aprovechamientos hidroeléctricos - facultad de ingeniería

MAESTRÍA EN

INGENIERÍA DE LA ENERGÍA

Fundamentos de

Generación Hidroeléctrica

Aprovechamientos

hidroeléctricos

Dr. Ing. Rodolfo Pienika

MSc Ing. Alejandra De Vera

IMFIA – Facultad de Ingeniería

rpienika@fing.edu.uy

adevera@fing.edu.uy

ESTUDIOS NECESARIOS

PARA LA IMPLANTACIÓN

DE UN

APROVECHAMIENTO

HIDROELÉCTRICO

• Estudios de pre-factibilidad (1ª aproximación).Con material disponible y relevamientos generales. Identificación genérica de impactos.

• Estudios de factibilidad (2ª aproximación).

Con relevamientos detallados, mediciones y ensayos. Identificación exhaustiva de impactos.

• Proyecto ejecutivo o de detalle.

Especificaciones constructivas, financiamiento, pliego de condiciones.

Fases del proyecto hidro-energético

Criterios de selección

• Salto disponible

• Caudal medio anual (cuenca de aporte)

• Potencia media anual

• Área inundada

• Valor (productivo) de las tierras a inundar

• Aptitud ambiental del sitio

• Longitud de presa / Volumen de la obra

• “Eficiencia” de la inversión: P/Área, P/Vol.Obra

• Distancia a la red o al consumo

• Accesibilidad / Disponibilidad de materiales

• ¿Multipropósito?

Relevamientos y estudios

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Ninguno es determinante,

todos pueden ser invalidantes

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Relevamientos y estudios:

1ª Aproximación

Permiten determinar:

• Salto disponible (bruto)

• Áreas inundadas

• Cuencas de aporte (Divisoria de aguas)

• Curvas HAV del embalse

• Longitud de presa

• Aptitud del cierre

Relevamientos topográficos

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200050

60

70

80

90

100

110Largo = 1350 m ; Volumen = 1352200 m3

Progresiva [m]

Cota

[m

]

Cuenca superficial: Zona de la superficie

terrestre en donde (si fuera impermeable)

todas las gotas de lluvia que caen sobre

ella son drenadas hacia el punto de cierre.

Fuentes de información disponibles:

• Instituto Geográfico Militar (IGM, antes SGM)

• Infraestructura de Datos Espaciales (IDE-AGESIC)

• Modelos digitales del terreno globales (NASA,

USGS, …)

Relevamientos topográficos

Plan Cartográfico Nacional 1:50.000

Relevamientos topográficos

Instituto Geográfico Militar (IGM)

Cartas topográficas que cubren todo el país. Curvas de nivel (10 m), caminería,

obras públicas, industriales y especiales, elementos hidrográficos, vegetación,

culturales e indicación de centros poblados. Formato papel y digital.

Instituto Geográfico Militar (IGM)

http://www.igm.gub.uy/geoportal/

Visualización

- Fotografías aéreas (1966-1967)

- Cartografía básica

- Cartas 1:50.000

- Cartografía temática

Instituto Geográfico Militar (IGM)

http://visualizador.sgm.gub.uy/gmaps/index.html

Mapas/Descargas

Instituto Geográfico Militar (IGM)

http://www.igm.gub.uy/geoportal/cartografia/#pregunta2

Todos los archivos están disponibles para descargar en formato SIG. http://ide.uy

Relevamientos topográficos

Infraestructura de Datos Espaciales (IDE)

Hidrografía y Modelo Digital de Terreno

Hidrológicamente Consistente

Proyecto financiado por el BID (2016-2019).

Infraestructura de Datos Espaciales (IDE)

https://visualizador.ide.uy/ideuy/core/load_public_project/ideuy/

Infraestructura de Datos Espaciales (IDE)

https://visualizador.ide.uy/ideuy/core/load_public_project/ideuy/

Relevamientos topográficos

U.S. Geological Survey (USGS)

(Requiere usuario) http://earthexplorer.usgs.gov/

Buscador de información geográfica del mundo

(recopilación de diferentes fuentes) para descargar.

Adquisición/Procesamiento de datos

Modelos digitales de terreno (MDT) y uso de

Sistemas de Información Geográfica (GIS) y/o

Google Earth/Google Earth Engine

Información geográfica

Codificación Cuencas DINAGUA

Información geográfica

Con fines de estudio, inventario y gestión

de los recursos hídricos se ha establecido

una división del territorio con base en las

cuencas hidrográficas (Niveles 1 a 5).

Archivos están disponibles para descargar

(“Cuencas hidrográficas Nivel X”) en:

https://www.ambiente.gub.uy/oan/listado-

de-capas/

Subcuencas Nivel 1 y 2

(Fuente: Plan Nacional de Aguas, 2017)

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Relevamientos y estudios

(*) Fuente: Plan Nacional de Aguas (2017)

Estudios hidrológicos

Red de estaciones hidrométricas

Estudios hidrológicos

Red de estaciones hidrométricas

Registros de niveles (#100) y caudales (#50)

(*) Fuente: Plan Nacional de Aguas (2017)

Estudios hidrológicos

Red de estaciones hidrométricas

Regla limnimétrica Limnígrafo

Medición del nivel de agua

Estudios hidrológicos

Red de estaciones hidrométricas

Curva de aforo

Es necesario medir

nivel y caudal

Los caudales se determinan

mediante campañas de

mediciones directas de las

velocidades del agua (aforos) que

se realizan esporádicamente en

una sección transversal del curso

próxima a donde se encuentra la

escala.

Q = A (H − H0)b

Estudios hidrológicos

Información sobre escurrimientos medios:

• Mapa de escorrentía media mensual

A partir de un modelo de balance hídrico en

cuencas en base a datos mensuales de P y ETP.

Estudios hidrológicos

Mapa de escorrentía media mensual:

(*) Tomado de “Monitoreo y disponibilidad de recursos hídricos en Uruguay”, Genta y Failache (DINASA, 2010).

Estudios hidrológicos

Mapa de escorrentía media mensual:

(*) Tomado de “Monitoreo y disponibilidad de recursos hídricos en Uruguay”, Genta y Failache (DINASA, 2010).

Gradiente

incremental

W-E

(¿Suelos?)

Mapa de Agua Disponible

Plan Nacional de Aguas:

Instrumento técnico político para la planificación y

gestión de las aguas en Uruguay considerando los

diversos usos del recurso.

Aprobado por decreto del Poder Ejecutivo en 2017.

Tres grandes objetivos:

• el agua para un desarrollo sostenible,

• el acceso al agua y el saneamiento como

derecho humano, y

• la gestión del riesgo de inundaciones y sequías.

Diagnóstico de la situación de los recursos hídricos,

posibles escenarios a futuro, identificación de los

aspectos críticos y líneas de acción.

MVOTMA (2017). “Plan Nacional de Aguas”, Uruguay. ISBN: 978-9974-658-31-8.

https://www.gub.uy/ministerio-ambiente/politicas-y-gestion/planes/plan-nacional-aguas

Estudios hidrológicos

Estudios hidrológicos

Documentos de interés:

• DINAGUA (2012). “Ciclos anuales y estacionales de parámetros

hidrológicos” (1980-2004). Informe temático de la División Recursos

Hídricos, Departamento de Hidrología, Dirección Nacional de Aguas,

MVOTMA, Uruguay.

• DINAGUA (2012). "Regionalización y correlaciones de parámetros

hidrológicos" (1980-2004). Informe temático de la División Recursos

Hídricos, Departamento de Hidrología, Dirección Nacional de Aguas,

MVOTMA, Uruguay.

• DINAGUA (2019). “Regionalización de estadísticas de caudales” (1980-

2010). Informe temático de la División Recursos Hídricos, Departamento de

Hidrología, Dirección Nacional de Aguas, MVOTMA, Uruguay.

• MVOTMA (2017). “Plan Nacional de Aguas”, Uruguay. ISBN: 978-9974-

658-31-8. https://www.gub.uy/ministerio-ambiente/politicas-y-

gestion/planes/plan-nacional-aguas

https://www.gub.uy/ministerio-ambiente/comunicacion/publicaciones

(*) Tomado del “Plan Nacional de Aguas” (2017), Capítulo 5: “Recursos hídricos”.

Valor medio de

escurrimiento

anual: 37 mm

Estudios hidrológicos

Escorrentía:

Estacionalidad: Ciclos medios anuales en Uruguay (mm/mes)

(*) Tomado del “Plan Nacional de Aguas” (2017), Capítulo 5: “Recursos hídricos”.

Estudios hidrológicos

Escorrentía:

Estacionalidad

Esc. Medio Anual Esc. Medio Verano (Dic-Mar)

Estudios hidrológicos

Escorrentía:

Variabilidad interanual

La variabilidad mensual es muy alta en comparación a la variabilidad anual.

Estudios hidrológicos

Caudal de aporte a un sitio determinado:

Esc: Escorrentía media anual

(mm/mes)

Ac: Área de la cuenca de

aporte

(km2)

Qm = Esc × Ac

Caudal medio de aporte

(m3/h)

Qm (m3/h) = Esc (mm/mes) x 10-3 x Ac (km2) x 106 / 30 / 24

Bajos: Embalse (pequeño) sin regulaciónPor ej., puede suponerse caudal de estiaje (caudal mínimo anual)

Medianos y grandes: Embalse con regulación

Estudios hidrológicos

Caudal a turbinar:

Selección

del sitio

Escorrentía

media anual

Cuenca de

aporte

Caudal

medio de

aporte

Volumen

del embalse

Tiempo de

residencia

Criterios de

regulación

Caudal a

turbinar

𝑇 =𝑉𝑒𝑚𝑏

𝑄𝑚

𝑄𝑚 = 𝐸𝑠𝑐 × 𝐴𝑐

Potencia instalada

1ª Aproximación

P = Q Hb

• Hn Hb (despreciar pérdidas de carga)

• Q = Caudal medio anual

• Rendimiento global ( 70%)

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Relevamientos y estudios

Estudios geológicos y geotécnicos

1ª Aproximación

Información disponible:

• Carta geológica del Uruguay, escala 1:500.000

(carta y memoria descriptiva)

• Carta hidrogeológica del Uruguay (carta y memoria

descriptiva)

• Visualizador geológico minero online (mapa

geológico con curvas de nivel)

Fuente: DINAMIGE (MIEM)

Carta geológica

Estudios geológicos

Formaciones geológicas y fallas

https://www.gub.uy/ministerio-industria-energia-mineria/comunicacion/publicaciones/carta-geologica-

del-uruguay-escala-1500000

Estudios geológicos

Carta hidrogeológica

Tipos de acuífero, productividad e

información de pozos

https://www.gub.uy/ministerio-industria-energia-mineria/comunicacion/publicaciones/carta-

hidrogeologica-del-uruguay-version-ano-2000-memoria-explicativa

Visualizador geológico minero

DINAMIGE - MIEM

http://visualizadorgeominero.dinamige.gub.uy/DINAMIGE_mvc2/

Estudios geológicos y geotécnicos

1ª Aproximación

Información geológica:

• Formaciones rocosas, sus características (compacidad,fragmentación, esquistosidad o foliación, dirección delos planos, …).

• Profundidades de suelo y de roca.

• Cercanía de materiales de construcción.

• Facilidades de acceso (geomorfología, afloramientosrocosos, accidentes geográficos… En Uruguay nosuelen ser un problema).

Relevamientos y estudios

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

• Los potenciales impactos ambientales varían con el sitio

seleccionado para su emplazamiento y con el tipo de central

prevista (con embalse, de pasada, hidrocinética).

• Si bien existen efectos ambientales directos de la construcción de

una central, los mayores impactos provienen de la presencia física

de la presa, la alteración del caudal escurrido aguas abajo y la

inundación de tierras, durante el llenado del embalse y la

operación de la central.

• Estos aspectos tienen impactos directos sobre el suelo, la

vegetación, los ecosistemas (fauna, flora y otros componentes), la

calidad del agua y los productores y habitantes de la zona.

Estudios ambientales

1ª Aproximación

• En general, la principal medida para minimizar los posibles

impactos adversos de una central es la elección de un sitio con

alta capacidad soporte para su emplazamiento y la gestión

racional de caudales durante el llenado del embalse y la fase de

operación de la central.

Estudios ambientales

1ª Aproximación

Fuentes de información:

• DINACEA: Áreas protegidas, industrias, zona costera

• DINOT: Información de ordenamiento territorial

• MGAP RENARE: Suelos, usos del suelo, producción,

etc.

Estudios ambientales

1ª Aproximación

https://www.ambiente.gub.uy/visualizador/index.php?vis=sig

OAN: Observatorio Ambiental Nacional

DINACEA - MA

Sistema de Información Territorial

DINOT - MA

https://sit.mvotma.gub.uy/sit/

Sistema de Información Territorial

DINOT - MA

https://sit.mvotma.gub.uy/sit/

Servicios digitales

RENARE - MGAP

https://www.gub.uy/ministerio-ganaderia-agricultura-pesca/direccion-general-recursos-naturales

Consulta a diferentes cartografías de suelos

RENARE - MGAP

http://dgrn.mgap.gub.uy/js/visores/fotoplanos/

Publicaciones MIEM

• IMFIA-FING (2012). “Características ambientales de proyectos de

PCH en el Uruguay” (Convenio BID-FJR).

• IMFIA-FING (2013). “Guía ambiental para proyectos de pequeñas

centrales hidroeléctricas” (Convenio BID-FJR). Incluye una “Cartilla

resumen para la identificación de impactos de PCH”, que sirve

como guía para los estudios de impacto ambiental de futuros

emprendimientos.

Estudios ambientales

1ª Aproximación

Disponibles en:

https://www.gub.uy/ministerio-industria-energia-mineria/comunicacion/publicaciones/publicaciones-

sobre-pequenas-centrales-hidroelectricas-pch

Preguntas a responder:

• Área a inundar

Superficie, padrones, usos del suelo, productividad, monte nativo.

• Ecosistemas y áreas protegidas

Ecosistemas acuáticos y/o terrestres afectados, infraestructura para

la movilidad de las especies acuáticas.

• Régimen de caudales

Caudales ambientales, régimen de operación de la central.

Estudios ambientales

1ª Aproximación

Área a inundar

Estudios ambientales

1ª Aproximación

Padrones Usos del suelo y monte nativo Productividad (CONEAT)

CONEAT máximo ≈ 260

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Relevamientos y estudios

Preguntas a responder:

• Usos del suelo (aguas arriba y aguas abajo de la presa)

Infraestructura, caminería, zonas de prioridad forestal.

• Usos del curso de agua (aguas arriba y aguas abajo de la presa)

Aprovechamientos de agua (abastecimiento a poblaciones, riego),

pesca.

• Paisaje y Patrimonio

Visual con valor significativo, patrimonio arqueológico y/o histórico.

• Potenciales conflictos y compatibilidad con la normativa

Ordenamiento territorial, políticas de uso del agua, percepción social.

Impactos socioeconómicos

1ª Aproximación

Preguntas a responder:

• Seguridad de presas

Clasificación según consecuencias de la rotura, núcleo poblado

más cercano ubicado aguas abajo.

Impactos socioeconómicos

1ª Aproximación

Impactos socioeconómicos

1ª Aproximación

Distancia a la red o al consumo

¿Costo del tendido eléctrico y

puesto de conexión según

voltaje?

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ambientales

• Socioeconómicos

• De mercado

Relevamientos y estudios

Si se va a comercializar la energía:

• Usuarios a corto, mediano y largo plazo

• Precio de la energía generada

Si es para uso propio o limitado:

• Posibles agregados de valor adicionales (riego, cría ictícola, turístico, …)

• Economía por sustitución de otras fuentes

Estudios de mercado

1ª aproximación:

RESUMEN

Favorable

Estudio de

Factibilidad

Recopilación de información y

estudios antecedentes

Condiciones naturales del sitio:

Estudios topográficos,

hidrológicos, geológicos

Contexto energético:

Demanda, costo de la energía

sustituida, precio de venta

Análisis económico-financiero:

Rentabilidad, retorno

Desfavorable

Evaluación

AlternativasAbandono

Pre-dimensionado de obras

Estudios socio-ambientales

Bibliografía

Nacional

• DINAGUA (2012). “Ciclos anuales y estacionales de parámetroshidrológicos” (1980-2004). Informe temático de la División RecursosHídricos, Departamento de Hidrología, Dirección Nacional de Aguas,MVOTMA, Uruguay.

• DINAGUA (2012). "Regionalización y correlaciones de parámetroshidrológicos" (1980-2004). Informe temático de la División RecursosHídricos, Departamento de Hidrología, Dirección Nacional de Aguas,MVOTMA, Uruguay.

• DINAGUA (2019). “Regionalización de estadísticas de caudales” (1980-2010). Informe temático de la División Recursos Hídricos, Departamentode Hidrología, Dirección Nacional de Aguas, MVOTMA, Uruguay.

• Genta J.L. y Failache N. (2010). “Monitoreo y disponibilidad de recursoshídricos en Uruguay”. Dirección Nacional de Aguas y Saneamiento(DINASA – MVOTMA).

• IMFIA-FING (2012). “Disponibilidad energética PCH” (Convenio BID-FJR).

• IMFIA-FING (2012). “Guía para estimar la disponibilidad energética dePCH” (Convenio BID-FJR).

Bibliografía

Nacional

• IMFIA-FING (2012). “Características ambientales de proyectos de PCH enel Uruguay” (Convenio BID-FJR).

• IMFIA-FING (2013). “Guía ambiental para proyectos de pequeñascentrales hidroeléctricas” (Convenio BID-FJR).

• MVOTMA-DINAGUA-IMFIA (2011). “Manual de diseño y construcción depequeñas presas”, Uruguay. https://www.gub.uy/ministerio-ambiente/comunicacion/publicaciones/manual-diseno-construccion-pequenas-presas

• MVOTMA (2017). “Plan Nacional de Aguas”, Uruguay. ISBN: 978-9974-658-31-8. https://www.gub.uy/ministerio-ambiente/politicas-y-gestion/planes/plan-nacional-aguas

Bibliografía

General

• ESHA (1998). “Manual de la Pequeña Hidráulica - Cómo llevar a buen finun proyecto de minicentral hidroeléctrica”. European Small HydropowerAssociation,

• ESHA (2006). “Guía para el desarrollo de una pequeña centralhidroeléctrica”. European Small Hydropower Association.

• IDEA (2006). “Minicentrales Hidroeléctricas, Manuales de EnergíaRenovables”. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía,Madrid, España.

• IHA (2004). “Sustainability Guidelines”. International HydropowerAssociation.

• RetScreen International (2003). “Small Hydro Project Analysis”. Min. ofNat. Resources, Canada; ISBN 0-662-35671-3.