2. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 2
El Ciclo Hidrológico
La energía que produce el movimiento de las masas de agua proviene del sol.
La escorrentía superficial depende de muchos factores, pudiendo resultar un
caso como el correspondiente al Río Limay.
3. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 3
El Ciclo Hidrológico
Este volumen de agua evoluciona desde sus
nacientes hasta la desembocadura en un lago, laguna
o el mar.
También modela los cauces según la geología.
4. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 4
El Ciclo Hidrológico
Este volumen de agua evoluciona desde sus nacientes hasta
la desembocadura en un lago, laguna o el mar.
También modela los cauces según la geología.
5. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 5
Conceptos Básicos
La energía por definición es aquello que pueda dar origen o existencia a una fuerza. De
otro modo, la energía es la capacidad que posee la materia para poder producir calor,
trabajo en forma de movimiento, luz, crecimiento biológico, etc.
Otra definición corresponde decir que la energía es la causa que determina los
cambios de propiedades de los cuerpos.
La energía hidráulica es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías
cinética y potencial de la corriente de ríos, saltos de agua o mareas. Es un tipo de
energía con impactos ambientales mínimos en pequeños aprovechamientos, y sobre
todo en casos que se usen las aguas sin represarlas; en caso contrario es considerada
sólo una forma de energía renovable.
Esta energía se puede transformar a muy diferentes escalas, existiendo desde hace
siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de
palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo,
la utilización más significativa la constituyen:
6. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 6
Tipos de energía: potencial y cinética.
La energía potencial puede ser gravitacional o de presión.
Se cumple con el la teoría de conservación de la energía de Bernoulli.
Transformación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye: sólo se
transforma.
Z + p/g
g
g
g + a U2 /2g = H
7. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 7
Origen de la energía hidráulica
Un curso de agua, en forma
esquemática cuenta con una cuenca
alta (A), una cuenca media (B), una
cuenca inferior (C) y un receptor final
(D).
Existen zonas donde la erosión es
preponderante y zonas donde la
sedimentación predomina.
Se pueden analizar dos secciones cualesquiera y analizar su balance de energía. Se
podrá observar que los valores involucrados de energía cinética son de poco peso
frente a la energía potencial.
El balance de energía queda reducido al desnivel existente entre las dos superficies
de agua de las dos secciones consideradas.
H representa la energía que debe invertir el agua para alcanzar el tramo final o la
segunda sección considerada que se da en fricción, turbulencia y transporte de
material.
9. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 9
Aprovechamiento de esa energía
Tal como quedó definido, la intención de utilizar energía hidráulica con el fin de obtener
energía aprovechable debe sustentarse en generar un remanente de esa energía.
Por lo tanto, un aprovechamiento debe atender a dos aspectos fundamentales y bien
claros:
- Por un lado minimizar las pérdidas de energía con obras proyectadas para tal fin;
- Por otro lado, proyectar elementos, mecanismos o equipos que permitan transformar
dicha energía hidráulica en otra forma de energía aprovechable.
Los cauces de agua presentan dos formas fácilmente aprovechables de energía:
•La energía potencial gravitatoria, la cual se obtiene en virtud de un salto topográfico
alcanzando con desniveles que pueden ser muy importantes.
•La energía cinética, la cual es despreciable en comparación con la potencial, ya que en los
ríos en general el fluido no supera velocidades de 5 m/s.
Las formas más frecuentemente utilizadas para explotar esta energía:
10. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 10
Aprovechamiento de esa energía
Desvío del cauce de agua
El principio fundamental de esta forma de aprovechamiento hidráulico de los ríos se basa en el
hecho de que la velocidad del flujo de estos es básicamente constante a lo largo de su cauce. Este
hecho revela que la energía potencial no es íntegramente convertida en cinética (no es una masa en
caída libre, la cual se acelera), sino que ésta es invertida en las llamadas pérdidas, es decir, la energía
potencial se "pierde" o transforma en vencer las fuerzas de fricción con el suelo, en el transporte de
partículas, en formar remolinos, etc. Esta energía potencial se aprovecha si se evitan las llamadas
pérdidas y hacer pasar al agua a través de una turbina. Por otro lado la energía o el balance de
energía arriba descrito puede ser ilustrado mejor a través del teorema o principio de Bernoulli
donde Jf son las pérdidas de energía causadas por la fricción.
En un cauce cualquiera la experiencia nos dice que en general se puede afirmar que c1 = c2,
igualmente como los cauces de agua siempre se encuentran en contacto con la atmósfera y su
gradiente de presión hidrostática es muy pequeño, la presión es igual en ambas secciones: p1 = p2,
así vemos que toda la energía potencial es disipada: z1 − z2 = Jf
La diferencia del alturas z1 − z2 es llamada desnivel topográfico o salto, y se le designa el símbolo H0.
11. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 11
Aprovechamiento de esa energía
Interceptación de la corriente de agua
Este método consiste en la construcción de una presa que retenga el cauce de agua causando un
aumento del nivel del río en su parte anterior a la presa, el cual podría eventualmente convertirse en
un embalse. El dique establece una corriente no uniforme y modifica la forma de la superficie libre
del río antes y después de éste que toman forma de las llamadas curvas de remanso. El
establecimiento de las curvas de remanso determina un nuevo salto topográfico aprovechable H0.
12. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 12
Aprovechamiento de esa energía
Con el fin de minimizar las pérdidas de energía de una corriente fluida, se puede
mencionar, que de las expresiones estudiadas en los cursos de hidráulica, se
determinó que son función de la velocidad o del término cinético y de la rugosidad
del cauce.
Por lo tanto, se puede trabajar sobre alguno de estos factores o sobre ambos.
J = K C²
Aplicando la ecuación de
Continuidad, la velocidad se
disminuye aumentando la sección de
pasaje del agua: a mayor sección =
menor velocidad.
∆H, siendo C² despreciable frente a
la presión, es la energía por unidad
de peso que se puede obtener a
través de la obra planteada.
13. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 13
Aprovechamiento de esa energía
E = ∆H gV = ΔH gQ ∆t
La potencia será la derivada de la energía respecto del tiempo.
De esta forma, modificando la
rugosidad se puede obtener
similares condiciones de
escurrimiento con pendientes
menores. A lo largo de “x” distancia
se obtiene un desnivel “H” que
redunda en un salto útil.
También se puede ir sobre la rugosidad: de la expresión de Chezy Manning se puede
obtener que i / i0 = (n / n0)²
14. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 14
Aprovechamiento de esa energía
E = ∆H gV = ΔH gQ ∆t
Y ahora disponiendo de ambas intervenciones se puede llegar, según la situación, a
plantear teóricamente una situación tal que:
Parte de ese “salto útil” se produce
por las obras implementadas (H1) y
parte por una disminución en la
rugosidad de la conducción (H2). Esta
conducción puede plantearse a cielo
abierto (canales) o en conductos a
presión (túneles)
Por lo general será la naturaleza, la geografía, la geotecnia y los costos los encargados
de definir la mejor de las opciones a proponer.
15. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 15
Tipos de Obras según sus características:
Obras Sin Regulación
El Salto Útil resulta ser la
ganancia o recuperación de
energía no cedida al curso
para su posterior
aprovechamiento.
Ne
Cota Restitucion
Caudal
Vertedero
Ke D
L
0
I
I
II
II
ESQUEMA 1
TURBINA
GENERADOR
VM
I
I
II
II
T
Detalle Turbina
16. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 16
Obras Con Regulación
El Salto Útil resulta ser la
ganancia o recuperación de
energía no cedida al curso
para su posterior
aprovechamiento.
L1
Ke D1
ESQUEMA 2
Ne 1
Vertedero
II
I
II
I
Caudal
0
Cota Restitucion
L2
L1
D2 T
VM
Ne 2
Tipos de Obras según sus características:
17. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 17
Obras De Grandes Saltos
El Salto Útil resulta ser la
ganancia o recuperación de
energía no cedida al curso
para su posterior
aprovechamiento.
L
Ke
D
ESQUEMA 5
Nivel Embalse
Caudal
0
Cota Restitucion
L
L
I I
Cota Eje Rodete
Caudal
0
Cota Restitucion
pm
Cota Salida Inyector
I I
Cota Eje Rodete
Cota Eje Rodete
II II
T
II II
Detalle Turbina
Tipos de Obras según sus características:
18. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 18
Cuenca y Manejo de cuencas:
El caso de una cuenca en la cual se observa al curso principal, un curso afluente y
ambos descargan sus aguas en un lago.
Las cotas topográficas, sus
desniveles asociados, el
régimen de cada uno de
los afluentes, las
características del suelo,
la permeabilidad de los
mismos y las
características geológicas
permitirían avanzar en el
análisis de factibilidad
sobre determinadas
ofertas de agua a realizar
con el fin de satisfacer
otra u otras demandas.
21. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 21
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN CURSO DE AGUA
Energía estimada vs Energía Generada
0
50000
100000
150000
200000
250000
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Periodo [años]
Energía
generada
[Gwh]
Energía anual Total Generada Energía anual Estimada 5% Energía anual estimada 7% Exponencial (Energía anual Total Generada)
22. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 22
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN CURSO DE AGUA
Balance Energético
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Dic-99 Abr-01 Sep-02 Ene-04 May-05 Oct-06 Feb-08
Tiempo
Energía
Energía térmica Energía nuclear Energía Hidraulica Energía Total Lineal (Energía Total)
23. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 23
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UN CURSO DE AGUA
La energía hidroeléctrica, que en 1970 era equivalente a 270 MTEP se incrementa a 3.650
MTEP en el año 2003, con lo que llega a representar el 5,3% de la oferta interna de energía
primaria.
En 1970, el volumen del consumo final de energía fue de 20.730 MtEP, en tanto que
en el año 2000 se alcanzó el consumo máximo con 41.876 MTEP, el incremento
registrado en esos 30 años fue de sólo el 102%, con una variación media anual del
2,4%, Si se incluyen los últimos años, considerando la crisis registrada en 2001 y la
leve recuperación a partir del 2003, el crecimiento medio anual se reduce al 2,0%,
como se muestra en el Cuadro. Otro aspecto que resalta es el incremento registrado
en el consumo final de gas natural,
siendo el energético que absorbió gran parte del incremento total del consumo final,
acompañado en menor medida por el aumento de la electricidad.
Consumo de Combustibles para Generación Eléctrica El consumo de combustible para
generación eléctrica fue de 13.500 MTep en el año 2003, de los cuales 10.400 Mtep
corresponden al requerimiento de las unidades térmicas del servicio público y 3.100
MTep a la autoproducción. En el gráfico 2.15 se presenta la evolución del consumo de
combustible para generación eléctrica = PROBLEMA AMBIENTAL
26. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 26
ASPECTOS AMBIENTALES
Es un fenómeno común, ver el aumento en la presión sobre las áreas altas de la
represa, como resultado del reasentamiento de la gente de las áreas inundadas y la
migración de habitantes al desarrollarse la zona. Se degrada el medio ambiente del
sitio, la calidad del agua se deteriora, y las tasas de sedimentación del reservorio
aumentan, causados por la tala de bosques cercanos para agricultura y para otros
usos como madera y leña, la presión sobre los pastos, el uso de químicos agrícolas.
Asimismo, el uso del terreno de la cuenca alta afecta la calidad y cantidad del agua
que ingresa al río. Por eso, es esencial que los proyectos de las obras hidráulicas sean
planificados y manejados considerando el contexto global de la cuenca temas
conocidos como Gestión Integrada de los Recursos Hídricos que involucra los planes
regionales de desarrollo, incluyendo, tanto las áreas superiores de captación, aguas
arriba de la represa y la planicie de inundación, como las áreas de la cuenca
hidrográfica, aguas abajo.
27. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 27
ASPECTOS AMBIENTALES
Las centrales hidroeléctricas pueden alterar significativamente los ecosistemas
acuáticos. Por ejemplo, en los casos de la fauna ictícola que migra desde aguas abajo
hacia aguas arriba para el desove. Hay bastantes estudios buscando soluciones a este
tipo de problema. Un ejemplo es la construcción de escalas para los peces.
Pero la electricidad hidráulica cambia los ecosistemas en el río aguas abajo también. El
agua que sale de las turbinas típicamente no tiene mucho sedimento. Esto puede
resultar en la erosión de las márgenes de los ríos. Como las turbinas entran en
funcionamiento varias veces, la cantidad de agua que hay en el río, aguas abajo de la
obra, cambia muchas veces también. Estos efectos combinados pueden cambiar los
ecosistemas dramáticamente y afectar la vida acuática (y otras formas de vida).
28. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 28
ASPECTOS AMBIENTALES
El área de influencia de una represa se extiende desde los límites superiores del
embalse hasta los esteros y las zonas costeras y costa afuera, e incluyen el embalse, la
represa y la cuenca del río, aguas abajo de la presa. Hay impactos ambientales
directos asociados con la construcción de la represa (p.ej., el polvo, la erosión,
problemas con el material prestado y de los desechos, humedad ambiente, pérdida de
caudal por evaporación), pero los impactos más importantes son el resultado del
embalse del agua, la inundación de la tierra para formar el embalse, y la alteración del
caudal de agua, aguas abajo.
Estos efectos ejercen impactos directos en los suelos, la vegetación, la fauna y las
tierras silvestres, la pesca, el clima y la población humana del área. Se alteran los
pulsos de inundación.
Los efectos indirectos de la represa incluyen los que se asocian con la construcción, el
mantenimiento y el funcionamiento de la represa (p.ej., los caminos de acceso, los
campamentos de construcción, las líneas de transmisión de energía) y el desarrollo de
las actividades agrícolas, industriales o municipales que posibilita la represa.
29. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 29
ASPECTOS AMBIENTALES
El beneficio obvio del proyecto hidroeléctrico es la energía eléctrica, la misma que
puede apoyar el desarrollo económico y mejorar la calidad de la vida en el área
servida. Los proyectos hidroeléctricos requieren mucha mano de obra y ofrecen
oportunidades de empleo. Los caminos y otras infraestructuras pueden dar a los
pobladores mayor acceso a los mercados para sus productos, escuelas para sus hijos,
cuidado de salud y otros servicios sociales.
Además, la generación de la energía hidroeléctrica proporciona una alternativa para la
quema de los combustibles fósiles, o la energía nuclear, que permite satisfacer la
demanda de energía sin producir agua caliente, emisiones atmosféricas, ceniza,
desechos radioactivos ni emisiones de CO2.
Si el reservorio es realmente una instalación de usos múltiples, es decir, si los
diferentes propósitos declarados en el análisis económico no son mutuamente
inconsistentes, los otros beneficios pueden incluir el control de las inundaciones y la
provisión de un suministro de agua más confiable y de más alta calidad para riego, y
uso doméstico e industrial.
30. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
DE UN CURSO DE AGUA 30
ASPECTOS AMBIENTALES
La intensificación de la agricultura, localmente, mediante el uso del riego, puede, a su
vez, reducir la presión que existe sobre los biomas o bosques primarios, los ambientes
intactos de la fauna, y las áreas en otras partes que no sean adecuadas para la
agricultura. Asimismo, las represas pueden crear pesca en el reservorio y posibilidades
para producción agrícola en el área del reservorio que pueden más que compensar las
pérdidas sufridas por estos sectores debido a su construcción.
