Estudio hidrológico de la cuenca del río Cauca con una posterior evaluación técnica de la PCH Patico La Cabrera

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(1)ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO CAUCA CON UNA POSTERIOR EVALUACIÓN TÉCNICA DE LA PCH PATICO LA CABRERA. DANIEL ENRIQUE NOGUERA CHAPARRO MARIANA ISAACS BENÍTEZ. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2016.

(2) ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO CAUCA CON UNA POSTERIOR EVALUACIÓN TÉCNICA DE LA PCH PATICO LA CABRERA. DANIEL ENRIQUE NOGUERA CHAPARRO MARIANA ISAACS BENÍTEZ. Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero(a) Civil. Director JESÚS ERNESTO TORRES QUINTERO Ingeniero Civil. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2016.

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(4) Nota de aceptación. __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________. Presidente del jurado __________________________________________. Jurado __________________________________________. Jurado __________________________________________. Bogotá D.C. noviembre 2 de 2016. 4.

(5) AGRADECIMIENTOS Primeramente agradezco a Dios quien puso en mi camino esta maravillosa profesión, agradezco a mi familia en especial, a mi mamá que me enseño el valor de dejar huella en cada cosa que haga siguiendo sin importar las dificultades, siendo su amor mi tesoro, a mi papá que me brindó su apoyo incondicional y su ejemplo para continuar a pesar del cansancio, a mi abuela que siempre está conmigo, a mi sobrino que me motiva a seguir con el fin aportar un granito de arena en aras de un futuro más próspero, de igual forma agradezco a Mariana Isaacs puesto que si bien fue una compañera de estudio se convirtió en una persona que me enseño muchas cosas positivas en mi formación profesional y personal, a la familia Isaacs Benítez que me acogieron en su núcleo lo cual me brindo seguridad y apoyo, agradezco a Mateito (mi mascota) y su cariño incondicional. Agradezco a mis docentes ya que a través de la transferencia de sus conocimientos implantaron en mi las herramientas necesarias para continuar con este sueño llamado ingeniería Civil, de igual forma agradezco a mi universidad por brindarme los espacios y el personal necesario que contribuyo con mi formación profesional. Extendiendo mis agradecimientos al Ingeniero Jesús Ernesto Quintero mi director de proyecto de tesis por brindarme su tiempo, su ayuda y por compartir sus conocimientos y experiencia en la ejecución de este documento. Finalmente agradezco a todas aquellas personas que de una u otra manera estuvieron presentes en mis años de estudio, a todos y cada uno muchas gracias ya que no hay que olvidar que un profesional es una persona que piensa primeramente en pro de la comunidad. Daniel Enrique Noguera Chaparro. 5.

(6) Le agradezco a Dios por acompañarme en el trascurso de toda mi carrera, por haberme guiado con su infinita sabiduría y brindarme una vida llena de enseñanzas, experiencias y sobretodo felicidad A mis padres Liliana y Libardo por ser los principales promotores de mis sueños, a mi madre por haberme enseñado a no desistir y a cumplir mis sueños, por sus consejos y ternura; a mi padre que me lleno de sus experiencias y me aconsejo hasta el final. A mi abuelita Ana que incondicionalmente noche y día estuvo conmigo, apoyándome y alentándome a nunca rendirme, enseñándome que la vida se vive por etapas y que cada una de ellas nos enriquece como personas. A mi hermana Lorena por ser una parte fundamental en mi vida, por enseñarme el significado del amor verdadero e absoluto, por guiarme siempre y ser mi ejemplo a seguir. A mí cuñado Edward, mi sobrina Paula y mi sobrino Santiago por la confianza y apoyo en cada decisión de mi vida. A mi tío Iván por siempre estar conmigo alentándome con la ilusión de ser una gran ingeniera. A mi mascota Mateo por acompañarme en cada larga y agotadora noche de estudio y darme energía al poner su trompita fría en mis manos. A mi prima Laura por motivarme y soñar conmigo en un futuro espectacular. Agradezco Daniel Noguera por ser más que un amigo, por su comprensión y apoyo en las buenas y malas, sobre todo por su paciencia y cariño incondicional A toda mi familia que nunca dudo que yo pudiera culminar con éxito este sueño de ser ingeniera A la universidad Católica de Colombia y sobre todo al Ingeniero Jesús Ernesto por habernos brindado su apoyo, tiempo y conocimientos en el desarrollo de este proyecto. Finalmente gracias a la vida por este nuevo triunfo, gracias a todas las personas que me apoyaron y creyeron en mí durante toda mi carrera. Mariana Isaacs Benitez 6.

(7) CONTENIDO GLOSARIO .................................................................................................. 14 RESUMEN................................................................................................... 16 1 INTRODUCCIÓN..................................................................................... 17 2 ANTECEDENTES ................................................................................... 19 3 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ....................... 20 4 OBJETIVOS ............................................................................................ 22 4.1 GENERAL ............................................................................................. 22 4.2 ESPECÍFICOS ...................................................................................... 22 5 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 23 6 MARCO DE REFERENCIA ..................................................................... 24 6.1 MARCO HISTÓRICO ............................................................................ 24 6.2 MARCO TEÓRICO. ............................................................................... 25 6.2.1 Centrales Hidroeléctricas: ................................................................. 25 6.2.2 Centrales Termoeléctricas ................................................................. 27 6.2.3 La importancia de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCHs) en el desarrollo de una región: ............................................................................. 28 6.2.4 Principio de Funcionamiento de PCH: ............................................... 29 6.3 MARCO CONCEPTUAL. ....................................................................... 30 6.3.1. Energía hidráulica ............................................................................. 30 6.3.2. Energía térmica o calorífica ............................................................... 30 6.3.3. Centrales hidroeléctricas ................................................................... 30 6.3.4. Centrales térmicas: ........................................................................... 30 6.3.5. Centrales hidroeléctricas de agua fluente .......................................... 31 6.3.6. Centrales hidroeléctricas de agua embalsada ................................... 31 6.3.7. Centrales hidroeléctricas de regulación: ............................................ 31 6.3.8. Centrales hidroeléctricas de bombeo ................................................ 31 6.3.9. Centrales hidroeléctricas de alta presión: .......................................... 32 6.3.10.. Centrales hidroeléctricas de media presión ................................... 33. 6.3.11.. Centrales hidroeléctricas de baja presión ...................................... 33. 6.3.12.. Componentes de las centrales hidroeléctricas:.............................. 34. 6.4 MARCO LEGAL .................................................................................... 34 6.5 ESTADO DEL ARTE ............................................................................. 35 7.

(8) 7 ESTRATEGIA METODOLÓGICA ............................................................ 38 7.1 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN ............................................................ 38 7.2 LA HIDROLOGÍA Y LA HIDRÁULICA COMO CLAVE FUNDAMENTAL PARA EL CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE UNA PEQUEÑA CENTRAL HIDROELÉCTRICA ..................................................................................... 38 7.3 MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................. 39 7.3.1 Localización: ..................................................................................... 39 7.3.2 Recopilación de Información: ............................................................ 41 7.3.3 Estudios Topográficos: ...................................................................... 41 7.3.4 Estudios Hidrológicos: ....................................................................... 42 7.3.5 Cuenca Hidrográfica: ......................................................................... 42 7.3.6 Caracterización de la cuenca: ........................................................... 43 7.3.7 La Características Morfométricas generales son: .............................. 46 7.3.8 Índice de Compacidad: ...................................................................... 46 7.3.9 Índice de Forma: ............................................................................... 47 7.3.10 Geografía física del área de estudio: ................................................. 47 7.3.11 Perfil de la cuenca del río Cauca: ...................................................... 47 7.3.12 Estudios de Geología y Geotecnia: ................................................... 49 7.3.13 Geología en zona Patico la Cabrera: ................................................. 49 7.3.14 Caudales medios:.............................................................................. 50 7.3.15 Análisis de Caudales medios mensuales multianuales Estaciones Lomitas, Puente Aragón y Julumito: ............................................................ 52 7.3.16 Curvas de duración de Caudales: ..................................................... 58 7.3.17 Análisis de Frecuencia: ..................................................................... 58 7.3.18 Método: ............................................................................................. 59 8 REVISIÓN DE EQUIPOS MECÁNICOS Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS 81 8.1 OBRAS DE CAPTACIÓN: ..................................................................... 81 8.1.1 Análisis del río en la Bocatoma: ........................................................ 82 Calculo del coeficiente de rugosidad n:........................................................ 82 Probabilidad de creciente: ........................................................................... 82 8.2 OBRAS DE DESVIACIÓN: .................................................................... 83 8.2.1 Túnel de desviación: ......................................................................... 83 8.2.2 Análisis del flujo en la desviación: ..................................................... 84 8.

(9) 8.2.3 Rejillas de entrada:............................................................................ 84 8.2.4 Compuertas de entrada: .................................................................... 85 8.3 VERTEDERO DE EXCESOS EN LA BOCATOMA ................................ 86 8.3.1 Características Generales de una Turbina Francis: ........................... 90 8.4 TÚNEL DE CONDUCCIÓN ................................................................... 91 8.4.1 Transición entre el portal de salida y el canal de conducción: ........... 91 8.4.2 Canal entre el portal de salida y el desarenador: ............................... 92 8.5 DISEÑO DEL DESARENADOR ............................................................ 92 8.6 CONDUCCIÓN ENTRE EL DESARENADOR Y EL TANQUE DE CARGA 93 8.7 ESTRUCTURA DE EVACUACIÓN DE EXCESOS ................................ 94 8.8 DESAGÜE DE LA CASA DE MAQUINAS ............................................. 94 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 95 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 98 ANEXOS ................................................................................................... 102. CONTENIDO DE TABLAS. Tabla 1 Clasificación para pequeños aprovechamientos hidroenergéticos según la capacidad instalada y el tipo de usuario en las ZNI (Flórez, 2011). ...................... 28 Tabla 2 Estaciones usadas en el análisis (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016).................................................................................................................... 42 Tabla 3 Características morfometricas río Cauca estación Lomitas (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 45 Tabla 4 Características morfometricas río Cauca estación Puente Aragón (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 45 Tabla 5 Características morfometricas río Cauca estación Julumito (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 45 Tabla 6 Características morfometricas de la cuenca PCH Patico La Cabrera (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................ 46 Tabla 7 Valores promedios mensuales (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ............................................................................................................................. 51 Tabla 8 Caudales medios mensuales multianuales (m 3 /sg) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................................... 52 Tabla 9 Valores mínimos y máximos de la cuenca PCH Patico-La Cabrera (m3/s) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................ 52 9.

(10) Tabla 10 Estación Lomitas Periodo 1970-2015 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016).................................................................................................................... 52 Tabla 11 Estación Lomitas, Periodo 1965-1996, Caudales medios mensuales multianuales (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ................................... 53 Tabla 12 Estación Puente Aragón Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-2009 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ......................... 54 Tabla 13 Estación Puente Aragón Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-1996 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ......................... 55 Tabla 14 Estación Julumito Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-2006 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................... 56 Tabla 15 Estación Julumito Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-1987 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................... 57 Tabla 16 Historia de Hidrologías estación Lomitas (IDEAM, 2016) ...................... 60 Tabla 17 41 Frecuencias Estación lomitas Periodos (1970-2015) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ....................................................................................... 61 Tabla 18 Frecuencias Estación lomitas Periodos (1965-1996) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................................... 62 Tabla 19 Frecuencias Estación Puente Aragón Periodos (1965-2009) – (1965-1996) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................ 63 Tabla 20 Valores Medios mensuales de Caudales (m3/s) (IDEAM, 2016) ........... 65 Tabla 21 Análisis de Frecuencias Estación puente Aragón, Valores medios mensuales de caudales Periodo (1965-1996) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016).................................................................................................................... 66 Tabla 22 Valores medios mensuales de Caudales Estación Julumito (IDEAM, 2016) ............................................................................................................................. 68 Tabla 23 Frecuencias Estación Julumito Periodos (1965-1987) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ....................................................................................... 70 Tabla 24 Comparación Frecuencias Acumuladas (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................................................................................... 72 Tabla 25 Variación de las curvas de caudal en los diferentes periodos analizados (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................ 73 Tabla 26Caudal para cada frecuencia (Noguera Chaparro & Isaacs Benítez, 2016) ............................................................................................................................. 74 Tabla 27 Ecuaciones de la curva vs Frecuencia (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................................................................................... 74 Tabla 28 Tabla general Caudales y frecuencias (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................................................................................... 75 Tabla 29 Promedio curva duración de caudales (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ...................................................................................................... 77 Tabla 30 Análisis de duración de caudales PCH Patico - La Cabrera (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 77 Tabla 31 Valores medios de Caudal (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) 77 Tabla 32 Estaciones utilizadas para el cálculo de precipitación media (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 79 10.

(11) Tabla 33 cálculo de precipitación media (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ............................................................................................................................. 79 Tabla 34 Características de la Presa derivadora (CEDELCA, 1996) .................... 81 Tabla 35 Coeficiente de Manning (CEDELCA, 1996) ........................................... 82 Tabla 36 Probabilidad de crecientes (CEDELCA, 1996) ...................................... 83 Tabla 37 Parámetros del túnel de desviación (CEDELCA, 1996) ......................... 83 Tabla 38 Análisis del flujo en la desviación (CEDELCA, 1996) ............................ 84 Tabla 39 Rejillas de entrada (CEDELCA, 1996) ................................................... 85 Tabla 40 Compuertas de entrada (CEDELCA, 1996) ........................................... 85 Tabla 41 Cálculo de Potencia (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ......... 87 Tabla 42 Desarenador (CEDELCA, 1996) ............................................................ 93 Tabla 43 Caudales Medios Diarios año 1976 (IDEAM, 2016)............................. 103 Tabla 44 Caudales medios diarios año 1977(IDEAM, 2016) .............................. 103 Tabla 45 Caudales medios diarios año 1978 (IDEAM, 2016) ............................. 104 Tabla 46 Caudales medios diarios año 1979 (IDEAM, 2016) ............................ 104 Tabla 47 Caudales medios diarios año 1980 (IDEAM, 2016) ............................ 105 Tabla 48 Caudales medios diarios año 1981 (IDEAM, 2016) ............................. 105 Tabla 49 Caudales medios diarios año 1982 (IDEAM, 2016) ............................ 106 Tabla 50 Caudales medios diarios año 1983 (IDEAM, 2016) ............................. 106 Tabla 51 Caudales medios diarios año 1984 (IDEAM, 2016) ............................. 107 Tabla 52 Caudales medios diarios año 1985 (IDEAM, 2016) ............................. 107 Tabla 53 Caudales medios diarios año 1986(IDEAM, 2016) .............................. 108 Tabla 54 Caudales medios diarios año 1987 (IDEAM, 2016) ............................ 108 Tabla 55 Caudales medios diarios año 1988 (IDEAM, 2016) ............................. 109 Tabla 56 Caudales medios diarios año 1989 (IDEAM, 2016) ............................. 109 Tabla 57 Caudales medios diarios año 1990 (IDEAM, 2016) ............................. 110 Tabla 58 Caudales medios diarios año 1991 (IDEAM, 2016) ............................. 110 Tabla 59 Caudales medios diarios año 1992 (IDEAM, 2016) ............................. 111 Tabla 60 Caudales medios diarios año 1993 (IDEAM, 2016) ............................. 111 Tabla 61 Caudales medios diarios año 1994 (IDEAM, 2016) ............................ 112 Tabla 62 Caudales medios diarios año 1995 (IDEAM, 2016) ............................ 112 (Tabla 63 Caudales medios diarios año 1996 (IDEAM, 2016) ............................ 113 Tabla 64 Caudales medios diarios año 1997 (IDEAM, 2016) ............................ 113 Tabla 65 Caudales medios diarios año 1998 (IDEAM, 2016) ............................. 114 Tabla 66 Caudales medios diarios año 1999 (IDEAM, 2016) ............................ 114 Tabla 67 Datos de precipitación Estación Puracé (IDEAM, 2016) ...................... 115 Tabla 68 Datos de precipitación Estación Termales Pilimbala (IDEAM, 2016) .. 116 Tabla 69 Datos de precipitación Estación Coconuco (IDEAM, 2016) ................ 117 Tabla 70 Datos de precipitación Estación Puente Aragón (IDEAM, 2016)......... 118. 11.

(12) CONTENIDO DE ILUSTRACIONES. Ilustración 1 Central Hidroeléctrica (UNESA Asociacion Española de la industria Electrica) .............................................................................................................. 26 Ilustración 2 Proceso de conversión de energía (Flórez, 2011). ........................... 30 Ilustración 3 Centrales de bombeo con turbina y bomba (EMGESA, 1998) .......... 32 Ilustración 4 Centrales de agua embalsada y de media presión (EMGESA, 1998) ............................................................................................................................. 33 Ilustración 5 Centrales de agua fluente y de baja presión .................................... 33 Ilustración 6 Localización departamental (CEDELCA, 1996) ................................ 40 Ilustración 7Localización Municipal (CEDELCA, 1996) ........................................ 41 Ilustración 8 Cuenca correspondiente a la PCH Patico - La cabrera (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 44 Ilustración 9 Perfil del Río Cauca Correspondiente a la cuenca perteneciente a la PCH Patico la cabrera (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) .................... 48 Ilustración 10 Perfil de río Cauca (Valbuena , Arrieta , & Anaya , 2015) ............... 48 Ilustración 11 Panorámica de la cuenca del río Cauca en la zona de estudio (CEDELCA, 1996) ................................................................................................ 49 Ilustración 12 Nacimiento del río Cauca (CEDELCA, 1996) ................................. 50 Ilustración 13 Análisis de Caudales medios multianuales PCH Patico la cabrera, estación Lomitas, periodo 1970-2015 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ............................................................................................................................. 53 Ilustración 14 Estación Lomitas, Periodo 1965-1996, Caudales medios mensuales multianuales (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ................................... 54 Ilustración 15 Estación Puente Aragón Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-2009 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ................ 55 Ilustración 16Estación Puente Aragón Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-1996 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ................ 55 Ilustración 17 Estación Julumito Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-2006 (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ......................... 57 Ilustración 18 Estación Julumito Caudales medios mensuales multianuales m3/s Periodo 1965-1987 (CEDELCA, 1996) ................................................................. 57 Ilustración 19 Curvas de Duración de Caudales Estación Lomitas (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................ 64 Ilustración 20 Curvas de Duración de Caudales Estación Lomitas (CEDELCA, 1996) ............................................................................................................................. 64 Ilustración 21 Curvas de Duración de Caudales Estación Puente Aragon Periodo (1965-2009) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) .................................... 67 Ilustración 22 Curvas de Duración de Caudales Estación Puente Aragon Periodo (1965-1996) (CEDELCA, 1996) ........................................................................... 67 Ilustración 23 Frecuencias estación Julumito Periodos (1964-2006) .................... 69. 12.

(13) Ilustración 24 Curvas de duración de Caudales Estación Julumito Periodo (19642014) (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) .............................................. 71 Ilustración 25 Curvas de duración de Caudales Estación Julumito Periodo (19641987) (CEDELCA, 1996) ...................................................................................... 71 Ilustración 26variación de Caudales medios PCH Patico (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................................................... 75 Ilustración 27 Curva de duración de caudales PCH Patico- La cabrera, Cuenca alta rio Cauca (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................ 76 Ilustración 28 Curva duración de caudales cuenca alta rio Cauca (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ....................................................................................... 76 Ilustración 29 Calculo de la precipitación media por medio del método de Isoyetas (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016) ........................................................ 78 Ilustración 30 Ecuación coeficiente de Rugosidad Robert Manning, 1889............ 82 Ilustración 31 Curva de duración de potencias (Noguera Chaparro & Isaacs Benitez, 2016).................................................................................................................... 88 Ilustración 32 Criterio selección de turbinas (Global Hidraulic Software, 2016) .... 89 Ilustración 33 Turbina Francis (Mataix, 1986)....................................................... 90 Ilustración 34 Vista en planta Casa de maquinas (GENELEC (Generación de energia electrica de Colombia), 2005) ................................................................ 119 Ilustración 35 Vista en corte primera fase proyecto Patico-La Cabrera (GENELEC (Generación de energia electrica de Colombia), 2005) ...................................... 120 Ilustración 36 Captación (GENELEC (Generación de energia electrica de Colombia), 2005).................................................................................................................. 120. TABLA DE ANEXOS. Anexo 1 Tablas comprendidas entre la numero 43 y la 66 ................................. 103 Anexo 2 Tablas comprendidas entre la numero 66 y la 70 ................................. 115 Anexo 3 Proyecto Patico La Cabrera. Planos..................................................... 119. 13.

(14) GLOSARIO. AFLUENTE: Se denomina afluente a el curso de agua por un rio, el cual no desemboca en el mar si no en un rio de mayor envergadura. AFORO: Se denomina aforo a la operación mediante la que se mide el calor de un caudal. Las mediciones se pueden efectuar en función de la sección del conducto, de la velocidad media del líquido, de la altura de lámina o calado, de las presiones en determinados puntos, etc. Las mediciones de gran complejidad, relacionadas con los caudales que circulan por ríos y canales, se obtienen por medio de flotadores, cronometrando el tiempo que tardan en recorrer una distancia prefijada; y también utilizando vertederos de secciones conocidas 1. ALABES: Un alabe es una paleta curva de una turbomaquina o máquina de fluido rotodinámica. Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. BIOMASA: Obtenida a partir de residuos forestales o cultivos, maderas de bajo precio o aserrín. BOCATOMA: Una bocatoma es una estructura hidráulica construida sobre un rio o canal con el objeto de captar, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. CAUDAL: Recordemos que caudal es la cantidad de líquido expresada en metros cúbicos o litros, que circula a través de cada una de las secciones de una conducción, abierta o cerrada, en la unidad de tiempo. COTA: Recibe el nombre de cota, el valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto al nivel del mar. CUENCA HIDROGRÁFICA: Una cuenca hidrográfica es toda el área de terreno que contribuye al flujo del agua en un río o quebrada. También se conoce como el área de captación o área de terreno de donde provienen las aguas de un río, quebrada. Lago, laguna, humedal, estuario, embalse, acuífero, manantial o pantano. ENCAUZAR: Dirigir o introducir una corriente de agua a través de una concavidad del terreno, natural o artificial. EXCESOS: Desechos generados por el proceso de materiales solidos por parte del rio GEOMORFOLOGÍA: Rama de la geología que tiene por objeto el estudio de las formas de la superficie terrestre enfocados a describir y entender su comportamiento. 1. (16) EMGESA, Empresa generadora de energia: Introducción a centrales hidraulicas. Bogotá 1998. Guia para centrales hidraulicas Empresas de energia de Cundinamarca Op. Cit. P. 30, 31,32, 33.. 14.

(15) NIVEL: Por nivel entendemos la horizontalidad constante de la superficie de un terreno, o la que adquiere la superficie libre de los líquidos. También interpretamos como tal, la altura o altitud de dichas superficies o de un punto cualquiera respecto de otros u otros puntos de referencia. PCH: PCH es el acrónimo de Pequeña Central Hidroeléctrica, la cual es una instalación que permite aprovechar pequeñas cantidades de agua en movimiento que circulan por los ríos, el flujo de agua al pasar por las turbinas, provoca un movimiento de rotación que transforma en energía eléctrica por medio de generadores, con una potencia instalada entre 1 MW y 30 MW 2. REVESTIMIENTO: Capa de material que se una para cubrir otra superficie VERTIENTE: Superficie topográfica inclinada, ubicada en las cotas más elevadas del afluente. ZNI: Es el acrónimo de zonas no interconectadas, los cuales son los municipios, corregimientos, localidades y caseríos no conectados al Sistema Interconectado Nacional (artículo 1 de la Ley 855 de 2003) 3.. 2. (37) ELECTROHUILA: Qué es PCH, Energia del Huila, Neiva 2016: < http://www.electrohuila.com.co/Portals/0/Noticias/pch%20ok.pdf > 3. (32) CREG, Comision de Regulación de energia y gas: Zonas no interconectadas Colombia 2016 < http://www.creg.gov.co/index.php/sectores/energia/zni-energia >. 15.

(16) RESUMEN El presente trabajo de investigación propone un estudio de los lineamientos y parámetros hidráulicos e hidrológicos usados en el diseño y construcción de la Pequeña Central Hidroeléctrica Patico – La Cabrera ubicada en el departamento del Cauca (Colombia) , con el fin de establecer pautas que recalquen la viabilidad de este tipo de proyectos en zonas rurales las cuales por su bajo asentamiento poblacional y su ubicación no cuentan con una cobertura energética, de igual forma se pretende hacer un énfasis en este tipo de estructuras las cuales además de ser económicas tiene un impacto ambiental considerablemente menor comparados con los métodos tradicionales de obtención de energía. En el Desarrollo de la investigación se realiza la caracterización y evaluación de los parámetros usados en el momento del diseño y construcción de la PCH Patico- La Cabrera mostrando así una orientación conceptual basados en documentos y guías de diseño de PCHs, los mapas y datos de las estaciones limnigráficas, limnimétricas y pluviométricas las cuales fueron proporcionados por el IGAC y por el IDEAM, siendo estos documentos bases para consolidar el estudio aquí presentado. El análisis de los datos usados para el diseño y construcción de la PCH Patico la Cabrera, los estudios ambientales y las ventajas económicas en relación a los métodos más usados para la generación de energía se basan en la información existente de diferentes trabajos enfocados en este campo de investigación, esto permitió establecer lineamientos comparativos y explicativos de los procesos y elementos hidrológicos e hidráulicos usados en una PCH operante, lo cual posibilitó la identificación de los impactos que este tipo de estructuras tienen en el medio ambiente, la demanda hidrológica que requiere y el tipo de elementos usados, todo esto en aras de establecer parámetros que incentiven la creación de este tipo de estructuras en Colombia con el fin de reducir los niveles de déficit energético en zonas apartadas de las grandes ciudades.. 16.

(17) 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de esta investigación tiene por objeto realizar una evaluación técnica de la central Hidroeléctrica Patico La Cabrera cuyo propósito será la revisión de sus equipos electromecánicos incluyendo un análisis del ciclo hidrológico de la cuenca del rio cauca y un estudio hidráulico los cuales hacen posible que Patico La Cabrera cuente con una capacidad operacional de 1.48 MW. Dicho lo anterior podemos afirmar que Patico La Cabrera cuenta con una capacidad de generación de energía mucho menor en comparación con centrales de gran envergadura y renombre como lo es la central hidroeléctrica de Chivor, ubicada en el municipio de Santa María en el departamento de Boyacá, Chivor cuenta con un embalse capaz de albergar 569.64 millones de metros cúbicos de agua con una capacidad de generación eléctrica de 1000 MW aproximadamente 4, debido a su producción eléctrica Patico La Cabrera es catalogada como una PCH (Pequeña Central Hidroeléctrica), puesto que su capacidad de generación no supera los 20MW5. Con respecto al párrafo anterior es importante establecer que existen pronósticos negativos en cuanto a las reservas petrolíferas en el mundo, la contaminación, los impactos ambientales que generan los procesos de obtención de energía más usados y la creciente demanda energética, debido a esto en los últimos años se han impulsado una serie de alternativas que puedan suplir dicha demanda energética sin intervenir negativamente el ambiente, esta iniciativa cuenta con un gran apoyo en el sector colombiano por parte de empresas y universidades lo que ha llevado a que estos estudios se intensifiquen y producto de ellos se deriven una serie de interrogantes que abarcan preguntas como ¿Cómo fabricar productos energéticamente eficientes? ¿Cómo reemplazar los recursos energéticos tradicionales y que además este reemplazo sea amigable con el medio ambiente? ¿Cómo diseñar estructuras de generación de energía más amigables con el medio ambiente?, para dar respuesta a estas preguntas se han estudiado sistemas basados en energía solar, energía eólica, biomasa y sistemas de energía hidráulica implementados a pequeña escala como lo son las PCHs 6. Las PHCs o pequeñas centrales hidroeléctricas son sistemas de generación con una baja capacidad que a partir de la energía del flujo del agua sin necesidad de grandes represamientos 4. (3) AES Chivor, AES Chivor somos energia: La central hidroelectrica de Chivor 2014,<http://www.chivor.com.co/qui/SitePages/La%20Central%20Hidroel%C3%A9ctrica%20de%2 0Chivor.aspx> 5 (38) Jesus Ernesto Torres Quintero: Investigación en pequemas centrales hidroelectricas, Universidad Libre de Colombia 2013, < http://www.unilibre.edu.co/revistaingeniolibre/revista12/ar9.pdf> Op. Cit P 19, 23, 35, 36, 23. 6. (5) Fabio Sierra Vargas, Adriana Sierra Alarcon, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Pequeñas y microcentrales hidroelectricas, alternativa de generación de energia electrica, 5 de noviembre de 2011,<https://www.researchgate.net/publication/264239546_Pequenas_y_microcentrales_hidroelec tricas_alternativa_real_de_generacion_electrica> Op. Cita p.18. 17.

(18) tiene la característica de abastecer a pequeños asentamientos humanos, gracias a estas características sus implementaciones están presentes en la mayoría del mundo. Colombia es un país cuya hidrografía es rica y abundante, ya que además de contar con el acceso al océano Pacifico y Atlántico cuenta con cinco vertientes hidrográficas, la vertiente del Caribe, la vertiente del Pacifico, la Vertiente del Orinoco, la vertiente del Amazonas y por último la vertiente del Catatumbo, gracias a estas series de características hidrográficas el sistema interconectado de generación eléctrica tiene cerca de 10000 MW de capacidad instalada de generación, con una composición de 80% en plantas hidroeléctricas y 20% en termoeléctricas7, de igual forma en diferentes zonas del país se encuentran montajes de PCHs en los cuales se han instalado turbinas hidráulicas en pequeñas derivaciones sobre los cauces de los ríos e incluso se han implementado en las redes de distribución (PCH Santa Ana del Acueducto de Bogotá). Cabe señalar que los proyectos PCHs tienen una gran importancia en cuanto a sistemas de generación de energía novedosos, sostenibles y ambientalmente amigables y es en este punto donde se realizará una evaluación del funcionamiento a la Pequeña Central Hidroeléctrica Patico La Cabrera con el fin de establecer los puntos a favor de la PCHs ya operantes.. 7. Sierra Vargas. 18.

(19) 2. ANTECEDENTES. Al momento de hablar de PCH es importante reconocer que éste es un concepto que ha ido evolucionando en Colombia y en el mundo con el paso del tiempo debido a su simplicidad, su modelo de filo de agua, su impacto ambiental moderado y sus técnicas de construcción económicas con respecto a las hidroeléctricas tradicionales y métodos tradicionales, paralelo a esto es importante reconocer que alrededor del mundo existen 25.5 GW en plantas hidroeléctricas a pequeña escala. Si bien ésta tecnología no es la que tiene mayor reconocimiento en Colombia se tienen registros en los cuales se deja manifestado que la implementación de las PCHs comenzó a finales de 1889 con la puesta en marcha de plantas en Bogotá, Bucaramanga y Cúcuta, posterior a esto se evidencia que en 1930 existían plantas hidroeléctricas que funcionaban a filo de agua las cuales eran capaces de suministrar un potencial de 45 MW; al ver los resultados positivos de esta tecnología en los años 1940-1960 se instalaron un gran número de Pequeñas Centrales hidroeléctricas (PCHs) cuyo objetivo sería el de electrificar pequeñas y medianas poblaciones, lamentablemente en años posteriores no se realizaron más construcciones y por falta de mantenimiento o interconexiones muchas de estas PCHs quedaron fuera de servicio8. El país al verse afectado por la crisis energética de los 70 decide fortalecer la idea de incrementar la participación de fuentes no convencionales de generación de energía dentro de las cuales se encontraban las Pequeñas centrales hidroeléctricas, producto de esto se crean diversos grupos con el fin de establecer una serie de investigaciones en el área, pero por falta de apoyo muy pocos de estos lograron consolidarse, posterior a esto el gobierno con ayuda de la cooperación técnica internacional emprendió diversos trabajos para incrementar la participación de las PCHs y a través del instituto Colombiano de energía eléctrica (ICEL) se dio inicio a un plan Nacional de pequeñas hidroeléctricas cuyos resultados fueron desalentadores9. Con la crisis del sector eléctrico, durante el racionamiento en 1992, se abre nuevamente la posibilidad de desarrollar los proyectos estancados y la posibilidad de evaluar otros nuevos. En tal sentido, entidades como el IPSE (Instituto de planificación y promoción de soluciones energéticas para las zonas no interconectadas), al cual el Gobierno Nacional le ha asignado la misión de energizar las Zonas No Interconectadas (ZNI) del país, han vuelto a reactivar sus programas de pequeñas centrales incentivando en el 2010 la construcción de PCHs en Chocó, Nariño, Guajira y Meta.. 8. Quintero 2013 (6) CORPOEMA, Corporación para la energia y el medio ambiente, Formulación de un plan de desarrollo para las fuentes no convencionales de energía en Colombia 6 de noviembre de 2011,< http://www.upme.gov.co/Sigic/Informes/Informe_Avance_01.pdf> 9. 19.

(20) 3. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. Es importante reconocer que Colombia es un país que cuenta con una gran variedad de recursos naturales los cuales son administrados para satisfacer algunas demandas en el territorio nacional, este es el caso de la generación de energía ya que siendo un país con una oferta hídrica abundante se podría decir que Colombia es un gran generador de energía contando con centrales de generación eléctrica como lo son la central hidroeléctrica de Chivor, la central hidroeléctrica Jaguas, Proyecto hidroeléctrico Playas, central hidroeléctrica San Carlos etc., pese a lo anterior Colombia se ha visto golpeada fuertemente con la llegada del fenómeno del niño llevando a disminuir significativamente la oferta eléctrica, lo que a finales de 2015 comienzos del 2016 llevo a poner sobre la mesa la amenaza de apagón recordando la falencia vivida en el año 1992 cuando debido al fuerte fenómeno del niño los embalses disminuyeron hasta llegar a niveles cercanos al 25% 10. Sin embargo en temas de cobertura Colombia alcanza un 96.7% para un total de 13.6 millones de usuarios en 32 departamentos 11, en un aspecto ortogonal al anterior es importante reconocer que si bien la cobertura está cercana a valores de un 100% solo dos ciudades en el territorio nacional cuentan con una cobertura del 100%, la isla de San Andrés con 18715 usuarios en su territorio y Bogotá con 2.7 millones de usuarios, Quindío, Caldas y Atlántico completan el top cinco de mayor cobertura en Colombia, en contraposición a lo anterior y pese a tener un déficit nacional de cobertura de “tan solo” un 3.33% este porcentaje es preocupante para departamentos como Vichada con un déficit en prestación de servicio de 41.45% y en la actualidad sólo 8528 usuarios cuentan con el servicio domiciliario de 96138 habitantes aproximadamente, por otro lado Amazonas tiene un déficit de 37.31%, Vaupés de 35.38% y Putumayo de 29.81%. Sumado a la problemática expuesta con antelación es importante plasmar que la solución no radica en la creación de centrales hidroeléctricas a gran escala puesto que estas presentan una serie de desventajas e inconvenientes como lo son grandes inversiones de dinero para su creación, afectaciones ambientales debido a la necesidad de inundar grandes porciones de tierra y con esto se alteran cauces de ríos, muerte y desplazamiento de la fauna terrestre, generación de inestabilidad y erosión en los taludes del embalse, creación de redes de cobertura energética a zonas apartas entre otras; entonces si bien las centrales hidroeléctricas convencionales no son una solución factible ya sea por afectación ambiental o por un deficiente retorno de la inversión debido a la baja densidad poblacional en las zonas a intervenir es necesario indagar e impulsar otras propuestas que satisfagan la demanda energética de estas zonas y sean ambientalmente amigables, viendo 10. (7) Sergio Clavijo, Comentario económico del día 2016 < http://anif.co/sites/default/files/uploads/Abr6-16.pdf> 11 (8) Jairo Soto Hernández: Déficit de energía es sólo de 3.33% del total de la población. La república, <http://www.larepublica.co/d%C3%A9ficit-de-energ%C3%ADa-es-solo-de-333-del-totalde-la-poblaci%C3%B3n_371496>. 20.

(21) esto se pudo constatar que las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas o PCHs son una alternativa de generación energética que pueden satisfacer asentamientos humanos con densidades poblacionales bajas, inversiones moderadas y un impacto ambiental mitigable, es en este punto donde nace la idea de realizar un estudio hidrológico e hidráulico a una Pequeña Central Hidroeléctrica que se encuentra en funcionamiento como lo es la PCH Patico La Cabrera en el departamento de Cauca donde se deje en manifiesto las ventajas del porqué las PCHs pueden llegar a suplir parte de la demanda energética existente en el territorio nacional.. 21.

(22) 4 4.1. OBJETIVOS. GENERAL. Realizar un análisis a la cuenca del río Cauca con el fin de desarrollar una evaluación técnica de la PCH Patico La Cabrera ubicada en el departamento del Cauca empleando como metodología la recopilación de información de los equipos y su historial de funcionamiento.. 4.2. ESPECÍFICOS.  Realizar revisión y actualización del estudio hidrológico de la PCH Patico La Cabrera  Realizar revisión y actualización del estudio hidráulico de la PCH Patico La Cabrera  Revisión de la selección de los equipos electromecánicos. 22.

(23) 5. JUSTIFICACIÓN. El creciente desarrollo tecnológico que se presenta a nivel mundial ha incrementado la demanda energética, es por esto que la industria eléctrica se ha visto forzada a intensificar sus formas y métodos para la obtención de energía, dentro de las cuales encontramos centrales hidroeléctricas, centrales termoeléctricas, represas, utilización de combustibles fósiles e incluso ha llevado a la innovación en formas de generación de energía ambientalmente amigables como la obtención de energía a través del sol , el aprovechamiento de las mareas, el uso de los recursos eólicos y por supuesto la creación de PCHs (Pequeñas Centrales Hidroeléctricas), las cuales se han convertido en una alternativa tecnológica que ha tenido una gran acogida a nivel mundial, ya que alrededor del mundo se han instalado aproximadamente 25.5 GW en plantas hidroeléctricas a pequeña escala12 , basadas en la tecnología de filo de agua la cual consiste en tomar parte del caudal del río utilizarlo en la central para generar la electricidad y devolver el agua al cauce original 13, esto implica que este tipo de estructuras no va a requerir de un gran embalse y por ende los costos de inversión y el impacto que generan son muchísimo menores que los generados por las hidroeléctricas tradicionales. Para dar un aspecto más globalizado acerca de la importancia de las PCHs es importante recalcar que para el 2001 China fue el país con una mayor generación de energía derivada de las PCHs equivalente a 13.25 GW lo que representa un 11% de su producción total seguido por estados unidos con un 4% (3.42 GW)14. Según el Banco Mundial, Colombia es el cuarto país con más recursos hídricos, con un caudal promedio de 66.44 m3/s , equivalente a un volumen anual de 2113 km3 en área total de 1.141.748 km2, es en este punto donde se deja en manifiesto el desarrollo de esta investigación pues nace de la pregunta de ¿cómo un país con un sin número de recursos hídricos entra en crisis energética en repetidas ocasiones siendo la crisis de finales del 2015 comienzos del 2016 la más reciente?, y de igual forma se cuestiona el ¿por qué las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas no tienen una relevancia como las centrales hidroeléctricas tradicionales?, teniendo en cuenta las anteriores consideraciones se pretende realizar un diagnóstico a la PCH Patico La Cabrera con el fin de establecer las ventajas y desventajas que tienen las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas después de entrar en funcionamiento.. 12. Quintero 2013 (9) Helena García, Alejandra Corredor, Laura Calderón, Miguel Gómez: Análisis costo beneficio de energías renovables no convencionales en Colombia 2013 < http://www.fedesarrollo.org.co/wpcontent/uploads/2011/08/WWF_Analisis-costo-beneficio-energias-renovables-no-convencionalesen-Colombia.pdf> 14 Sierra Vergas 2011 13. 23.

(24) 6 6.1. MARCO DE REFERENCIA. MARCO HISTÓRICO. Desde finales del siglo XIX, cuando se comenzó a estructurar el sistema energético colombiano, se identificó el potencial que se tenía para generar electricidad a partir de la fuerza del agua. Hoy, después de más de 122 años desde que se instalaran las primeras plantas hidroeléctricas en Santander, Antioquia y Cundinamarca, esta fuente de generación continúa dominando el mercado energético nacional como una de las más limpias y económicas. El aprovechamiento de una oferta hídrica de más de 2.084 km3 para la generación de electricidad, le ha permitido a Colombia consolidarse como el quinto país más competitivo en generación energética, por encima de importantes economías como Brasil, Estados Unidos o Gran Bretaña. Una de las claves para alcanzar esta posición, entre más de 146 países, es la actual composición del parque de generación, en el cual las plantas hidroeléctricas grandes y pequeñas participan con un 63% del total de la capacidad instalada nacional, la cual actualmente supera los 14.000 MW. En condiciones normales, cuando la demanda alcanza más de 9.000 MW, las centrales hidráulicas pueden producir hasta el 80% de la energía necesaria. Gracias principalmente a la contribución de grandes plantas hidroeléctricas de talla mundial, como Chivor, San Carlos (Isagen) o el Guavio (Emgesa), la generación mediante este tipo de tecnología alcanzó en 2012 un máximo de 4.139 GWh/mes. Estos resultados obedecen también al creciente aporte de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH) de menos de 20 MW, las cuales aprovechan las corrientes de agua menos caudalosas. La poca planeación en una época de sequía inminente, como ocurrió en 1992 durante el fenómeno de El Niño, además de los problemas políticos y económicos de la industria de generación eléctrica, se convirtieron en los factores decisivos para que el Gobierno optara por reestructurar este sector. Con esta reforma, el Estado pasó de administrar estas empresas a vigilar y regular las operaciones dentro de la industria, que desde ese entonces adoptó un modelo de mercado de competencia minorista y permitió la entrada de privados. Esta transformación permitió que Colombia desarrollara un sector más robusto, ahora conformado por grandes jugadores, que en general han sabido trabajar para tener un negocio preparado para afrontar los eventuales fenómenos naturales a los que el país está expuesto, al respaldar sus operaciones hídricas con centrales de generación térmica para evitar que los embalses se sequen en temporadas de verano. “Con las reformas contempladas en la Constitución de 1991 y posteriormente con la Ley de Servicios Públicos y la Ley Eléctrica de 1994, se le dio entrada a los. 24.

(25) privados a una industria en la que el Estado era el único actor. Gracias a estas modificaciones el sector energético comenzó vivir un segundo tiempo muy positivo en su historia. Pasó de estar en crisis a convertirse en una de las bases de la economía y desarrollo nacional”, dijo Germán Castro Ferreira, director ejecutivo de la CREG una entidad adscrita al Ministerio de Minas y Energía y que está encargada de la regulación económica de los servicios públicos. Si bien las grandes obras de infraestructura para generación hidroeléctrica son y serán una de las principales bases del sistema eléctrico nacional, el desarrollo de pequeñas centrales de generación gana cada día más importancia dentro del negocio energético nacional. Los bajos costos relacionados con su construcción y mantenimiento, así como su eficiencia en condiciones de hidrología favorable, principalmente en el área andina, convierten a las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PHC) en una sólida apuesta. (Colombia Energía, 2013) 6.2. MARCO TEÓRICO.. La característica fundamental del recurso hídrico es el protagonismo que tiene en el desarrollo de la vida, por lo tanto, a través del tiempo y conforme las civilizaciones han ido evolucionando se han desarrollado sistemas y equipos que giran en torno a este con el fin de generar electricidad, satisfaciendo las necesidades demandadas por la población, sumado a lo anterior es importante establecer que la energía eléctrica juega un papel elemental en la vida cotidiana y que sin ella difícilmente se evidenciaría la evolución que se ha tenido como sociedad. Es importante establecer que la producción de energía eléctrica va directamente ligada a la demanda a la cual está sometida, a los recursos que sirven como fuente de producción y a las condiciones socioeconómicas del sector a servir, paralelo a lo anterior es necesario implementar sistemas, procesos y equipos que garanticen una oferta eléctrica sostenible, con el fin de garantizar un equilibrio entre los métodos de generación de energía y los recursos usados para tal fin. En la actualidad existen diferentes métodos para la obtención y generación de energía los cuales siguen el principio de la conservación de la energía en el que se indica que ésta no se crea ni se destruye, solo se transforma de unas formas en otras, dentro de estos procesos encontramos el aprovechamiento mecánico y térmico de los que se derivan formas de obtención como utilización de centrales hidroeléctricas y térmicas como las más usadas. 6.2.1 Centrales Hidroeléctricas: La energía hidráulica es la contenida en una masa de agua elevada respecto a un nivel de referencia. En la practica la energía hidráulica se obtiene a partir del movimiento de cualquier masa de agua, tal puede ser el caso de la corriente de un río, como la corriente que discurre por un tubo producto de una diferencia de cotas, en ambos casos la energía potencial del agua se transforma en energía cinética y. 25.

(26) ésta es la aprovechable15. Las centrales hidroeléctricas cuentan con una presa capaz de administrar al fluido una diferencia de alturas con respecto a las turbinas lo cual le brinda al agua una energía potencial capaz de provocar movimiento a los alabes transformándose en una energía igual al producto entre el par mecánico entregado por la turbina y su velocidad angular 16.. Ilustración 1 Central Hidroeléctrica (1) Desde el punto de vista medio ambiental se ha considerado que la generación de energía a través de centrales hidroeléctricas es una alternativa amigable con el medio ambiente sin embargo el Decreto 3570 de 2011 establece que impacto ambiental es “Cualquier alteración en el sistema ambiental biótico, abiótico y socioeconómico, que sea adverso o beneficioso total o parcial, que pueda ser atribuido al desarrollo de un proyecto, obra o actividad”17, en consecuencia, a lo anterior se establece que las centrales hidroeléctricas generan un gran impacto ambiental producto de su proceso de construcción ya que un área considerable de 15. (10) José Antonio Carta González, Roque Calero Pérez, Antonio Colmenar Santo, Manuel Alonso Castro Gil, Eduardo Collado Fernández: Centrales de Energía Renovable, Madrid 2013, Pearson Educación S.A. Ob. Cit. P 27 16 (11) Departamento de Ingeniería eléctrica, electrónica y de control: Centrales Eléctricas. El alternador IEEC 2011 < http://www.ieec.uned.es/Web_docencia/Archivos/material/Libro%20de%20centrales%202011.pdf> 17 (12) Departamento Administrativo de la Función Pública, Ministerio de medio Ambiente, Decreto 3570, Colombia 2011 < http://www.minambiente.gov.co/images/Ministerio/Misi%C3%B3n_y_Vision/dec_3570_270911.pdf>. 26.

(27) territorio debe ser inundada, lo que implica la perdida de hábitat natural, fauna silvestre y acuática y/o el desplazamiento de personas, de igual forma estos tipos de estructuras alteran el cauce natural del río. 6.2.2 Centrales Termoeléctricas Una central termoeléctrica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de calor, la cual puede obtenerse de combustibles fósiles como el petróleo, gas natural o carbón, estos tres elementos cuentan con un potencial energético por ejemplo 1kg de petróleo equivale a 11kWh o 39000Kj o bien 1.000 m3 de gas natural equivalen a 900 kg de petróleo de igual forma el carbón tiene un potencial energético el cual está directamente ligado al origen del carbón18. En su forma más clásica las centrales termoeléctricas consisten en una caldera en la cual se quema el combustible para generar calor que se transfiere a una tubería por la cual circula agua, la cual se evapora, el vapor obtenido a alta presión y temperatura se expande en una tubería de vapor cuyo movimiento impulsa un alternador generando electricidad19, las termoeléctricas se clasifican en centrales termoeléctricas de ciclo convencional o centrales termoeléctricas de ciclo combinado. De Ciclo Convencional Este tipo de centrales emplean la combustión del carbón, petróleo o gas natural para generar la energía eléctrica, son consideradas las centrales más económicas y rentables y su utilización está muy extendida en el mundo a pesar que sean muy cuestionadas debido a su alto impacto ambiental. De Ciclo Combinado Las centrales termoeléctricas de tipo combinado utilizan gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas, los gases de la turbina aun cuentan con una elevada temperatura la cual es utilizada para producir vapor que mueve una segunda turbina de vapor, cada turbina esta acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica. Impacto ambiental. Las centrales termoeléctricas a través de sus procesos generan una serie de contaminantes dentro de los cuales la unión de científicos comprometidos (UCS) encontró que la quema de carbón es una de las principales causas del smog, lluvia acida, calentamiento global y tóxico atmosférico20.. 18. José Antonio Carta González 2011 (13) Enciclopedia Cubana, Central termoeléctrica, 2016 < https://www.ecured.cu/Central_termoel%C3%A9ctrica#Fuente> 20 (14) Dr. Pedro Medellín Milán, Impacto Ambiental de una termoeléctrica. 2002 < http://ambiental.uaslp.mx/docs/PMM-AP020711.pdf> 19. 27.

(28) Si bien el desarrollo de la energía hidroeléctrica ha tenido un gran avance con proyectos a gran escala es importante reconocer que se han tenido avances y usos significativo utilizando recursos energéticos en pequeña escala, este tipo de proyectos son de gran ayuda para llegar a zonas no interconectadas ya que por lo genera estas zonas están ubicadas en un territorio apartada y su densidad poblacional es baja, sin embargo a esta serie de condiciones es de gran importancia para el desarrollo energético de un país llegar a estas zonas pues de esta manera se les permite a la comunidad mejorar su nivel de vida, dado que con ella pueden: preservar y preparar alimentos, disponer de servicios públicos básicos y además utilizar la energía eléctrica para impulsar su desarrollo agroindustrial y/o pesquero, entre otros. Sumado a esta serie de ventajas el impacto ambiental por parte de la comunidad es positivo ya que genera un sentido de pertenencia hacia la cuenca la cual es la fuente energética. Para identificar el alcance de suministro de energía eléctrica de una PCH a una comunidad en Latinoamérica la organización latinoamericana de energía y de caribe OLADE en función de la capacidad instalada y el tipo de usuario ha propuesto la siguiente clasificación.. Tipo Picocentrales (PicoCHE) Microcentrales (MicroCHE) Minicentales (MiniCHE) Pequeñas centrales (PCH). Potencia (kW) 0.5 y 5 5 y 50 50 y 500 500 y 10000. Usuario Finca o similar Caserío Cabecera Municipal Municipio. Tabla 1 Clasificación para pequeños aprovechamientos hidroenergéticos según la capacidad instalada y el tipo de usuario en las ZNI (Flórez, 2011).. 6.2.3 La importancia de las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCHs) en el desarrollo de una región: Es indudable que a través de los años la energía eléctrica se ha consolidado como uno de los factores determinantes en el desarrollo de la sociedad ya que contribuye en diversos sectores como educación, alimentación, salud e igualdad entre otros géneros, no obstante, ésta al ser un proceso de transformación de la energía genera un impacto al medio ambiente, sin embargo, la carencia de energía limita las oportunidades de desarrollo y por ende se genera un deterioro de la calidad de vida. De esta forma es necesario entender la importancia del acceso a la energía eléctrica con un bajo impacto ambiental, sin embargo en la actualidad la mayoría de las personas con escasos recursos económicos y con un déficit energético recurren a. 28.

(29) alternativas sustitutas como la biomasa, deteriorando consigo fuentes hídricas y cuando tienen acceso a la energía eléctrica lo hacen con unos costos considerables tales que representan una proporción de sus ingresos alta lo que acentúa la inequidad social. En zonas no interconectadas energéticamente se opta por usar plantas de diésel las cuales hacen que la cobertura del servicio sea baja, deficiente y costosa. Conjuntamente con estas condiciones, la alta dispersión de los usuarios de las ZNI conlleva a que en términos socioeconómicos se caractericen por tener poco desarrollo, necesidades básicas insatisfechas, elevadas tasas de analfabetismo, que en conjunto limitan severamente la capacidad de vida de la población y sus actividades productivas21. Es importante mencionar que las comunidades de las ZNI se encuentran en las riberas de los ríos, los cuales corresponden a cuencas hidrográficas con una pluviometría media y alta pendiente, factores determinantes para la instalación de una PCH. 6.2.4 Principio de Funcionamiento de PCH: En la ilustración 2 se puede apreciar el proceso de conversión de energía es dinámico, la energía hidráulica es transformada en mecánica por la turbina y esta a su vez es transformada en energía eléctrica por un generador para satisfacer la demanda a través de líneas de interconexión. Este proceso se realiza siempre y cuando se mantengan constantes dos parámetros eléctricos: voltaje y frecuencia, lo cual se logra gracias a un regulador de tensión y un regulador de velocidad los cuales trabajan en perfecta armonía, el primero de ellos es un parámetro eléctrico (regulador de tensión) y el segundo parámetro es mecánico, esto indica que su regulación es función del caudal, por tal motivo la turbina debe tener un dispositivo que regule este parámetro (regulador de velocidad).. 21. (15) Ramiro Ortiz Flórez: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Bogotá 2011, Editoriales la U.. 29.

(30) Ilustración 2 Proceso de conversión de energía (Flórez, 2011). 6.3. MARCO CONCEPTUAL.. 6.3.1. Energía hidráulica: Es Producida por el movimiento de las masas de agua. Movimiento logrado por la caída de corrientes de agua, debidas a la acción de la gravedad terrestre, o por el aumento o disminución de las mareas, cuyo origen radica en la gravitación lunar y solar. 6.3.2. Energía térmica o calorífica: Obtenida por la combustión de un cuerpo combustible. 6.3.3. Centrales hidroeléctricas: Este tipo de centrales tiene una rentabilidad mayor en comparación a otros tipos, pues si bien su costo inicial es elevado, una vez puesta en funcionamiento, los gastos de explotación y mantenimiento son relativamente bajos, siempre y cuando las condiciones pluviométricas medias del año sean favorables. El agua es represada, posteriormente encauzada y controlada; debido a la energía cinética desarrollada en su descenso, o a la energía de presión; acciona las maquinas motrices que, en estas centrales, reciben el nombre de turbinas hidráulicas, cuyos modelos significativos son las turbinas Pelton, Francys, Kaplan y de hélice. 6.3.4. Centrales térmicas: Su materia prima son los combustibles sólidos, el carbón mineral; líquidos, gas-oil y fuel-oil principalmente, obtenidos por la refinación del petróleo crudo; y gaseoso, gas natural procedente de explotaciones carboníferas y petrolíferas primordialmente. Su lugar de emplazamiento depende de la cercanía a un yacimiento de carbón o refinería de petróleo, como de un gran conjunto de industrias. Las maquinas motrices utilizadas se denominan Turbinas de vapor, por ser el vapor de agua, obtenido en una caldera en cuyo hogar se verifica la combustión, el que tratado adecuadamente produce el giro del eje de dichas maquinas. Cuando el fluido que incide directamente sobre la turbina es gas;. 30.

(31) procedente de la combustión, preferentemente, del gas natural, gas de altos hornos, o aceite de petróleo destilado; la maquina motora se conoce como turbina de gas22. 6.3.5. Centrales hidroeléctricas de agua fluente: Llamadas, también, de agua corriente o de agua fluyente. Se construyen en los lugares que, la energía hidráulica, ha de utilizarse “en el instate” que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas. No cuentan, prácticamente, con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes, conocida como de aguas altas, desarrollas su potencia máxima, dejando pasar el agua excedente; por el contrario, durante el tiempo seco o de aguas bajas, la potencia producida disminuye ostensiblemente en función del caudal, llegando a ser casi nula, en algunos ríos, en época de estiaje. Estas centrales, suelen construirse formando presa sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua. 6.3.6. Centrales hidroeléctricas de agua embalsada: El agua de alimentación, como ya se adelantó al establecer la clasificación, proviene de grandes lagos, o de pantanos artificiales, conocidos como embalses, conseguidos mediante la construcción de presas. 6.3.7. Centrales hidroeléctricas de regulación: Son centrales con posibilidad de acopiar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos, más o menos prolongados, de aportes de caudales medios anuales. Al poder embalsar agua durante determinados espacios de tiempo, noche, mes o año seco, etc., presentan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, regulándose éstos convenientemente para la producción. Se adaptan muy bien para cubrir las horas punta de consumo. 6.3.8. Centrales hidroeléctricas de bombeo: Suelen denominarse centrales de acumulación. Se trata de centrales que acumulan caudales mediante bombeo, con lo que, su actuación, la podemos comparar a la de “acumuladores” de energía potencial. Para cumplir la misión que da nombre a estas centrales, se recurre a dos sistemas distintos. Refiriéndonos a un solo grupo, uno de los procedimientos consiste en dotar al mismo de una turbina y una bomba, ambas maquinas, con funciones claramente definidas. Independientemente entre sí.. 22. Emgesa 1998. 31.

(32) Ilustración 3 Centrales de bombeo con turbina y bomba (EMGESA, 1998). El otro método, se basa en la utilización de una turbina reversible, que, según necesidades, puede funcionar como turbina o como bomba centrifuga, de manera que durante las horas de demanda de energía, los componentes del grupo se comportan respectivamente:  Maquina motriz con turbina  Generador como alterador En los periodos de tiempo de muy baja demanda, como son las horas de media noche, el grupo se trasforma en:  Motor síncrono el generador  Bomba centrífuga la maquina motriz 6.3.9. Centrales hidroeléctricas de alta presión: Son aquellas centrales cuyo valor de salto hidráulico es superior a los 200 m (altura meramente orientativa); siendo relativamente pequeños los caudales desalojados, alrededor de 20 m3/s por máquina. Están ubicadas en zonas de alta montaña, donde aprovechan el agua de torrentes que suelen desembocar en lagos naturales. Se utilizan, exclusivamente, turbinas Pelton y turbinas Francis, que reciben el agua a través de conducciones de gran longitud.. 32.

(33) 6.3.10. Centrales hidroeléctricas de media presión: Se consideran como tales, las que disponen de saltos hidráulicos comprendidos entre 200 y 20m aproximadamente, desaguando caudales de hasta 200 m3/s por cada turbina. Dependen de embalses relativamente grandes, formados en valles de media montaña.. Ilustración 4 Centrales de agua embalsada y de media presión (EMGESA, 1998) 6.3.11. Centrales hidroeléctricas de baja presión: Se incluyen, en esta denominación a todas la centrales asentadas en valles amplios de baja montaña, el salto hidráulico es inferior a 20m, estando alimentada cada máquina por caudales que pueden superar los 300 m3/s. Para estas alturas y caudales, resulta apropiada la instalación de turbinas Francis y, especialmente, las turbinas Kaplan. Ilustración 5 Centrales de agua fluente y de baja presión. 33.