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

[email protected]

[email protected]

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


• Ambientales


• 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, …)


Plan Cartográfico Nacional 1:50.000


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.


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

Visualización

- Fotografías aéreas (1966-1967)

- Cartografía básica

- Cartas 1:50.000

- Cartografía temática


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

Mapas/Descargas


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

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


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/


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


• Ambientales


• De mercado


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

Estudios hidrológicos

Red de estaciones hidrométricas



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

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



Regla limnimétrica Limnígrafo

Medición del nivel de agua



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


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.


Mapa de escorrentía media mensual:

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


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



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


Escorrentía:

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

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


Escorrentía:

Estacionalidad

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


Escorrentía:

Variabilidad interanual

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


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


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


• Ambientales


• De mercado


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).


• Topográficos

• Hidrológicos


• Ambientales


• 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.


1ª Aproximación

Fuentes de información:

• DINACEA: Áreas protegidas, industrias, zona costera

• DINOT: Información de ordenamiento territorial

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

etc.


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/

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.


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.


1ª Aproximación

Área a inundar


1ª Aproximación

Padrones Usos del suelo y monte nativo Productividad (CONEAT)

CONEAT máximo ≈ 260

• Topográficos

• Hidrológicos


• Ambientales


• De mercado



• 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


• Seguridad de presas

Clasificación según consecuencias de la rotura, núcleo poblado

más cercano ubicado aguas abajo.


1ª Aproximación


1ª Aproximación

Distancia a la red o al consumo

¿Costo del tendido eléctrico y

puesto de conexión según

voltaje?

• Topográficos

• Hidrológicos


• Ambientales


• De mercado


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.

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