Central

741 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
741
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
48
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Central

  1. 1. Micro CentralesHidroeléctricas Ing. Daniel Muguerza
  2. 2. ÍndiceCapítulo 1: Introducción 4Capítulo 2: Evaluación de los Requerimientos Energéticos2.1. Introducción. 72.2. Destinos (usos) y Destinatarios (Sectores y Usuarios) 82.3. Un estudio de caso 82.3.1. En relación con los requerimientos de electricidad 92.3.2. En relación con la capacidad de pago 112.4. Generalizando el Análisis sobre requerimientos y capacidad de pago 132.5. La demanda de capacidad en la MCH 14Capítulo 3: Evaluación del Recurso Hídrico3.1. Las herramientas del Planificador 163.2. Análisis Regional. Indicadores de Calidad de Cuenca 163.3. Potencial Hidroeléctrico Teórico Bruto (P.H.T.B.). 173.4. Densidad del P.H.T.B. 193.5. Potencial Hidroeléctrico Técnico Aprovechable (P.H.T.A.) 193.6. Potencial Hidroeléctrico Técnico Aprovechable a escala de microgeneración (P.H.T.A.m.) 203.7. Métodos Para Evaluar el Potencial de un Emplazamiento 213.7.1. Selección de las Cuencas de Interés 213.7.2. Preselección de Emplazamientos en Gabinete 213.7.3. Verificación y ajuste con estudios de campo. 223.8. Ajuste de la Oferta - Demanda. Caudal y Altura de Diseño. 25Capítulo 4: Tecnología de conversión mediante MCH4.1. Compromiso costo / calidad / sustentabilidad 274.2. Descripción de los componentes tecnológicos de una MCH 284.3. Características particulares de la tecnología de MCH 294.4. Obras de captación 294.4.1 Consideraciones generales 294.4.2. Toma de Agua sin Obra de Cierre 314.4.3. Tomas de Agua con Obra de Cierre 314.5. Obras de Conducción 344.5.1. Canales 354.5.2. Cámara de carga 364.5.3. Tuberías de presión 374.6. La Microcentral 394.6.1. Conversión Hidromecánica 404.6.2. Acoplamiento y Multiplicación de la Velocidad 534.6.3. Generación de Electricidad 544.6.4. La regulación de Tensión y Frecuencia 594.7. Obras de Distribución Eléctrica 64Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 2 de 81
  3. 3. Capítulo 5: Evaluación Económica de las MCH5.1. Criterio para la Evaluación de Proyectos con MCH’s 665.2. Los Costos de Capacidad (Potencia) y de Energía 675.3. RETAIN Un caso de Evaluación Económica 685.4. Costo de Inversión de las MCH´s (Misiones – Argentina) 71Capítulo 6: Consideraciones Generales sobre Difusión de MCH6.1. Aspectos Institucionales. 736.2. Aspectos Ambientales. 786.2.1. Efectos Ambientales que deben controlarse en el diseño y construcción de las MCH. 786.2.2. Efectos Ambientales que deben controlarse en la Operación y Mantenimiento de las MCH. 80Bibliografía 81Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 3 de 81
  4. 4. Capítulo 1: IntroducciónEl aprovechamiento del recurso hídrico para la generación de energía comenzóen tiempos antiguos con el uso de ruedas hidráulicas muy rudimentarias peroque permitían la producción de fuerza motriz para aliviar el trabajo manual delhombre.Ruedas hidráulicas mas evolucionadas acompañaron el nacimiento de la eraindustrial, aun antes de la llegada del motor a vapor. La revolución industrialcon su fuerte demanda energética movilizó el desarrollo tecnológico de losprocesos de conversión de energía y la rueda hidráulica fue superada por laturbina a partir del inicio del siglo XIX.Fuerza motriz primero y energía eléctrica después fueron los productosenergéticos, con que el recurso hídrico contribuyó, y lo continúa haciendo en laactualidad, con el progreso económico y la mejora de la calidad de vida de lapoblación.El proceso de conversión del recurso hídrico más difundido en la actualidad esla producción de energía eléctrica.El desarrollo de la tecnología ha permitido alcanzar altísimos niveles deeficiencia en la conversión de la energía hidráulica en energía eléctrica asícomo la instalación de grandes módulos de producción eléctrica. Basta comoejemplo mencionar el caso de la central hidroeléctrica Itaipú cuya potenciainstalada de 12.600 MW es mayor que la demanda máxima del SistemaArgentino de Interconexión en 1999.Ahora bien, los sistemas eléctricos han evolucionado permanentemente hacianiveles crecientes de interconexión, primero regionales, luego nacionales yahora internacionales.Los módulos de potencia de los productores eléctricos que se vinculan a estossistemas interconectados son crecientes y las centrales térmicas hanincrementado fuertemente su participación en el parque de la generación,desplazando a las centrales hidráulicas de la oferta eléctrica (excepción hechade aquellos países como Brasil, que tienen un muy alto potencial hídrico y muyescasos recursos de origen fósil).Con excepción de Europa Occidental y EE.UU. con sus recursos hídricosaprovechables fuertemente explotados, el resto del mundo mantiene aungrandes reservas hidráulicas aprovechables.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 4 de 81
  5. 5. Potencial Hídrico Mundial Potencial Total Aprovechable 2212000 Asia 610000 América del Sur 430000 Regiones Africa 358000 América del Norte 356000 URSS 250000 Europa 163000 Oceanía 45000 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 MWNo obstante, si la oferta hidráulica debe integrarse en sistemas eléctricos queoperan grandes módulos de potencia, debemos preguntarnos ¿que papel cabea la generación hidráulica de pequeña escala?.Para responder a esta pregunta debemos considerar la relación entre eldesarrollo de los sistemas eléctricos y la distribución de la población.Los sistemas eléctricos interconectados han resuelto el abastecimiento de loscentro urbanos y han penetrado parcialmente en las área rurales. Quedan aúngrandes áreas geográficas sin servicio eléctrico y la población rural que lashabita se encuentra mayoritariamente en situación precaria, con niveles deactividad económica de subsistencia y altos índices de necesidades socialesbásicas insatisfechas.Es decir que existe una relación directa entre los condiciones socioeconómicasde esta población y la ausencia de una demanda que se exprese en términosde mercado para promover su abastecimiento.América Latina, Asia y Africa concentran esta población sin servicio eléctrico.De los 6.000 millones de habitantes que poblaban el planeta al finalizar el sigloXX, había 2.000 millones, que no contaban con servicio eléctrico. Hoy en díalas proporciones son semejantes, con una leve tendencia a agravarse.Si ésta es la cruda realidad de fin de siglo, es mas grave aún la perspectivafutura. Para el año 2020 cuando la población mundial se acerque a los 9.000millones, si los gobiernos no toman acciones para corregir lo que el mercado noresolverá, se estima que la población sin servicio eléctrico crecerá a 4.000millones.Estas áreas rurales con pobladores alejados de las redes de distribución, conrequerimientos energéticos insatisfechos, constituyen el ámbito principal dondeDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 5 de 81
  6. 6. la pequeña hidrogeneración eléctrica encuentra su aplicación potencial, entanto se cuente con recursos hídricos locales suficientes.Si bien éste es el ámbito principal donde las MCH’s tienen un rol asegurado, noes el único y excluyente. Factores técnicos y ambientales le asignan a estatecnología otros campos de aplicación complementarios, a los que nosreferiremos en la última parte de este texto.Focalizado de esta manera el principal ámbito de aplicación de esta tecnología,el desarrollo del tema estará estrechamente vinculado con el mismo.En el segundo capítulo discutiremos la forma en que se determinan losrequerimientos energéticos de la población rural y la capacidad y disposición alpago asociados a dichos requerimientos.En el tercer capítulo trataremos de como evaluar el potencial hidráulico de unaregión y los indicadores de calidad hídrica que nos permitirán seleccionarzonas de interés para satisfacer el abastecimiento con esta fuente energética.En el mismo capítulo analizamos como evaluar el potencial hidráulicoaprovechable en un emplazamiento determinado.En el cuarto capítulo haremos una descripción de los componentestecnológicos de una Micro Central Hidroeléctrica, con particular énfasis enaquellos en que la tecnología es menos conocida.En el quinto capítulo abordaremos el análisis económico, tipificando costos deinversión y de operación y mantenimiento, analizando el precio de la energíaresultante y su sensibilidad frente a la variación de los factores que lo afectan.Se prestara especial atención a la evaluación social de proyectos y a criteriosde eficiencia económica por tratarse de un marco de decisiones de inversionespublicas.En el sexto y ultimo capítulo describiremos los impactos ambientales de latecnología y las medidas de mitigación asociadas y algunas consideraciones deorden legal e institucional vinculadas a la difusión de la misma.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 6 de 81
  7. 7. Capítulo 2: Evaluación de los Requerimientos Energéticos2.1. Introducción.El tratamiento de los aspectos sociales y económicos de la difusión de nuevasfuentes y de tecnologías energéticas alternativas como las MCH debe apoyarseen un tratamiento metodológico, que asegure la confiabilidad en los resultadosde los estudios que fundamentarán las inversionesEl método debe contemplar aspectos tales como: Considerar la escala del requerimiento y el contexto socioeconómico donde se incorpora el esquema de abastecimiento del estudio. Esto implica considerar al planeamiento energético como parte integral de la estrategia de desarrollo de una región determinada. Analizar, en dicho contexto, los requerimientos de energía del poblador rural por medios analíticos para determinar los niveles de consumo por usos, así como las fuentes utilizadas para abastecerlo. Permitir el análisis y la comparación desde el punto de vista económico de todas las soluciones técnicas de abastecimiento disponible, tanto en escala micro como macroeconómica. De tal manera ya sea que se trate de proyectos de decisión privada o de interés público, el decisor tendrá suficientes elementos de juicio para adoptar la solución que mejor convenga a sus objetivos. En este marco el recurso hídrico y la tecnología de las MCH’s será una alternativa más, que deberá demostrar su competitividad frente a las fuentes / tecnologías que, en la región plan, estén disponibles para abastecer los requerimientos de electricidad de la población.2.2. Destinos (usos) y Destinatarios (Sectores y Usuarios)Algunos criterios útiles para determinar los requerimientos de energía eléctrica,que deberán ser satisfechos por una MCH, se describen a continuación: La elección del método de relevamiento de información debe tener en cuenta los resultados del análisis socioeconómico de la región y la inserción del sector energético en el desarrollo regional, a los efectos de determinar: a) el universo objeto de investigación, b) el tipo de información que se necesita relevar. Dado que la demanda de energía eléctrica en las áreas rurales se caracteriza por su baja densidad y su dispersión, resulta necesario evitar un tratamiento individual de cada usuario potencial. Para ello será útil definir rangos de requerimientos de energía e incorporar a los mismos las unidades de demanda identificadas. Esto implica el tratamiento de las unidades agrupadas en módulos homogéneos (Ej. Por niveles de ingreso o calidad de vivienda).Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 7 de 81
  8. 8. Los métodos de proyección de demanda basados en información histórica de consumo no son aplicables a este tipo de regiones, por lo general no se registran datos para la identificación de los consumos (fuentes no comerciales, usos, tipo de equipamiento, energía útil). La proyección se basa, entonces, en la simulación de los comportamientos de cada modulo homogéneo en el que se ha desagregado al sector rural, principalmente en cuanto a la posibilidad de satisfacer determinados usos. La determinación de los requerimientos de energía por fuentes y usos de los módulos homogéneos, se realizará mediante encuesta. La información relevada debe determinar la estructura actual por fuentes y usos de las necesidades de energía final y útil, las posibilidades de sustitución de otras fuentes por la electricidad y la incorporación de equipamiento doméstico y productivo dentro del período de estudio, así como la capacidad de pago de los potenciales usuarios y su actitud hacia la electricidad (disposición al pago). Como resultado de esta evaluación deben identificarse para cada modulo homogéneo: La evolución esperada del consumo de energía eléctrica para el periodo de estudio. La curva de demanda de potencia eléctrica para los usuarios individuales o agrupados en un pequeños sistemas en el año horizonte del estudio. La parte de sus excedentes económicos que los potenciales usuarios están dispuestos a aplicar al pago del servicio eléctrico.2.3 Un estudio de casoA fines de los 80’, en el marco de una red internacional de centros deinvestigación sobre fuentes renovables de energía, se desarrollo el proyectoRETAIN (Rural Energy Technology Assessment and Innovation Network). EnArgentina, el trabajo se centró, en general, en la formulación de un método deevaluación para la toma de decisiones de inversión para el abastecimientoeléctrico en áreas rurales dispersas y en particular, en el estudio de la difusiónde Micro Centrales Hidroeléctricas. (ver referencias bibliográficas)Para ambos estudios se tomó como caso de análisis a la provincia de Misiones,ya que presentaba un alto grado de ruralidad en su población y un bajo gradode electrificación, a la vez que dispone de un alto potencial del recurso hídrico.Las encuestas realizadas sobre la población rural (electrificada y noelectrificada) en la provincia de Misiones (Argentina), permite mostrar que losniveles de requerimientos son diferenciados según la situaciónsocioeconómicos del productor. Por ello el estudio consideró tres móduloshomogéneos denominados A, B y C con requerimientos decrecientes.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 8 de 81
  9. 9. Los módulos A, B y C fueron definidos de acuerdo con características de lavivienda rural. Por un lado calidad y tamaño de vivienda se asocia directamentecon niveles de requerimientos de electricidad para usos domésticos que semantienen dentro de rangos de baja dispersión si el módulo homogéneo(tipificación de los indicadores de la vivienda) está correctamente definido. Porotro lado la información sobre viviendas disponible en el censo nacional depoblación y vivienda permitía expandir los resultados del estudio sobremuestras encuestadas de los módulos A, B y C, a toda la población del áreabajo análisis.Los principales resultados derivados de las encuestas se resumen acontinuación:2.3.1. En relación con los requerimientos de electricidad Los datos obtenidos en Misiones brindan la imagen de una estructura socialmente diferenciada con una fuerte base en la agricultura familiar. Es notable el contraste entre la población no electrificada y los usuarios del sistema rural abastecido por redes. En todos los indicadores, los pobladores sin servicio eléctrico aparecen, consistentemente en una situación desfavorable. En cuanto a los usuarios de Micro Centrales Hidroeléctricas, tienden a aparecer en una situación intermedia, con lo que es posible interpretar que esos emprendimientos han permitido el acceso a la energía eléctrica, a sectores sociales que difícilmente pudieran haberlo hecho bajo la modalidad centralizada. Los usos de la energía eléctrica son básicamente domésticos y salvo que se provoque un impulso exógeno, no cabe esperar que los usuarios vayan a utilizar la electricidad para fines directamente productivos en escala significativa. En el caso en estudio, el análisis del contexto socioeconómico, permitía inferir la ausencia de usos productivos de la electricidad en las unidades familiares rurales (viviendas). El tipo de producción agrícola (forestación, yerba mate, té, tabaco) no requiere procesamiento en la unidad de producción agrícola, sino que lo hace en establecimientos (secaderos, aserraderos, etc.) que concentran producción de áreas geográficas importantes y que usualmente están abastecidos por redes. A nivel de las unidades domésticas rurales alimentadas por redes, los usos productivos detectados, fueron para el bombeo de agua (riego de almácigos y viveros) y para mantenimiento de equipos y maquinaria agrícola (soldaduras, sierras eléctricas, esmeril, etc.). No obstante, la presencia de ambos usos no superaba el 15% de los casos encuestados. El análisis de los usos domésticos de la electricidad para las viviendas de tipo A y B (alta y media calidad relativa) se realizó mediante encuestas a los pobladores rurales electrificados por redes. La casi totalidad de los mismos quedan incluidos en estos tipos de viviendas. En tanto los no electrificadosDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 9 de 81
  10. 10. se concentran en viviendas tipo B y C (media y baja calidad relativa). De esta forma se pudo conformar una base de análisis para el estudio de sustitución de otras fuentes energéticas por la electricidad de las unidades tipo A y B, cuantificar las necesidades de potencia y energía, definir los usos finales de la electricidad detectados en el estudio y su penetración para unidades domesticas que, en promedio, habían sido conectadas a la red entre 4 y 5 años antes de la encuesta. Usos de la Tipo de Vivienda Valor índice de B Electricidad para A=1 A BCalentamiento del 20.0 8.1 0.40 AguaCalefacción 13.3 0.0 00.0 Conservación de 93.3 70.3 0.75 alimentosAcondicionamiento 48.3 21.6 0.45de Aire (ventilador)Bombeo de Agua 66.7 10.8 0.16Iluminación 100.0 100.0 1.00 T. V. 93.3 91.9 0.98 Plancha 98.3 73.0 0.78 Lavarropa 60.0 43.2 0.72 Las modalidades de consumo de la electricidad en las unidades domesticas encuestadas, permitió analizar la forma de la curva de carga, (horarios de uso de plancha, lavarropa, agua caliente, etc.). Mediante el resultado de las encuestas a los usuarios electrificados, en el caso de viviendas A y B, y del análisis de las relaciones entre fuentes energéticas y usos finales de la energía en el caso de las viviendas tipo C, fue posible proyectar para un horizonte de consolidación de 10 años, los requerimientos de energía y de potencia de los tres niveles de vivienda, los que se muestran en el cuadro siguiente.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 10 de 81
  11. 11. Requerimientos de Energía y de Potencias Proyectados Requerimientos Indice de condiciones habitacionales Viviendas A Viviendas B Viviendas CEnergía (kWh-año) 1278 764 450Potencia (Watts) 1760 1320 881Fuente: RETAIN La conclusión en relación con los requerimientos de energía eléctrica de los pobladores rurales del área en estudio fue que: lo reciente de la electrificación rural, unido al bajo nivel económico de gran parte de las unidades domésticas y al escaso desarrollo de los usos productivos, hacen que las necesidades de electricidad de los pobladores del área de resuelvan en bajos niveles de consumo y usos predominantemente domestico con un muy bajo factor de carga de las instalaciones dedicadas a abastecerlos.2.3.2 En relación con la capacidad de pago En el estudio la capacidad de pago se definió, como la parte de los excedentes monetarios que el productor esta dispuesto a invertir para disponer de Energía Eléctrica, en el marco del conjunto de prioridades productivas y de confort en que vive. Mediante encuestas al poblador rural no electrificado se midió, en forma cuantitativa, su capacidad de ahorro (excedente monetario total) y en forma cualitativa, su disposición a la electrificación (expresada en el nivel de interés). Los resultados alcanzados se demuestran en el cuadro siguiente.Grados de Interés Excedentes monetarios Total Menos de Más de 30 U$S/mes 30 U$S/mesEscaso 22 % 25 % 47 %Cierto 9% 44 % 53 %Total de casos 31 % 69 % 100 %Fuente: RETAIN Estos datos permitieron, en el caso de Misiones, extraer las siguientes conclusiones:Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 11 de 81
  12. 12. No más del 80% de la población no electrificada, reúne condiciones básicas que combinen interés y/o excedentes económicos para incorporarse al plan de electrificación. De la población que reúne estas condiciones aproximadamente un 30% dispone de excedentes pero requiere una motivación o en su defecto puede esperarse que se conecte al sistema luego de conocer, a través de sus vecinos, sobre los beneficios de la energía eléctrica. El 70% restante tiene interés en la electrificación y en su gran mayoría están dispuestos a contribuir con dinero o bien con trabajo personal o productos agrícolas. Para la ejecución de las obras. Las prioridades de asignación del excedente monetario del poblador rural, así como los compromiso que tiene asumido en el momento de la electrificación restringen los importes que pueden destinar a financiar su suministro eléctrico. En el caso de Misiones el resultado de las encuestas mostró como razonable fijar cuotas del orden del 25% del valor de la mediana de los valores de los excedentes monetarios correspondientes a cada categoría habitacional, resultando valores de cuota de 10 U$S por mes para las viviendas C y 20 U$S por mes para vivienda B y A. No obstante los datos relevados en la encuesta muestran un elevado grado de dispersión. Existe, sin embargo, un piso mínimo de contribución del poblador rural para su electrificación, que corresponde a las economías de sustitución de las unidades domésticas. Estas economías de sustitución corresponden a usos actuales, abastecidos por otras fuentes o tecnologías que serán luego reemplazados a partir de la conexión eléctrica. Estas economías corresponden al consumo de kerosene y/o gas licuado para la iluminación y conservación de los alimentos y a pilas o baterías para comunicación (radios y TV). De acuerdo a los datos relevados y procesados, la contribución de las unidades domésticas al pago del servicio eléctrico se estimó según los siguientes valores: CAPACIDAD DE PAGO CATEGORÍA NADA CUOTA 1 CUOTA2 HABITACIONAL U$S 10/mes U$S 20/mes AyB 10% 26% 64% C 14% 54% 32%Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 12 de 81
  13. 13. 2.4 Generalizando el Análisis sobre requerimientos y capacidad de pago Los patrones de requerimientos y de capacidad de pago de la población rural de Misiones no electrificada (relacionadas con las viviendas tipo C en el estudio del caso), podemos considerarlos representativos de la población rural alejada de las redes del Norte Argentino. Los resultados obtenidos para Misiones no son distintos de los que se relevaron en el II° plan de electrificación rural que las Cooperativas Eléctricas llevaron adelante entre los años 1978 y 1981, con la asistencia financiera del BID. Tampoco se apartan de los valores que se presentan periódicamente en los trabajos publicados por la CLER (Conferencia Latinoamericana de Electrificación Rural). Podemos entonces afirmar que la electrificación de la población rural dispersa atiende en primer lugar a un concepto de calidad de vida y no de cambio en las tecnología de producción. Algunos usos productivos pueden ser incorporados directamente por los usuarios, como por ejemplo el caso del bombeo de agua para riego o para consumo animal, y otros usos productivos de mayor envergadura que impliquen el uso de fuerza motriz o conservación en frío para procesamiento de la producción del agricultor, podrían ser incorporados con impulsos exógenos a través de planes de desarrollo integrado para el sector rural. No obstante, en áreas con economías de subsistencia, con un alto índice de necesidades básicas insatisfechas, el uso de la electricidad estará prioritariamente orientado a satisfacer requerimientos domésticos y no productivos. No podemos dejar de señalar que en una familia rural es difícil separar entre los ámbitos de lo “económico” y lo “domestico” ya que ambos aspectos están fuertemente imbricados al coincidir esencialmente equipo de trabajo y grupo familiar, cualquier innovación que se produzca en uno de los ámbitos afectara necesariamente al otro. Así una reducción del tiempo necesario para realizar tareas domesticas permitirá mayor disponibilidad para realizar actividades productivas o bien un desplazamiento de actividades domésticas hacia la noche (con iluminación de mejor calidad) permitirá una mejor organización de las tareas productivas del grupo familiar. También la comunicación (TV) con los canales especializados en actividades rurales introduce información y conocimientos útiles para el mejoramiento de la producción. Los requerimientos domésticos se ubican en general en una franja entre 40 y 100 kWh/mes. Estos requerimientos atienden a la iluminación con tubos fluorescentes convencionales, la incorporación de la TV color, y distintos grados de penetración de la conservación de alimentos y del uso de electrodomésticos y de artefactos para calentamiento de agua.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 13 de 81
  14. 14. La característica del equipamiento electrodoméstico asociado a estos consumos puede exigir altos niveles de capacidad en la red y en la unidad de suministro. El factor de carga de las redes rurales que conectan unidades domésticas sin otro límite de capacidad que el transformador de bajada en la chacra (5kVA) se encuentra generalmente por debajo del 10% y disminuye aún más cuando los usos de la electricidad se concentran en iluminación y comunicaciones y en el uso de artefactos eléctricos de bajo costo y de uso estacional como calefones en línea (2000W) o estufas eléctricas de velas (1200W). Por consiguiente no pueden fijarse, en forma racional y económica, requerimientos de capacidad asociados a requerimientos de energía para la población rural si no se incorporan conceptos de gestión de demanda que permitan abastecer los mismos usos con el mínimo de capacidad requerida. Esto implica que un programa de abastecimiento rural de electricidad debe asignar esa cuota de potencia basada en equipamientos y formas de uso racional de la electricidad. Los limitadores de potencia en la acometida a las viviendas y la capacitación del usuario son los instrumentos más aptos para ajustar la demanda de capacidad sin restringir la satisfacción de los requerimientos de energía eléctrica. Bajo estos parámetros los requerimientos de capacidad asociados a los de energía antes indicados, se ubican en una franja entre los 800W y 1600W. En materia de capacidad de pago, existe un marcada dispersión, tanto intra muestra en el estudio de caso en Misiones como en la información relevada en otros estudios en la Argentina y en América Latina. Sin embargo esta dispersión se ubica en una banda que siempre mantiene como piso las economías de sustitución (en general por encima de los U$S 5 por mes) y como techo valores del orden de los 30 U$S por mes. 2.5 La demanda de capacidad en la MCH Los sistemas eléctricos se diseñan en función de la capacidad (potencia) máxima que deben abastecer, tanto para la unidad de generación como para el sistema de transporte y distribución de la electricidad. Los usuarios, como hemos analizado en los puntos anteriores expresan requerimientos de energía y de potencia útil, es decir asociada a los usos finales de la electricidad ya sean estos domésticos o productivos. Sin embargo en la cadena de producción distribución o uso de la electricidad existen pérdidas que deben ser suministradas por el generador en forma adicional a los requerimientos de energía útil del usuario. En cadenas complejas, estas perdidas pueden alcanzar un porcentaje muy significativo de la capacidad de la utilidad de producción de energía y debe ser adecuadamente consideradas para determinar la demanda de potencia de una MCH.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 14 de 81
  15. 15. A modo de ejemplo se muestran dos cadenas comparadas, una con suministro directo y otra con el mismo uso final pero con una cadena larga de conversiones eléctricas. Otro aspecto sustantivo que debe considerarse cuando la MCH atiende a un pequeño sistema aislado por redes, es el factor de simultaneidad. Este factor refleja el comportamiento aleatorio del uso del equipamiento eléctrico donde la demanda máxima simultanea de todos los usuarios siempre es menor que la suma algebraica de la demanda de cada usuario individual. De tal forma el cálculo de la capacidad en bornes del generador debe partir de la sumatoria de la potencia máxima que requiere cada usuario individual, afectada por el factor de simultaneidad (demanda máxima del sistema) y con el agregado de todas las pérdidas que ocurren en los procesos de transformación, transporte y distribución de la electricidad.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 15 de 81
  16. 16. Capítulo 3: Evaluación del Recurso Hídrico3.1. Las herramientas del PlanificadorUn programa de abastecimiento de electricidad en áreas rurales, que incorporefuentes de energía diversificadas, debe contar con un análisis territorial quecalifique la aptitud de las fuentes en las áreas involucradas en el programa.Para la fuente hídrica, tal aptitud se valora mediante indicadores de calidad delas cuencas que atraviesan la región, estos indicadores permitirán alplanificador, determinar las zonas en que el recurso hídrico tiene un potencialadecuado para satisfacer los requerimientos eléctricos de la población local, yde este modo, incluir esta fuente como alternativa de suministro de talesrequerimientos.Una vez seleccionadas las áreas con aptitud hídrica, es necesario identificar lossitios aptos para el emplazamiento de la MCH y en cada uno de ellosdeterminar la potencia y energía que puede obtenerse del mismo.Es decir que la evaluación del recurso hídrico, debe reconocer dos etapas, laprimera de carácter macro regional, para identificar la aptitud del recurso yseleccionar las áreas de interés para su aprovechamiento con fineshidroeléctricos y la segunda con carácter localizado para seleccionar y evaluarel potencial de distintos emplazamientos para MCH´s en los cursos de aguadentro de las áreas de interés identificadas.3.2. Análisis Regional. Indicadores de Calidad de CuencaLas cuencas hídricas están alimentadas por las lluvias. El comportamientohidrológico de una cuenca estará entonces influenciado por la distribución,intensidad y duración de las precipitaciones y también por la forma en que elmedio ambiente influye en la “administración” del recurso. La acumulación enforma de nieve, la evaporación directa y la infiltración, la capacidad del suelopara retener el agua, las cubiertas vegetales, los procesos de transpiración yabsorción de humedad son, entre otros, factores que afectan la forma en que elagua de lluvia discurre por la cuenca que la recibe.Las precipitaciones, y la forma en que el medio ambiente las “administra”,determinan el comportamiento de los caudales de agua superficial que seconcentran en arroyos y ríos y que se acumulan desde las altas cuencas(nacientes) hasta que se cierra el ciclo hidrológico regresando al mar.El camino ideal para conocer el comportamiento de los caudales de unacuenca es contar con mediciones que registren la historia de la misma sobre unlargo período de tiempo (30 a 50 años). Aún así, modificaciones ambientalesde carácter planetario como el calentamiento global o los cambios en lascorrientes marinas y aún aquellas modificaciones localizadas como ladeforestación de áreas boscosas, introducen importantes cambios en elDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 16 de 81
  17. 17. comportamiento hidrológico de las cuencas, reduciendo la confiabilidad de lasproyecciones basadas en los datos de las crónicas históricas.Sin embargo es probable que en muchas regiones no se cuente con registro dedatos de aforo de todas las cuencas. Cuando la información de caudales esparcial, siempre contamos con registros de lluvias.La correlación entre cuencas aforadas y cuencas sin registros, cuando suscaracterísticas son similares, permite utilizar información de lluvias, junto conmediciones de campo limitadas en el tiempo, para extrapolar probablescomportamientos de los caudales de las cuencas sin registro, a partir de lainformación de las cuencas aforadas.El caudal especifico de la cuenca (litros/seg/km2) medido como el aporte decaudal que hace cada unidad de superficie de cuenca es el vector que permiteextrapolar datos desde cuencas aforadas a cuencas sin registro. Un segundoinput de información que se requiere para analizar los indicadores de calidadde la cuenca es la información topográfica de la cuenca. En general estainformación esta disponible en cartas topográficas o puede gestionarse enforma muy expeditiva con las técnicas de relevamiento actuales.Hechas estas consideraciones de carácter general, pasamos ahora a describirlos indicadores que nos permitirán evaluar el potencial hídrico de una región.3.3. Potencial Hidroeléctrico Teórico Bruto (P.H.T.B.).Se define como la potencia total entregada por el caudal de agua al discurrirpor un cauce natural, desde una cota superior a una inferior y admitiendo queno hay perdida de ninguna naturaleza.Representa un potencial teóricamente disponible, pero prácticamenteinalcanzable, no solamente por las pérdidas referidas, sino por la imposibilidadtécnica de aprovecharlo, por la incidencia de diferentes causas (geológicas,económicas, sociales, ecológicas, etc.). Así definido constituye el índice queevalúa la magnitud hipotética de la potencia hidráulica de la cuenca en análisis.Dado que la magnitud del P.H.T.B. de una subcuenca depende de losdesniveles naturales existentes y de los caudales circulantes en el tramoanalizado, en su cálculo intervendrán las superficies de aportes de las cuencas,las escorrentías específicas y los mencionados desniveles.La potencia continua desarrollada en una cuenca aguas arriba de una dadasección de control, seria el resultado de integrar los productos de caudal ydesnivel que aportan las subáreas en que se divida la subcuenca y luegoagregar todas las subcuencas que aportan sobre dicha sección de control.En el gráfico siguiente se muestra el proceso de integración de la potenciahidráulica bruta y de la energía media anual bruta desarrollada durante las8.760 horas del año.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 17 de 81
  18. 18. El valor de “Qij” se obtiene como producto del caudal especifico que se hayapreviamente calculado o estimado, multiplicado por las fracciones de superficiede aporte hasta el punto de control de la subcuenca o tramo analizado.El dato de caudal que se utiliza para este indicador es el que corresponde alvalor medio anual de la serie, es decir aquel cuya probabilidad de permanenciaes del 50% del tiempo.A los efectos de ordenar el cálculo del P.H.T.B. de una cuenca, puedeentonces seguirse la siguiente secuencia: Fraccionar la cuenca en subcuencas, de acuerdo con la configuración de cursos tributarios, secundarios, terciarios, etc. Numerar subcuencas con nomenclatura relativa a la cuenca en estudio. Calcular las áreas de las subcuencas determinadas. Mediante cálculos o estimaciones, adoptar el caudal específico para cada subcuenca. Para cada subcuenca, sumar todos los caudales que pasaran por la sección de control de la misma. Calcular la diferencia de niveles entre la parte más alta y más baja del tramo del curso principal de cada subcuenca en estudio. Por ampliación de la formula (I), calcular la potencia continua para cada tramo o subcuenca.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 18 de 81
  19. 19. Proceder a efectuar el cálculo acumulativo de cada subcuenca avanzado desde nacientes hasta el final de la misma, determinando de esta forma el P.H.T.B. del total de la cuenca. Mediante la fórmula (II), calcular la Energía Teórica Anual a Potencia Continua para cada tramo, y por acumulación total de la cuenca partiendo de nacientes hasta el final de la misma.3.4. Densidad del P.H.T.B.El P.H.T.B. nos da un valor muy agregado que no permite una claravisualización de la calidad de la cuenca a los fines de su explotaciónenergética.Por el contrario cuando referimos este potencial a la superficie de cuenca o a lalongitud del cauce asociadas al mismo, tenemos una idea de la forma en quese concentra en un área o en un tramo del arroyo.De tal forma los indicadores específicos como la densidad superficial delP.H.T.B. (kW/km2 de cuenca) y la densidad lineal del P.H.T.B. (kw/km de río)nos permiten una mejor apreciación de la oportunidad o probabilidad deencontrar emplazamientos aptos para hidrogeneración.Es decir que para dos cuencas con igual P.H.T.B. (ejemplo: con 500 MW depotencial bruto) aquella que tiene menos superficie tendrá mayor densidad depotencial (ejemplo: con 1000 km2 tiene 500 kW/km2) y la de mayor superficietendrá menor densidad de potencial (ejemplo: con 10000 km2 tiene 50kW/km2). Siguiendo el ejemplo, será entonces más probable encontraremplazamientos técnica y económicamente viables donde dispongamos de 500kW/km2 que donde solo contemos con 50 kW/km2.3.5. Potencial Hidroeléctrico Técnico Aprovechable (P.H.T.A.)Como el P.H.T.B. representa una cifra independiente de la tecnología a utilizar,de los rendimientos a obtener, de la presencia de las obras o proyectospreexistentes, de las complicaciones geológicas o topográficas de losdiferentes tramos, de las posibilidades de regulación mediante embalses, etc.,y además supone implícitamente que todo el caudal disponible se destina a laproducción de energía hidroeléctrica, resulta mucho más interesante, con vistasa planificar el equipamiento eléctrico de una determinada región, analizar eldenominado Potencial Hidroeléctrico Técnico Aprovechable (P.H.T.A.).El P.H.T.A. que, por definición, resulta el que realmente pudiera ponerse enservicio con factibilidad técnica, aunque una cierta porción de él pueda no sereconómicamente interesante o conveniente, al momento de su evaluaciónparticular.Usualmente no se dispone de la información o de la experiencia propianecesaria como para definir el P.H.T.A. por lo que suele recurrirse comoprimera aproximación a metodologías desarrolladas para cuencas que hanagotado prácticamente su capacidad hidrogeneradora, y que permiten obtenerDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 19 de 81
  20. 20. índices que relacionan la densidad del P.H.T.B. con un rango de porcentajesdel P.H.T.A.El P.H.T.A. como porcentaje del P.H.T.B. puede obtenerse por ejemplo de latabla adjunta dada por la Comisión Económica para Europa de las NacionesUnidas, con información de potenciales técnicos mínimos y máximos respectode la densidad específica del Potencial Bruto para las cuencas europeas. Densidad del P.H.T.B. P.H.T.A. (KW/km2) como porcentaje del P.H.T.B. 10 00-25 50 00-30 100 05-35 150 10-40 200 15-45 250 20-50 300 25-55 350 30-603.6. Potencial Hidroeléctrico Técnico Aprovechable a escala de microgeneración (P.H.T.A.m.)El P.H.T.A. se calcula tomando en consideración las tecnologíasconvencionales aplicadas a grandes, medianos y pequeños aprovechamientosenergéticos y prescinde de cualquier clasificación de los mismos en función desu magnitud.De acuerdo con el objeto del tema que estamos tratando, definimos alPotencial Técnico Aprovechable a Escala de Microgeneración como la fraccióndel P.H.T.B. susceptible de ser aprovechada mediante la implementación demicrocentrales, es decir, de aquellos emprendimientos de potencia inferior a300 kW.Al igual que con el P.H.T.A., el cálculo del P.H.T.A.m. permite cuantificar elpotencial técnicamente factible de ser utilizado, aunque prescindiendo deconsideraciones económicas o de cualquier otra índole que determinen laconveniencia o viabilidad de construir microcentrales hidroeléctricas en lascuencas en estudio.El P.H.T.A.m. se ha concebido como aquel susceptible de ser aprovechadomediante la instalación de microturbinas.Los lineamientos del cálculo del P.H.T.B., se aplican al calculo del P.H.T.A.m.,a cuyos efectos se determinan porcentajes del mismo, en función deparámetros característicos que califiquen la aptitud energética del tramo osubcuenca con vistas a su aprovechamiento energético mediantemicroturbinas.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 20 de 81
  21. 21. Cuando la experiencia lo aconseje o relevamientos de campo lo fundamenten,los valores del P.H.T.A.m., podrán afectarse mediante coeficientes decorrección o aproximación. Dichos coeficientes dependerán de parámetros oíndices hidrogeomorfométricos de las cuencas o subcuencas en estudio(densidad de drenajes, área específica de máximas pendientes, etc.).Con lo expuesto el P.H.T.A.m. podrá calcularse mediante una expresión de laforma:P.H.T.A.m. = “P” x (P.H.T.B.) (III)En la que “P” es un porcentaje obtenido mediante estudios básicos de campo yde gabinete, en función de la densidad del potencial bruto (en kW/km2).Para obtener la tabulación de los porcentajes “P” en función de la Densidad dePotencial Bruto, la propuesta consiste en analizar subcuencas que se juzguenrepresentativa de la región en estudio y efectuar un programa de relevamientode campaña lo más exhaustivo posible, con visitas de campo a los sitios deemplazamiento potencial, previamente seleccionados mediante apoyocartográfico y aerofotogramétrico en el caso de disponerse.Del análisis puntual de cada emplazamiento relevado, podrá obtenerse porcómputo el Potencial real a ser aprovechado en la subcuenca, el que podráluego relacionarse con el P.H.T.B. correspondiente de dicha subcuenca.Cuando se juzgue que los valores obtenidos son transferibles o extrapolablespodrá iniciarse la evaluación del P.H.T.A.m. para otras cuencas o subcuencaspor simple asignación de los valores tabulados, en función de la Densidad dePotencial Bruto.3.7. Métodos Para Evaluar el Potencial de un Emplazamiento3.7.1. Selección de las Cuencas de InterésEn primer lugar debemos considerar que el recurso hídrico es aprovechable enun entorno del sitio de su emplazamiento. Es decir que la distribución espacialde la demanda eléctrica, es un dato relevante para predeterminar las áreas queresulten de interés hidráulico.De tal forma, las áreas que, por sus indicadores de calidad de cuenca, resultanaptas para su aprovechamiento hidroenergético deben coincidir con las áreasdonde se localiza la demanda que debe ser abastecida.3.7.2. Preselección de Emplazamientos en GabineteUna vez predeterminadas las áreas de interés, con bases en la informacióncartográfica disponible, deben localizarse emplazamientos en cada río o arroyo,donde se observen puntos de interés, a partir del apilamiento de líneas denivel que indiquen rápidos o saltos de agua en el curso.Fijando secciones de control en esos puntos, pueden calcularse caudalesmedios midiendo en cartografía las áreas de cuenca de aporte aguas arriba deDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 21 de 81
  22. 22. la sección de control. Con los datos de caudal y desnivel localizado en cadaemplazamiento seleccionado, puede hacerse una primera estimación de lapotencia continua disponible en los mismos.Sobre la base de este análisis se realiza una preselección de losemplazamientos que resultan de mayor interés para resolver el abastecimientode la demanda localizada en el área.3.7.3. Verificación y ajuste con estudios de campos.Los emplazamientos preseleccionados en gabinete deben ser luegoidentificados y evaluados en campo. Si no se encuentran restricciones deimportancia que imposibiliten la utilización de dicho emplazamiento (situacionesgeológicas, ambientales, afectación de actividades socio económicas, etc.) seprocede a realizar mediciones detalladas de caudal y desnivel, conforme a lossiguientes procedimientos.3.7.3.1. Para evaluar el desnivel aprovechablePara medir el desnivel aprovechable deben evaluarse, en campo, la ubicaciónde la cámara de carga y de la sala de máquinas.Como veremos en el capítulo 4, la cámara de carga puede estar junto a la tomade agua, sobre el arroyo o bien en un punto alejado conectado a la toma deagua mediante un ducto cerrado o un canal abierto a nivel (en ambos casos sinpresión).La medición de desnivel se realizará desde el punto seleccionado para instalarla cámara de carga hasta el punto seleccionado para instalar la sala demáquinas, donde el agua será turbinada y devuelta a su curso natural.Para medir el desnivel que puede lograrse dentro de longitudes aceptables delas obras de conducción (canales y tuberías), se utilizará una manguera tiponivel de albañil (25-35 metros de longitud), llena de agua, con un manómetrode rango apropiado para un máximo de 30 metros de columna de agua,conectado a su extremo.Desde el nivel de cámara de carga hasta el nivel de sala de máquina, sefraccionará la medición, colocando puntos intermedios de control en la formaque mejor se adapte a la topografía del terreno y a la longitud de la manguerautilizada.Las medidas de desnivel deben realizarse apoyando el manómetro en el sueloy con el nivel de agua en el extremo superior controlado con una reglacolocada en la vertical del punto.3.7.3.2. Determinación del caudalMétodo de la botella:Consiste en calcular el tiempo que tarda una porción de arroyo de 10 metros delargo en pasar por una sección de control.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 22 de 81
  23. 23. Ubicar la sección de control aguas arriba del punto de toma seleccionado, enun lugar preferentemente poco sinuoso, medir su ancho (L) en metros, de orillaa orilla, tendiendo un hilo sujetado con una estaca en cada margen.Dividir L en diez partes iguales a lo largo del hilo y en cada una medir con unavara la profundidad (xi), en metros, del arroyo. La profundidad media del arroyoen la sección de control será:Xm = (X1+ X2+ X3+ X4+ X5+ X6+ X7+ X8+ X9+ X10) / 10A diez metros aguas arriba de la sección de control, coloque otro hilo paraleloal primero, luego prepare una botella vacía bien tapada y déjela flotar en elcentro del arroyo desde varios metros aguas arriba del segundo hilo. Controleel tiempo T en segundos que tarda la botella en recorrer los 10 metros queseparan ambos hilos. Repita las medidas y utilice el promedio de lasmediciones.El área A en metros cuadrados de la sección de control será:A = Xm (profundidad en metros) x L (ancho en metros).En el tiempo (T) habrá pasado por la sección de control un volumen de aguaigual a:V(m3) = 10xA.El caudal que circula en la sección de control, al momento de la medición será:Q (litros/seg) = V (m3) x 1000 (litros/m3) / T(seg)Método del Tambor:Es un método apropiado para emplazamientos que cuentan con saltoscompactos.Consiste en transportar hasta el salto un tambor vacío de combustible de 200litros y sostenerlo bajo la caída de agua, midiendo el tiempo T en segundos quetarda en llenarse. La medición debe repetirse varias veces y adoptar elpromedio.Luego debe estimarse a vista la cantidad de tambores (N) que podríancolocarse juntos bajo el salto para llenarse simultáneamente. (No sea optimistacon esta apreciación, trate de estimar en menos antes que en mas el valor deN).El caudal medio resultará de realizar el siguiente cálculo:Q (litros/seg) = (200xN)/TUna vez realizadas las mediciones por cualquiera de los métodos disponible,sobre la base de consultas con los pobladores vecinos al arroyo, se deberádeterminar la frecuencia de ocurrencia del caudal medido en el total del año,Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 23 de 81
  24. 24. así como su valor relativo respecto de los momentos en que el arroyo trae loscaudales máximos y mínimos.3.7.3.3. La curva de duración de caudalLa curva de duración de caudales nos indica el comportamiento de loscaudales a lo largo de un período anual y una serie de curvas anuales, nospermite visualizar el comportamiento de los caudales en años particularescomo ricos, secos o extrasecos.En la figura se muestra un curva típica que nos indica la probabilidad de quedurante un % de tiempo del año los caudales excedan los indicados en lacurva.Estas curvas pueden construirse cuando existen registros (aforos) durantelargos períodos de tiempo. También puede construirse para cuencas noDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 24 de 81
  25. 25. aforadas, cuando existen registros en otras cuencas dentro de un área generalde características ambientales homogéneas mediante correlación de caudales.Este método de determinación de la curva de duración de caudales porcorrelación, requiere realizar mediciones (10 días como mínimo) distribuidasdurante un ciclo anual, con mayor densidad de medidas en la estación seca, ycompararlos con los registros, de los mismos días en la cuenca aforada.Con una curva ajustada de correlación entre los caudales circulantes en lacuenca aforada y los que circulan en la cuenca sin aforo, se puede construir lacurva de duración de caudales de la cuenca en estudio a partir de los datos dela cuenca aforada.Cuando no se dispone de información estadística de cuencas aforadas, lomejor es recurrir a la memoria del poblador local. En este caso debe buscarseinformación sobre el comportamiento del arroyo en las estaciones secas y enlas más ricas.Ambos datos son necesarios, ya que el proyecto de una MCH requiere un buenconocimiento del caudal mínimo que dispondrá (para evaluar la potenciamínima firme) y del caudal máximo que deberá evacuarse (seguridad de lasobras sobre el arroyo).Para ello debe consultarse a los pobladores locales sobre los niveles quealcanza el arroyo en el lugar donde se mide el caudal, tanto en las máximascrecidas como las mayores sequías que recuerden.La medición realizada en el emplazamiento elegido, complementada con lainformación suministrada por los pobladores locales y los registros de lluvias dela zona permitirán estimar valores para los caudales mínimo, máximo y medioen el sitio del emplazamiento.3.8. Ajuste de la Oferta-Demanda. Caudal y Altura de Diseño.Durante la fase de planificación se asignará a los emplazamientosseleccionados, la demanda que debe ser satisfecha por cada uno de ellos.La oferta de potencia y energía a suministrar por la MCH debe ajustarse adicha demanda.El caudal de diseño (o de instalación) que se requiera, se determinaráconsiderando los rendimientos de transporte del agua y de su conversión deenergía hidráulica a energía eléctrica.Un valor conservativo del rendimiento para establecer el caudal de instalaciónes 50%. Por lo tanto resulta queQi (m3/seg) = P (kw) (potencia máxima demandada) 5 x Hu (m) (altura útil de diseño)Si el valor de Qi así calculado se ubica por debajo de los caudales mínimos(estación seca) del arroyo, se acepta como valor del proyecto.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 25 de 81
  26. 26. Si Qi se ubica en la franja de excedencia del 80% al 100% del tiempo, deberáanalizarse si puede mejorarse la altura de diseño reduciendo de ese modo el Qinecesario o si se aceptará brindar un servicio con restricciones en la estaciónseca o bien complementar el servicio con otras fuentes / tecnología.En el caso que el Qi requerido sea mayor del que se dispone en el arroyodurante el 80% del tiempo, el servicio será con restricción o con respaldo deotras fuentes.Se entiende que las restricciones pueden resolverse limitando los usos de laelectricidad o sin limitar los usos pero con horarios del servicio reducidos a ladisponibilidad del agua (incluyendo la que permita el almacenamiento medianteuna pequeña obra de cierre para regulación diaria).Los caudales mínimos disponibles para el proyecto pueden ser aun menoresque los de la estación seca, si razones o normas ambientales aconsejanmantener valores asegurados de escurrimiento por el cauce natural e impidenla derivación del total del agua para la producción de energía.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 26 de 81
  27. 27. Capítulo 4: Tecnología de conversión mediante MCH4.1. Compromiso costo / calidad / sustentabilidadAntes de ingresar en el estudio y selección de las tecnologías y criterios dediseño que proponemos utilizar en los proyectos, es necesario: a) definir elcompromiso entre costo y calidad del suministro eléctrico que los usuarios y lacomunidad están dispuestos a aceptar y b) considerar la relación entre laconfiabilidad y el grado de automatismo que, conforme a la organizacióninstitucional que se adopte para operar y mantener el sistema, asegure lasustentabilidad de los proyectos en el largo plazo.En relación con los costos, la solución técnica debe reducirlos al mínimocompatible con un abastecimiento continuo, dentro de los criterios desuministro adoptado por el proyecto. Estos criterios suelen referirse al tipo deservicios desde el continuo de 24 horas, a servicios interrumpibles con solo 6horas por día (servicio nocturno) y a los tiempos máximos de interrupcionesque pueden admitirse, originados por escasez del recurso hídrico, o bien porcontingencias electromecánicas o electromagnéticas.Tanto los tiempos de interrupción aceptables como las variaciones de tensión yfrecuencia permitidas en estos pequeños sistemas, son menos rigurosos quepara los sistemas eléctricos de alta concentración de demanda.Pretender estándares de calidad altos implicaría proyectos con tecnologíasofisticada, con fuerte impacto en los costos tanto de inversión como deoperación y mantenimiento.Por otra parte los requerimientos eléctricos de la comunidad receptora de estetipo de proyecto corresponden al uso de artefactos y equipos y al desarrollo deactividades que no necesitan altos estándares de calidad de servicio.El principal salto cualitativo que percibe esta comunidad, es la diferencia entrecontar y no contar con electricidad. Si su evolución socioeconómica le permiteacceder a equipamientos electrodomésticos o productivos sofisticados,seguramente contará también con ingresos suficientes para invertir en lamejora de calidad que requieran.En relación con la sustentabilidad, la localización de los proyectos en las áreasalejadas de los centros más desarrollados requiere de tecnologías sencillasque puedan atenderse localmente tanto en lo referido a operación, como areparación o reposición de componentes y partes de equipos e instalaciones.No obstante le decisión final sobre criterios de diseño técnico de los proyectosdependerá de la figura institucional que se adopte para operar y mantener lossistemas.Este punto que discutiremos más ampliamente en el último capítulo, implicaque los criterios de diseño podrán definirse según que la explotación seaaltamente descentralizada en la comunidad local (requiere tecnologías másDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 27 de 81
  28. 28. sencillas) o que se realice con formas más centralizadas en estructuras degestión técnica (admite mayor complejidad tecnológica)4.2. Descripción de los componentes tecnológicos de una MCHEn una Micro Central Hidroeléctrica se pueden distinguir cuatro partescomponentes principales.La Obra de Cierre y CaptaciónConsistente en la construcción destinada a producir el cierre paraalmacenamiento de agua, o la simple elevación del tirante para su derivaciónhasta la microcentral, o simplemente una toma para captar una parte del caudalque circula por el río o arroyo.La Obra de Conducción o de DerivaciónSon las instalaciones que deben transportar los caudales desde las Obras deCaptación hasta la turbina para su aprovechamiento energético. Pueden estarconstituidas por tuberías cerradas solas o combinadas con canales a cieloabierto.La Micro Central o Sala de MaquinasEstá constituida por el espacio y las estructuras en que se aloja elequipamiento hidroelectromecánico, y que consiste habitualmente en unapequeña habitación, que por su ubicación próxima a los arroyos requiere serplaneada para afrontar los cambios en el nivel de restitución, provocados porlas crecidas extraordinarias.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 28 de 81
  29. 29. Incluye la totalidad del equipamiento consistente en la microturbina, suregulador de velocidad, el generador, y el tablero de comandos y control.Las Obras de Distribución (Redes Eléctricas)Que permiten el transporte de la energía eléctrica hasta los usuarios y queincluyen las estaciones de transformación y las líneas de media y baja tensiónmono y trifásicas.4.3. Características particulares de la tecnología de MCHComo dijimos anteriormente la utilización de MCH como tecnología deabastecimiento dentro de un programa rural de electrificación, incorporaalgunos rasgos característicos que la diferencian de otros planes deconstrucción de obras públicas. Tales rasgos distintivos son los siguientes: Las MCH tienen dos componentes particulares, turbinas y reguladores, que no cuentan con una oferta de mercado de alta difusión y para los que es conveniente desarrollar proveedores locales que pueden en el futuro atender reparaciones y nuevos suministros. La ingeniería utilizada en estos componentes, debe ser lo suficientemente sencilla como para permitir su construcción con las máquinas, equipos e instrumentos y con los niveles de calificación de mano de obra, con que habitualmente se cuenta en regiones rurales alejadas de los centros urbanos desarrollados. Se requiere garantizar condiciones preestablecidas de calidad en las prestaciones de tales componentes y utilizar criterios de estandarización que faciliten la rápida y sencilla reposición total o parcial de los mismos. Las Obras de Captación y Conducción del agua hasta la sala de máquinas, si bien siguen lineamientos más convencionales, deben ser concebidas con criterios técnicos que, sin perder seguridad, reduzcan los costos de inversión y permitan tanto la integración de materiales locales como la participación de los futuros beneficiarios en su ejecución. Debe siempre recordarse que las Micro Centrales Hidroeléctricas no son centrales grandes y en consecuencia no deben aplicarse a ellas técnicas ni modalidades constructivas y contractuales de las grandes obras. Las Obras de Distribución, deben adecuarse a los criterios de reducción de costos con que se desarrolla el conjunto de los micro aprovechamientos, estableciendo estándares de calidad adecuados a los mismos. Para ello es necesario revisar aquellas normas técnicas que privilegian la calidad antes que el costo y que suelen utilizarse en redes rurales de regiones mas desarrolladas.4.4. Obras de captación4.4.1. Consideraciones generalesDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 29 de 81
  30. 30. La captación de agua en un río o arroyo debe considerar principios básicosasociados a la calidad del agua que se deriva a la micro central y a laseguridad de las obras que se ejecutan en el cauce natural.La calidad del agua debe asegurarse mediante la separación de piedras, ramasu otros objetos que, de ingresar a las obras de conducción, obstruirán el flujode agua y en caso de llegar hasta la turbina provocarán daños severos einterrupción del servicio.Debe también asegurarse la separación de arenas u otras partículas sólidasque por su tamaño provoquen erosión en los ductos y en la tubería, reduciendosu vida útil.La selección del lugar para ejecutar las obras de toma de agua requiereconsiderar el comportamiento de la carga de sólidos en suspensión en el flujode agua. En tramos rectos de los arroyos el flujo es uniforme y en su parte altacontiene menor cantidad de sólidos en suspensión en el flujo de agua.En los tramos curvos, en cambio, se produce un flujo en forma de espiral, queerosiona de arriba hacia abajo la margen externa de la curva y se mueve deabajo hacia arriba a la salida del codo depositando el material en suspensiónen la margen interna de la curva (ver figura). DESARROLLO DE FLUJO ESPIRAL EN EL LECHO DEL RIO Curso del río Toma de aguaSobre la base de este comportamiento del flujo de agua y de los sólidos ensuspensión, las recomendaciones para ejecutar la toma de agua son lassiguientes: Si el emplazamiento elegido se encuentra en un tramo curvo del arroyo, la toma debe ejecutarse en la salida aguas abajo del codo o curva y del lado cóncavo de la misma (margen exterior). De este modo la porción de sólidos en el agua que se deriva será menor a la media del arroyo.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 30 de 81
  31. 31. Si el emplazamiento se encuentra en un tramo recto del arroyo convine ejecutar una toma frontal y, en este caso, la proporción de sólidos en el agua que ingresa a la toma será la misma que la media del arroyo.La seguridad debe garantizarse cuando se realizan obras de cierre en el cursodel arroyo. Además de observar especificaciones de materiales y técnicasconstructivas que atiendan a la seguridad de las presas, debe prestarseespecial atención a la evacuación de crecidas y a la protección de la erosión delas márgenes del entorno de la presa.En las nacientes del arroyo o en las zonas con suelos de poca retención o congrandes pendientes, cuando hay estaciones de fuertes precipitaciones, elcaudal máximo puede ser varios centenares de veces mayor que el caudalmedio. En tales situaciones, las obras de cierre deben estar previstas parasoportarlo y evacuarlo.4.4.2. Toma de Agua sin Obra de CierreSe realizan cuando el caudal de instalación es inferior al mínimo caudal delarroyo.Son obras muy sencillas realizadas en el curso del arroyo o sobre una de susmárgenes que permiten inundar una cámara de carga a través de una reja.En la figura se muestra una toma del tipo tirolés para instalar en el lecho del río.1. Lecho del río2. Cámara de captación (de hormigón o de mampostería de piedra). El piso es inclinado hacia el tubo de salida.3. Marco metálico anclado al borde de la cámara4. Reja de planchuelas con cierre perimetral. La separación entre planchuelas es de 6 a 12 mm. La pendiente de la reja en la dirección del flujo es de 15° como mínimo.5. Tubo de descarga a la cámara de carga y desarenado4.4.3 Tomas de Agua con Obras de CierreDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 31 de 81
  32. 32. Cuando el caudal de instalación es menor que los mínimos caudales de laestación seca, es necesario realizar un cierre del arroyo. La ejecución de lascentrales con cierre del arroyo distribuye al igual que las centrales de mayorpotencia dos grandes grupos:4.4.3.1. Centrales “de pasada”Que aprovecha los caudales disponibles en las corrientes, desviándolos desdelos causes hasta la unidad generadora mediante sencillas instalaciones desobreelevación de agua para su adecuada captación.Los caudales aprovechables corresponden a los de alta permanencia anual enel cauce (75 a 95% de permanencia en la Curva de Duración de Caudales), ypor lo tanto son habitualmente inferiores al Caudal modulo o Medio en esepunto.Los coeficientes de "enpuntamiento” (relación del caudal de instalación/caudalde modulo) son inferiores a la unidad. Por esta razón, las obras de cierre, depequeña significación, deben permitir el paso de importantes caudalesexcedentes.4.4.3.2. Centrales de “Regulación”Adaptadas al concepto de regulación diaria y cuyas instalaciones sedimensionan para resolver situaciones donde la potencia a proveer requieremayores caudales que los habitualmente disponibles en el arroyo. Para estepropósito requieren la conformación de un reservorio de acumulación devolúmenes líquidos para su utilización plena en los horarios de mayorconsumo.Ello se logra a expensas de una obra de cierre de mayor importancia relativaimportancia, que debe igualmente prever las estructuras de alivio necesariaspara descargar los caudales de crecidas ordinarias y extraordinarias quesuperan la capacidad del reservorio o vaso.Para la regulación del tipo diaria se necesita calcular el volumen de masaliquida en reserva, el que a su vez determina la altura de las obras de cierre, deacuerdo con la topografía del vaso del embalse.4.4.3.3. Materialización de las Obras de Cierre (Tipos y Cuidados Constructivos)Obras de Cierre de Pantalla con Contrafuertes:Se compone de una pantalla inclinada, que oficia de cierre, ejecutada enmadera dura o con placas premoldeadas de hormigón armado,convenientemente impermeabilizadas en toda la superficie y con particularcuidado en crear estanqueidad en la juntas.La pantalla se asienta sobre contrafuertes constituidos por placas triangularesde pared delgada ejecutadas en hormigón armado, mampostería o bien porestructuras triangulares reticuladas de madera dura.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 32 de 81
  33. 33. La concepción estructural del conjunto pantalla - contrafuerte constitutivos estal que posibilita la auto estabilidad de la estructura tanto al vuelco como aldesplazamiento. De tal forma se evita utilizar el peso de la presa comoelemento estabilizante, ya que se aprovecha el peso de la cuña de agua que sedescarga sobre la plantilla.El dimensionado de la fundación debe adecuarse a la característica de lossuelos y se ejecuta en forma corrida en toda la extensión del cierre.En los extremos la inserción de las obras de cierre en las márgenes del vaso seejecuta mediante estribos macizos de hormigón.El vertedero es central y se conforma por un conjunto de vasos cuyoscontrafuertes y pantallas tiene una altura menos que en los laterales.La descarga del fondo para eliminación de sedimentos y vaciado parareparación puede hacerse realizando completamente las placas o maderas deuno de los vasos.La obra de toma se realiza como compacto independiente en el sitio que sejuzgue necesario y consta de bloque de anclaje con la salida a tubería o acanal, la compuerta de control y la reja de protección.Obras de Cierre de TerraplénEl cuerpo principal de la presa es un terraplén construido por compactación encapas de suelos locales. La compactación debe considerar las característicasde las tierras disponibles y en función de las mismas se adoptaran los mediosmecánicos y los procedimientos constructivos y de control necesarios para quela tierra compactada alcance los niveles de estanqueidad y de resistenciamecánica que requiere el proyecto.Estos cierres se ejecutan preferentemente combinados con vertederosindependientes de la presa, materializados con forma cilíndrica, aguas arribadel cierre. Estos vertederos operan como un embudo cuya cota superior estapor debajo del nivel de coronamiento de la presa. Cuando la presa de terraplénse combina con vertederos independientes, su ejecución es continua y nopresenta interfases del terraplén con otros materiales. De esta forma seincrementa la seguridad y adicionalmente puede utilizarse el coronamiento dela presa como camino vecinal (puente entre las márgenes).Si se estiman que crecidas extraordinarias pueden superar la capacidad deevacuación, una parte del coronamiento de la presa puede ejecutarse a unnivel inferior de manera que opere como vertedero fusible. Estos vertederosfusible se ejecutan sobre una de las márgenes y en caso de que elcoronamiento se use como puente, se le da forma de badén para no impedir lacirculación. Si ocurriera una crecida extraordinaria, mayor que la del diseño, losdaños de erosión se concentrarían en la zona del fusible y el proceso dereparación sería mas rápido y económico. También puede ejecutarse elvertedero de tipo frontal macizo en uno de los laterales de la presa. Estosvertederos se ejecutan en hormigón ciclópeo de fragmentos de roca o bien conDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 33 de 81
  34. 34. mampostería de piedra. La vinculación entre presa y vertedero esta constituidapor un muro de ala de gravedad que a su vez protege al terraplén de la acciónde la corriente que circula por el vertedero. Este vertedero puedecomplementarse también con un vertedero fusible sobre el terraplén constituidosobre la margen opuesta.La obra de toma como en el caso anterior, se ejecuta en forma independientede la toma. Del mismo modo se ejecutan las obras para facilitar el vaciado delembalse (descargador de fondo).Los ductos de evacuación de vertedero independiente, de la toma y deldescargador de fondo se ejecuta con tubos de hormigón que atraviesan elcuerpo del terraplén. Debe prestarse especial atención al control de lacaptación de la tierra alrededor de los tubos, ya que cualquier filtración, con eltranscurso del tiempo se convierte en un grave daño a la presa.Obras de Cierre de EnrocadoSe materializa en forma similar a la de terraplén pero utilizando fragmentos depiedra colocados por medios mecánicos. El enrocado se coloca en capas, demanera de obtener una estructura resistente. Una solución equivalente seobtiene con el uso de gaviones, que son cestas de alambre tejido rellenas conpiedras que facilitan su transporte y colocación en obra. La obra de enrocadoresuelve bien los aspectos estructurales, pero es completamente permeable.Para lograr la estanqueidad, se ejecuta una pantalla impermeable sobre eltalud aguas arriba del terraplén. Esta pantalla se realiza en hormigón y puedecompletarse con membranas que mantengan la estanqueidad aún cuandoocurran pequeños asentamientos en el cuerpo de la presa.Si el vertedero se resuelve en forma frontal, se ejecuta sobre una de lasmárgenes, en hormigón o mampostería, con un muro de ala en el mismomaterial para la transmisión con el pedraplén.Toma y descargador se resuelven en forma similar a los dos anteriores.Obras de cierre de gravedadConsiste en un muro de gravedad continuo de hormigón o mampostería, elvertedero central se forma elevando los laterales del coronamiento de gravedaddel muro, mediante sendas pantallas verticales que pueden ejecutarse enmadera, hormigón premoldeado o mampostería.La toma y el descargador de fondo están en este caso integrados en la obracivil del muro de gravedad con sus respectivas compuertas.4.5. Obras de ConducciónLas obras de conducción comienzan en la toma de agua construida sobre elarroyo o el embalse y terminan en el ingreso del agua a la sala de máquinas.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 34 de 81
  35. 35. En el caso mas general están integradas por tres componentes que son: i)canales a cielo abierto o ductos cerrados a nivel, ii) una cámara de carga y iii)la tubería de presión.La necesidad de reducir el importante efecto que este componente de lasobras, sobre los costos totales, nos sugiere considerar las siguientescuestiones: Estudiar cuidadosamente la localización del cierre y de la sala de maquinas, de modo de alcanzar la máxima altura neta con el menor costo. Tal solución puede lograrse trazando canales a cielo abierto por líneas de nivel, que son de bajo costo para ubicar una cámara de carga y la tubería de presión y los lugares de fuerte pendiente, reduciendo su longitud y en consecuencia su fuente de incidencia en los costos. Realizar el estudio técnico económico previo de los distintos tipos de tuberías disponible en el mercado local (acero, Fibrocemento, PVC, Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio, etc.) con el objeto de preseleccionar el de mayor conveniencia para la región.4.5.1. CanalesLos canales a cielo abierto constituyen una solución muy ventajosa para reducircostos de tubería. No obstante deben estar adecuadamente diseñados paraevitar mayores costos de mantenimiento.El diseño del canal debe resolver un correcto escurrimiento del agua sin perderinnecesariamente altura útil en el proyecto. Para ello se recomienda ejecutar elcanal con una pendiente de 1/1000. Los canales se construyen con seccióntrapezoidal. La solución que optimiza costos, es decir que implica mínimoperímetro para igual caudal (o sección de flujo de agua) es aquella en que labase y las paredes laterales a 45° son tangentes a una circunferencia cuyodiámetro se ubica en la cota superior del agua del canal.Desde el punto de vista constructivo si los suelos son permeables es necesariodarles estanqueidad.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 35 de 81
  36. 36. Ejecutada la excavación del canal, el método convencional deimpermeabilizado es el recubrimiento de concreto. Si este recubrimiento seejecuta con encofrado tradicional, el espesor necesario para el escurrimiento ycompactación del hormigón alcanza a 4”.Sin embargo la experiencia reciente en obras ejecutadas en Perú indican laconveniencia de utilizar el método de los bastidores. Estos bastidores secolocan primero cada 10 m. en tramos rectos (guías) y cada 5 m. en los curvos,cuidando ajustar su nivel, escuadra, alineación y aplomado. Una vez fijados losbastidores guía se colocan bastidores intermedios manteniendo la alineación,el nivel ajustado a la pendiente del canal, la escuadra con el eje del canal y elplomo. Una vez presentados los bastidores se coloca en los costados una capade cemento de 2” de espesor (igual al marco del bastidor) que se alisamediante reglas apoyadas entre los bastidores (2,5 m de separación).Terminados los lados se ejecuta el piso del canal, los bastidores se retirandespués de 24 horas y en su lugar se ejecutan las juntas de expansión.El curado se realiza manteniendo el canal inundado durante por lo menos 10días.Esta solución reduce en un 50% el costo de materiales y 30% en el costo demano de obra.En zonas con derrumbes o gran intrusión de ramas y hojas deben ejecutarseprotecciones especiales con maderas o losas premoldeadas que tapen elcanal. Del mismo modo deben preverse pasos para animales por sobre elcanal. También pueden ejecutarse pantallas deflectoras hacia el vertedero dela cámara de carga, para desviar el materia en flotación que pueda llegar a lamisma por el canal.4.5.2. Cámara de cargaEs necesario para aquietar el agua y permitir la decantación de arenas ypartículas sólidas.La cámara de carga debe tener dimensiones adecuadas, para cumplir estafunción y estará constituida en hormigón o mampostería de piedra.Tiene básicamente cuatro vías de movimiento de fluido. La primera es laacometida por donde ingresa el canal o ducto que trae el agua desde la toma.La segunda es un vertedero o tubo para eliminar los excedentes de caudal queno serán turbinados. La tercera es un descargador de fondo que permitirá elvaciado y limpieza de partículas sedimentadas. La cuarta es la alimentaciónmediante malla de filtrado o rejas a la tubería de presión que conduce el agua ala turbina.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 36 de 81
  37. 37. 4.5.3. Tuberías de presiónDaniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 37 de 81
  38. 38. La selección de la tubería más conveniente requiere como primer pasodeterminar el diámetro de la misma y la presión de trabajo que deberá soportar.Estos parámetros y las condiciones de suministro local de materiales y tubosprefabricados y sus costos determinarán la solución más conveniente. Parauna misma potencia instalada, las combinaciones caudal / altura delaprovechamiento indican si se requiere mayor diámetro (Q) y menor presión detrabajo (H) o viceversa.Conocido el caudal de instalación la sección de tubería dependerá de lavelocidad máxima admisible para el agua que circula en su interior.Esta velocidad máxima a su vez depende de la pérdida de altura que puedaadmitir el proyecto.Es deseable seleccionar velocidades que no introduzcan pérdidas mayores al2% o 3%. No obstante si el recurso hídrico es abundante se debe encontrar lasolución que minimice costos, atendiendo a los diámetros comerciales deplaza, aunque las perdidas sean mayores (5%-10%).Para un caudal de instalación determinado la velocidad que corresponde a unnivel de pérdidas prefijado depende a su vez del material (rugosidad) y deldiámetro de la tubería.Para un análisis mas detallado del proceso de selección se recomienda verHydraulics Engeneering Manual.A modo de ejemplo se muestra una tabla de relación entre velocidad y diámetropara un tubo de polietileno de alta densidad. Tubos de Polietileno (presión nominal 10at.) Diámetro exterior Diámetro interior Velocidad del agua Caudal Q Potencia para altura Neta 100m [mm] [mm] [m/s] [lt/s] [kW] 32 26.2 0.6 0.3 0.2 40 32.6 0.7 0.6 0.4 50 40.8 0.8 1.0 0.7 63 51.4 0.9 1.8 1.3 75 61.4 1.0 3.0 2.1 90 73.6 1.2 5.1 3.6 110 90.0 1.4 8.9 6.2 125 102.2 1.5 12.3 8.6 140 114.6 1.6 16.5 12 160 130.8 1.8 24 17 180 147.2 2.0 34 24 200 163.6 2.1 44 31 225 184.0 2.3 61 43 250 204.6 2.4 79 55Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 38 de 81
  39. 39. El uso de tuberías plásticas se recomienda cuando los diámetros son inferioresa 300 mm. Requieren protección a la acción de la radiación ultravioleta.Las tuberías de plástico se adaptaran muy bien a las variaciones del terreno, secolocan enterradas o apoyadas directamente sobre la superficie y cubiertas contierra.La tuberías de acero permiten manejar un rango muy amplio de solucionesestructurales. En general se construyen localmente utilizando chapas, unidascon soldadura helicoidal. En el trazado de este tipo de tubería deben evitarsecurvas y codos que obliguen a incrementar los bloques de apoyo y la juntas dedilatación. Los bloques de apoyo y anclaje deben ejecutarse con separacionesacorde a la topografía del terreno y el análisis estructural del tubo.El diseño de la tuberías de presión debe considerar eventuales sobrepresionespor golpe de ariete.Estas sobrepresiones se originan por el cambio brusco de energía cinética apotencial que se produce cuando se cierra bruscamente la circulación de aguade la tubería (cierre intempestivo del regulador de caudal de la tubería). Estasituación genera una onda de presión que viaja aguas arriba a la velocidad delsonido y que puede, en situaciones extremas, ser varias veces superior a lapresión de diseño.En el caso de las microturbinas, los dispositivos de control que evitan loscierres instantáneos mantienen la sobrepresión en valores que no superan el50% o 100% de la presión del diseño. La onda de sobrepresión es disipadamediante chimeneas de equilibrio o en la misma cámara de carga.4.6. La MicrocentralEsta constituida por un sala de dimensiones reducidas, construida enmampostería, en donde se aloja el equipamiento que realiza las conversionesde energía hidráulica a mecánica y de mecánica a eléctrica.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 39 de 81
  40. 40. El producto “energía eléctrica” resultante del proceso de conversión, tienerequisitos de calidad técnica que deben ser satisfechos. Tales requisitos seexpresan en valores de tensión y de frecuencia que deben ser mantenidosdentro de un rango de tolerancia admitido.Es además conocido que este producto (energía eléctrica) debe entregarse enforma instantánea al usuario o consumidor y que este varía su demanda casien forma permanente a lo largo del tiempo.Por su parte la energía hidráulica que ingresa por la tubería de presión a la salade maquina, lo hace en forma de energía cinética del agua y las cantidades deenergía puestas en juego (oferta hidráulica) dependen del caudal y de la alturade la carga.Esta energía cinética del agua se convierte en energía mecánica en el eje deuna turbina. La energía mecánica es transferida a un generador eléctrico que,para mantener las condiciones de calidad exigidos al producto eléctrico, deberotar a velocidad constante.Para producir esta transferencia de energía es necesario entonces, además dela turbina y el generador, agregar dispositivos de conversión de velocidad derotación entre el eje de la turbina y el del generador, y un sistema de regulaciónpara adaptar la potencia hidráulica que se entrega con la potencia eléctrica quese demanda.El equipamiento electromecánico constituido por turbina, generador, conversorde velocidad y sistema de regulación, se complementa con la instalacióneléctrica de salida de la sala de máquina y un tablero de control con registrosde tensión, frecuencia y energía suministrada a la red.La disposición del equipamiento puede hacerse en una sola planta o en dosplantas.En este segundo caso, se trata de instalaciones donde la sala de máquinas (yel tipo de turbina utilizada) admite quedar expuesta a inundaciones durante lasmáximas crecidas, en este caso el equipamiento eléctrico se instala en laplanta alta y la turbina (para aprovechar el máximo desnivel) queda en la plantabaja.Si bien la obra civil de cierre de la sala de máquinas es muy sencilla, debeprestarse adecuada atención al pozo de descarga del agua turbinada y aldimensionamiento y ejecución de las fundaciones que aseguran la estabilidadde la sala durante las máximas crecidas.4.6.1. Conversión HidromecánicaLa masa de agua que es conducida desde la altura de carga de la central,transfiere su energía cinética a energía mecánica de rotación en la turbina.Desde la rueda hidráulica, utilizada por los romanos y los griegos para molertrigo en la antigüedad, hasta hoy, diversas máquinas han sido desarrolladaspara aprovechar la energía del agua.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 40 de 81
  41. 41. Sin embargo, el gran impulso de la innovación tecnológica en este campo seproduce con el desarrollo de las turbinas asociado al crecimiento de lademanda de electricidad del siglo XX.Existe una variedad de diseños de turbinas cuya distinción principal es la formaen que se adaptan a la condición del caudal y altura disponibles en elaprovechamiento y al rendimiento o eficiencia con que realizan la conversiónenergética.El concepto de adaptación de las diferentes máquinas a las condiciones decaudal - altura esta asociado a la velocidad de rotación que consiguen alcanzarpara su mejor rendimiento bajo una dada combinación caudal – altura y altamaño y costo de máquinas con que resuelven la transferencia de potenciapuesta en juego en forma eficiente.En el campo de potencias de máquinas utilizadas desde las pequeñas hastalas grandes centrales (0,3 MW a 300 MW por máquina) las tecnologías másutilizadas son las Pelton, Francis y Kaplan.Las turbinas Pelton operan en la franja de bajos caudales y grandes caídas. Enel otro extremo con grandes caudales y pequeñas caídas operan las turbinastipo Kaplan. En tanto que en una amplia gama de combinaciones intermediasen caudal - altura de caída, operan las turbinas Francis.A medida que aumenta el módulo de potencia de las máquinas, la sofisticacióntecnológica tanto en diseño como en fabricación es creciente. Esta inversióntecnológica está orientada a conseguir los máximos rendimientos de lasmáquinas tanto a plena carga como a cargas parciales, así como a garantizarla máxima disponibilidad de las mismas durante su vida útil. Un sencilloejemplo explica las razones de esta tendencia: La central de Yacyretá estaequipada con turbinas Kaplan de 150 MW de potencia, cada 1% de rendimientode esta turbina implica 1,5 MW x 8760 hrs. = 13.140 MWh/año por máquinaque vendidos a 25 $/MWh y por las 20 turbinas, resulta en un total de6.570.000 $/año.Pero la lógica de decisión tecnológica aplicada a las centrales de mayor porte,no debe trasladarse al ámbito de las MCH.Las turbinas para MCH, deben mantenerse dentro de rendimientos adecuados,pero mientras las turbinas de grandes centrales operan con rendimientos delorden del 95%, las que equipan MCH’s lo hacen con rendimientos entre 75 al80%. Esto obedece a dos causas principales: i) el diseño y los métodos defabricación para las turbinas de MCH debe adaptarse a la tecnoestructura de laregión donde los proyectos se implantan, y ii) los costos incrementales demejoras crecientes de la tecnología, no pueden ser absorbidos por losbeneficios incrementales, en proyecto de pequeña escala y bajo nivel dedifusión (no cuentan ni con economías de escala ni con economías de serie).En el campo de las potencias de las máquinas de las micro y mini centrales (1a 300 kW), las tecnologías mas difundidas son las turbinas Pelton, Michell -Banki y Hélice.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 41 de 81
  42. 42. Al igual que para grandes centrales, pero construidas con tecnologías massencillas, las turbinas Pelton cubren el rango de grandes alturas de caída (50 a500 metros).En el otro extremo las turbinas tipo hélice, resuelven bien el aprovechamientode pequeños desniveles (menos de 10 metros de caída).Cubriendo una amplia combinación de valores de caudal – altura de losaprovechamiento se ubica la turbina Michell – Banki que reúne además otrasventajas comparativas, tales como rendimiento más alto tanto a cargasparciales como a plena carga, mayor sencillez constructiva y menor costo porunidad de potencia instalada. Estas turbinas permiten aprovechar saltos entre 3y 80 metros de desnivel en forma muy competitiva frente a las otrastecnologías.4.6.1.1. La Turbina PeltonEsta turbina constituye la expresión actual de la rueda hidráulica, donde laspalas han sido reemplazadas por cucharas que reciben el impacto de un chorrode agua de alta velocidad que se proyecta desde un inyector.En estas turbinas, de chorro libre, la conversión de la energía cinética amecánica, se realiza a presión atmosférica y solo se modifica el vector develocidad del agua. Es una turbina de “impulso” donde la variación de cantidadde movimiento del agua en las cucharas provoca el impulso de rotación (parmotor o torque) de la rueda. Todo el proceso de conversión se realiza a presiónatmosférica.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 42 de 81
  43. 43. Los componentes tecnológicos de las turbinas son básicamente cinco: i)Inyector, ii) Deflector, iii) Cucharas, iv) Rotor y v) Carcaza.El inyector y la forma en que proyecta el chorro sobre las cucharas puede verseen la siguiente figura. Boquilla Vástago CucharaEl inyector es un tubo de pequeño diámetro que recibe el agua de la tubería depresión. Dentro del tubo se dispone un vástago móvil que, operadoexternamente, regula el caudal que se inyecta mediante una aguja en suextremo y una boquilla en el extremo del tubo que lo contiene. La operación delinyector es generalmente, automática, comandada por el sistema de regulaciónde la MCH.El diseño del conjunto aguja – boquilla se ejecuta atendiendo a minimizar lasperdidas, lo que implica acelerar el chorro en el menor recorrido posible. Estetramo donde se produce el estrangulamiento entre aguja y boquilla debe estarlibre de imperfecciones superficiales para no introducir perturbaciones en elflujo del agua.El deflector es un dispositivo sencillo manejado por el sistema de regulación dela máquina que deriva el chorro en forma parcial o total para reducir o suprimirel impacto sobre las cucharas ya sea con fines de regulación ante variacionesimportantes de la carga o de parada de la máquina ante salida intempestiva dela carga.En ambos casos los deflectores actúan en forma rápida, permitiendo que luegoel caudal se ajuste por el sistema de boquilla – aguja evitando producir efectosde golpe de ariete en la tubería de presión.Daniel Muguerza – Microcentrales Hidroeléctricas Página 43 de 81

×