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HIDROENERGACaptulo 1

Figura 1.1. Central de UrrFuente: Ingfocol Ltda

Central Urr

Autor: Ingfocol Ltda

QU ES LA HIDROENERGA?

Es la energa que tiene el agua cuandose mueve a travs de un cauce o cuandose encuentra embalsada (energapotencial) a cierta altura y se dejar caerpara producir energa elctrica.

Esta fuente de energa renovable seencuentra disponible en las zonas quepresentan suciente cantidad de agua; lautilizacin ms signicativa la constituyenlas centrales hidroelctricas, y para sudesarrollo requiere construcciones quevaran de acuerdo con las condiciones delentorno.

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AtlasPotencial Hidroenergtico de Colombia

Embalse

Presa

Eje conector

Compuerta

TurbinaDesfogue al

lecho del ro

Tuberia

forzada

GeneradorSubestacin

Casa de

mquinas

Lneas de

transmisin

Entrada

de agua

Figura 1.2. Central hidroelctrica

CMO SE GENERA?

En una central hidroelctrica, latransformacin de la energa potencial enenerga cintica se logra mediante la cadadel agua. El agua que cae pasa por unasturbinas que se acoplan a un generador.Estas convierten la energa cintica enenerga mecnica.

El generador tiene como funcintransformar la energa mecnica enenerga elctrica. Esta transformacinse consigue gracias a la interaccin delos dos elementos principales que lo

componen: la parte mvil llamada rotor, yla parte esttica que se denomina esttor.Cuando un generador elctrico est enfuncionamiento, el rotor genera un ujo

magntico que acta como inductor

para que el esttor transforme la energa

mecnica en energa elctrica.

QU ES UNA CENTRALHIDROELCTRICA?

Una central hidroelctrica es una instalacin

que permite el aprovechamiento de las

masas de agua en movimiento que circulan

por los ros, para transformarlas en energa

elctrica, utilizando turbinas acopladas a

generadores. Despus de este proceso, el

agua se devuelve al ro en las condicionesen que se tom, de modo que se puede

volver a usar por otra central situada aguas

abajo o para consumo. (Figura 1.2).

Presa.Se encarga de contener el agua deun ro y almacenarla en un embalse.

Sala de mquinas. Construccindonde se sitan las mquinas (turbinas,alternadores) y elementos de regulaciny control de la central.

Turbina. Elementos que transforman enenerga mecnica la energa cintica deuna corriente de agua.

Alternador o generador.Tipo de generadorelctrico destinado a transformar laenerga mecnica en elctrica.

Conducciones.La alimentacin del aguaa las turbinas se hace a travs de unsistema complejo de canalizaciones

COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA CENTRAL HIDROELCTRICA

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Captulo 1Hidroenerga

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Turbina

Agua alro

DInamo

Electricidad

Embalse

Presa concaida de

agua

Figura 1.4. Central con embalse

Figura 1.5. Central de acumulacin por bombeo

Tuberia de

alta presin

Generador

Central

Turbina

Bomba

Transformador

Embalse

inferior

Embalse

superior

Al embalse

superior

Torre elctrica

de alta tensin

Figura 1.3. Central a flo de aguaFuente: Ingfocol Ltda

Central de agua fuyente

Estas centrales se construyen en loslugares en que la energa hidrulicadebe emplearse en el instante en que sedispone de ella, para accionar las turbinashidrulicas.

No cuentan con reserva de agua,oscilando el caudal suministrado segnlas estaciones del ao. En la temporadade precipitaciones abundantes (de aguasaltas), desarrollan su potencia mxima ydejan pasar el agua excedente. Durantela poca seca (aguas bajas), la potencia

disminuye en funcin del caudal, llegandoa ser casi nulo en algunos ros en la pocadel esto.

Central con embalse o de regulacin

En este tipo de centrales se embalsa unvolumen considerable de agua mediantela construccin de una o ms presasque forman lagos articiales; el embalsepermite regular la cantidad de agua quepasa por las turbinas, con el n de unicarlas variaciones temporales de los caudalesauentes en el ro. Las centrales conalmacenamiento o regulacin exigen, porlo general, una inversin de capital mayorque las de lo de agua, pero facilitan elincremento de la produccin energtica,disminuyendo el costo de la energagenerada.

Central de acumulacin por bombeo

Disponen de dos embalses situados adiferente nivel; cuando la demanda de

energa elctrica alcanza su mximo nivela lo largo del da, el agua almacenadaen el embalse superior hace girar elrodete de la turbina asociada a unalternador funcionando como unacentral convencional generando energa.Despus el agua queda almacenada enel embalse inferior. Durante las horas delda en las que la demanda es menor elagua se bombea al embalse superior paraque inicie nuevamente el ciclo productivo.Para ello la central dispone de un grupode motores-bomba o, alternativamente,sus turbinas son reversibles de manera

que puedan funcionar como bombas y losalternadores como motores.

TIPOS DE CENTRALES HIDROELCTRICAS

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Dique /

Orilla

Embalse o baha

Embalse o baha

Marea alta

Marea baja

Generador

Nivel de agua baja

Nivel de agua sube

Dique /

Orilla

Turbina

Figura 1.6. Central mareomotriz

Centrales mareomotrices

La energa de las mareas se transforma

en electricidad en las denominadascentrales mareomotrices, que funcionancomo un embalse tradicional de ro. Eldepsito se llena con la marea y el agua seretiene hasta la bajamar para ser liberadadespus a travs de una red de conductosestrechos, que aumentan la presin, hastalas turbinas que generan la electricidad.

Sin embargo, su alto costo demantenimiento frena su proliferacin.El lugar ideal para instalar una centralmareomotriz es un estuario, una bahadonde el agua de mar penetre. Laconstruccin de una central mareomotrizes solo posible en lugares con unadiferencia de al menos 5 metros entre lamarea alta y la baja.

No existe un criterio nico de clasicacinde las centrales hidroelctricas, ya quelos valores de clasicacin pueden variar

segn el pas.En funcin de su capacidad, se puedenclasicar las hidroelctricas en picocentra-les, microcentrales, minicentrales,pequeas centrales hidroelctricas (Pch) ycentrales hidroelctricas (Ch).

La clasicacin que se emple en el atlaspara la generacin de los mapas fue la queadopt la UPME del Ministerio de Minasy Energa sugerida por la OrganizacinLatinoamericana de Energa (Olade) paralas centrales hidroelctricas1 que se

describe a continuacin:

Picocentrales

Capacidad instalada entre 0,5 y 5 kW,operacin a lo de agua, aplicable a zonasno interconectadas o casos aislados dezonas interconectadas.

1 Esta clasicacin se adopt debido a que en el documento

citado presenta una inconsistencia; dene las Pch en el rango de

500 a 10.000 kW, pero luego aplica la denicin tambin para cen-

trales entre 10.000 y 20.000 kW. (pag 39). Consulte

Microcentrales

Capacidad instalada entre 5 y 50 kW,operacin a lo de agua, aplicable a zonasno interconectadas o casos aislados dezonas interconectadas.

Minicentrales

Capacidad instalada entre 50 y 500 kW,operacin a lo de agua, aplicable a zonasno interconectadas o casos aislados dezonas interconectadas.

Hidroelctricas (PCH)

Capacidad instalada entre 500 y 20.000kW, operacin a lo de agua, aplicablea zonas no interconectadas y zonasinterconectadas (sin posibilidad departicipar en el despacho elctrico,menores a 500 kW, y con posibilidad dehacerlo las mayores a 10.000 kW).

Centrales hidroelctricas (CH)

Capacidad instalada mayor de 20 MW,aplicable a zonas interconectadas, conparticipacin obligada en el despachoelctrico.

CLASIFICACIN DE LAS HIDROELCTRICAS

El agua, al pasar por el canal de carga haciael mar, acciona la hlice de la turbina y esta,al girar, mueve un generador que produceelectricidad.

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HIDROENERGA EN EL MUNDO

La hidroenerga es la forma de energa

renovable ms utilizada en todo el

mundo y representa la quinta parte de la

electricidad mundial2. Esta ha ayudado

en el crecimiento econmico en muchos

pases, como Brasil, Canad, China,

Estados Unidos y Noruega. (Banco

Mundial, 2014)

En 2014, el desarrollo de la energa

hidroelctrica continu su crecimiento,

con un estimado de 1.055 GW total en el

mundo3.

China domin el mercado aadiendo 21,85

GW de nueva capacidad dentro de sus

fronteras. Otros pases tambin lideran el

mercado en nuevas implementaciones.

Estos pases son Malasia (3,34 GW),

Canad (1,72 GW), India (1,20 GW),

Turqua (1,35 GW), Brasil (3,31 GW) y Rusia

(1,06 GW) . (International Hydropower

Association, 2015).

Figura 1.7. Total mundial de la capacidad

hidroelctrica instalada (GW) por pas en 2014. Las

cifras no incluyen acumulacin por bombeo

Fuente: Key Trends in Hydropower, 2015

2 Dato tomado de la pgina ocial del Banco Mundial

3 Dato tomado de pgina ocial international hydropower

association. Publicacin 2015 Key Trends In Hydropower.

HIDROENERGA EN COLOMBIA

Desde nales del siglo XIX, cuando seempez a estructurar el sistema energticocolombiano, se pudo ver que el pas tenaun gran potencial para generar electricidada partir de la energa que produce el agua,ya que, debido a su ubicacin, se prestapara desarrollar proyectos que impliquenaprovechamientos hidrulicos.

De acuerdo con esto se crea el SistemaInterconectado Nacional (SIN), comoun conjunto de centrales de generacinelctrica y sistemas de distribucin que seencuentran interconectados entre s por el

Sistema de Transmisin Nacional (STN).El SIN tiene una cobertura alrededordel 48% en el territorio nacional, peroprovee cerca del 98.2% del consumototal de energa elctrica del pas; este seencuentra distribuido en la regin Centralo Andina y en la Costa Atlntica. El restode la demanda de energa se da en zonasremotas del territorio llamadas Zonas nointerconectadas. (UPME, 2013).

La compaa XM S.A. E.S.P, es lacompaa que actualmente opera el SIN

de Colombia y administra el Mercadode Energa Mayorista (MEM) del pas.En su informe Operacin del SIN yadministracin del mercado, revela que lacapacidad efectiva neta (CEN)4 instaladaen el SIN al nalizar 2014 fue 15,489 MW.

En la tabla 1.1 se presenta los registros decapacidad efectiva neta a diciembre del2013 y 2014. Al comparar la capacidad de2014 con la registrada en 2013, se observaun crecimiento en 930 MW, equivalentes al6,4%.

Este aumento obedece principalmente ala entrada en operacin de las centraleshidroelctricas Hidrosogamoso, 819 MW;Daro Valencia Samper, unidad 1 y 5, de 50MW cada una; el Popal, 19.9 MW; el SaltoII, 35 MW y Laguneta, 18 MW. De acuerdocon lo anterior se puede identicar que elrecurso hidrulico tuvo una participacindel 64% en la generacin de energaelctrica5.

4 La capacidad efectiva es la mxima cantidad de potencia

neta (expresada en megavatios) que puede suministrar una unidad

de generacin en condiciones normales de operacin

5 Datos tomados de la pgina ocial de XM S.A. E.S.P.

China

282

Canad

78

Estados Unidos

79

Brasil

89Rusia

48

India

41Noruega 29

Turqua 24

Japn 23

Francia 20

Venezuela 16

Italia 16

Suecia 16

Vietnam 15

Suiza 15Espaa 14

Mxico 12

Colombia 11

Irn 10

Austria 10

Resto del mundo

208

2014 total

1,055 GW

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Tabla 1.1. Capacidad efectiva neta del SIN a diciembre 31 de 2013 y 2014

Recursos 2013 MW 2014 MW Participacin % Variacin (%)2013 - 2014

Hidrulicos 9.315 10.315 64 10,7

Trmicos 4.515 4.402 31 -2,5

Gas 1.972 1.757 -10,9

Carbn 997 1.003 0,6

Combustleo 307 297 -3,3

ACPM 917 1.023 11,6

Jet1 46 46 0

Gas-Jet A1 276 276 0

Menores 662,2 694,7 4,5 4,9

Hidrulicos 560,5 584,9 4,4

Trmicos 83,4 91,4 9,6

Elica 18,4 18,4 0

Cogeneradores 66,3 77,3 0,5 16,6

Total SIN 14.558,50 15.489 100 6,4

Fuente: XM S.A. E.S.P.

Vertimientos por reginDurante 2014 los vertimientos totales del

SIN fueron de 776 GWh, muy superiores

a los registrados en 2013 (150,7 GWh).

La gran mayora de estos vertimientos

(87,1%) se registraron en la regin Oriente,

seguida muy de lejos por centro con el

8% del total y Antioquia con el (5%)6. En

Valle los vertimientos fueron insignicantes

(0,4%), y en la regin Caribe no hubo.

Demanda de energa nacionalColombia en 2014, tuvo una demanda de

energa 63,571 GWh, con un crecimiento

del 4,4% frente a 2013, que se constituye

en el mayor crecimiento de demanda en

los ltimos 10 aos. (Figura 1.9).

La razn principal de este mayor

crecimiento se debi al incremento

del 5% de la demanda de energa del

6 Datos tomados de la pgina ocial de XM S.A. E.S.P.

Figura 1.8. Vertimientos GWh


mercado regulado (consumo de energa

del sector residencial y pequeos

negocios) ocasionado por el mayor

consumo de energa en refrigeracin y

acondicionamiento del ambiente ante la

presencia de las altas temperaturas en el

pas entre los meses de mayo a octubre7.

7 Datos tomados de la pgina ocial de informes XM S.A.

E.S.P.

5%

8%

87%

Antoquia Caribe Centro Oriente Valle

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Figura 1.9. Comportamiento de la demanda de energa en Colombia de los ltimos 10 aos


2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

GWh 4 8. 829 5 0. 815 52 .85 3 53 .87 0 5 4. 679 5 6. 14 8 57 .15 5 5 9. 37 0 6 0. 890 63 .57 1

45.000

47.000

49.000

51.000

53.000

55.000

57.000

59.000

61.000

63.000

65.000

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Central Urr

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Pie de fotoAutor:

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Captulo 2

AGUASUPERFICIAL

Figura 2.1. Ciclo hidrolgico

Precipitacin

EscorrentaTranspiracin

Evaporacin

Oceano

LagoFiltracin

Caudal

Aguas subterrneas

Mesa

de agua

El agua es un recurso natural bsico einsustituible, sin el cual no es posible la vidani la actividad del hombre. Se diferenciade los otros recursos naturales por sugran propiedad de renovacin a causadel ciclo hidrolgico. El ciclo hidrolgico,estudiado como un sistema, es el procesocontinuo que permite que el agua circuleentre la atmsfera y la supercie terrestrea travs de fenmenos fsicos comoevaporacin, condensacin, precipitacin

y transpiracin. (Figura 2.1).

Un sistema es un conjunto de elementosrelacionados entre s que integran unatotalidad, la cual contribuye al desarrollode un propsito. Tambin es normal denirun sistema como la representacin de unconjunto de subsistemas que intercambianenerga con el n de transformarla. Porello, el ciclo hidrolgico se puede dividiren tres subsistemas (Figura 2.2): el aguaatmosfrica, el agua supercial y el aguasubsupercial. En el subsistema aguaatmosfrica, se dan procesos comola evaporacin y la precipitacin; en

Chec

Autor: Ingfocol Ltda

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Figura 2.2. Ciclo hidrolgico en la cuenca hidrogrfca

SUELO

Material Parental

Filtracin

InfiltracinNivel

FreticoFlujo

Flujo de agua

subterranea

Pendiente

Flujo por tierra

Canal

Precipitacin

Interceptacin

Escurrimiento

1

4

43

2

69

5

5

8

8

7

el subsistema agua supercial, tienenlugar procesos como el nacimiento dequebradas y el caudal de los ros; en

el subsistema agua subsupercial, sepresenta la inltracin y la recarga deacuferos.

El ciclo hidrolgico (Figura 2.2) puedeexplicarse a escala de cuenca hidrogrca,la cual se dene como el espaciogeogrco en el cual el agua aportada porla precipitacin es recolectada y conducidaa un punto determinado (desembocadurao estacin de aforo). El caudal en estepunto es un componente del ciclohidrolgico que resulta de la relacin conotros componentes: de la precipitacin [1]que cae, una parte es interceptada por lasplantas [2], otra se inltra en el suelo [3], y

la restante uye sobre y bajo la supercieterrestre [4] hacia los drenajes alimentandodirectamente el ro principal [5]. Del aguainltrada, una porcin alcanza nivelesms profundos del suelo (percolacin [6])y, algn tiempo despus, brotan aguasabajo en forma de ujo subterrneo [7]para descargar nalmente al ro. Parte delagua inltrada es transpirada [8] por lasplantas, retornando a la atmosfera dondese mezcla con el agua evaporada desderos, lagos, embalses y ocanos [9], paraprecipitarse nuevamente a la supercieterrestre.

Para cuanticar la cantidad de agua quecircula a travs de una cuenca hidrogrca

se realizan mediciones de cada uno de los

procesos que integran el ciclo hidrolgico.

La medicin del caudal que uye sobre el

cauce de un ro hace uso de la relacin

matemtica que existe entre el caudal y la

altura del agua en la seccin transversal

del cauce. Por ello se dedican enormes

esfuerzos en la medicin de la altura de la

lmina de agua en el ro, en otras palabras

medir la profundidad del agua. Para medir

la altura de la lmina de agua es normal

emplear una regla graduada, la cual se

instala en la orilla del ro de tal forma que

el cero de la escala graduada coincida

con el fondo del cauce. Cuando la

lectura se realiza de forma directa, la regla

graduada recibe el nombre de limnmetro.

Si la medicin se hace de forma continua,

recibe el nombre de limngrafo. Es posible

realizar lecturas precisas del nivel del agua

al construir un pozo en una de las orillas

del ro, conectarlo con el cauce y realizar

la lectura empleando algn tipo de sensor.

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Captulo 2

Agua superfcial

Figura 2.3. Limnmetro

Antena

radio-satelital

Grabadora

Estante

Piso

Vlvulas

Ingestas

Superficie de agua

Una construccin de este tipo recibe el

nombre de estacin de aforo o estacin

hidromtrica (Figura 2.3).

Figura 2.4. Zona conuencia intertropical

El IDEAM ha explicado que la riquezahdrica del territorio colombiano obedecea la ubicacin geogrca y la inuencia de

factores como la circulacin atmosfrica, latopografa, la interaccin entre la tierra y elmar y la inuencia de las zonas selvticas.Por su ubicacin geogrca, Colombiaest bajo la inuencia de los vientos alisiosdel noreste y del sureste, que concurrenen una franja denominada zona deconuencia intertropical, que favorece laformacin de nubosidad (Figura 2.4).

Este fenmeno se ve reforzado por estarsituado en la zona ecuatorial, provocandoel calentamiento de la supercie terrestre

por la incidencia casi vertical de la radiacinsolar. La interaccin de la zona deconuencia intertropical con las cordillerascolombianas propicia la presencia engran parte del territorio colombiano dedos temporadas hmedas a lo largo delao; la primera de ellas entre los mesesde marzo y abril, y la segunda entre

septiembre y noviembre. En el surestedel pas tambin son importantes losefectos de un sistema de baja presinque se forma en la cuenca amaznica,que interacta con el movimiento del soly la topografa del territorio, provocandola mayor frecuencia de lluvias entre losmeses de marzo y noviembre. Cuando

se considera la existencia de todos lossistemas de circulacin atmosfrica, lascondiciones topogrcas, la cercana almar y la inuencia de las zonas boscosas,Colombia puede dividirse en cincoreas hidrogrcas (Figura 2.5): Caribe,Magdalena-Cauca, Orinoco, Amazonas yPacco.

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