4. INGENIERÍA DEL PROYECTO
4.3 Ingeniería del Proyecto
4.3.6 Obras Civiles
Obras de Captación
Se denominan obras de toma o de captación a toda estructura hidráulica construida sobre el cauce de un río, con el fin de captar o derivar el agua necesaria que para los proyectos de PCH será utilizada en la generación de energía; impidiendo que el caudal de diseño sea excedido durante las crecientes y evitando que entren materiales sólidos como ramas o piedras que puedan causar obstrucciones posteriores (INEA, 1997). Las obras de captación deben ubicarse en un tramo recto, de no ser posible esto, se localizan en la parte exterior de una curva, ya que por allí es donde tiende a irse el agua en las épocas de verano, asegurando así su captación. Además, se evita la penetración de material de acarreo, que cuando hay crecientes se deposita en la parte interior de dicha curva. El terreno donde estará la bocatoma, debe ser lo más firme y estable posible, para que la erosión no ponga en peligro de destrucción las obras o se presenten problemas de sedimentación a la entrada de la rejilla.
Obras de Conducción
Son los canales que transportan el agua desde la toma a la cámara de carga, y pueden realizarse a cielo abierto, enterrados o en conducción a presión (Díaz M., 2014).
Las conducciones superficiales pueden construirse excavando el terreno, sobre la propia ladera o mediante estructura de hormigón. Generalmente se construyen sobre la propia ladera, con muy poca pendiente, aproximadamente el 0,5 por mil, para que el agua circule a baja velocidad y así evitar al máximo las pérdidas de carga. Esta velocidad de conducción del agua hacia la turbina, depende también del material del que sea construido el canal y no solo de la pendiente.
Al realizar los trazados de estas conducciones, hay que procurar que sigan las líneas de nivel para que el movimiento de tierras sea el mínimo posible, adaptándose al terreno. A lo largo del canal, dependiendo de su longitud, puede haber varias compuertas para limpieza y vaciado del canal en caso necesario, y al final del canal, antes de la cámara de carga, suelen instalarse otra reja de finos con su correspondiente máquina limpiarejas, así como una compuerta de seguridad.
Trampas de sedimentos
Las tomas de agua en el cauce del río se diseñan para que no entren, ni los arrastres de fondo ni la broza flotante, pero no pueden impedir la entrada de sedimentos suspendidos (ESHA, 2006).
El objetivo de las cubetas de sedimentación es impedir que los sedimentos se depositen en los canales hidráulicos, entren en las tuberías forzadas y, por encima de un cierto tamaño, dañen las turbinas y sus órganos de control. Para ello hay que introducir un ensanchamiento en la estructura hidráulica, para disminuir la velocidad del agua, y producir la precipitación. Estas obras son conocidas como trampa de sedimentos o desarenador.
Cámara de carga
La cámara de carga es un depósito localizado al final del canal del cual arranca la tubería forzada. En algunos casos se utiliza como depósito final de regulación, aunque normalmente tiene solo capacidad para suministrar el volumen necesario para el arranque de la turbina sin intermitencias (IDAE, 2006).
Cuando la conducción entre la toma de agua y la cámara de carga se realiza en presión, ésta última será cerrada y tendrá además una chimenea de equilibrio, para amortiguar las variaciones de presión y protegerla de los golpes de ariete.
Al diseñar la geometría de la cámara hay que evitar al máximo las pérdidas de carga y los remolinos que puedan producirse, tanto aguas arriba como en la propia cámara. Si la tubería forzada no está suficientemente sumergida, un flujo de este tipo puede provocar la formación de vórtices que arrastren aire hasta la turbina, produciendo una fuerte vibración que bajaría el rendimiento de la mini central.
La cámara de carga debe contar además con un aliviadero, ya que en caso de parada de la central el agua no turbinada se desagua hasta el río o arroyo más próximo. También es muy útil la instalación en la cámara de una reja con limpia-rejas y compuertas de desarenación y limpieza.
Tubería Forzada
La tubería forzada conduce el agua desde la cámara de carga hasta la turbina, aunque en algunas ocasiones, se suprime el canal de derivación y las tuberías forzadas se aplican directamente desde las tomas de agua de la presa derivando el agua hasta la cámara de presión (Díaz M., 2014).
Debe estar preparada para aguantar la presión que ocasiona la columna de agua, además de la sobrepresión que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la mini central.
Al inicio de la tubería se instala un órgano de cierre que permite evitar el paso de agua y vaciar la tubería poco a poco en caso necesario, de mantenimiento o reparación
La colocación de la tubería forzada está en función de la orografía del terreno y de los factores medioambientales, pudiendo ser enterrada o aérea. En este último caso, se debe de sujetar la tubería mediante apoyos, además de los anclajes necesarios en cada cambio de dirección de ésta y la disposición de juntas de dilatación que compensen los esfuerzos originados por los cambios de temperatura.
En el caso de tubería enterrada, se suele disponer apoyada sobre una cama de arena en el fondo de la zanja, y se instalan anclajes de hormigón en los cambios de dirección de la tubería. En este caso estará sometida a menores variaciones de temperatura, por lo que no será necesario, en general, la instalación de juntas de dilatación, aunque en función del tipo de terreno sí pueden sufrir problemas de corrosión, por lo cual se suele instalar protección catódica para contrarrestarlo.
Casa de Máquinas
El edificio o casa de máquinas es una edificación a donde llega la tubería forzada y donde se alojan los equipos electromecánicos (turbina y generador), además de las instalaciones complementarias para el funcionamiento de la central hidroeléctrica. El diseño de la casa de máquinas debe cumplir ciertas especificaciones como (OLADE, 1985):
Dimensiones de los equipos electromecánicos. Materiales de construcción disponibles en el lugar.
Zona o región del país en la que se construirá la PCH; se tendrá que pensar en las características del lugar tales como el clima, para proyectar la casa de máquinas de acuerdo a estas condiciones.
Facilidades de acceso.
Simplicidad de la construcción, mínimo uso de estructuras de acero o concreto armado.
Ubicación de la casa de máquinas en relación al río, investigando la elevación de la creciente máxima y el comportamiento del río en relación a su cauce, pues el río puede cambiar su cauce erosionando sus orillas.
Para la fundación de la casa de máquinas hay que considerar entre otros factores
el esfuerzo admisible del suelo y los materiales existentes en la zona.
La fundación de los equipos tendrá que complementar su diseño de acuerdo a datos de los fabricantes y cuando éstos proporcionen sus esquemas.
En ocasiones el diseño final deberá hacerse durante la construcci6n y después de recibir un esquema definitivo de las máquinas que están suministrando, ya que se necesita a un anclaje sólido para evitar vibraciones o rupturas durante la operación. Los planos de construcción deberán contener todos los detalles posibles, para que
un albañil o maestro de obra pueda fácilmente interpretarlos. Prever espacio para el operador.
Canal de Desagüe
Es la conducción a través de la que se restituye el agua al cauce. Se dimensiona de manera que el retorno del caudal al río se realice de la forma que altere menos el cauce. Su diseño y características son similares al canal de entrada (Díaz M., 2014).
En todo caso es fundamental considerar que no se provoque erosión en la salida disponiendo un elemento de amortiguación. En cuanto al diseño estructural se deberán considerar los principios de diseño que aseguren su estabilidad y resistencia (OLADE, 1985).
4.3.7 Proceso de Diseño
El diseño de la mini central hidroeléctrica, consistirá en los siguientes procesos (Figura 32): Figura 32. Procesos para Diseño
Fuente: Autor
Para los procesos de Diseño Eléctrico, Diseño Civil y Gestión Ambiental se requiere realizar las actividades de recopilación de información en oficina y terreno para elaborar los estudios cartográficos, geotécnicos, hidrológicos y ambientales, cuyas tareas y responsables se describen a continuación (Ver Figura 33):
Figura 33. Estudios Preliminares
Fuente: Autor Diseño Eléctrico Diseño Civil Gestión Ambiental Gestión Administrativo- Financiera Dirección de Proyecto Estudio Cartográfico
•Análisis Planos Cartográficos
•Ubicación de zona, vías de acceso, ríos y curvas de nivel •Responsable (Profesional Civil)
Estudio Geotécnico
•Evaluación geológica y geoformológica del terreno •Evaluación de suelos para obras civiles
•Responsable (Profesional Civil)
Estudio
Hidrológico
•Recolección de histórico de caudales en estaciones •Medición de Caudal en el río
•Responsable (Profesional Eléctrico); Apoya (Profesional Civil)
Estudio Ambiental
•Definir Impactos ambientales (Flora, Fauna, Paisaje) •Definir impacto por uso del recurso hídrico
El estudio hidrológico cuenta con apoyo del Profesional Civil, sin embargo, la responsabilidad del estudio recae sobre el Profesional Eléctrico.
Para el proceso de Diseño Eléctrico se describen a continuación las siguientes actividades con sus tareas y el responsable, que será el Profesional Eléctrico con experiencia en este tipo de diseños (Ver Figura 34):
Figura 34. Diseño Eléctrico
Fuente: Autor
Las actividades correspondientes al proceso de Diseño Civil, junto con las tareas se describen en la Figura 35, las cuales están a cargo de un Profesional Civil con experiencia en este tipo de diseños.
De nuevo, el dimensionamiento de la casa de máquinas cuenta con apoyo del Profesional Eléctrico, sin embargo, la responsabilidad del estudio recae sobre el Profesional Civil.
Caudal de diseño y Caída
Hidráulica
•Determinación Curva de Duración de Caudal •Determinación Caudal Ecológico
•Determinación Caudal mínimo de diseño •Determinación Caída Hidráulica Neta •Responsable (Profesional Eléctrico)
Turbo Maquinaria
•Selección Turbina •Selección Generador •Especificaciones técnicas
•Responsable (Profesional Eléctrico)
Componentes Eléctricos
•Esquema de Regulación •Esquema de Control
•Instalación Eléctrica Complementaria •Responsable (Profesional Eléctrico)
Conexión al SIN
•Especificación punto de conexión a ORL •Listado de Materiales
•Cálculos de Regulación
Figura 35. Diseño Civil
Fuente: Autor
Las siguientes actividades, que corresponden a la estructuración legal del proyecto de construcción y operación de la mini central, son responsabilidad del Director de Proyecto y se encuentran dentro del proceso de Dirección (Ver Figura 36):
Figura 36. Estructuración Legal
Fuente: Autor Pérdidas Hidráulicas
•Cálculos Pérdidas por Fricción •Cálculos Pérdidas por Turbulencia
•Cálculos Pérdidas en emboques y salidas de tuberías •Cálculos Pérdidas en curvas, valvulas y turbina •Responsable (Profesional Civil)
Obras Civiles
•Cálculo Bocatoma •Cálculo Canal de Carga •Cálculo Cámara de Carga •Cálculo Tubería de Presión •Responsable (Profesional Civil)
Casa de Máquinas
•Dimensionamiento área y estructura de casa de máquinas •Ubicación de Turbomaquinaria y Elementos complementarios •Cálculo Canal de Desague
•Responsable (Profesional Civil); Apoya (Profesional Eléctrico)
Estudio Legal
•Determinar Restricciones de tipo legal (propiedad del terreno, zonas protegidas) •Definir Política de Responsabilidad Social
•Responsable (Director de Proyecto)
Contratos
•Estructuración contratos con proveedores y constructores •Determinar Constitución Sociedad Personería Jurídica •Responsable (Director de Proyecto)
La Gestión Ambiental incluye la siguiente actividad (Ver Figura 37), a cargo del Profesional Ambiental:
Figura 37. Gestión Ambiental
Fuente: Autor
La Gestión Administrativa, a cargo del Profesional Industrial, tiene las siguientes actividades, concernientes a la estructuración administrativa del proyecto en la etapa de construcción y operación (Ver Figura 38):
Figura 38. Gestión Administrativa
Fuente: Autor
En la Figura 39 se relacionan las actividades en la gestión financiera, a cargo del Profesional Industrial:
Estudio Ambiental
•Definir Impactos ambientales (Flora, Fauna, Paisaje) •Definir impacto por uso del recurso hídrico
•Responsable (Profesional Ambiental)
Plan de Manejo Ambiental
•Definir Planes de Manejo Ambiental para Construcción y Operación •Definir Plan de Abandono
•Responsable (Profesional Ambiental)
Organigramas
•Determinar los procesos de construcción y operación
•Elaborar los organigramas de las etapas de operación y construcción •Responsable (Profesional Industrial). Apoya (Profesional Eléctrico-Civil)
Perfiles
•Determinar los perfiles para el personal en la etapa de construcción y operación •Elaborar el estudio de nómina para los anteriores perfiles
Figura 39. Gestión Financiera
Fuente: Autor
Por último, se describen las tareas en el proceso de Dirección, a cargo del Director de Proyecto (Ver Figura 40):
Figura 40. Dirección del Proyecto
Fuente: Autor Presupuestos
•Determinar los costos de equipos y materiales
•Determinar los costos de mano de obraElaborar el presupuesto general •Responsable (Profesional Industrial). Apoya (Profesional Eléctrico-Civil)
Cronograma
•Elaborar el cronograma de construcción
•Elaborar la planeación del proyecto de construcción
•Responsable (Profesional Industrial). Apoya (Profesional Eléctrico-Civil)
Dirección y Supervisión
•Dirigir el equipo de trabajo
•Realizar seguimiento al cronograma de ejecución del diseño •Controlar los costos derivados del proyecto
•Revisar y aprobar los resultados de los estudios •Responsable (Director de Proyecto)
Documento Final
•Recopilar la información de los diferentes procesos •Elaboración Documento Final
•Responsable (Director de Proyecto)
Cierre del Proyecto
•Entregar los resultados al patrocinador •Liquidación de personal
•Cierre financiero del proyecto •Responsable (Director de Proyecto)
5. ESTUDIO ADMINISTRATIVO
5.1
ESTUDIO ORGANIZACIONAL
Para realizar el diseño se requieren los siguientes perfiles (Ver Figura 41) para conformar el grupo de trabajo (Bolaños Almeyda, 2014):
a) Director de Proyecto: Ingeniero Eléctrico o Civil con posgrado y cinco (5) años de experiencia en el sector. Responsable de todas las actividades necesarias para la formulación del proyecto. Encargado del estudio legal del proyecto.
b) Coordinador Administrativo Financiero: Ingeniero Industrial con tres (3) años de experiencia en el sector. Responsable de estructurar la planeación del proyecto a nivel administrativo y financiero.
c) Coordinador de Obras Eléctricas: Ingeniero Electricista con tres (3) años de experiencia en el sector. Encargado de las obras eléctricas y las especificaciones técnicas de la turbo maquinaria de la casa de máquinas.
d) Coordinador Obras Civiles: Ingeniero Civil con tres (3) años de experiencia en el sector. Responsable del levantamiento topográfico y determinar las obras civiles necesarias para estructurar el proyecto.
e) Especialista Ambiental: Ingeniero Ambiental con tres (3) años de experiencia en el sector. Encargado de realizar los estudios y planes de manejo ambiental con conocimiento de la normatividad aplicable al sector.
f) Auxiliar de Ingeniería 1: Tecnólogo o estudiante de últimos semestres de Ingeniería Eléctrica con conocimientos de regulación y control para apoyar las labores del Coordinador de Obras Eléctricas.
g) Auxiliar de Ingeniería 2: Tecnólogo o Estudiante de últimos semestres de Ingeniería Civil con conocimientos en recursos hídricos para apoyar las labores del Coordinador de Obras Civiles.
h) Auxiliar de Ingeniería 3: Tecnólogo o Estudiante de últimos semestres de Ingeniería Industrial con conocimientos en estructuración de procesos y perfiles como apoyo Coordinador Administrativo-Financiero.
Figura 41. Organigrama para el diseño
Fuente: Autor
Para la fase de construcción se requieren los siguientes perfiles (ver Figura 42) para conformar el grupo de trabajo (IPSE, 2001).
a) Director de Proyecto: Ingeniero Eléctrico o Civil con posgrado y diez (10) años de experiencia en el sector. Responsable de todas las actividades necesarias para la ejecución del proyecto.
b) Asistente: Tecnólogo en carreras administrativas con cinco (5) años de experiencia. Será la persona encargada de apoyar las tareas administrativas del Director de Proyecto.
c) Coordinador de Obras Eléctricas: Ingeniero Electricista con cinco años (5) años de experiencia en el sector. Encargado del montaje de la subestación eléctrica en la casa de máquinas y la infraestructura eléctrica correspondiente.
d) Ingeniero de Apoyo 1: Ingeniero mecánico o electromecánico con tres (3) años de experiencia en el sector. Responsable del montaje de los equipos electromecánicos en la casa de máquinas.
e) Coordinador Obras Civiles: Ingeniero Civil con cinco (5) años de experiencia en el sector. Responsable de la construcción de las obras civiles necesarias para el proyecto. Director de Proyecto Coordinador Obras Eléctricas Auxiliar de Ingeniería 1 Coordinador Obras Civiles Auxiliar de Ingenieria 2 Especialista Ambiental Coordinador Administrativo Financiero Auxiliar de Ingeniería 3
f) Especialista Ambiental: Ingeniero Ambiental con cinco (5) años de experiencia en el sector. Encargado de implementar los planes de manejo ambiental.
g) Ingeniero de Apoyo 2: Ingeniero Civil con dos (2) años de experiencia en el sector. Apoyará las labores del Coordinador de Obras Civiles.
Figura 42. Organigrama de la etapa de construcción
Fuente: Autor
Finalmente, para la etapa de operación se proponen los siguientes perfiles (ver Figura 43) junto con el organigrama (Morales Rodriguez & Castaño Gamboa, 2017).
a) Gerente de Planta: Ingeniero Civil, Mecánico o Electricista con tres (3) años de experiencia en el sector. Responsable de todas las actividades de administración, mantenimiento y operación de la mini central. Tiempo de dedicación: 3 días a la semana.
b) Operador de Planta: Técnico en electricidad, electromecánica o mecánica con (2) años de experiencia en el sector. Encargado de supervisar la operación y realizar el mantenimiento a todo el equipo electromecánico de la mini central. Tiempo de dedicación: 6 días a la semana.
Director de Proyecto Coordinador Obras Eléctricas Ingeniero de Apoyo 1 Coordinador Obras Civiles Ingeniero de Apoyo 2 Especialissta Ambiental Asistente
Figura 43. Organigrama para la operación de la Mini Central
Fuente: Autor
5.2
ESTUDIO AMBIENTAL
5.2.1 Impacto Ambiental
A continuación se indican los posibles impactos ambientales tanto negativos como positivos por el desarrollo del proyecto (Morales Rodriguez & Castaño Gamboa, 2017).
Impactos Negativos
Los posibles impactos negativos pueden identificarse como: Suelo
Ocupación invasiva de terrenos por construcciones y vías.
Erosión del suelo debido al movimiento de tierra durante la construcción. Vegetación
Pérdida de la cobertura vegetal en el área ocupada por las construcciones. Cambio en la estructura vegetal ribereña.
Paisaje
Cambio negativo del paisaje: Repoblar taludes y terraplenes. Medio Social
Invasión de sistemas agropecuarios. Junta Administrativa Gerente de Planta Operario de Planta
Fauna
Disminución de la población piscícola. Disminución de animales terrestres.
Mortandad de aves silvestres por electrocución con línea de transmisión.
Alejamiento de especies sensibles a los ruidos ocasionados por la turbina y generador.
Sistema Acuático
Alteración del caudal del río
Deposición de materiales que se desplazan en suspensión (aguas arriba), aumento de la capacidad erosiva (aguas abajo), alteración del microclima en el área adyacente al agua embalsada.
Vertidos de sólidos accidentalmente durante la construcción y desarrollo de algas en el embalse.
Impactos Positivos
Los posibles aspectos positivos del proyecto pueden identificarse como:
El agua del río no se consume, ya que después de pasar por las turbinas se restituye al río.
Disminución de la dependencia del sector externo en cuanto al consumo de combustibles hidrocarburíferos refinados como el diesel para la generación de electricidad.
Generación local, evitando costos muy grandes de transmisión eléctrica. Se trata de energía limpia, sin residuos contaminantes.
Amigable con el medio ambiente, ya que muchos de los impactos negativos pueden evitarse o mitigarse y los impactos positivos son importantes.
Es completamente renovable gracias al ciclo hidrológico del agua, ya que se trata de un recurso inagotable.
5.2.2 Normograma Ambiental
En la Tabla 25 se muestran las leyes aplicables en el ámbito ambiental y social en el presente proyecto (CREG, 2008). Estas legislaciones hacen referencia a las licencias ambientales, al uso del agua, del aire, y lo referente a posibles consultas populares que deban ser atendidas. Esto con el fin de establecer un marco normativo que oriente las actividades desarrolladas durante el proyecto (Iglesias Carvajal, 2011).
Tabla 25. Normograma Ambiental
N° de norma Fecha de expedición Título de la norma Ente que
expide Aspecto observaciones
Capítulo 3 13/06/1991 Capítulo 3: De los derechos colectivos y del ambiente Constitución Política de Colombia Social - Ambiental
Establece principios y valores, así como derechos y deberes del Estado y de los particulares en relación con el medio ambiente
Ley 99 22/12/1993 Ley 99 de 1993
Nivel Nacional
Congreso de
Colombia Ambiental
Reglamenta el Título VIII de la Ley 99 de 1993, sobre licencias ambientales
Ley 56 5/10/1981 Ley 56 de 1981 Congreso de
Colombia Ambiental
Por la cual se dictan normas sobre obras públicas de generación eléctrica y acueductos, sistemas de regadío y otras y se regulan las expropiaciones y servidumbres de los bienes afectados por tales obras Ley 141 28/06/1994 Ley 141 de 1994 Nivel Nacional Congreso de Colombia Social - Ambiental
Por la cual se crean el Fondo Nacional de Regalías, la Comisión Nacional de Regalías, se regula el derecho del Estado a percibir regalías por la explotación de recursos naturales no renovables,