃𝐴𝑠 + 𝑃𝑜
2= 𝑃𝐴𝑠𝑙𝑡
(20)
Donde la bomba Booster se diseña para agregar la presión suficiente para romper el
equilibrio de presión en el sistema y así pueda entrar agua de mar a la membrana, por lo
cual el valor del factor Booster*PAs se considera despreciable, de modo que la ecuación
(20) se puede aproximar de la siguiente forma, quedando la ecuación (21):
𝑃𝑜
2≈ 𝑃𝐴𝑠𝑙𝑡
(21)
48
De la ecuación (2) sabemos que la potencia alcanza un máximo cuando 𝛥𝑃 = 𝛥𝜋 / 2 lo
cual explica el 1/2 en la retroalimentación del sistema y ayuda a comprender mejor la
ecuación (21).
Por último, dada la naturaleza de los fluidos del sistema, agua de río y de mar, ambos
considerados incomprensibles [47], no va a haber un aumento de la presión en la
membrana, en cambio, la ausencia en el aumento de presión se verá reflejado por una
salida inmediata de presión que ingresa, es decir un valor equivalente a la presión
osmótica más la diferencia de presión causada por la bomba Booster. Y así es como se
completa el circuito que deja a la presión osmótica como el factor aditivo.
8.5 Potencia hidráulica obtenible del sistema
La potencia hidráulica que se obtiene del sistema dependa de la presión del caudal de
agua salobre que llega a la turbina; y esta presión no es otra que la presión osmótica dada
en pascales. La presión que llega a la turbina, según la ecuación (21), corresponderá
siempre a cerca de la mitad de la presión osmótica2, es decir a 1.327,24 KPa, en tanto que
según la ecuación (11) el caudal que finalmente llega a la turbina corresponde a la mitad
del agua salada más el agua dulce que entran a la membrana, y este criterio variará
dependiendo del coeficiente de permeabilidad de la membrana que se use y del caudal de
diseño.
La expresión que nos proporciona la potencia eléctrica instantánea que se genera en
función de la energía cinética, mostrada en la ecuación (22) [48]:
2 El valor de la presión osmótica será de 2.654,48 KPa tomando como referencia las 33600 ppm
STD, según la Tabla 1 para condiciones del Pacífico. Ver Anexo 6.
49
𝑃 = 𝜌.𝑣2
2. 𝑄. 𝑒
(22)
Dónde:
P: Potencia instantánea [W].
v: Velocidad del flujo [m/s].
𝜌: Densidad del líquido: agua salobre aproximadamente [1005 Kg/m3]3.
Q: Caudal [m3/s], correspondiente al agua salobre que va a la turbina Aslt.
e: Factor de eficiencia de la central, que es igual al producto de los rendimientos de los
diferentes equipos que intervienen en la producción de energía eléctrica [49], es decir:
𝑒 = 𝑅𝑡. 𝑅𝑔. 𝑅𝑠
Dónde:
Rt: Rendimiento de la turbina.
Rg: Rendimiento del generador.
Rs: Rendimiento del transformador de salida.
(23)
En estos términos la potencia queda en función de parámetros conocidos, y factores
relativos a la eficiencia del grupo turbina generador y transformador.
3 La densidad del líquido o densidad de concentración se calcula como la masa por unidad de
volumen, gramos por litro [Kg/m3] [106] [107]
50
9 ESTUDIOS REQUERIDOS
Según la metodología propuesta en este documento, hay que recopilar los estudios
ambientales y determinar los soportes técnicos y documentales para el proyecto que se
realizarán para cumplir la normatividad vigente y para obtener datos complementarios
necesarios para el diseño. Existen dos enfoques en lo respectivo a los estudios requeridos:
cuando existe información y cuando no existe. En el primer caso se puede hacer un
trabajo totalmente de oficina, en tanto que de no existir información se debe realizar
análisis en terreno para la recolección y estudio de la información. En Colombia existen
empresas especializadas en realizar estos estudios, que cuentan con la infraestructura y el
personal adecuados para tal labor; vale la pena consultarlas.
En general, se debe seguir la Metodología General para la Presentación de Estudios
Ambientales, Resolución 1503 [50], donde se presentan los parámetros establecidos por
los diferentes institutos y entidades oficiales que tienen por función la generación,
administración y análisis de la información.
Los estudios ambientales requeridos son fundamentalmente la caracterización de medio
abiótico, biótico y socioeconómico, que permitirán determinar las condiciones
ambientales iniciales del área donde se desarrollará el proyecto, necesarios para la
obtención de la Licencia Ambiental, L.A., necesaria para la ejecución del proyecto.
A continuación se presentará una breve descripción de dichos estudios, contenidos en la
Resolución 1503, y posteriormente de desarrollaran para el caso de estudio en Pizarro,
cabecera municipal del Bajo Baudó en el departamento del Chocó según los estudios
recopilados en el EOT del sector descrito en la Tabla 4 y complementados con datos del
IGAC, Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas, DANE, Instituto de
51
Investigaciones Marinas y Costeras “José Benito Vives de Andreis”, INVEMAR y otros
descritos en el Anexo 8 .
Medio abiótico
Se debe conocer la información que permita conocer las condiciones físicas del sector,
como referencia del estado inicial antes de que se ejecute el proyecto. El análisis del
medio abiótico, comprende los siguientes estudios, los cuales brindan información de las
condiciones físicas de la zona de influencia.
1. Geología: Determinar la estabilidad del terreno.
2. Geomorfología: Determinar la fisiografía del sector.
3. Suelos: Caracterizar el espacio de Superficie terrestre con un tipo determinado de
tierra para un uso definido.
4. Hidrología: Comprende los puntos de captación, vertimiento, caudales máximos y
mínimos, monitoreo de calidad de aguas, entre otros.
Medio biótico
Se debe conocer la información que permita conocer las condiciones bióticas de los
ecosistemas terrestres del sector, como referencia del estado inicial antes de que se
ejecute el proyecto. Se deben tener en cuenta los siguientes estudios, los cuales brindan
información de las condiciones bióticas de la zona de influencia.
1. Flora: Conjunto de plantas del sector.
2. Fauna: Conjunto de animales del sector.
3. Ecosistemas acuáticos: Descripción de los ecosistemas de agua dulce y de agua
salada.
52
Medio socioeconómico
Se debe conocer la información que permita conocer las principales características de la
población del sector y su relación con el mismo como referencia del estado inicial antes
de que se ejecute el proyecto. Se deben tener en cuenta los siguientes estudios, los cuales
brindan información de las condiciones socioeconómicas de la zona de influencia.
1. Aspectos arqueológicos: Existencia.
2. Paisaje.
3. Vías de acceso.
4. Actividad económica del sector.
5. Disponibilidad de mano de obra.
6. Disponibilidad de materiales de construcción.
7. Corredores de transmisión.
Licencia ambiental, L.A.
Parar obtener la LA se debe elaborar y presentar un estudio sobre el impacto ambiental
según la Metodología General para la Presentación de Estudios Ambientales, que debe
ser presentado al Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial.
Para el caso, una primera aproximación muestra que aunque se trata de una fuente de
energía renovable, se requiere una obra civil con un potencial impacto ambiental, donde
se podría producir deterioro grave a los recursos naturales renovables o al medio
ambiente, por otra parte, los beneficios que recibiría Pizarro en cuanto al desarrollo socio
económico pueden considerarse positivos, ya que la generación de empleo y mejoras en
las vías de acceso –mejora en la calidad de vida– puede contribuir a mejorar el sistema de
aseo y alcantarillado, disminuyendo la contaminación del Río Baudó y sus afluentes.
53
En los Anexos 3 y 4 se presentan dos tablas resultado de estudios europeos realizados por
grupos de expertos que han llevado a cabo los informes Environmental Impact
Assessments (EIA) [51], y que describen la amplia variedad de impactos posibles en cada
fase del proyecto, señalando el receptor del impacto, el tipo de impacto y la importancia
del mismo a escalas locales y nacionales.
9.1 Medio abiótico
9.1.1 Geología
Con el estudio geológico se pretende determinar principalmente la estabilidad del terreno.
La información hasta ahora suministrada indica que 10% de Pizarro está en zonas de
inundación. Su territorio es plano y selvático en la mayoría; al norte se encuentran los
cerros de Coquí y hacia el oriente la serranía del Baudó, que por su conformación
topográfica presentan únicamente el piso térmico cálido, en los que están situados los
accidentes costeros conocidos como cabo corriente, la Ensenada de Catripe, Ensenada de
Docampadó y las Bahías Cuevitas y Baudó. La génesis de estos accidentes costeros
parece ser sedimentos aluviales y basaltos en el cretácico y terciario.
El cretáceo en el Bajo Baudó está representado por rocas volcánicas de
composición basáltica, las cuales están intercaladas con rocas de origen marino.
La composición más común es la plagioclasa, clinopiroxeno y vidrio, como
minerales accesorios se observan magnetitas y ceolitas rellenando fisuras y
cavidades. El terciario está representado por calizas de carácter arrecifal, chert y
areniscas que afloran en el área de cabo corriente y cabito, en la depresión de
Coquí-Gella se presenta una serie de calizas arrecifales de color crema con olor a
alquitrán y fuertemente fracturada y al sur de esta misma se presenta una
secuencia de chert negro y areniscas lodolíticas de color gris oscuro o verde con
54
matriz arcillosa y cemento calcáreo, el contacto con los basaltos de la serranía del
Baudó se hace a través de la falla de Utría [35].
Del Esquema de Ordenamiento Territorial, EOT, de Bajo Baudó se extrae el estudio
geológico correspondiente a Pizarro, ya que es muy provechoso trabajar con estudios
existentes. A su vez, para el EOT se utilizó una base topográfica tomada de restituciones
aerofotográficas del Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC, a escala 1:25.000.
Adicionalmente, se recomienda complementar la información con visitas a terreno donde
se realicen sondeos y extracción de testigos [48].
9.1.2 Geomorfología
Del Esquema de Ordenamiento Territorial, EOT, de Bajo Baudó se extrae el estudio
geomorfológico correspondiente a Pizarro.
En razón a su ubicación costera este municipio es generalmente de topografía
plana con ondulaciones que van desde pequeñas a fuertes a medida que avanza
hacia los límites con Alto Baudó. En términos generales el sector está constituido
por dos unidades fisiográficas bien determinadas Llanuras costeras y Llanura
aluvial [35].
Las Llanuras costeras se caracterizadas por la presencia de mareas, con dos niveles de
evaluación referentes a la influencia de salinidad y el drenaje. Estos dos niveles a su vez
son La llanura baja y la Llanura costera, la primera ocurre en forma de arenales y
lodazales directamente por la marea y la segunda presenta un nivel superior característico
de la llanura fluvio-marina, la cual también es afectada por inundaciones periódicas pero
con menor grado de salinidad [35].
55
La Llanura aluvial, va desde los 10 hasta los 20msnm, con la topografía plana
característica de los ríos y quebradas, formando fajas más bien estrechas que constituyen
la llanura aluvial de desborde cuyos caminos se ven interrumpidos por áreas más bajas
que dan origen a los pantanos [35].
9.1.3 Suelos
Del EOT de Bajo Baudó se extrae el estudio de suelos correspondiente a Pizarro.
El suelo bajo el bosque húmedo consiste en una capa de hojarasca, o “litter”, sus
propiedades físicas implican porosidad, drenaje, humedad, y la profundidad y
permeabilidad del nivel freático. Sus propiedades químicas involucran
infertilidad, alta acidez, escasa disponibilidad de fósforo, baja capacidad de
intercambio catiónico, lavado acelerado de Potasio.
El nivel de materia orgánica en el suelo está en equilibrio determinado por el
clima prevaleciente, la vegetación y el sistema de manejo del suelo. Este
equilibrio se rompe por la explotación desmedida usando sistemas de tumba-roza,
quema, y sistemas de explotación selectiva con el uso de maquinaria pesada.
Los suelos de Pizarro presentan diferencias importantes, los suelos aluviales, que
ocupan áreas extensas ubicadas a lado y lado de los grandes ríos y otros cauces
menores y los de las planicies marinas, contienen proporciones significativas de
minerales fácilmente alterables, como los feldespatos y los ferromagnesianos en
la fracción de arena y mineras de tipo 2:1, y materiales amorfos en la arcilla [35].
Una breve descripción de los suelos que conforman el Andén Pacífico según su posición
geomorfológica indica que los suelos de la planicie marina están ubicados en una faja
relativamente estrecha que bordea el océano y que está constituida por formas variadas
56
del relieve, entre las que sobresalen los playones sin formación de suelo; los bancos y
barras con suelos arenosos asociados generalmente con suelos mal drenados; las
marismas con suelos poco desarrollados, con altos contenidos de sales provenientes de las
aguas del mar; y los suelos desarrollados a partir de depósitos orgánicos en diferentes
estados de descomposición [35].
Estas tierras presentan relieve plano-cóncavo, son inundables y están afectadas
permanentemente por las mareas. Sustentan una vegetación de manglares o de otras
especies hidrófilas y halofíticas.
9.1.4 Hidrología
El clima en Pizarro se caracteriza por tener altas temperaturas, promedio entre 26 y 28°C
(temperatura media anual de 25°C) [34], aires húmedos y abundantes precipitaciones con
promedios de 6.000mm, generando condiciones de fangosidad por la lentitud del cauce
debido a la humedad4.
La humedad relativa promedia anual supera el 90% y el número promedio de horas de
brillo solar se ubica en 2.5 con una amplitud de 3.8 horas en febrero y 2 horas en octubre,
noviembre y diciembre. No obstante, algunos fenómenos climáticos, como El Niño (fase
cálida) y La Niña (fase fría) varían los valores medios [52]. Predomina viento oriente -
4 Lo que convierta las aguas en criaderos de zancudos anofeles en grandes cantidades, y con alto
grado de insalubridad [35]
57
occidente, presentando periodos secos durante los meses de enero a marzo; el resto del
año es húmedo.
En el Baudó y así mismo en Pizarro se caracteriza por ser uno de los lugares con mayores
precipitaciones del país, lo que causa la formación de numerosas quebradas y ríos, así
como esteros y otros depósitos de agua. El río más importante cerca de la cabecera
municipal que desemboca al mar es el Río Baudó. La Cuenca Hidrográfica del Río Baudó
ocupa el 6,24% del total de la Macrocuenca del Pacífico con un área estimada de
404654,47 hectáreas [ha] aproximadamente. El río nace en la zona aledaña al Alto del
Buey que está una altura aproximada de los 1200msnm en Jurisdicción del Parque
Natural Nacional Ensenada de Utría; su área estimada en la cuenca de Pizarro es de
25560,84 ha [35].
En el caso del Río Baudó, se enmarca dentro de la Cuenca de Baudó-Directos Pacífico,
donde se cuenta con la información de caudales, Q [m3/s] y precipitación [mm] [32]. Por
lo tanto, con base a dicho plan, aplicado a Pizarro y el Río Baudó, se ha obtenido los
datos relacionados líneas abajo.
La información disponible muestra los caudales medios y mínimos, los segundos
correspondientes al comportamiento en un año seco, con bajas precipitaciones.
Caudal mínimo, medio y máximo 9.1.4.1
Es el caudal que se requiere garantizar en el lecho del rio para mantener áreas húmedas y
no alterar la fauna y flora del mismo; que equivale al caudal de sequía [13].
El caudal mínimo (Qmín) del Río Baudó es: 655 m3/s.
58
Es el equivalente al promedio de los caudales medios durante un lapso de tiempo; puede
ser diario, mensual o anual [13].
El caudal medio (Qmed) del Río Baudó es: 993 m3/s.
De tal forma que hace falta determinar el caudal máximo (Qmáx), que se puede hallar
con el cálculo de la media descrito en la ecuación (24) [53]:
(𝑄𝑚á𝑥 + 𝑄𝑚í𝑛) 2⁄ = 𝑄𝑚𝑒𝑑 (24)
Así, se puede obtener el caudal máximo que se calcula en 1331 m3/s.
Para temas relacionados al diseño es necesaria la información del histórico de caudales,
que generalmente se representa en una curva de caudales que, a falta de un histórico (en
años) de la información, se determina entonces con el histórico de precipitaciones
teniendo en cuenta que la escorrentía promedio anual en la Cuenca de Baudó–Directos
Pacífico se presentan valores altos oscilando entre 5000 y 6000 mm [32], que se traducen
en una oferta anual dada en millones de metros cúbicos, de acuerdo a la Tabla 7:
Tabla 7. Oferta anual en millones de metros cúbicos. Elaboración a partir del EOT.
Oferta anual (Mm3) Variación (%) Mm3 con la variación
Mínima 20653 1,37 20373,120
Media 31320 1,40 30886,252
Máxima 41987 1,42 41399,424
La precipitación anual está directamente relacionada con el caudal del Río Baudó, basta
con hacer la conversión de años a segundos y pasar a metros para obtener las cantidades
de caudal por segundo del río.
59
En cuanto a los sedimentos del río, no hay un dato cuantitativo disponible, por lo que se
debe recomienda realizar una medición del mismo tomando la relación de la cantidad de
sedimentos en Kg/s y el caudal en m/s. Para efectos del estudio, se toma el dato
cualitativo del EOT del sector, donde se indica que las aguas del Baudó en condiciones
normales trasportan pequeños minerales finos y materiales orgánicos, y en épocas de
inundación los sedimentos pueden ser de carácter orgánico y turboso.
Mínimo vital, y máximo caudal aprovechable 9.1.4.2
Una limitante clara es la cantidad disponible de agua dulce, ya que se tiene que respetar el
minimo vital. Estudios realizados en Colombia [54] indican que en promedio el caudal
necesario de una o varias desembocaduras para que el impacto ambiental sea mínimo, es
de máximo el 80% del caudal, y sobre esta cantidad se puede estimar que en promedio se
puede aprovechar aproximadamente el 20% de este.
𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑏𝑙𝑒 ≅ 20% del Caudal de la desembocadura (25)
Entonces a partir de la ecuación (25) y sabiendo que el caudal mínimo del Río Baudó, es
de 655 m3/s, el mínimo vital aprovechable sería de 131 𝑚3 𝑠⁄ .
En resumen los parámetros de caudal para el Río Baudó se describen en la Tabla 8, donde
los cálculos de los caudales para el mínimo vital y máximo aprovechable se realizan para
el peor escenario, donde el río está en su mínimo caudal.
Tabla 8. Caudales mínimos, medio y máximo del Río Baudó.
Río Baudó Año 2013
Caudal mínimo, Qmín [m3/s] 655
Caudal medio, Qmed [m3/s] 993
Caudal máximo, Qmáx [m3/s] 1.331
Mínimo vital [m3/s] 131
Máximo aprovechable [m3/s] 524
60
9.2 Medio biótico
Con base en el Mapa de los ecosistemas continentales, costeros y marinos de Colombia,
suministrado por el IGAC [55], se estudia a Pizarro realizando una interpretación del
medio biótico. En la Figura 13 se aprecia la cobertura vegetal, las principales curvas de
nivel y la sectorización de los tipos de vegetación, reconociéndose cinco tipos de flora.
Figura 13. Mapa de los ecosistemas costeros y marinos de Pizarro. Elaboración hecha con base a
información de IGAC, escala 1:500.000 [55].
9.2.1 Flora
En el departamento se distinguen las siguientes formaciones vegetales según el mapa de
la Figura 13, hecho con base en el diagrama de clasificación de zonas de vida o
formaciones vegetales de la biosfera.
Bosque muy Húmedo tropical (bmh-T).
Bosque húmedo tropical (bh-T).
61
Bosque pluvial tropical (bp-T).
Bosque pluvial montano bajo (bp-MB)
Bosque muy húmedo premontano (bmh-PM).
Los bosques se clasifican en bosques de zonas bajas y bosques de manglar. Los bosques
de zonas bajas y los de inundación donde se concentra la mayor parte de la comunidad y
son igualmente utilizados para el desarrollo de la agricultura migratoria, caza y
recolección, y los bosques de Manglar que se presenta en las planicies generalmente
inundadas en que se crean las condiciones donde se desarrollan pocas especies que a su
vez forman masas homogenizadas poco mezcladas.
9.2.2 Fauna
La avifauna (aves) del sector, está compuesta principalmente por las siguientes especies
[35] [56]:
Cormorato, Phalacrocórax olivaceus olivaceus (Humboldt 1805)
Perdiz de monte, Colinus cristatus decoratus (rodd 1917)
Polloneta, Aramides cajanca cajanca (Muller, 1776)
Guacamaya verde, Ara choloroptera (Gray, 1859)
Patico Zambullidor, Podiceps dominicus speciosus (lynch - Arribálzaga 1877)
Martín pescador, Ceryle torguata torguata (Linnaeus, 1766)
Tijereta, Tyrannus savana monachus (Hartlaud, 1844)
Garrapatero, Crotophaga ani (Linnaeus, 1758)
Búho, Pulsatrix prespicillata prespicillata (Latham, 1970)
Colibrí, Amazilia saucerottei narscewieczi (Cabanis y Heine, 1860)
La herpetofauna (ranas, sapos, salamandras, lagartijas, lagartos, tortugas y otros anfibios)
del sector, está compuesta por las siguientes especies:
62
Falsa coral, Anilius scytale scytale (Linnaeus)
Boa – Poa, Corallus annulatus annulatus (Cope)
Boa – Poa, Corallus annulatus colombianus (Rendahi y Vestergren)
Caminera – Tierrera, Agractus multicinctus (Jan)
Lomo de machete-Azotadora, Chironius monticula (Poze)
Cazadora negra - Terciopelo - Mapaná prieta, Clelia dalia clelia (Daudin)
Cazadora – Matacaballo, Drimarchon corais melanurus (Dumeril, Bibron y
Duméril)
Azotadora, Drymobius rhombijer (Gunther)
Coral, Erythrolampus minus micrurus (Dunn y Vailey)
Mapaná de agua, Helicops daniell (Amara)
Coral Macho - Lobera colorada cazadora, Pseudoboa neuwiedil (Duméril, Bibron
y Duméril)
Cazadora – Matacaballo, Pseustes shropshirei (Barbour Amara)
Mapaná (falsa), Sibon nebulata leucomelas (Boulenger)
Cazadora - Toche Voladora. Azotadora – Petaquera, Spilotes pullatus pullatus
(Linnaeus)
Falsa coral, Leimadophis albiventris (Jan)
Coral, Leimadophis reginae reginae (Linnaeus)
Mapaná - Mapaná Montuno, Leptodeira septentrionalis ornate (Bocourt)
Bejuca, Leptophis ahaettulla chocoensis (Oliver)
Bejuca verde - Voladora verde, Leptophis ahaettulla occidentalis (Gunther)
Mapaná de raya, Thamnodunastes strigillis (Thunberg)
Serpiente marina, Pelamis platurus (Linnaeus)
Coral, Micrurus ancoralis jani (Schmidt)
Coral, Micrurus dumerilli tmsandinus (Schmidt)
Mapaná Taya X. Boquiadora, Bothrops atrox (Germán)
63
Mapaná, Bothrops auoprorus (Amara)
Mapaná, Bothrops microphthalmus colombianus (Rendalil y vest-grem)
Rabo de chucha, Bothrops punctatus (García)
9.2.3 Ecosistemas acuáticos
Sólo se encontró información sobre las principales especies del sector, que son las que
generalmente atrapan los pescadores, de los cuales se describe su nombre vulgar y
nombre científico.
Raya, Potamotrygon magdalenae
Bocachico, Prochilodus magdalenae
Characidium sp.
Rabicolorada, Astyanax fasciatus
Lunareja, Astyanax stilbe
Sardinita, Hyphessobrycon inconstans
Dientocita, Roeboides dayii
Madre boquiancha, Gylbertolus atratoensis
Quicharo, Hoplias malabaricus
Aguja, Ctenolucius beani
Caga, Trachelyopterus fisheri
Beringo, Sternopygus sp.
Aguja, Lisa Strongylura sp.
Coco, Aequidens latifrons
Mojarra amarilla, Caquetaia kraussii
Mojarra, Cichlasoma atromaculatum
Copetona, Geophagus Pellegrini
64
Para análisis del ecosistema marino se precisa una investigación en terreno, o la
coordinación de servicios científicos prestado por empresas del sector privado, en
consultorías ambientales que incluyen numerosos proyectos Off Shore. Se recomienda
consultar el Instituto de Investigaciones Marinas José Benito Vivies de Andreis,
INVIMAR [56].
9.3 Medio socioeconómico
9.3.1 Aspectos arqueológicos
No se ha registrado la existencia de ninguna reliquia arqueológica importante a nivel
científico, no obstante, en las cuencas del Río Baudó y Pizarro hay grupos nativos
llamados Emberá, cuya cultura y tradición representan un baluarte histórico digno de ser
preservado.
También, por los principios básicos contemplados en la Ley 99 de 1993 [57] la
biodiversidad, por ser patrimonio nacional y de interés de la humanidad, deberá ser
protegida prioritariamente y aprovechada en forma sostenible. También los nacimientos
de agua y las zonas de recarga de acuíferos serán objeto de protección especial así como
el paisaje y la protección y preservación de la zona costera [35].
9.3.2 Paisaje
El Río Baudó baña cientos de hectáreas de suelo fértil y da una gran belleza al paisaje del
municipio; estas tierras son baldías (con algunas titulaciones), que en su mayoría se
destinan a cultivos de pan coger, a la explotación de maderas y en muy pequeña escala a
ganadería de subsistencia [33].
65
En la zona urbana los principales íconos que definen la estructura del municipio son la
iglesia, su parque principal, su zona de comercio, la alcaldía, la inspección y comando de
policía, el Aeropuerto, la escuela, el colegio y el hospital municipal [35].
9.3.3 Vías de acceso
Pizarro tiene una red vial urbana sólo en la cabecera municipal la cual está pavimentada
parcialmente, el resto de vías están sin pavimentar; al haber pocos vehículos en el sector
las vías sufren poca presión. Sin embargo el pavimento del aeropuerto requiere
mantenimiento.
La principal vía de comunicación en el municipio es la vía fluvial y marítima, por la que
circulan botes y barcos entre corregimientos y pueblos, el principal intercambio
comercial es con Buenaventura [35].
Al interior del municipio se puede llegar de las siguientes maneras [36]:
1. Desde la capital departamental, Quibdó, por vía aérea en aviones monomotor de
tres a cinco pasajeros en un viaje de 25 minutos, en promedio.
2. Desde Istmina por un carreteable que conduce hasta Pié de Pepé en el Medio
Baudó, distante unos 30 Km, en un viaje de hora y media para luego embarcarse.
por el río Pepé hasta Boca de Pepé sobre el río Baudó y de allí a Pizarro en un
viaje que puede durar hasta cinco horas dependiendo del tipo de embarcación.
3. Desde Istmina por un carreteable que conduce hasta Puerto Meluk en el Medio
Baudó, distante unos 46 Km, en un viaje de dos horas para luego embarcarse por
el río Baudó dos horas y media en promedio, hasta Pizarro.
4. Desde Buenaventura a por vía aérea en un recorrido de 35 minutos hasta Pizarro.
5. Desde Buenaventura hasta Pizarro por vía marítima en viaje de 184 Km y tiempos
de 3 a 6 horas dependiendo de la embarcación.
66
9.3.4 Actividad económica del sector
Las principales actividades económicas de Pizarro son la pesca marítima, la cría de
especies menores y la actividad forestal. La agricultura en la cabecera municipal se ve,
pero a nivel de auto sostenimiento, produciendo arroz, maíz, plátano, yuca y caña, así
como variedad de frutas de la región, la más representativa, el coco. La carencia de
infraestructura física, vías de comunicación, dificultades portuarias y energía eléctrica
diaria restringida, constituyen una grave limitación para los procesos de acopio,
conservación, procesamiento, comercialización interna y explotación de la producción
pesquera regional [35].
La extracción maderera viene cobrando mucha importancia en este municipio, sobre todo
porque por el río se puede trasportar fácilmente los troncos que, terminan siendo
vendidos a barcos compradores de este producto y en ocasiones los dueños de aserríos la
venden en Buenaventura.
En el Pacífico Colombiano, igualmente en el Bajo Baudó se practica fuertemente la
minería, (por alianzas público privadas, ilegal y artesanal) lo cual representa ingresos por
regalías suficientes para que la dependencia de Pizarro y demás municipios sea del 76%
[36], lo que refleja que el Municipio tiene un alto grado de dependencia a las
transferencias nacionales y una baja capacidad de autofinanciamiento para su desarrollo
territorial.
9.3.5 Disponibilidad de mano de obra
Existe buena disponibilidad de mano de obra no calificada, entre los aspectos positivos
del personal que puede trabajar está la disposición, el conocimiento local y la práctica de
la construcción, oficio enseñado generacionalmente. Por otra parte, el nivel técnico
necesario para la construcción de una central osmótica no está desarrollado (aunque que
67
se sepa, a nivel mundial sólo Noruega tiene dicho personal), principalmente por el nivel
de escolaridad de la población; lo que significa que la mano de obra calificada, técnico,
tecnológico y pregrado es escaso [34]. Sin embargo, con el personal profesional adecuado
es posible emplear a la mano de obra local y contratar externamente profesionales para
las tareas especializadas.
9.3.6 Disponibilidad de materiales de construcción
La producción industrial se ve limitada por la falta de electricidad, lo que hace que
fabricar materiales de construcción es más caro que traerlas desde otros lugares. Desde
Buenaventura y por medio marítimo se puede traer los materiales más pesados y de difícil
trasporte, y por las demás vías de acceso traer los materiales más ligeros. En el sector
existe gran cantidad de agua, arena de río, piedra y madera. [32]
El trasporte de otros materiales está sujeto al origen, peso y aranceles que puedan
determinar la ruta más óptima, teniendo en cuenta que Pizarro es un puerto que podría
desarrollarse a futuro dada su cercanía a Buenaventura.
9.3.7 Corredores de transmisión.
La red eléctrica de Pizarro no está conectada al sistema interconectado nacional, por lo
que actualmente no existe un corredor de trasmisión de alta tensión. Dentro de los
proyectos está la construcción de un corredor que conecte al municipio, el cual está en
planes desde el 2002 [35] y que hasta la fecha no ha podido ser concretado por diversos
motivos técnicos, ambientales y políticos. La generación en Pizarro se ve limitada a
suministrar energía de buena calidad a la cabecera municipal de 2.936 habitantes y a
algunas áreas rurales cercanas, mientras que las demás áreas rurales (cerca de 4.250
habitantes) no están beneficiadas del servicio eléctrico de esta planta; se sabe que
recurren a pequeñas plantas particulares de ACPM [36], por lo que tampoco hay
68
corredores de trasmisión que conecte las áreas rurales con la cabecera municipal o alguna
interconexión de los pequeños generadores.
9.3.8 Licencia ambiental, L.A.
Para la construcción de la central osmótica se necesita obtener la LA donde se debe
elaborar y presentar un estudio sobre el impacto ambiental según la Metodología General
para la Presentación de Estudios Ambientales y presentarlo al Ministerio de Ambiente,
Vivienda y Desarrollo Territorial, donde se indiquen las principales actividades durante la
construcción y operación, así como la afectación socio económica, presentando planes
para la mitigación de los impactos negativos.
Las siguientes son las principales actividades que se deben ejecutar para la construcción y
puesta en operación del Proyecto:
1. Estudios y diseños
2. Negociación y acuerdos con la comunidad
3. Construcción de instalaciones provisionales y almacenamiento de materiales
4. Replanteo de construcción
5. Adecuación de accesos
6. Construcción de vías internas y servidumbres
7. Transporte de equipos, materiales e instrumentos
8. Adecuación del terreno para la casa de máquinas, subestación, torres al punto de
conexión y conexión a la red existente
9. Construcción de fundaciones y obras civiles
10. Montaje hidráulico
11. Montaje electromecánico
12. Pruebas y puesta en marcha
13. Reconformación del terreno y limpieza
69
14. Generación y transformación de energía
15. Desmantelamiento
Durante la construcción y operación se generan una serie de impactos ambientales
descritos en su totalidad en los Anexos 3 y 4, y aunque la mayoría de impactos son
negativos, también los hay positivos, ya que se mejora la calidad de vida del sector por el
empleo generado y se aporta al desarrollo regional.
Principales impactos sobre el agua, el aire, el suelo y el paisaje
Generación de energía limpia
Cambios en el paisaje
Alteración superficial de los drenajes, márgenes y franjas aluviales
Pérdida de la cobertura vegetal
Afectación a comunidades de mamíferos, reptiles y anfibios
Colisión de aves con los conductores de la línea de conexión
Transformación del hábitat
Principales impactos el medio social y económico
Generación de empleo
Fortalecimiento de la economía regional
Generación de expectativas en la comunidad
Potenciación de conflictos con la comunidad
Afectación de la vida cotidiana
Incremento de riesgo de accidentes
Afectación/mejoramiento de infraestructura vial
Desplazamiento de familias
70
Afectación patrimonio arqueológico
Planes de mitigación
El plan de manejo ambiental se describe en la Tabla 9, Tabla 10 y Tabla 11 para los
aspectos abióticos, bióticos y socioeconómicos. La elaboración está hecha a partir de un
estudio desarrollado por ISAGEN [58].
Tabla 9. Plan de manejo ambiental en aspectos abióticos.
Programas Proyecto
Programa de manejo conservación y restauración
del terreno
Manejo de áreas de excavaciones y obras civiles
Manejo y disposición de material sobrante de excavaciones
Obtención de material de préstamo
Programa de manejo de residuos
Manejo de residuos líquidos
Manejo de residuos sólidos
Programa de manejo de cuerpos de agua Manejo de cuerpos de agua y zonas de drenaje
Programa de señalización Señalización de zonas de trabajo y del parque
Programa de manejo del recurso suelo
Manejo de los procesos erosivos
Manejo y reutilización del suelo
71
Tabla 10. Plan de manejo ambiental en aspectos bióticos.
Programas Proyecto
Programa de manejo de la vegetación
Control de despeje de la vegetación
Manejo de la cobertura vegetal removida
Compensación forestal por afectación de la cobertura vegetal
Programa de manejo de la vegetación y la fauna
Protección de bosques de galería y conservación de hábitats
Programa de manejo de la fauna
Talleres de capacitación para el manejo de la fauna silvestre
Tabla 11. Plan de Manejo Ambiental en Aspectos Socioeconómicos.
Programas Proyecto
Programa de información y divulgación y participación
Información a las autoridades del Municipio de Pizarro
Información a las comunidades indígenas Emberá
Atención a la comunidad
Programa de generación de empleo Contratación de personal de la región
Programa de educación y capacitación
Capacitación al personal vinculado al proyecto
Educación ambiental a la población escolar
Programa de manejo de la arqueología Manejo de arqueología
72
10 ESTUDIOS TÉCNICOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO
10.1 Demanda de energía
La definición de demanda (demanda de potencia; a menos que implique otra
connotación) es la indicada por el Dr. Ing. Walter F. Giménez que dice:
La demanda de un sistema eléctrico de potencia, o de parte del mismo, se expresa
en términos de potencia activa, y se define la carga solicitada a la fuente de
abastecimiento de dicho sistema, en los puntos terminales del mismo, promediada
durante un período de tiempo adecuado que se especifica. El intervalo de tiempo
fluctúa por lo general entre 15 y 30 minutos. Al indicar que se trata de los puntos
terminales del sistema, se quiere expresar que deben sumarse las pérdidas de
transmisión y distribución, si se quiere determinar la producción requerida para
satisfacer dicha demanda. [59]
Ahora bien, una planta de energía osmótica, como cualquier otra planta de generación de
energía eléctrica, debe generar energía útil, en este caso, partiendo de la energía
hidráulica obtenida por la presión osmótica. Una vez esté en funcionamiento, la
generación debe ser igual a la demanda instantánea del total de los usuarios que van a
estar conectados a dicha planta.
En este documento se define básicamente tres condiciones que la planta debe tener para
proveer la energía a satisfacer.
1. La carga unitaria por tipo de usuario [kW]
2. Demanda máxima de energía [kWh]
3. Demanda promedio de energía [kWh]
73
10.1.1 Demanda de la cabecera municipal
En 2011 la cabecera municipal, Pizarro, contaba con 2.936 habitantes distribuidos en
cerca de 475 hogares, y realizando un análisis de la infraestructura eléctrica actual del
sector [38] se determina que hay un sobredimensionamiento del grupo electrógeno
probablemente diseñado para suplir la demanda futura. En la siguiente gráfica, se
presenta el comportamiento de la carga promedio para cada día de la semana en el mes de
diciembre de 2014. La potencia máxima fue de 349,80kW registrada el jueves 04 de
diciembre a las 19:00 horas.
Figura 14. Curva de carga Promedio Diaria Mensual en diciembre de 2014. [38]
Por lo tanto, para suplir la demanda (a diciembre de 2014) se requiere proveer hasta
350kW. En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se presentan los
parámetros de demanda para de la población en la cabecera municipal de Pizarro, con los
perfiles de carga de los usuarios con los que se obtiene la demanda máxima de potencia
activa y el consumo en kW por tipo de usuario, en tanto que la demanda diaria máxima y
promedio, se calculan considerando usos de 24 horas para la máxima y 7:33 horas de
servicio promedio.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
KW
Horas
74
Tabla 12. Cuadro de cargas de Pizarro. Autor
Cantidad
Carga unitaria (kW)
Demanda máx. (kWh)
Demanda máx. hora (kW)
Horas de servicio
Demanda prom. (kWh)
Entidades de carácter local:
INDER Pizarro 1 2,10 50,40 2,10 5,80 12,18
Personería Municipal 1 2,10 50,40 2,10 5,80 12,18
Entidades de Carácter Regional.
Centro de salud 1 9,10 218,40 9,10 14,80 134,68
Colegios: FRANCISCO PIZARRO, Agropecuario de Virudó, Instituto Carlos 3 3,60 259,20 10,80 6,30 68,04
Entidades de carácter Nacional
Juzgado Promiscuo Municipal 1 2,20 52,80 2,20 6,30 13,86
Empresa de Telecomunicaciones 1 10,00 240,00 10,00 13,30 133,00
Registraduría Nacional del Estado Civil 1 2,10 50,40 2,10 3,60 7,56
Policía Nacional 1 2,30 55,20 2,30 12,40 28,52
Notaría única de Pizarro 1 2,00 48,00 2,00 6,30 12,60
ICBF Pizarro 1 2,00 48,00 2,00 6,30 12,60
Banco Agrario 1 3,70 88,80 3,70 9,80 36,26
Intendencia Fluvial 1 2,20 52,80 2,20 6,30 13,86
Entidades de Carácter Universal
Iglesia Católica 1 3,00 72,00 3,00 4,70 14,10
Otras Iglesias (Pentecostal). 1 2,00 48,00 2,00 4,00 8,00
Usuarios residenciales
Hogares con servicio de energía (85%) 404 0,32 3137,86 130,74 6,30 823,69
Subtotal Subtotal Promedio Subtotal
4472,26 186,34 6,31 1331,13
75
Teniendo en cuenta que la población de la cabecera municipal de Pizarro es de 2.936
habitantes, que actualmente se cuenta con un único generador de 500kVA conectado a
una subestación de 800kVA como se ve en el diagrama unifilar de la Figura 5, y sabiendo
que la cobertura del servicio eléctrico es del 85%, se calcula los valores en la Tabla 13
con un índice de crecimiento poblacional del 0,95% [34].
Tabla 13. Demanda energética por habitantes
Demanda energética por habitantes
Población Pizarro 2.936 habitantes
85% Actual cobertura
100% de la población
Proyección 100% a 2020
# usuarios 2495,60 2936,00 3196,78
horas diarias de servicio 6,30 6,30 7,30
kW/usuario (6,18 habitantes por hogar) 0,05 0,05 0,51
Demanda máxima por hora (kW) 130,69 146,80 1630,36
Demanda máxima diaria (kWh) 3136,46 3523,20 39128,61
Demanda diaria promedio (kWh) 823,32 924,84 11901,62
De tal forma que hay cuatro escenarios principales para plantear la potencia a suministrar
de la planta de energía osmótica, cada uno con la potencia correspondiente:
1. Suplir el generador ACPM actual; 823,32kWh
2. Suplir el generador ACPM actual proyectado a 2020; 11901,62kWh
3. Extender el servicio al 100% de la población hoy; 101,52kWh
4. Extender el servicio al 100% de la población proyectada a 2020; 11078,3kWh
Dado que, desde un principio se pretende diseñar una planta de energía osmótica que
permita reducir los costos por el uso del ACPM, se va a trabajar correspondientemente al
cuarto caso, donde la demanda máxima de potencia activa por hora es de 1756,75kW
teniendo en cuenta 6,31 horas de servicio promedio.
76
10.2 Comparación de la energía osmótica frente a las principales alternativas
energéticas renovables
En la búsqueda de una solución energética se deben tener varios aspectos en cuenta ya
que existen limitantes ambientales, en los costos, en la dificultad técnica, en los aspectos
sociales, he incluso a nivel político. En la Tabla 14 se tienen en cuenta los que se
consideran más relevantes, aunque no son los únicos.
La comparación se hace sobre el supuesto de centrales que no involucren otros tipos de
generación, lo que deja fuera del alcance del estudio los métodos de generación que
combinen dos o más tecnologías, donde la potencia osmótica podría tener potencial de
desarrollo. La integración de dos o más alternativas en una solución energética se conoce
como generación distribuida, y la tecnología con membranas es compatible ya que se
puede integrar con sistemas de potabilización de aguas y con sistemas fotovoltaicos [9] y
eólicos, dando una variedad que merece ser investigada con mayor profundidad.
Los principales recursos naturales de donde se obtiene energía son el agua, el sol y el
viento, donde el sol es el más importante porque influye directamente en el planeta tierra,
variando la temperatura de los fluidos siendo el principal responsable del viento y las
mareas. La energía osmótica depende indirectamente del sol, dado que depende del ciclo
hidrológico donde el sol es fundamental, de modo que sin escorrentía faltaría uno de los
dos recursos fundamentales de la generación por ósmosis entre los ríos y los mares.
Las tecnologías de aprovechamiento del recurso solar, principalmente son la solar-
térmica y la fotovoltaica, y las hidroeléctricas aprovechan la energía cinética o potencial
de las aguas, y correspondientemente la energía eólica se vale del viento para mover
grandes molinos conectados a generadores eléctricos.
77
Tabla 14. Comparación de la energía osmótica entre las principales alternativas renovables. [9]
Energía Hidroeléctrica Energía Solar Energía Eólica
Energía Osmótica
Consideraciones
Ambientales
Grandes impactos ambientales. Desviación de cursos de ríos. Inundaciones de tierras arables. Desplazamiento humano y fauna. Gran afectación de los ecosistemas acuáticos.
Niveles de radiación fluctuantes en zonas específicas. Grandes extensiones de terrenos.
Impactos visuales negativos sobre el paisaje.
Producción de salmuera.
Construcción y factores
técnicos de operación
Mano de obra calificada y especializada. Topografía apropiada. Periodos largos de construcción. Gran personal de operación. Largos periodos de operación.
Equipos y maquinaria especializada. Mano de obra calificada y especializada. Maquinaria automatizada. Baja personal de operación. Largos periodos de operación. Se debe complementar el método de convertir energía con otros sistemas.
Equipos y maquinaria especializada. Mano de obra calificada y especializada. Largos periodos de operación.
Equipos y maquinaria especializada. Mano de obra calificada y especializada. Periodos medianos de operación.
Condiciones Climáticas
Climas apropiados. Clima apropiado. Climas apropiados.
Climas apropiados.
Costos
Muy alta inversión inicial. Altos costos de operación.
Alta inversión inicial. Alta inversión inicial.
Alta inversión inicial.
Colombia Existe la tecnología. En desarrollo. Existe la tecnología.
No se ha implementado.
78
10.3 Análisis de la membrana
Está hecha de polimeros, -la de la planta de Norurga específicamente-, está compuesta
por MPD (siglas de su nombre en inglés: m-Phenylene Diamine) y Tricloruro de
benceno-1,3,5-tricarbonilo [60]. Existe una gran variedad de membranas en cuanto al
material, construcción, y fabricación, siendo recomendable revisar el trabajo de Font,
Francesc S. en cuanto la fabricación de membranas [61].
Viene dispuesta en rollos, por lo que se conoce como membrana en espiral, y para su
fabricación se requiere colocarla sobre una capa que sirva de soporte, también hay que
usar espaciadores y una capa impermeable, estos se enrollan hasta formar un cilindro
como el de la fotografía en la Figura 15. Imagen publicada en Flickr por Statkraft.
Figura 15. Rollo de membrana [62]
La membrana debe tener características que la hagan adecuada para la ósmosis,
esencialmente que sea altamente permeable al agua, sea poco permeable a las sales y que
tenga una baja resistencia en la capa de soporte; optimizar estas características es el
objetivo para aumentar el rendimiento de la membrana y consecuentemente, el
rendimiento del sistema.
79
10.3.1 Descripción de los flujos en la membrana
Figura 16. Descripción de los flujos en la membrana. Elaboración basada en: Spiral wound membrane
module disponible libremente bajo licencia de Creative Commons [60]
En la Figura 16 se ilustra como el agua dulce entra por el centro del rollo donde se
distribuye por múltiples agujeros más pequeños al lado de la recamara del agua dulce en
la membrana y el agua salada entra por todas las cavidades disponibles en la otra
recamara vista a detalle en la Figura 17. Las salidas, son los restos de agua dulce que no
permea al agua salada y el agua salobre que va a la turbina.
Figura 17. Sección transversal de la membrana. Autor
Los fluidos en la membrana están presurizados, por lo que el módulo de membrana se
diseña para soportar cierta presión y temperaturas de operación.
80
10.3.2 Especificaciones técnicas de la membrana
Se toma como referencia una membrana de características similares a de las usadas en la
planta prototipo de Statkraft, que para 2009 fue construida en conjunto por las empresas
REDstack [11], Fujifilm [63] y FILMTEC™ [64], ya que es de la que se tienen datos más
aproximados. Una fabricación específica no tiene por qué estar sujeta a estas
dimensiones, los módulos pueden variar según el fabricante en tanto que el área total de
membrana y el rendimiento sean los indicados.
1. Las siguientes especificaciones son el resultado de cálculos y aproximaciones
basados en la información que Statkraft y REDstack han publicado.
2. Fujifilm construye la membrana según el requerimiento específico, y no se
distribuye comercialmente módulos de membrana para PRO, solo bajo se fabrican
bajo pedido.
3. La eficiencia del módulo está dado en potencia por unidad de área, W/m2, y se
define como el producto del flujo de agua y el diferencial de presión hidráulica, a
través de la membrana [6].
4. El flujo de alimentación es la rata de fluido que puede entrar por módulo de
membrana, calculado de 28m2.
Especificaciones del producto
En la Figura 18 se muestra las dimensiones principales del módulo de membrana.
Figura 18. Dimensiones en milímetros de la membrana. Elaboración basada en: Spiral wound
membrane module disponible libremente bajo licencia de Creative Commons [60]
81
Eficiencia: ...................................................................................................5 W/m2
Flujo permeado: ..........................................................................................0,5296 m3/h
Área activa de membrana: ..........................................................................28 m2
Diámetro: ....................................................................................................0,0201 m
Límites operativos
Presión máxima de funcionamiento: ...........................................................7,0 MPa
Temperatura máxima de funcionamiento: ...................................................45° C
Flujo de alimentación: ................................................................................3,89x10-3
m3/s
10.3.3 Disposición de módulos de membrana
Al construir una planta de energía osmótica, hay que tener en cuenta que la membrana es
el arreglo de pequeños módulos de membrana cuyas áreas (en m2) se suman hasta
conformar la cantidad necesaria, como se muestra en la Figura 19.
Figura 19. Conexión en paralelo de módulos de membrana. La fotografía es un recorte de la imagen
original tomada de la cuenta en Flickr (flickr.com) de Statkraft [46]
Los módulos de membrana producen una presión (la presión osmótica) tal que, se pueden
considerar como elementos activos en el sistema, de forma análoga, semejantes una
fuente de tensión en un circuito eléctrico, tiendo diferentes potenciales en sus extremos, y
sumándose en paralelo, sumarlas para que el potencial no varíe (en este caso la potencia
82
de salida). De esta forma el flujo en cada membrana permanecerá constante considerando
que se alimentan los módulos.
El arreglo de módulos en serie, en cambio, requiere una diferencia de potenciales entre
las salida-entradas en lo concerniente a presiones, variando la presión en cada etapa, lo
que implica un control mayor y el riesgo de igualar o superar la presión osmótica y perder
potencial y material. Es así como todas las conexiones entre membranas deberán ser en
paralelo, tantas como sea necesario.
En cuanto al área necesaria para alojar los módulos, en una primera aproximación se
estima necesitar el espacio equivalente a un campo de futbol. El área específica se
determinará cuando se sepa la totalidad de módulos requeridos, según la potencia y
caudales que manejará la planta.
10.3.4 Análisis de la eficiencia de la membrana
En el experimento de A. Achilli [6] se logró hacer pruebas con una membrana
especialmente fabricada para la máxima eficiencia posible (en condiciones de
laboratorio), donde se logró un potencial desde los 0,35 hasta los 5,06W/m2
.
La planta se plantea para trabajar con eficiencia de los módulos de membrana de 5W/m2
para que sea una fuente de generación de energía competitiva con otras posibles
soluciones energéticas.
10.4 Coste teórico de generación, LCOE
Con el fin de comparar los costos unitarios de diferentes tecnologías para la producción
de energía a lo largo de la vida útil del proyecto se estima el Costo Nivelado de Energía,
LCOE (por sus iniciales en inglés), que calcula los costos con base en la cantidad de
83
energía producida, elaborando un valor presente del costo por unidad de electricidad
generada (MWh), que es la razón entre el total de gastos durante la vida útil del proyecto
y el total de la electricidad producida en ese mismo tiempo [65] como se ve en la Figura
20.
Figura 20. Comparativa del costo de generar energía con las distintas alternativas [65]
Para el análisis, los expertos de Statkraft supusieron una eficiencia de la membrana de
3W/m2, de tal forma que la generación usando ósmosis tiene un comportamiento dentro
del margen de las tecnologías de generación más populares, siendo sólo superada por la
energía nuclear y las pequeñas centrales hidroeléctricas, PCH.
10.5 Análisis económico del sistema, según la mejora en la eficiencia de la
membrana
Como dice Loeb [3] desarrollar una membrana especialmente para la generación por
ósmosis, es, y sigue siendo, el objetivo fundamental para la viabilidad técnica y
84
económica de un proyecto de esta clase, por lo mismo el análisis económico de los demás
componentes de una planta de energía osmótica, es muy similar al que se puede encontrar
en la literatura, como por ejemplo en: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas [13] o The
Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant [48]
Entonces, según la información recopilada por Andrea Achili y Amy E. Childress [3],
para evaluar la pre-factibilidad económica actual de la ósmosis para la generación de
energía, se debe multiplicar la densidad de potencia de la membrana por el precio del
Kilovatio hora, cuyo producto nos da los ingresos de cada metro cuadrado de membrana
por año, como se ve en la ecuación (26) [3]:
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 ∗ 𝐴ño= 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ∗ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
(26)
Una membrana para este uso debe generar 5 W/m2 netos para producir energía a un costo
competitivo con las fuentes convencionales o a 3 W/m2 para que sea comparable al de
otras fuentes de energía renovables.
Para este análisis se usa la ecuación (26) para determinar los ingresos de la planta por
metro cuadrado por año, con las siguientes condiciones: Con una densidad de potencia de
3W/m2, y el precio del KWh promedio en Colombia (400 COP/KWh) tendríamos:
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 ∗ 𝐴ño=
400 COP
KWh∗
3 𝑊
𝑚2
(27)
Luego, 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠
m2. Año= 10512
COP
m2. Año
(28)
Entonces los ingresos por metro cuadrado por año son de 10.512 COP, que es una cifra
con la que se puede calcular la tasa de recuperación de la inversión del proyecto.
85
Para una membrana con eficiencia de 5W/m2, es decir: mayor potencia por unidad de
área, se recuperaría cerca de 17.520 COP por metro cuadrado por año, que sería un 66%
más de lo que se recupera con la membrana de 3W/m2.
Un metro cuadrado de membrana está valiendo entre 20 y 40 dólares [3], lo que significa
que un módulo de 28m2 puede llegar a valer entre 560 y 1120 dólares. Suponiendo el
cambio del dólar a 2400 COP, el metro cuadrado de membrana estaría entre 48.000 y
96.000 COP.
Lo anterior significa que la inversión inicial del metro cuadrado de membrana se estaría
recuperando entre 4,6 y 9,1 años dependiendo del coste inicial.
Un análisis de los ingresos en función de precio del kilovatio hora, para 1, 5, 10 y 15 años
muestra la vida útil de la membrana que ha de ser otro factor a tener en cuenta, ya que
permitirá amortizar mejor la inversión inicial, como se puede apreciar en la Figura 21.
En el análisis se tiene en cuenta la variación del precio del kilovatio hora desde 150 hasta
500 COP que pueda ocurrir en los intervalos de tiempo.
Figura 21. Ingresos en función de precio del kilovatio hora para una eficiencia de 5W/m2.
86
La vida útil de la membrana dependerá de las condiciones de trabajo, y del sistema de
pre-tratamiento, ya que pueden sufrir deterioro por atascamientos que mermen el
potencial osmótico. Las principales causas de atascamiento de las membranas son la
precipitación de sales minerales y/o óxidos metálicos y la formación de depósitos de
partículas en suspensión, coloidales y biológicas [18].
Suponiendo un correcto funcionamiento, los módulos de membrana tienen una vida útil
de entre 7 y 10 años [66].
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
0 200 400 600
Ing
reso
s
[CO
P/m
2*A
ño
]
Precio KWh COP/KWh]
15 años
10 años
5 años
1 año
87
11 MARCO LEGAL
En Colombia, se debe estar actualizado en lo que a legislación compete, ya que las leyes
son susceptibles al cambio. Como se dijo anteriormente, en la actualidad este proyecto se
enmarca dentro de la Ley 1715 de 2014, que tiene como finalidad establecer el marco
legal y los instrumentos para la promoción del aprovechamiento de las fuentes no
convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, lo mismo que
para el fomento de la inversión, investigación y desarrollo de tecnologías limpias para la
producción de energía, mediante su integración al mercado eléctrico, y su participación
en las ZNI. [22]
11.1 Generalidades
La Constitución Política de Colombia de 1991 elevó a: Norma Constitucional, la
consideración, manejo y conservación de los recursos naturales y el medio ambiente, a
través de los siguientes principios fundamentales:
Derecho a un ambiente sano, Capítulo III, específicamente el Artículo 79 de la
Constitución Nacional [67].
El medio ambiente como patrimonio común, principio contemplado en los Artículos 8,
95, 58 y 63 de la Constitución Nacional [68].
Desarrollo sostenible, se refiere el crecimiento económico, a la elevación de la calidad
de vida y al bienestar social, sin agotar la base de los recursos naturales renovables en que
se sustenta, ni deteriorar el medio ambiente o el derecho de las generaciones futuras a
utilizarlo para la satisfacción de sus propias necesidades, como se puede ver en el
Artículo 80 de la Constitución Nacional [69].
88
La legislación ambiental está conformada básicamente por todas aquellas normas,
regulaciones, leyes y en general disposiciones adoptadas por los diferentes estamentos
jurídicos de La Ley Colombiana [70].
11.1.1 Normatividad General
Además de lo referido en la Constitución Política de Colombia, también existen una serie
de normas que aparecen en los diferentes artículos que hacen referencia a la construcción
de centrales eléctricas, que son:
Decreto Ley 2811 de 1974 [71].
Ley 23 de 1973 [72].
Ley 99 de 1993 [73].
Decreto 2820 de 2010 [74]
Ley 388 de 1997 [75].
Ley 56 de 1981 [76]
Instituto Colombiano de Normas Técnicas (ICONTEC) [77]
International Electrotechnical Commission (IEC) [78]
American National Standards Institute (ANSI) [79]
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) [80]
Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) [81] y las Normas
Técnicas Colombiana (NTC): Normatividad, regulaciones y recomendaciones,
aplicables en los procesos de diseño, construcción y funcionamiento del proyecto.
11.1.2 Normatividad aplicable a un generador de energía eléctrica
Constitución Política de Colombia.
Ley 42 de 1993: Organización del sistema de control fiscal financiero y los
organismos que lo ejercen [82].
89
Ley 142 de 1994: Ley de servicios públicos y domiciliarios [20].
Ley 143 de 1994: Ley eléctrica [19].
Ley 286 de 1996: Que modifica parcialmente las leyes 142 y 143 de 1994 [83].
Ley 689 de 2001: Modifica la Ley 142 de 1994 (Control Interno y Auditorías
Externas de Gestión y Resultados) [84].
Código de Comercio [85].
Resoluciones CREG que aplican a la actividad de generación y 11.1.2.1
comercialización de energía:
Resolución 054 de 1994: Por la cual se regula la actividad de energía eléctrica en
el sistema interconectado nacional [86].
Resolución 055 de 1994: Por la cual se regula la actividad de generación de
energía eléctrica en el SIN [87].
Resolución 024 de 1995: Por la cual se reglamentan los aspectos comerciales del
mercado mayorista de energía en el SIN que hacen parte del reglamento de
operación [88].
Resolución 025 de 1995: Por la cual se establece el código de redes como parte
del reglamento de operación del SIN [89].
Normatividad sobre flora silvestre y bosques 11.1.2.2
Ley 2 de 1959 [90]
El Decreto 2811 de 1974 Libro II, Parte VIII [2]
Y dado que una planta de energía osmótica puede estar ubicada en zonas con la presencia
de manglares se debe tener en cuenta la:
Resolución 1602 de 1995 [91] y la Resolución 257 de 1977 [92]
90
Normatividad sobre el recurso hídrico 11.1.2.3
Decreto 1681 de 1978 [93]
Decreto 2811 de 1974 [94]
Decreto 1541 de 1978 [95]
En la Ley 99 de 1993 [57]
Documento CONPES 1750 de 1995 [96]
Ley 373 de 1997 [97]
Normatividad sobre mares y costas 11.1.2.4
Decreto 2811 de 1974 [98]
En la Resolución 2400 de 1979 [99]
Normatividad internacional pertinente acogida en Colombia 11.1.2.5
Protocolo para la protección del Pacífico Sudeste contra la contaminación marina
proveniente de fuentes terrestres. Quito, 1983 [100].
Convenio para la protección del medio marino y la zona costera del Pacífico
Sudeste, Ley 45 de 1985 [101].
Protocolo para la conservación y ordenación de las zonas marinas y costeras
protegidas del Pacífico Sudeste. Paipa, 1989 [102].
Protocolo relativo a las zonas protegidas del Convenio para la protección y
desarrollo del medio marino de la región del Gran Caribe. 1990, Ley 356 de 1997
[103].
Protocolo sobre el programa para el estudio regional del fenómeno " El Niño" en
el Pacífico Sudeste. Lima, 1992 [52].
91
12 PRE-FACTIBILIDAD
En este paso se deben realizar evaluaciones en los aspectos y parámetros legales,
económicos, financieros, técnicos y del impacto ambiental, cuyas conclusiones permitan
definir si el proyecto se debe: postergar, reformular, abandonar o continuar a nivel de
factibilidad. [104]
12.1 Evaluación de la pre-factibilidad
Con el objeto de evaluar los aspectos tenidos en cuenta en esta pre-factibilidad se
recomienda evaluar cada uno de los principales criterios del proyecto asignando a cada
uno una importancia según el impacto ambiental, económico, financiero, legal y técnico.
Para el ejemplo se desarrolló la Tabla 15 que se diseñó para diligenciarse a modo de lista
de chequeo y que sintetiza los distintos aspectos para dar un concepto del proyecto, que a
la final se sumará y evaluará según las siguientes condiciones:
1. Si el valor total está entre el 0 y 25% se recomienda Abandonar el proyecto.
2. Si el valor total está entre el 25 y 50% se recomienda Reformular el proyecto.
3. Si el valor total está entre el 50 y 75% se recomienda Postergar el proyecto.
4. Si el valor total está entre el 75 y 100% se recomienda continuar a nivel de
factibilidad.
Los porcentajes se asignaron según el peso de la importancia, donde un resultado
favorable en todos los aspectos arroja un valor total 100% y un resultado desfavorable
representa un 25% o menos. No calificar un aspecto representa un valor de cero.
Para la evaluación de la pre-factibilidad se recomienda tener en cuenta que dada la
situación socioeconómica de Pizarro, donde la población ni el sector comercial
representan un rédito, es necesario buscar financiamiento del estado, presentando el
92
proyecto como propuesta al IPSE justificando los beneficios que brinda en temas de
salud, educación, seguridad, crecimiento económico, entre otros, para lo que se
recomienda la revisión del Plan de Ordenamiento Territorial del Chocó y el EOT de Bajo
Baudó. También se recomienda que el financiamiento tenga la mayor cobertura posible, o
al menos cubra la construcción, mantenimiento y sostenimiento de 7 a 10 años [50].
Tabla 15. Evaluación de la pre-factibilidad. Autor
Lista de chequeo
Importancia Conclusión
Crítico
No Crític
o Abandonar Reformular Postergar
Continuar a nivel de
factibilidad
Marco legal x 3% 5% 9% ■ 10%
Aspectos económicos x 6% 13% ■ 21% 25%
Aspectos financieros x 3% 5% 9% ■ 10%
Aspectos técnicos x 5% ■ 10% 17% 20%
Impacto ambiental x 9% 18% 30% ■ 35%
Conclusión 86% 0% 10% 21% 55%
Así, con un valor total del 86% se recomienda continuar con el proyecto a nivel de
factibilidad, teniendo en cuenta que el marco legal está a favor, lo que a su vez justifica la
aplicabilidad a subsidios. También el aspecto ambiental está a favor en la medida de que
las condiciones reportadas en las entidades de información ambiental tengan un buen
nivel de coincidencia (lo que se proyectó en años pasados vs. la información real de hoy
día) ya que una limitante de este trabajo es la obtención de información actualizada para
los estudios y análisis.
93
13 DISEÑO TÉCNICO PRELIMINAR
13.1 Cálculo de la membrana necesaria
Para el cálculo de la membrana se parte de la eficiencia dada en potencia por unidad de
área. Dado el caso, se precisa saber la potencia eléctrica requerida o de diseño, entonces
supondremos que se requiere suplir la demanda de 1756,75kW, donde también se supone
un suministro de aguas ilimitados y el uso de la membrana con características
correspondientes a los de la Figura 18.
El procedimiento para resolver el problema está representado en la Figura 22:
Figura 22. Procedimiento para el cálculo de membrana a partir de una demanda específica, y
obtención de la potencia final generada. Autor
Para lo que tendríamos, según la ecuación (29):
𝑃[𝑊] ∗ 1𝑚2
5𝑊= Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 [𝑚2]
(29)
Así:
1756,75k𝑊
5/𝑚2= 351.350𝑚2 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎.
(30)
De modo que con una eficiencia de 5W/m2 necesitaríamos 351.350 m
2 de membrana.
Determinar la Potencia Final Generada
Calcular la cantidad de módulos de membrana necesarios
Calcular la cantidad de membrana necesaria en unidades de área
Demanda eléctrica específica
94
Si tenemos en cuenta que cada módulo de membrana tiene 28m2, la cantidad de módulos
estaría dada por la ecuación (31):
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
28𝑚2= 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠.
(31)
De modo que necesitaríamos 351.350/28 = 12.548,21 módulos; por lo que se debe
aproximar a un número entero, en este caso se propone 12.550 módulos de membrana
semipermeable de una eficiencia de 5W/m2
ya que los módulos no son divisibles.
La potencia final generada corresponde a la potencia que generan los 12.550 módulos,
entonces el área total sería de 351.400m2, de tal forma que operando en la ecuación (30)
obtenemos:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 351.400𝑚2. (5𝑊 𝑚2)⁄
(32)
Donde se resuelve que para la eficiencia de la membrana se generan 1.757kW, que
corresponde a la Potencia Final Generada por la planta.
Generalidades
Los módulos de membrana se deben mandar a fabricar sobre pedido. Las empresas que
actualmente lo hacen son Nitto Denko, Fujifilm y FILMTEC™, o, se podría entrar al
desarrollo de una membrana específica para este uso, como en analogía ocurrió con el
estudio de Francesc Sánchez Font en la Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial
de Barcelona [61].
95
13.2 Caudal necesario
En el diagrama de la Figura 1 se realiza un análisis a partir del estudio hidrológico del
Río Baudó, donde se tienen las siguientes condiciones a evaluar vistas a detalle en la
Figura 23, suponiendo el caudal de agua de mar ilimitado (Qmar = ∞), y determinando el
caudal de diseño de acuerdo a las ecuaciones (11) y (12) para el agua salada equivalente
al flujo total de permeado en las membranas.
Figura 23. Cálculo del caudal de operación de agua dulce en una Planta de Energía Osmótica [54].
Dónde:
Qrío: Caudal total del río.
Qdis: El caudal de diseño, representa la capacidad a instalar en la planta.
Qmín: El mínimo vital, se define como el caudal mínimo con el que el río mantiene su
estabilidad ecológica.
Qop: Caudal de operación de la planta
A partir de los datos del estudio hidrológicos, resumidos en la Tabla 8 y usando la
ecuación (11), para calcular el caudal necesario para generar una potencia específica, se
obtiene la siguiente información:
Qrío: 655 m3/s
Qdis: 3,69 m3/s (Flujo permeado total: 1,846 m
3/s y Flujo no permeado total: 1,846 m
3/s)
Qmín: 131 m3/s
Qop: 3,69 m3/s (Para el caso de estudio)
96
13.3 Intercambiador de presión
Se requiere manejar un caudal de aproximadamente 1,846 m3/s, que corresponderán al
caudal de agua salada total para alimentar el sistema. Este caudal equivale
aproximadamente a 6647,04 m3/h.
Para seleccionar esta máquina los criterios básicos son el caudal y presión necesarios.
Otro criterio es la eficiencia, que se sabe según los fabricantes llega a ser hasta del 97,2%
[105]. Es necesario instalar un arreglo de intercambiadores dependiendo de la capacidad
y modelos disponibles en el mercado, para lo que se recomienda fabricantes como Energy
RecoveryTM
[105] quienes se especializan en la fabricación de intercambiadores para
desalación de aguas, y que pueden funcionar muy bien en PRO.
De modo que, usando por ejemplo el intercambiador PX-Q300 (ver Anexo 10) se
trabajaría de a 45,4 m3/h por unidad, requiriendo entonces de un arreglo de 147 unidades
para operar el flujo que llega al intercambiador.
13.4 Bomba Booster
Se debe dimensionar según las características del intercambiador de presión, es decir:
para el mismo caudal y misma presión de funcionamiento. Debe suplir la pérdida
producto de la eficiencia del intercambiador.
Dada la eficiencia del intercambiador, la bomba Booster ha de suplir la presión que llega
a éste; presión que se aproxima a la mitad de la presión osmótica. Entonces se requiere
una bomba de baja presión y alto caudal que recupere el 2,4% de la mitad de la presión
osmótica, –valor correspondiente de presión que llega al intercambiador si se usa el
intercambiador PX-300–, siendo requeridos 27799,66 Pa en la bomba Booster.
97
13.5 Turbina
La energía potencial del agua se convierte en presión y en energía cinética. Tal energía
puede transformarse en trabajo cuando el agua golpea un objeto tal que la dirección del
flujo del agua cambie y como resultado el objeto se mueva. La magnitud de la velocidad
del agua se reduce debido a la fricción que se presenta del flujo en la superficie del
objeto, y la energía entregada por el agua se transforma también en trabajo útil, lo cual si
se utiliza una máquina adecuada (turbinas hidráulicas), puede convertirse en potencia
mecánica.
Las turbinas se agrupan generalmente en dos tipos, de acción: Pelton, Turgo y Michell
Banki y de reacción: Francis, Kaplan y Bulbo, entre otras, y los elementos fundamentales
de una turbina hidráulica son el distribuidor y el rodete (en las turbinas de acción, y
adicionalmente el tubo de aspiración y la carcasa en las de reacción).
Las turbinas se diseñan comúnmente a partir de la caída de agua (energía potencial de la
caída geodética), pero en este caso se optará por el diseño con base en la velocidad
(energía cinética del caudal), y para cada caso se propone partir de las ecuaciones (22) y
(34).
Una vez conocida la potencia instantánea, se puede calcular la producción de la planta, en
KWh, como producto de la potencia utilizada en cada momento por las horas de
funcionamiento. [49]
Generalmente los fabricantes de turbinas las hacen de forma particular, sobre pedido,
dependiendo de la caída geodética, velocidad y el caudal. Hay algunos criterios y
herramientas que permiten seleccionar el tipo de turbina más conveniente, cuya álgebra
está dada en su mayoría en función de la altura, y en este punto se pueden tomar dos
caminos; estimar el equivalente en altura del caudal de salida de las membranas (pasar de
98
energía cinética a potencial), o diseñar directamente con la información de la velocidad.
Queda a criterio del diseñador la decisión.
13.5.1 Calculo de la velocidad del caudal de agua salobre
Siendo que la potencia en una plana de energía osmótica está supeditada a la cantidad de
módulos usados y su eficiencia, hace falta conocer la velocidad del agua salobre que va a
la turbina Aslt para lo cual se recomienda el procedimiento en la Figura 24 para resolver
el problema:
Figura 24. Procedimiento para el cálculo de la velocidad del agua salobre que va a la turbina. Autor
De acuerdo al procedimiento para el cálculo de la membrana, se necesitan 12.550
módulos, y si cada uno tiene un flujo de permeado de 0,5296 m3/s el Flujo Permeado
Total sería de 1,846 m3/s. De acuerdo a la ecuación (12) el flujo de permeado es
equivalente al agua salobre que va a la turbina, entonces Aslt = 1,846 m3/s.
Para calcular la velocidad del Aslt se debe resolver la ecuación (22) para la velocidad,
donde se supone que sea 0,85 el factor de eficiencia de la turbina, generador y
transformador de salida.
𝑣 = √2. 𝑃
𝜌. 𝑄. 𝑒= √
2. (1.757,07)
(1005). (1,846). 0,85= 47,197 𝑚/𝑠
(33)
De modo que el caudal de 1.757,07 m3/s tiene una velocidad de 47,197 m/s.
Calcular la velocidad requerida del Aslt suficiente para generar la potencia requerida
Calcular el caudal del agua salobre que sale de las membranas y va a la turbina, Asl t [m3/s]
99
13.5.2 Selección del tipo de turbina
La Figura 25 ayuda a comprender el rango de operación respecto a la velocidad, caudal y
potencia estimada para cada tipo de turbina, y el por qué se recomienda el uso de una tipo
Pelton o Francis, ya que el área entre las turbinas cortan justo con la potencia de diseño
de una de estas. Es criterio del diseñador determinar el optar por una turbina de reacción
o acción.
Figura 25. Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas. Elaboración con base en Guide on How to
Develop a Small Hydropower Plant [48].
100
De la ecuación (33) se sabe que la velocidad es elevada y el caudal es bajo, con lo que se
puede optar por implementar directamente una turbina de acción Pelton o una de reacción
Francis, debido a la sensibilidad a las variaciones de velocidad y la sensibilidad a la
variación de caudal, como se puede ver en la Tabla 16.
Tabla 16. Comparación entre las turbinas Pelton y Francis.
Tipo de turbina Velocidad del Aslt
según la ecuación (33) [m/s]
Sensibilidad a las variaciones de
velocidad
Sensibilidad a las variaciones de caudal
Pelton 30 < v < 160 Alta Baja
Francis 22 < v < 83 Media Baja
Así, para el caso de estudio se opta por la turbina de reacción tipo Francis por su
sensibilidad media a las variaciones de velocidad y su tolerancia a las variaciones de
caudal.
Tipo de turbina: Francis.
Potencia de la turbina: Mínimo de 1670 kW, para un factor de eficiencia de la central de
0,85.
Velocidad de rotación: Al ser alta la velocidad, diseñar a 1200 r.p.m.
Eficiencia por unidad: Mínimo de 95%.
Número de unidades: 1.
13.5.3 Equivalente en altura de la potencia hidráulica de la planta de energía
osmótica
Del arreglo de membranas del sistema sale un caudal determinado a una presión que
equivale a aproximadamente la mitad de la presión osmótica de los líquidos usados, tal
como se nota en la ecuación (21). Surge entonces la necesidad de determinar las
101
condiciones del caudal resultante, ya que el sistema no posee una caída geodética sino
que a partir de dos líquidos (de diferente concentración) con poca o nula energía
potencial (en altura) se obtiene un caudal de salida con una gran energía cinética,
condición posible dado el fenómeno de la osmosis.
De modo que para el proceso de generación de energía a partir de una caída, la expresión
que nos proporciona la potencia instantánea es la siguiente, mostrada en la ecuación (34)
[48]:
𝑃 = 𝜌. 𝑔. ℎ. 𝑄. 𝑒
(34)
Dónde h es la altura y g la aceleración de la gravedad.
Sin embargo, realmente no existe una caída geodética, así que es necesario expresar la
ecuación (34) en términos de la energía cinética [106], entonces:
𝐸𝑝 = 𝐸𝑐
(35)
Ep: Energía potencial (𝜌. 𝑔. ℎ)
Ec: Energía cinética (1
2𝜌. 𝑣2)
La ecuación (35) se expresa de la siguiente forma:
𝜌. 𝑔. ℎ =1
2𝜌. 𝑣2
(36)
Donde operando y reemplazando en la ecuación (34) se obtiene la potencia instantánea
que se genera en función de la energía cinética, demostrando la ecuación (22).
102
13.5.4 Consideraciones especiales de la turbina para PRO.
En la planta prototipo de Statkraf se usa una Pelton de eje horizontal, que es una turbina
de acción, como se aprecia en el registro fotográfico de la Figura 10.
Para los líquidos con sólidos en suspensión similares a los del agua fresca, la viscosidad
se considera similar a la del agua dulce, por lo cual el diámetro y demás dimensiones
recomendadas de la turbina se pueden suponer constantes [107].
Cuando una turbina se expone al agua salobre, ésta sufre una corrosión más acentuada
que con el agua dulce. El agua salobre es una solución salina que corroe cualquier
superficie metálica si no está suficientemente protegida. Por lo mismo, se recomienda que
las partes expuestas, principalmente los álabes, estén pintados (con pinturas con efectos
anti-incrustantes similares a las empleadas en los cascos de los barcos), galvanizadas e
incluso construidas en materiales no metálicos resistentes a la corrosión [108].
13.6 Generador
Se recomienda usar un generando síncrono, ya que el sistema actual en Pizarro, descrito
anteriormente en la Figura 5 comprende la existencia de una subestación, así mismo
escogerlo con las siguientes especificaciones:
Potencia por generador: Mínimo de 1624 kW para un factor de eficiencia de la central de
0,85.
Velocidad de rotación: Diseñar para acople directo con la turbina; a 1200 r.p.m.
Posible tensión de generación: 220 V, 440 V o 600 V.
Frecuencia de generación: 60HZ.
Factor de potencia: 0,8.
Número de unidades 1.
Eficiencia del generador: Mínimo del 96%.
103
13.7 Pre-tratamiento de agua
Las soluciones que entren al sistema deben tener cierta homogeneidad, y contener los
sólidos disueltos útiles, dejando todo sólido macroscópico (visible a simple vista) fuera, y
así proteger las bombas y las membranas de obstrucciones, para el correcto
funcionamiento de estas.
Según la Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico, RAS-2000
[109], el sistema de pre-tratamiento es una estructura auxiliar que busca reducir los
sólidos en suspensión, las partículas finas, el material coloidal y el material orgánico e
inorgánico que llevan las aguas.
13.7.1 Pre-tratamiento de agua dulce
Se debe realizar los siguiente procesos: Remoción de material flotante (rejillas, mallas, y
trampas de grasa y aceite), remoción de material suspendido (retiro de arcillas y algas con
desarenadores). Dependiendo de las especificaciones del fabricante de las membranas,
pueda hacer falta incluir filtros de carbón activado y suavizadores. No se pretende
potabilizar agua, es decir, llevarla hasta el punto de ser consumible por el ser humano,
sino limpiarla y llevarla al estado ideal para el correcto funcionamiento de la central
osmótica. Ocurre que la RAS-2000 contempla en su alcance el pre-tratamiento de aguas
para el consumo, riego e industria, y el post-tratamiendo de aguas residuales para su
retorno al medio ambiente, así que siguiendo los lineamientos de este reglamento.
Para el caso del río Baudó donde la mayoría de la contaminación, en proporción, es por
lodos y material orgámico, mínimamente se debe contar con un filtro de sedimentos, un
filtro de arena, y un desarenador que son los componentes de un tratamiento
convencional.
104
Filtro de sedimentos
Es un filtro que remueve partículas superiores a 0,2 mm que evita que se produzcan
depósitos en las tuberías y protege a los equipos como bombas, intercambiador y tubería,
de la abrasión y evita sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento.
Filtro de arena
Son especiales para retener sustancias orgánicas. El tamaño promedio de los granos de
arena y su distribución se escogen para obtener las distancias mínimas entre granos, sin
causar pérdidas de altas presiones. Un filtro de arena se limpia fácilmente, basta con
invertir el flujo a través de él, con lo cual se expande la arena, limpiándose por acción
hidráulica y por fricción de los granitos.
Desarenador
Componente destinado a la remoción de las arenas y sólidos que están en suspensión en
el agua, mediante un proceso de sedimentación.
La capacidad de los elementos que conforman el sistema de pre-tratamiento de agua de
río debe ser correspondiente al caudal de operación, Qop, de la planta de energía
osmótica.
13.7.2 Pre-tratamiento de agua de mar
Al igual que el agua dulce, consta de un filtro de sedimentos, un filtro de arena y un
desarenador, aunque el filtro de arena tiene otras características inherentes al tipo de
arenas para evitar la filtración no deseada de sólidos (sales) que puedan disminuir la
concentración de sólidos totales disueltos del agua, TDS.
105
Adicionalmente puede contar con un estabilizador de sales, que será un proceso donde se
regularice la proporción de sales en el líquido aportando sales cuando llegue a ser
requerido.
La capacidad de los elementos que conforman el sistema de pre-tratamiento de agua de
mar debe ser correspondiente al caudal de operación de la planta de energía osmótica.
13.8 Características de la Planta de Energía Osmótica para el caso de estudio
en Pizarro
Tabla 17. Características de la Planta de Energía Osmótica para el caso de estudio en Pizarro.
Descripción, magnitud Cantidad Página
Localización Pizarro, Bajo Baudó, Chocó 30
Caudal mínimo, Qmín [m3/s] 655 59
Caudal medio, Qmed [m3/s] 993 59
Caudal máximo, Qmáx [m3/s] 1.331 59
Mínimo vital [m3/s] 131 59
Máximo aprovechable [m3/s] 524 59
Caudal de diseño, Qdis [m3/s] 3,69 95
Caudal de operación, Qop [m3/s] 3,36 95
Flujo permeado total, Aslt 1,846 95
Flujo no permeado total 1,846 95
Demanda energética [kW] 1.756,75 75
Potencia hidráulica obtenible del sistema 1757 94
Velocidad del caudal Aslt [m/s] 47,197 98
Membrana requerida [módulos] 12.550 94
Intercambiador de presión: PX-Q300 [m3/h] 45,4 96
Bomba Booster [kPa] 27,799 96
Turbina Francis 100
Generador Acople directo 102
Pre-tratamiento de agua de río, capacidad Qop 103
Pre-tratamiento de agua de mar, capacidad Qop 104
106
14 ALCANCES Y LIMITACIONES
Se abarcan los procesos correspondientes a una planta de energía osmótica, en los
aspectos relacionados a los estudios ambientales y técnicos disponibles en la web para la
localidad de Pizarro, Chocó, donde se evalúa una pre-factibilidad del proyecto y se
procede al diseño técnico preliminar de los principales equipos con el fin de probar su
funcionamiento acorde a la legislación nacional.
No se incluye el desarrollo de las operaciones técnicas de captación de agua de río,
bombeo de agua de mar a la planta, medición, post-tratamiento de los restos líquidos,
evacuación de restos líquidos, mantenimiento del sistema, ni los procedimientos
correspondientes a la puesta en marcha y operación de una planta de energía osmótica, ni
tampoco el transporte de la energía eléctrica desde el punto de generación a la
subestación de Pizarro.
107
15 CONCLUSIONES
Se desarrolló una metodología para diseñar una planta de energía osmótica con base en
las metodologías de la ANLA, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas de R.Ortíz Flórez y el
paper Site-specific potential analysis for pressure retarded osmosis (PRO) power plants.
The León River example, de S. Ortega, que sirven de referentes para el estudio de la
energía azul y muestra el flujo de los pasos principales para el desarrollo de una planta de
energía osmótica, que contempla parámetros para el diseño, partiendo en la selección de
una localidad ubicada en Zona No Interconectada, ZNI, que tenga cerca un río con
desembocadura directa al mar, donde se analizan datos hidrológicos para determinar el
caudal de operación de la planta (Qop).
En la búsqueda de información bibliográfica que soportara la tecnología, se encontraron
trabajos científicos realizados por diferentes autores y universidades del mundo como la
Universidad YALE (Universidad privada en New Haven), Universidad UCLA
(Universidad de California en Los Ángeles), Universidad Tecnológica de Nanyang (de
Singapur) y la Universidad Católica de Leuven (en Bélgica), y también con los resultados de
la planta en Noruega de Statkraft, que han sido plasmados en diversos artículos
científicos enfocados en estudios técnicos y económicos.
Se revisaron y estudiaron las configuraciones de una planta de energía osmótica,
específicamente el realizado por Statkraft ya que a fines prácticos implementó un
esquema en que usando elementos como el intercambiador de presión, optimizan la
eficiencia de la central y tienen un impacto ambiental menor.
Se desarrolló un caso de estudio que se va desarrollando a medida que se avanza en
documento, que brinda beneficios en cuanto a la cuantificación de datos y variables, y
108
aplicado al pacífico colombiano sirve de referente para futuras implementaciones en el
Chocó, el Pacífico e inclusive la costa Caribe.
Dados los recursos naturales necesarios para implementar una planta de energía osmótica,
se determina que los lugares de aplicabilidad deben tener las siguientes condiciones: ser
zonas costeras con disponibilidad de agua dulce y salada, y no estén interconectadas
eléctricamente.
El pacífico colombiano tiene condiciones que permiten una posible implementación de
ésta tecnología, además, por ser ZNI su población se vería enormemente beneficiada al
tener suministro continuo de energía, mejorando notablemente la calidad de vida.
Una planta de energía osmótica hace la conversión del potencial osmótico en energía
cinética, por esta razón no posee una caída geodética, sino que a partir de dos líquidos de
diferente concentración con poca o nula energía potencial (de altura) se obtiene un caudal
de salida con una gran energía cinética, condición posible gracias al fenómeno físico de la
ósmosis; luego de allí el nombre de la planta.
Los materiales para las instalaciones deben ser resistentes al entorno marino, deben
soportar la corrosión causada por el agua salada. Los materiales metálicos deben ser
galvanizados o en acero inoxidable, el concreto debidamente pintado con pinturas
resistentes a la corrosión, como la implementada en los cascos de las embarcaciones, para
de esta forma prolongar su vida útil.
La generación de energía usando la potencia osmótica es una prometedora fuente
renovable de energía oceánica, siempre y cuando se trabaje con la eficiencia de la
membrana de 5W/m2.
109
Según una primera evaluación de la pre-factibilidad, con un 86% de resultado se
recomienda continuar con el proyecto a nivel de factibilidad, teniendo en cuenta que el
marco legal está a favor, lo que a su vez justifica la aplicabilidad a subsidios. También el
aspecto ambiental está a favor en la medida de que las condiciones reportadas en las
entidades de información ambiental tengan un buen nivel de coincidencia ya que una
limitante de este trabajo es la obtención de información actualizada para los estudios y
análisis.
Debido a que el mayor impacto ambiental se produciría durante la construcción de la
planta, una buena justificación para apoyar el desarrollo es el impacto ambiental positivo
por implementar una fuente de energía renovable y la mejora en la calidad del servicio
prestado a los usuarios y promueve el desarrollo de la región.
15.1 Recomendaciones
Mantenerse actualizado sobre el desarrollo de la energía osmótica, ya que la tecnología
está siendo objeto de estudio, lo que demuestra que realmente hay una preocupación por
el desarrollo e implementación de energías limpias, una de ellas la generación de energía
eléctrica por ósmosis como fuente alternativa.
Realizar más casos de estudios según la metodología de este documento, para así elaborar
un comparativo de las distintas regiones y determinar las potencialidades de cada sector.
Así mismo, construir una base de datos y un sistema de adquisición de información de las
zonas de interés, para facilitar los estudios necesarios para el diseño y construcción de
una central osmótica, del cual podrían derivarse uno o varios mapas del recurso osmótico,
haciendo la analogía a los mapas de irradiación solar usados para la generación solar.
110
Se requiere la integración con otras áreas de la ciencia como la química, física y biología,
en lo respectivo a los estudios de aguas, impactos ambientales, análisis físico-químicos de
las membranas, y diseño y desarrollo de materiales, entre otros.
15.2 Proyectos adelantados con este trabajo
Paper: “Osmotic energy, a little-known renewable energy source”. Energy and
Sustainabilitiy 2015, Medellín, Septiembre 2015. Wessex Institute of Technology, UK
Propuesta alternativa para el aprovechamiento de los residuos líquidos de
Termocartagena S.A. E.S.P. a cargo del grupo ENDESA, el cual está en etapa de estudio,
y donde se requiere mitigar el impacto ambiental de los restos líquidos que refrigeran la
planta, que son de dos tipos: aguas salobres y aguas dulces en temperaturas entre 22 y 30
grados, los cuales se podrían reutilizar en una planta de energía osmótica y tener un
tratamiento con la energía recuperada.
111
16 BIBLIOGRAFÍA
[1] Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No
Interconectadas, IPSE, «Pizarro, Bajo Baudó, Chocó,» 2015.
[2] ANLA, DECRETO 2811. Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos
Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente., Diario Oficial No. 34243.,
18 de diciembre de 1974.
[3] A. Achilli y A. E. Childress, «Pressure retarded osmosis: From the vision of Sidney
Loeb to the first experimental installation — Review,» 2010. [En línea]. Available:
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00119164.
[4] J. Kucera, Reverse Osmosis: Design, Processes, and Applications for Engineers,
Salem, Massachusetts: Wiley, 2010.
[5] Energy sources, «Statkraft, Osmotic Power,» 07 2012. [En línea]. Available:
http://www.statkraft.com/media/press-releases/Press-releases-archive/2007/statkraft-
to-build-worlds-firsk-osmotic-power-plant/. [Último acceso: 02 03 2013].
[6] A. Achilli, «Power generation with pressure retarded osmosis: an experimental and
theoretical investigation,» Science 343, pp. 42-52, 2009.
[7] R. B. H. L. K.L. Lee, «Membrane for power generation by pressure retarded
osmosis.,» Science 8, pp. 141-171, 1981.
[8] I. P. o. C. C. IPCC, Energy Sources and Climate Change Mitigation, 2012, pp. 80 - 92.
112
[9] G. E. Garcés Yepes y A. A. Carreño Rivera, Diseño de planta piloto para la
generación de energía eléctrica y potabilización del agua a partir de reactores de
membrana osmótica, Cartagena: Universidad de Cartagena, 2014.
[10] S. Loeb, «Osmotic Power Plants,» Science 189, 1975.
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8, 95, 58 y 63 de la Constitución Nacional., 1991.
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DESARROLLO CIENTIFICO, 1997.
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Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Medio Ambiente., 18 de diciembre
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[72] Ley 23. Por el cual se conceden facultades extraordinarias al Presidente de la
República para expedir el Código de Recursos Naturales y de Protección al Medio
Ambiente y se dictan otras disposiciones., 1973.
[73] Ministerio del Medio Ambiente, LEY 99. por la cual se crea el Ministerio del Medio
Ambiente, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del
119
medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional
Ambiental, SINA, y otras dispnes., Diario Oficial 41146 de Diciembre 22 de 1993, 22
de diciembre de 1993.
[74] Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Decreto 2820. Por el cual
se reglamenta el Título VIII de la Ley 99 de 1993 sobre licencias ambientales., 05 de
agosto de 2010.
[75] Ley 388, Ordenamiento Territorial Municipal y Distrital., 1997.
[76] Ministerio de Minas y Energía, Ley 56. Por la cual se dictan normas sobre obras
públicas de generación eléctrica y acueductos, sistemas de regadío y otras y se regulan
las expropiaciones y servidumbres de los bienes afectados por tales obras., Diario
Oficial No. 35.856 de 5 de octubre de 1981, 1981.
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[81] Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), 2014.
[82] Cogreso de Colombia, Ley 42. Sobre la organización del sistema de control fiscal
financiero y los organismos que lo ejercen, 1993.
[83] Congreso de Colombia, Ley 286. Por la cual se modifican parcialmente las Leyes 142
120
y 143 de 1994 (sic) y la Ley 223 de 1995., 1996.
[84] Congreso de Colombia, Ley 689. Por la cual se modifica parcialmente la Ley 142 de
1994, 2001.
[85] P. d. l. R. d. Colombia, Decreto 410. Por el cual se expide el Código de Comercio,
1971.
[86] Comisión de Regulación de Energía y Gas, Resolución 054. Donde se regula la
actividad de energía eléctrica., 2012.
[87] Comisión de Regulación de Energía y Gas, Resolución 055. Donde se regula la
actividad de generación de energía eléctrica en el SIN, 1994.
[88] Comisión de Regulaición de Energía y Gas, Resolución 024. Donde se reglamentan
los criterios comerciales del mercado mayorista participante en el SIN, 1995.
[89] Comisión de Regualción de Energía y Gas, Resolución 025. Por la cual se establece el
código de redes como parte del reglamento de operación del SIN., 1995.
[90] Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, LEY 2 DE 1959.
ORDENAMIENTO AMBIENTAL RESERVAS FORESTALES NACIONALES.,
2010.
[91] MINISTERIO DE SALUD, RESOLUCION 1602. Por la cual se fijan normas y
procedimientos y se adoptan los Modelos de Reclamación Uniforme para el
reconocimiento y pago de las indemnizaciones a personas naturales víctimas de
Eventos Catastróficos., 18 de mayo de 1995.
[92] Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, RESOLUCION 0076. Por la cual se
121
aprueba un Acuerdo de la Junta Directiva del Instituto Nacional de los Recursos
Naturales Renovables y del Ambiente (INDERENA), 31 de marzo de 1977.
[93] E. P. D. L. R. D. COLOMBIA, DECRETO 1681. Por el cual se reglamentan la parte
X del libro II del Decreto- Ley 2811 de 1974 que trata de los recursos hidrobiológicos,
y parcialmente la Ley 23 de 1973 y el Decreto- Ley 376 de 1957., Hidrobiológico
Inderena, 04 de agosto de 1978.
[94] E. P. D. L. R. D. COLOMBIA, DECRETO 2811. Por el cual se dicta el Código
Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente.,
Diario Oficial No. 34243., 18 de diciembre de 1974.
[95] E. P. d. l. R. d. Colombia., DECRETO 1541. Por el cual se reglamenta la Parte III del
Libro II del Decreto-Ley 2811 de 1974: "De las aguas no marítimas" y parcialmente la
Ley 23 de 1973., 28 de julio de 1978.
[96] Documento CONPES 1750. Políticas de maneo de las aguas., 1995.
[97] Ministerio del Medio Ambiente, LEY 373. Por la cual se establece el programa para el
uso eficiente y ahorro del agua., Diario Oficial No. 43.058 del 11 de junio de 1997.,
06 de junio de 1997.
[98] E. P. D. L. R. D. COLOMBIA, DECRETO 2811. Por el cual se dicta el Código
Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente.,
Diario Oficial No. 34243., 1974.
[99] M. D. T. Y. L. S. SOCIAL, Resolución 2400. Por el cual se establecen algunas
disposiciones sobre la vivienda, higiene y seguridad en los establecimientos de
trabajo., 22 de mayo de 1979.
122
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protección del Pacífico Sudeste contra la contaminación proveniente de fuentes
terrestres, Quito, Ecuador.: Secretaría ejecutiva del alan de acción para la protección
del medio marino y áreas costeras del Pacífico Sudeste, 22 de julio de 1983..
[101] Senado y Cámara de la República de Colombia., LEY 45. Por medio de la cual se
aprueban el Convenio para la Protección del Medio Marino y la Zona Costera del
Pacífico Sudeste., Diario Oficial No. 36.888, 08 de marzo de 1985.
[102] Registro de Acuerdos Internacionales relativos al Medio Ambiente., Protocolo para la
conservación y ordenación de las zonas marinas y costeras protegidas del Pacífico
Sudeste, 1989.
[103] LEY 356. Por medio de la cual se aprueban el Protocolo relativo a las áreas y flora y
fauna silvestres especialmente protegidas del Convenio para la Protección y el
Desarrollo del Medio Marino de la Región del Gran Caribe., Diario Oficial No.
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124
17 LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. DESARROLLO METODOLÓGICO. AUTOR.................................................................................... 10
FIGURA 2. ZONAS INTERCONECTADAS Y ZONAS NO INTERCONECTADAS [28] ............................................... 23
FIGURA 3. PRESTACIÓN SERVICIO ZNI. TOMADO DEL CENTRO NACIONAL DE MONITOREO, DISPONIBLE EN EL
PORTAL DEL IPSE [31]. ................................................................................................................ 26
FIGURA 4. PIZARRO - CHOCO, COLOMBIA. ESCALA: 1:25.000. [33] ............................................................ 30
FIGURA 5. DIAGRAMA UNIFILAR DE LA LOCALIDAD [38]. .......................................................................... 32
FIGURA 6. CÉLULA DIVIDIDA EN DOS COMPARTIMENTOS SEPARADOS POR UNA MEMBRANA SEMIPERMEABLE. 36
FIGURA 7. CONCENTRACIÓN DE EQUILIBRIO. LA DIFERENCIA EN ALTURA CORRESPONDE A LA PRESIÓN
OSMÓTICA DE LA SOLUCIÓN. ........................................................................................................ 37
FIGURA 8. COMPONENTES Y CONEXIONADO DEL SISTEMA. RECUPERADO DEL SITIO WEB DE STATKRAFT [45] . 40
FIGURA 9. DISEÑO ESQUEMÁTICO DE LA PLANTA PROTOTIPO CONSTRUIDA EN TOFTE. ELABORACIÓN BASADA
EN EL DIAGRAMA QUE APARECE EN EL DOCUMENTO PRESSURE RETARDED OSMOSIS: FROM THE VISION OF
SIDNEY LOEB TO THE fiRST EXPERIMENTAL INSTALLATION [3] ............................................................... 41
FIGURA 10. A) PRE-TRATAMIENTO DE AGUA DULCE, B) PRE-TRATAMIENTO DE AGUA SALADA, C) MEMBRANAS,
D) TUBERÍAS Y VÁLVULAS, E) INTERCAMBIADORES DE PRESIÓN Y F) TURBINA. IMÁGENES TOMADAS DE
LA CUENTA EN FLICKR (FLICKR.COM) DE STATKRAFT [46] ............................................................... 43
FIGURA 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LOS FLUJOS DEL SISTEMA. AUTOR ................................................. 44
FIGURA 12. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LAS PRESIONES DEL SISTEMA. AUTOR ............................................ 46
FIGURA 13. MAPA DE LOS ECOSISTEMAS COSTEROS Y MARINOS DE PIZARRO. ELABORACIÓN HECHA CON BASE A
INFORMACIÓN DE IGAC, ESCALA 1:500.000 [55]. ........................................................................... 60
FIGURA 14. CURVA DE CARGA PROMEDIO DIARIA MENSUAL EN DICIEMBRE DE 2014. [38] .......................... 73
FIGURA 15. ROLLO DE MEMBRANA [62] .................................................................................................. 78
FIGURA 16. DESCRIPCIÓN DE LOS FLUJOS EN LA MEMBRANA. ELABORACIÓN BASADA EN: SPIRAL WOUND
MEMBRANE MODULE DISPONIBLE LIBREMENTE BAJO LICENCIA DE CREATIVE COMMONS [60] ................ 79
FIGURA 17. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA MEMBRANA. AUTOR ................................................................ 79
FIGURA 18. DIMENSIONES EN MILÍMETROS DE LA MEMBRANA. ELABORACIÓN BASADA EN: SPIRAL WOUND
MEMBRANE MODULE DISPONIBLE LIBREMENTE BAJO LICENCIA DE CREATIVE COMMONS [60] ................ 80
FIGURA 19. CONEXIÓN EN PARALELO DE MÓDULOS DE MEMBRANA. LA FOTOGRAFÍA ES UN RECORTE DE LA
IMAGEN ORIGINAL TOMADA DE LA CUENTA EN FLICKR (FLICKR.COM) DE STATKRAFT [46] .................. 81
FIGURA 20. COMPARATIVA DEL COSTO DE GENERAR ENERGÍA CON LAS DISTINTAS ALTERNATIVAS [65] ........ 83
FIGURA 21. INGRESOS EN FUNCIÓN DE PRECIO DEL KILOVATIO HORA PARA UNA EFICIENCIA DE 5W/M2. ......... 85
125
FIGURA 22. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE MEMBRANA A PARTIR DE UNA DEMANDA ESPECÍFICA, Y
OBTENCIÓN DE LA POTENCIA FINAL GENERADA. AUTOR ................................................................... 93
FIGURA 23. CÁLCULO DEL CAUDAL DE OPERACIÓN DE AGUA DULCE EN UNA PLANTA DE ENERGÍA OSMÓTICA
[54]. ........................................................................................................................................... 95
FIGURA 24. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL AGUA SALOBRE QUE VA A LA TURBINA.
AUTOR ....................................................................................................................................... 98
FIGURA 25. ENVOLVENTE OPERATIVA DE 3 TIPOS DE TURBINAS. ELABORACIÓN CON BASE EN GUIDE ON HOW TO
DEVELOP A SMALL HYDROPOWER PLANT [48]. .................................................................................. 99
FIGURA 26. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO QUE MUESTRA EL APROVECHAMIENTO DE LA PRESIÓN OSMÓTICA PARA
PRODUCIR ENERGÍA HIDRÁULICA QUE ACCIONA UNA TURBINA Y GENERADOR. [110] ........................... XIV
FIGURA 27. UBICACIÓN DE LAS PLANTAS DE OSMOSIS INVERSA EN LA GUAJIRA, COLOMBIA. FUENTE [114] .. XX
FIGURA 28. INTERCAMBIADOR DE PRESIÓN, SERIES Q Y S........................................................................ XXIV
126
18 LISTA DE TABLAS
TABLA 1. VARIACIÓN DE LA SALINIDAD EN EL MUNDO. S. MONTES [18] ..................................................... 20
TABLA 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA DE MAR. S. MONTES [18] ....................................................... 20
TABLA 3. TIPOS DE AGUA EN FUNCIÓN DE SU SALINIDAD (EN TDS). S. MONTES [18] ................................... 21
TABLA 4. LISTADO DE CARES DE LOS DEPARTAMENTOS PERTENECIENTES AL PACÍFICO COLOMBIANO. AUTOR
.................................................................................................................................................. 27
TABLA 5. MUNICIPIOS COSTEROS EN ZNI. AUTOR .................................................................................... 28
TABLA 6. POT’S Y EOT’S TOMADOS DE CADA UNA DE LAS PÁGINAS WEB DE LAS ALCALDÍAS DE CADA
MUNICIPIO. RECOPILACIÓN DEL AUTOR AGOSTO DE 2014. ............................................................... 29
TABLA 7. OFERTA ANUAL EN MILLONES DE METROS CÚBICOS. ELABORACIÓN A PARTIR DEL EOT. ................ 58
TABLA 8. CAUDALES MÍNIMOS, MEDIO Y MÁXIMO DEL RÍO BAUDÓ. ........................................................... 59
TABLA 9. PLAN DE MANEJO AMBIENTAL EN ASPECTOS ABIÓTICOS. ............................................................. 70
TABLA 10. PLAN DE MANEJO AMBIENTAL EN ASPECTOS BIÓTICOS. ............................................................. 71
TABLA 11. PLAN DE MANEJO AMBIENTAL EN ASPECTOS SOCIOECONÓMICOS. ............................................ 71
TABLA 12. CUADRO DE CARGAS DE PIZARRO. AUTOR ............................................................................... 74
TABLA 13. DEMANDA ENERGÉTICA POR HABITANTES ............................................................................... 75
TABLA 14. COMPARACIÓN DE LA ENERGÍA OSMÓTICA ENTRE LAS PRINCIPALES ALTERNATIVAS RENOVABLES.
[9] .............................................................................................................................................. 77
TABLA 15. EVALUACIÓN DE LA PRE-FACTIBILIDAD. AUTOR ...................................................................... 92
TABLA 16. COMPARACIÓN ENTRE LAS TURBINAS PELTON Y FRANCIS. ...................................................... 100
TABLA 17. CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA DE ENERGÍA OSMÓTICA PARA EL CASO DE ESTUDIO EN PIZARRO.
................................................................................................................................................ 105
TABLA 18. IMPACTOS DURANTE LA CONSTRUCCIÓN .................................................................................. XII
TABLA 19. IMPACTOS DURANTE LA EXPLOTACIÓN.................................................................................... XIII
i
ANEXOS
Anexo 1. Definiciones
Anexo 2. Glosario
Anexo 3. Tabla de impactos durante la construcción
Anexo 4. Tabla de impactos durante la explotación
Anexo 5. Diagrama esquemático de R.S. Norman
Anexo 6. Altura teórica alcanzada por la presión osmótica
Anexo 7. Usos de la ósmosis
Anexo 8. Fuentes de información oficial
Anexo 9. Fuentes de internet útiles para la elaboración de los estudios
Anexo 10. Intercambiador de presión
ii
Anexo 1. Definiciones
Para la interpretación de metodología se deben tener en cuenta las definiciones de los
siguientes conceptos:
Areniscas: O ‘psamita’ es una roca sedimentaria de tipo detrítico, de color variable, que
contiene clastos de tamaño arena. Tras las lutitas son las rocas sedimentarias más comunes
en la corteza terrestre.
Arrecifal: un conjunto de "arrecifes" -Arrecife, en terminología náutica, es una roca, banco
de arena, o cualquier otro elemento que yace 11 metros o menos bajo la superficie del agua
durante marea baja.
Basáltica, composición: El basalto es una roca ígnea volcánica de color oscuro, de
composición máfica, que constituye una de las rocas más abundantes en la corteza terrestre.
También se encuentra en las superficies de la Luna y de Marte, así como en algunos
meteoritos.
Bomba Booster: Tipo de bomba que se usa para aumentar la presión de un fluido,
generalmente agua. Es de uso común en las edificaciones de altura para llevar el agua hasta
lo más alto.
Calizas: También conocida como roca calcárea, es una roca sedimentaria compuesta
mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3), generalmente calcita, aunque
frecuentemente presenta trazas de magnesita (MgCO3) y otros carbonatos.
iii
Carga: En este contexto, se refiere a la sumatoria de los usuarios finales, expresados en
términos de KW.
Caudal de diseño, Qdis: El caudal de diseño, representa la capacidad a instalar en la
planta.
Caudal de operación, Qop: Caudal de operación de la planta.
Caudal del río, Qrío: Caudal total del río, en este caso del río Baudó.
Caudal mínimo, Qmín: El mínimo vital, se define como el caudal mínimo con el que el
río mantiene su estabilidad ecológica.
Caudal medio, Qmed: Es el promedio entre el caudal máximo y mínimo del río.
Caudal máximo, Qmáx: Es el caudal máximo del río.
Caudal turbinable: Es la cantidad en metros cuadrados de líquido que finalmente llegará a
la turbo máquina, también llamado agua salobre a la turbina o Aslt.
Chert: Es una roca sedimentaria de la clase conocida como rocas sedimentarias químicas.
Se compone de cuarzo microcristalino. La roca chert es muy dura y compacta.
Ceolitas: Las Zeolitas o Ceolitas son minerales aluminosilicatos microporosos que
destacan por su capacidad de hidratarse y deshidratarse reversiblemente.
iv
Clinopiroxeno: Subgrupo del Piroxeno que orman parte de muchas rocas ígneas y
metamórficas.1 Su nombre proviene de las palabas "piro" y "xeno" del griego antiguo que
significan "fuego" y "extraño".
Cretáceo: El Cretáceo o Cretácico es una era geológica que empezó hace unos 145 y duró
hasta 65 millones de años atrás. Este acontecimiento marca el fin de la Era Mesozoica. Al
final de esta era aparecen los mamíferos y las aves primitivas.
Demanda instantánea: Es igual a la suma de todas las cargas que van a ser energizadas,
que dependan de la planta de energía. Se da en KW.
Demanda de energía: Es una medida de la tasa promedio del consumo eléctrico,
contemplada entre los puntos terminales, y promediada para un periodo de tiempo
especificado. [59]
Densidad de potencia: [W/m2] Se refiere a la potencia en vatios que se obtiene por metro
cuadrado de membrana semipermeable.
Energía azul: Nombre popular por el cual se conoce a la osmosis por presión retardada o
PRO, por sus siglas en inglés Pressure Retarded Osmosis, que hace referencia a la
tecnología aquí explicada.
Energía Osmótica: En este trabajo se refiere a la energía eléctrica generada con la potencia
osmótica.
Energía útil: Es la energía que llega al usuario final, luego de los procesos de
transformación, trasporte y distribución, la cual debe estar dentro de los parámetros
establecidos por la CREG.
v
Estuario: Un estuario es la región donde desemboca un curso de agua de gran caudal en el
océano.
Estero: En este contexto se refiere a una extensión pantanosa de gran tamaño que suele
llenarse de agua por la lluvia o por desborde de un río o laguna durante las inundaciones.
Los hay de distintos tipos de salinidad en el Pacífico.
Feldespatos: Los feldespatos son un grupo de minerales tecto y aluminosilicatos que
corresponden en volumen a tanto como el 60 % de la corteza terrestre.
Ferromagnesianos: Son los minerales compuestos principalmente por hierro y magnesio.
Filtración: Proceso mediante el cual se remueve las partículas suspendidas y coloidales del
agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso.
Flujo permeado: Cantidad de agua dulce que pasa por la membrana al compartimento del
agua salada.
Flujo permeado total: Se refiere al flujo que permea en la totalidad de membranas de la
planta.
Flujo no permeado: Agua dulce que no permea al compartimento del agua salada de la
membrana y sale por ductos diseñados para que se evacue el líquido en exceso manteniendo
las condiciones de operación de la membrana y la planta.
Generador: Máquina encargada de convertir la energía mecánica de rotación en energía
eléctrica.
vi
Halofíticas: Son unas plantas que crecen de manera natural en áreas afectadas por salinidad
en las raíces de sal, como en los desiertos salinos, litorales.
Hojarasca, o “litter”: Capa de la superficie del suelo forestal formada por desechos
orgánicos inertes de trozos de plantas (por debajo de un cierto diámetro) como hojas,
corteza, ramillas, flores, frutos y otras sustancias vegetales, que han caído recientemente o
que están ligeramente descompuestas.
Hidrogeneración: Se le llama así a los tipos de generación que utilizan la fuerza hidráulica
para accionar el grupo turbina-generador.
Intercambiador de presión: Dispositivo que transforma la presión hidráulica de un fluido
a otro sin mezclarlos.
Lodo: Contenido de sólidos en suspensión o disolución que contiene el agua y que se
remueve durante los procesos de tratamiento.
Magnetitas: La magnetita (o piedra imán) es un mineral de hierro constituido por óxido
ferroso-diférrico (Fe3O4) que debe su nombre de la ciudad griega de Magnesia de Tesalia,
en la actual Prefectura de Magnesia.
Membrana: Es una lámina fina de material que actúa como un filtro muy específico que
dejará pasar unas sustancias (usualmente agua u otro líquido portante), mientras que retiene
otras, como sólidos suspendidos (sales) y otras materias.
Máximo aprovechable: Corresponde al caudal que se puede extraer de un río para que
para que no exista una afectación a la fauna acuática, y en general al medio ambiente.
vii
Mínimo vital: Caudal mínimo que debe conservar un río para que no se vea afectado el
ecosistema dependiente de él.
Módulos de membrana: Contenedores normalmente cilíndricos que portan las
membranas, diseñados mecánicamente para resistir presiones de trabajo y ser químicamente
resistentes a las aguas a tratar.
Nivel freático: El nivel freático corresponde al nivel superior de una capa freática o de un
acuífero en general. A menudo, en este nivel la presión de agua del acuífero es igual a la
presión atmosférica.
Ósmosis u ósmosis natural: Disolución de un solvente (normalmente agua) y un soluto
formado por uno o varios componentes químicos (sales) en disolución por medio de una
membrana semipermeable.
Ósmosis inversa: Fenómeno contrario a la ósmosis natural.
Plagioclasa: Conjunto de minerales que comprenden la serie albita-anortita, sección
triclínica del grupo de los feldespatos, perteneciente al grupo de los tectosilicatos, que es un
constituyente importante de muchas rocas.
Potencia hidráulica: Flujo obtenido del conexionado de membranas causado por la
potencia osmótica.
Presión hidrostática: Es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre
las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre
sumergido, como esta presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la
densidad (ρ), la gravedad (g) y la profundidad (h) del el lugar donde medimos la presión.
viii
Pre-tratamiento: Proceso previo que tiene como objetivo remover el material orgánico e
inorgánico flotante, suspendido o disuelto del agua antes del tratamiento final.
Potencia Osmótica: En este contexto se refiere a la presión hidrostática creada cuando el
agua fresca pasa a través de la membrana hacia el lado del agua salada.
Presión Osmótica: Presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de
disolvente a través de una membrana semipermeable.
Pérdidas de transmisión y distribución: Son todas aquellas perdidas de potencia
presentadas en las redes de transmisión y en la distribución, debidas a las condiciones
resistivas de éstas, generalmente asociadas a la distancia.
Potencia activa: Energía por unidad de tiempo.
Producción requerida: Se refiere a la energía que debe ser producida para satisfacer la
demanda de energía.
Roca volcánica: Las rocas volcánicas o extrusivas son aquellas rocas ígneas que se
formaron por el enfriamiento de lava en la superficie terrestre1 o de magma (masa de
materia fundida subterránea) a escasa profundidad.
Salinas: Son las minas de sal o las instalaciones donde, tras la evaporación del agua salada,
se obtiene y procesa la sal que luego se comercializa.
Sólidos disueltos: Mezcla de un sólido (soluto) en un líquido solvente en forma
homogénea.
ix
Sólidos suspendidos: Pequeñas partículas de sólidos dispersas en el agua; no disueltas.
Terciario: La Era Cenozoica o Cenozoico (antiguamente también Era Terciaria), una
división de la escala temporal geológica, es la era geológica que se inició hace unos 65,5
(más o menos 0,3) millones de años y que se extiende hasta la actualidad.
Unidades fisiográficas: Es el sistema empleado para la clasificación de las unidades
fisiográficas que comprende cuatro categorías básicas: Granpaisaje, Paisaje, Subpaisaje y
una categorización inferior al Subpaisaje.
x
Anexo 2. Glosario
ANLA: Autoridad Nacional de Licencias Ambientales
ANSI: American National Standards Institute
CAR: Corporación Autónoma Regional
CARES: Refiérase a las distintas Corporaciones Autónomas Regionales
CORMAGDALENA: Corporación Autónoma Regional del Alto de la Magdalena.
CODECHOCO: Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo Sostenible del Chocó
CREG: Comisión de Regulación de Energía y Gas
DANE: Departamento Nacional de Estadística
DIMAR: Dirección General Marítima
DNP: Departamento Nacional de Planeación
EIA: Environmental Impact Assessments
EOT: Esquema de Ordenamiento Territorial
ESP: Empresas de Servicio Público
ICANH: Instituto Colombiano de Antropología e Historia
ICONTEC: Instituto Colombiano de Normas Técnicas
IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales
IEC: International Electrotechnical Commission
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
IGAC: Instituto Geográfico Agustín Codazzi
IIAP: Investigaciones Ambientales del Pacífico
INVEMAR: Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras José Benito Vives de Andréis
xi
IPSE: Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No
Interconectadas
LA: Licencia Ambiental
MME: Ministerio de Minas y Energía
NTC: Norma Técnica Colombiana
PRO: Pressure Retarded Osmosis
POT: Plan de Ordenamiento Territorial
SGC: Servicio Geológico Colombiano, (anteriormente INGEOMINAS)
SIN: Sistema Interconectado Nacional
RETIE: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas
UPME: Unidad de Planeación Minero Energética
USGS: Science for a changing world
ZNI: Zonas No Interconectadas. Según la LEY 855 DE 2003, para todos los efectos
relacionados con la prestación del servicio público de energía eléctrica se entiende por
Zonas No Interconectadas a los municipios, corregimientos, localidades y caseríos no
conectadas al Sistema Interconectado Nacional, SIN.
xii
Anexo 3. Tabla de impactos durante la construcción
Tabla 18. Impactos durante la construcción
Acontecimiento Personas y cosas afectadas
Impacto Importancia
Estudios hidrológicos Animales acuáticos Alteración de hábitat baja
Estudios geológicos Animales salvajes Ruidos baja
Corte de vegetación existente
Selvicultura Alteración del hábitat media
Ampliación caminos Público general Creación de oportunidades, alteración del hábitat
media
Movimiento de tierras Geología local Estabilidad de taludes baja
Excavación de túneles Hidrogeología local Alteración de acuíferos baja
Construcción de terraplenes del canal
Vida acuática e hidrogeología local
Alteración de la hidráulica del río
media
Acumulación temporal de tierras
Geología local Estabilidad de taludes baja
Desplazamiento temporal de personas caminos, líneas eléctricas
Público general insignificante
Dragado de ríos Ecosistema acuático Alteración del hábitat media
Desvió temporal del río Ecosistema acuático Alteración del hábitat alta
Nueva desembocadura
de río en el mar
Ecosistema acuático
(marino) Alteración del hábitat alta
Uso de excavadoras, camiones, helicópteros, automóviles, blondines.
Animales salvajes, público en general
Ruidos alta
Presencia humana durante las obras
Animales salvajes, público en general
Ruidos baja
xiii
Anexo 4. Tabla de impactos durante la explotación
Tabla 19. Impactos durante la explotación
Acontecimiento Personas, cosas afectadas
Impacto Importancia
Producción de energía renovable
Público general Reducción de emisiones alta
Represado del río Público general Alteración del hábitat alta
Estructuras permanentes en el cauce del río
Ecosistema acuático Creación de oportunidades, alteración del hábitat
alta
Estructuras permanentes a la orilla del mar
Ecosistema acuático Creación de oportunidades, alteración del hábitat
alta
Estructuras permanentes a la orilla del mar
Ecosistema acuático Creación de oportunidades, alteración del hábitat
alta
Desviaciones del río Ecosistema acuático Alteración del hábitat alta
Canalización de agua de mar
Ecosistema acuático Alteración del hábitat alta
Tuberías forzadas Animales salvajes, público en general
Intrusión visual media
Nuevas líneas eléctricas Animales salvajes, público en general
Intrusión visual baja
Protección de terraplenes con piedras planas
Animales salvajes, público en general
Modificación del hábitat, Intrusión visual
baja
Diques Animales salvajes, público en general
Modificación del hábitat, Intrusión visual
baja
Modificación del caudal. Peces Alteración del hábitat alta
Modificación del caudal. Plantas Alteración del hábitat baja
Modificación del caudal. Público en general Alteración de las actividades de ocio
Ruidos del equipo electromecánico
Público en general Alteración de la calidad de vida
baja
Ruidos del parque de membranas
Público en general Alteración de la calidad de vida
baja
Limpieza del cauce del río Ecosistema acuático, Publico general
Mejora de la calidad del agua
alta
xiv
Anexo 5. Diagrama esquemático de R.S. Norman
El aprovechamiento de la energía osmótica puede representarse según el esquema de la
Figura 26 mostrado en la revista Science número 186 por R.S. Norman [110].
Figura 26. Diagrama esquemático que muestra el aprovechamiento de la presión osmótica para
producir energía hidráulica que acciona una turbina y generador. [110]
El agua de río permea a través de la membrana hacia el agua de mar, así se genera un
aumento de la presión a volumen constante y el agua en la recamara va subiendo a
determinada altura ganando energía potencial, que luego es liberada en forma de caída
hacia una turbina que a su vez está conectada a un generador. La bomba del esquema utiliza
una parte de la energía mecánica para bombear agua de mar y permitir que el sistema
funcione continuamente, el agua dulce que no se usa sale directamente al mar.
xv
Anexo 6. Altura teórica alcanzada por la presión osmótica
De acuerdo al esquema planteado por R.S Norman en 1974 (Figura 26) se fija una altura h
que corresponde a la altura que alcanzaría el agua salobre por la presión osmótica en un
esquema de este tipo. De modo que surge la necesidad de saber la altura que en teoría se
puede alcanzar con la presión osmótica.
Esto se puede comprobar igualando la presión hidrostática con la presión osmótica:
La presión hidrostática [106], como se ve en la ecuación (37) es:
𝑃ℎ = 𝑃𝑎 + 𝜌. 𝑔. ℎ (37)
Dónde:
Ph: Presión hidrostática en pascales [Pa]
Pa: Presión atmosférica [100KPa]
ρ: Densidad del líquido [1000Kg/m3]
g: gravedad [9,81 m/s2]
h: altura [m]
Y la presión osmótica, según el texto Reverse Osmosis, Industrial Applicacions and
processes [111] varía de 0,6 a 1,1 psi por cada 100 ppm del total de sólidos disueltos. Así,
para el agua de mar como la del Pacífico con 33.600 ppm (ver Tabla 1 donde se indican la
cantidad de sólidos disueltos en partes por millón) se tendrían cerca de 336 psi.
Estos 336 psi los convertimos a pascales [Pa], para poder igualar en la ecuación (37)
obteniendo así 2.316.639,06 Pa y la ecuación (38).
xvi
2316639,06𝑃𝑎 = 100000𝑃𝑎 + (1000𝑘𝑔
𝑚3) (9,81
𝑚
𝑠2) ∗ ℎ
(38)
Despejando h y operando unidades, se comprueba que la altura equivale a doscientos
veinticinco metros.
ℎ = 225,96 𝑚 (39)
En esta igualación no se tienen en cuenta los sólidos disueltos en el agua dulce, ya que se
suponen despreciables; por éste motivo se toma la densidad del líquido, en este caso agua
dulce, como 1000Kg/m3.
También se supone que los fluidos involucrados son incomprensibles, no hay variación de
la temperatura y tienen un movimiento unidireccional [47].
Por último, en este esquema se pierde potencial debido al aprovechamiento de parte de la
energía mecánica de rotación en el rodete, donde una polea conecta una bomba encargada
de inyectar agua salada a la membrana. Entonces el generador no aprovecha la totalidad de
la caída geodética.
xvii
Anexo 7. Usos de la ósmosis
El fenómeno de la ósmosis ocurre naturalmente en diversidad de situaciones donde un
líquido de menor concentración pasa a través de una membrana hacia un líquido de mayor
concentración, ocurre en procesos macroscópicos como en las raíces de las plantas y en
procesos microscópicos como en las células. Justamente, en la membrana celular de las
células ocurre el proceso de intercambio de concentración con el medio que las rodea, sea
absorbiendo líquidos o liberándolos, y esta peculiaridad sirve como analogía de las
funciones que se pueden realizar con una membrana artificial, los cuales se pueden
diferencian en dos clases: ósmosis directa e inversa.
La ósmosis directa, natural, o simplemente ósmosis, no había tenido usos o aplicaciones
más allá del laboratorio y la industria alimenticia, donde se utiliza para la hidratación de
orgánicos, entre otros a pequeña escala y, actualmente, el único uso a nivel industrial de la
osmosis directa es la generación de energía eléctrica mediante PRO (pressure retarded
osmosis), ya que generar implica usar varios metros cuadrados de membrana
semipermeable que operan con gran cantidad de agua dulce y salada, en alta presión (hasta
1,25MPa) y de manera continua.
Por otra parte, el uso de la ósmosis inversa sí tiene usos a nivel de industria, el caso más
relevante es la desalinización de agua de mar.
Aplicaciones de la ósmosis directa
La ósmosis directa, además de ser un proceso fundamental para la vida en la tierra, ha sido
adoptada para los siguientes procesos en beneficio del hombre:
1. Hidratación de alimentos
xviii
2. Re mineralización de aguas
3. Generación de energía eléctrica por hidro-energía y por electrodiálisis
Lo cual representa un campo limitado, cuyo desarrollo potencial se percibe en la generación
de electricidad.
Aplicaciones de la ósmosis inversa
La ósmosis inversa viene siendo usada desde hace varios años en distintas aplicaciones de
la industria, el comercio, usos medicinales e incluso para uso residencial como sistema de
purificación de agua, donde se popularizó el uso de una membrana para uso residencial que,
según fabricantes como Lenntech, lleven cualquier fuente natural de agua como por
ejemplo agua subterránea, lagos y ríos (agua superficial) o agua de mar a niveles adecuados
para el consumo humano.
En la industria, y en general para la mayoría de los usos, se habla de la osmosis inversa
como dice [4] y [112] que es el proceso contario a la ósmosis natural [3].
La osmosis inversa se aplica en un campo muy vasto, y entre sus diversos usos podemos
mencionar:
1. Desalinización de agua de mar y agua salobre para su uso potable. Esto es muy
común en las zonas costeras y en el Oriente Medio, donde el suministro de agua
dulce es escaso.
2. Abastecimiento de aguas para usos industriales.
3. Tratamiento de efluentes municipales e industriales para el control de la
contaminación y/o recuperación de compuestos valiosos reutilizables.
xix
4. Tratamiento de residuos para la recuperación de materiales de proceso tales como
metales para las industrias de acabado de metales, y colorantes utilizados en la
fabricación de textiles.
5. Generación de agua para bebidas (jugos de frutas, agua embotellada, cerveza).
6. Elaboración de productos lácteos.
7. Concentración de edulcorantes de maíz.
8. En la industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de virus, y
generación de agua de gran pureza para los productos farmacéuticos.
9. Las máquinas de diálisis usan la ósmosis para purificar la sangre.
10. Generación de agua ultra pura para la industria microelectrónica.
11. En la industria aeroespacial para la reutilización de líquidos, algo esencial para la
realización de viajes al espacio exterior.
Para profundizar sobre los usos de la ósmosis inversa vale la pena revisar el texto Reverse
Osmosis Design, Processes, and Applications for Engineers de Jane Kucera [4].
Las plantas des-saladoras tienen como producto agua apta para el uso humano y como
residuo aguas con elevadas concentraciones de sales, éstas aguas pueden ser aprovechadas
en una planta de energía osmótica para generar energía, donde según las declaraciones de
Elimelech y Chang Kim [113] estas plantas de potabilización serían ubicaciones potenciales.
A continuación se muestra los lugares en Colombia donde se potabiliza agua de mar
mediante la tecnología de ósmosis inversa.
Potabilización de agua de mar en Colombia
En Colombia se emplea la ósmosis inversa para potabilizar agua de mar en los municipios
de: Uribia, Manaure, La Paz, Manaure, Musichi y Paryen, Cabo de la Vela, Ischipa,
Kaswuarin (Planta del parque eólico de Jepirachi-EPPMM), Nazareth, Los Cocos, Punta
xx
Espada, El Pajaro y Siapana, en la Guajira y Boca Tocino en el Atlántico. Según [114]. La
Figura 27 muestra la ubicación geográfica de los municipios donde hay plantas de osmosis
inversa.
Figura 27. Ubicación de las plantas de Osmosis Inversa en la Guajira, Colombia. Fuente [114]
En Colombia no se registra el uso de la ósmosis directa para la generación de energía, pero
tampoco en Sur y Norte América, de hecho el único lugar del mundo donde se ha
implementado este uso en específico es en Tofte, Noruega.
xxi
Anexo 8. Fuentes de información oficial
Medio Abiótico
Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC
Dirección General Marítima, DIMAR
Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo Sostenible del Chocó
(CODECHOCO), el Esquema de Ordenamiento Territorial de Bajo Baudó
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia,
IDEAM
Departamento Administrativo Nacional de Estadística, DANE
Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras José Benito Vives de Andréis,
INVEMAR
Servicio Geológico Colombiano, SGC, (anteriormente INGEOMINAS)
Autoridad Nacional de Licencias Ambientales, ANLA
Medio Biótico
Instituto Geográfico Agustín Codazzi, IGAC
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia,
IDEAM
Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo Sostenible del Chocó
(CODECHOCO), el Esquema de Ordenamiento Territorial de Bajo Baudó
Instituto Alexander von Humboldt
Instituto de Investigaciones Ambientales del Pacífico John von Neumann
Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras José Benito Vives de Andréis,
INVEMAR
xxii
Autoridad Nacional de Licencias Ambientales, ANLA
Medio Socioeconómico
Departamento Administrativo Nacional de Estadística, DANE
Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo Sostenible del Chocó
(CODECHOCO), el Esquema de Ordenamiento Territorial de Bajo Baudó
Ministerio de Agricultura
Corporación Autónoma Regional para el Desarrollo Sostenible del Chocó
(CODECHOCO), el Perfil productivo del municipio Bajo Baudó
xxiii
Anexo 9. Fuentes de internet útiles para la elaboración de los estudios
A continuación se presenta algunas de las fuentes de Internet sugeridas en la Metodología
General para la presentación de Estudios Ambientales de la ANLA, recuperadas en 2010 y
revisadas en 2014.
http://www.ideam.gov.co/
http://www.humboldt.org.co/
http://www.dimar.mil.co
http://www.dnp.gov.co/
http://www.mintransporte.gov.co
http://www.minminas.gov.co/
http://www.mincultura.gov.co/
http://www.mininteriorjusticia.gov.co
http://www.dane.gov.co/
http://www.igac.gov.co:8080/
http://www.ingeominas.gov.co/
http://www.invemar.org.co
http://ioc.unesco.org/glodir/
http://www.unesco.org/science/life/life1/cen.htm
http://search.usgs.gov/nbii/
http://water.usgs.gov/
xxiv
Anexo 10. Intercambiador de presión.
Figura 28. Intercambiador de presión, series Q y S.