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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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AtlasPotencial Hidroenergtico de Colombia
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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Captulo 1Hidroenerga
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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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AtlasPotencial Hidroenergtico de Colombia
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
Fuente: XM S.A. E.S.P.
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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Captulo 1Hidroenerga
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Figura 1.9. Comportamiento de la demanda de energa en Colombia de los ltimos 10 aos
Fuente: XM S.A. E.S.P.
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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AtlasPotencial Hidroenergtico de Colombia
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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