FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
Estudio de una minicentral hidroeléctrica de pie de presa
AUTORES: Alfaro de Souza, Rodrigo Alonso (orcid.org/0000-0003-4643-3760) Gonzales Ruiz, George Lincoln (orcid.org/0000-0001-9808-0181) Herrera Bustamante, Adolfo Valentín (orcid.org/0000-0002-9691-862X) Mendoza Ortiz, Jorge Luis (orcid.org/0000-0002-2496-5347) Pozo Gutiérrez, Abel Jesús (orcid.org/0000-0002 -7498 -4351) Terrones Collao, Fidel Adrián (orcid.org/0000-0002-6341-2497)
ASESOR: Mg. Panta Carranza Dante Omar (orcid.org/0000-0002-4731-263X)
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Generación, transmisión y distribución
Trujillo - Perú 2021
Índice I. Introducción ..........................................................................................................1 Antecedentes ...................................................................................................2 Objetivos ..........................................................................................................3 Importancia ......................................................................................................3 II. Cuerpo.................................................................................................................3 Conceptos básicos ...........................................................................................4 Equipamiento electromecánico y su funcionamiento .......................................5 Ventajas y desventajas ....................................................................................7 III. Conclusiones ......................................................................................................9 Referencias…………………………………………………………………………...10
Anexos…………………………………………………………………………..........11
I. Introducción La presente monografía tiene como finalidad realizar el estudio de una minicentral hidroeléctrica de pie de presa, puesto que es una de las primordiales estructuras generadoras de energía útil para el desarrollo de actividades diarias de los seres humanos. Según el portal web del Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES SINAC) nos menciona que la energía hidroeléctrica producido por este tipo de centrales es una de las más importantes del país, empresas como ELECTROPERÚ es una de la más sobresalientes en este rubro generador de energía ya que en lo que va de este 2021 ha generado 41 279,220 MWh. Lamentablemente aún en el Perú se carece de fuentes de electricidad en localidades alejadas del departamento de la Libertad, especialmente las que están situadas en áreas rurales. Actualmente los puntos de vista socioeconómicos nos han dejado un atraso en cuanto a la obtención de energía eléctrica, que dificultan la evolución de las grandes centrales hidroeléctricas que siguen ocultas en el país, por lo cual se ve como respuesta la creación de pequeñas o minicentrales hidroeléctricas, incluso por su tamaño no necesitan un precio alto de inversión ni de mantenimiento, además que se podrían operar y supervisar por los mismos habitantes de dicha localidad en la que se encuentra funcionando. En tal sentido , nosotros como estudiantes de segundo ciclo de la carrera profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica en la Universidad César Vallejo , nos enfocamos en investigar y aprender aspectos sobresalientes de una central mini generadora de energía obtenida por un determinado procesamiento, permitiendo reducir de forma negativa el impacto ambiental además de poder poner un régimen de desarrollo duradero para ser totalmente competitivo y efectivo para cubrir las necesidades de la demanda energética.
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Sierra (2015) en su informe de investigación nos expone que, a partir de la energía del flujo de agua, sin la obligación de enormes represas las pequeñas centrales hidroeléctricas (PCH) son sistemas de generación con capacidad hasta de 10 MW que abastecen pequeños asentamientos humanos y tiene implementaciones en casi todo el planeta. La mayor relevancia de las PCH es que no crea residuos contaminantes ni en el aire ni en el agua debido a que no necesitan combustibles fósiles ni otro tipo de combustible. Paraguay (2021) con su tesis “Selección óptima de la turbina hidráulica para el aprovechamiento del recurso hidro energético de la minicentral hidroeléctrica de la CC.NN. Betania”, nos propone que fundamentados en los principios de selección la turbina a utilizar para este tipo de minicentrales sea la turbina Francis, ya que esta nos va a permitir obtener una mayor eficiencia en la producción de energía, además requiriendo económicamente una menor inversión. Bonilla y Ronquillo (2014) con su tesis “Repotenciación de la pequeña central hidroeléctrica para una generación de energía en la pequeña central hidroeléctrica de Ulba en el Cantón Baños” nos proponen que para estudiar las minicentrales hidroeléctricas se debe tomar en consideración muchos criterios como el potencial que se tiene de la energía hidráulica que se generará debido a una altura en la que se encuentre la corriente del agua. Esto es conveniente porque en el pasar de años lo favorable de estas minicentrales es que son de bajos mantenimientos y costos. El objetivo general de dicha monografía es estudiar una minicentral hidroeléctrica de pie de presa, asimismo, está cuenta con objetivos específicos los cuales son definir conceptos fundamentales de una minicentral hidroeléctrica, describir el equipamiento electromecánico y evaluar las ventajas y desventajas de este tipo de centrales.
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La importancia del estudio de una minicentral hidroeléctrica pie de presa es que esta puede contribuir en la investigación por el desarrollo de edificaciones que ayuden y colaboren en brindar una posible solución frente a la problemática de los habitantes en las zonas rurales en la obtención de una energía limpia, renovable y que es muy eficaz para su consumo diario, así mismo evitando que el medio ambiente se vea afectado , ya que como veremos en el transcurso de dicho escrito , este tipo de centrales no producen contaminantes atmosféricos. Este proyecto ha sido desarrollado con la ayuda de plataformas de investigación web como Google académico, en donde teníamos como objetivo encontrar libros, tesis recientes e informes que nos puedan ayudar a poder tener un mayor conocimiento acerca de nuestro tema a tratar. Un glosario de palabras claves de búsqueda como minicentral , energía hidroeléctrica, turbinas hidráulicas fue de gran utilidad para este proceso de indagación. Además, el programa AUTO CAD fue muy valioso para realizar los planos detallados sobre la pieza más importante de la minicentral la cual es la turbina, todo esto con el objetivo de una mayor claridad y entendimiento. Además, otro argumento para el desarrollo de dicha monografía es que nosotros como futuros ingenieros a través de esta investigación aprenderemos más sobre este tipo de centrales, conociendo su armado, su instalación, funcionamiento, logrando analizar cada etapa del proyecto, de esa manera ayudaremos en la difusión de conocimientos a la sociedad. Todo esto nos servirá para darnos cuenta y demostrar que las minicentrales hidroeléctricas en apoyo con el recurso natural del agua es de mucha trascendencia ya que puede generar electricidad por medio de diferentes
equipamientos
electromecánicos, todo esto de manera sustentable para que muchas familias puedan optar por su uso y no verse perjudicado al no contar con una fuente de energía eléctrica estable.
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II. Cuerpo Conceptos básicos Según Goyzueta, las minicentrales hidroeléctricas pie de presa son edificaciones que tienen como finalidad la generación de energía eléctrica, con una cierta potencia de acuerdo con su rango de repartición. Dichas centrales son construidas en ciertas áreas que no presentan gran trascendencia. De esta manera se logra conceptualizar a la central como un conjunto de construcciones generales y/o hidráulicas que al ser complementadas con otras piezas de un determinado equipo lograrían aprovechar la energía tanto potencial como cinética del agua para generar energía eléctrica (2017, p. 23). Este tipo de minicentrales acceden a un almacenamiento de una porción apreciable de agua que se aprovecha más adelante por la central en la manera más adecuada, permitiendo mejorar la generación. Los embalses en estas centrales permiten la regulación del caudal diario, semanal, mensual y anual. Para Valdivieso, las minicentrales cuentan con las siguientes fracciones estructurales : una de las primeras fracciones es la presa , en esta es donde se almacena el agua, la cual después será utilizada en la generación de energía, como segunda fracción tenemos a los aliviaderos que se encargan de permitir el transcurso de una parte del agua, pero sin que esta llegue a la sala de maquinarias, como tercera es la toma del agua que tiene como función dirigir el agua acumulada para posteriormente trasladarla hasta las máquinas mediante canales o tuberías. Como penúltima fracción tenemos a la casa de máquinas que es la parte importante de la central, en donde se realiza parte de la transformación de energía, finalmente como última las líneas de transporte que tiene como función el tendido de cables por donde se pueda transmitir la energía eléctrica producida (2018, párr. 3 – 9) En tal sentido la obtención de la energía hidroeléctrica se da mediante la manipulación de energía de una masa considerable de agua estancada a cierta altura de un río, posteriormente convirtiéndola en energía mecánica a través de un equipamiento electromecánico poder terminar transformada en energía eléctrica. 4
Uno de los elementos más fundamentales y básicos que también se debe conocer en este tipo de centrales es la turbina, esta es considerada como el artefacto más representativo ya que es el mecanismo crucial de la minicentral, aprovechando de la energía cinética y potencial que puede generar el agua a una altura dejándola caer sobre la turbina, generando de un movimiento giratorio constante, que, pasando a través de un eje conectado al generador, ocasiona energía eléctrica (Castro Adriana, 2006, p.47). Asimismo, son turbomáquinas constituidas por un conjunto de álabes móviles y fijos, en el primer término se encuentran el rotor, rodete y rueda, en el segundo término se encuentra el distribuidor. Equipamiento electromecánico y su funcionamiento La turbina, así como todos los demás elementos electromecánicos de una minicentral hidroeléctrica entregan en estas épocas una muy alta y constante eficiencia, abarcando diversidad de caudales que van desde 0,1 a 500 m³/s , y con saltos de 1.800m de altura neta con espectaculares rendimientos. La minicentral para operar requiere equipamientos electromagnéticos simples pero que pueden alcanzar a ser sofisticados como los generadores, turbinas hidráulicas y transformadores. Las partes más fundamentales de generación hidroeléctrica, principalmente esta se integra por la turbina, generador, transformador y además de otros elementos. Según Paraguay (2021), de la misma manera las turbinas se clasifican en 2 clases según su accionamiento y relación entre caudal (m³/s) – Salto neto (m), las cuales son las turbinas de acción, este tipo de turbinas son de utilidad cuando se emplean en saltos elevados, pero con el inconveniente de caudales reducidos. Esta clase están integradas tres turbinas destacadas las cuales son: Pelton, Turgo y Michell Banki además también existen turbinas de reacción, este tipo de turbinas son de utilidad cuando se emplean en saltos regulares o limitados y teniendo como ventajas caudales elevados. de la misma manera en esta clase están integradas tres turbinas prevalecientes las cuales son: Francis, Kaplan (p. 22). (Ver anexo 1) 5
Basándonos en nuestro tercer antecedente de investigación, nos propone que la turbina Francis es la seleccionada para una minicentral pie de presa, por su eficiente y optimo aprovechamiento del recurso natural para la generación de electricidad. (Anexo 2) De acuerdo con esto los principales fragmentos que constituyen dicha turbina es la cámara de espiral, en algunos casos un predistribuidor, distribuidor, rodete y tubo de aspiración. En primer lugar, la cámara espiral se encarga de promediar equitativamente el líquido en la entrada del rodete. La forma que se realiza es de la velocidad media del líquido, el mismo que debe permanecer constante en todos los puntos de esta. (Ver anexo 4) El predistribuidor se forma por los álabes fijos, su función es completamente estructural, ya que se encarga de que la caja se mantenga rígida. El distribuidor igual que la parte anterior, está conformado por álabes, pero hay una diferencia la cual es que estos álabes son móviles, tienen una sola función que es la de conducir convenientemente el líquido hacia los álabes fijos. (Ver Anexo 3) Además, también podemos encontrar el rodete, el cual se puede considerar como el corazón de la turbina, aquí es donde pasa el intercambio de energías entre el fluido y la máquina. El rodete puede tener varios diseños, esto depende del número específico de revoluciones. Finalmente tenemos al tubo de aspiración el cual es el desfogue de la turbina. Su principal función es darle constancia al líquido. Por lo general se construye en forma de difusor para generar el efecto de aspirar. Para Cabal S.A (2014), el generador también es una de las maquinarias que hacen posible este proceso de generación de energía eléctrica y complementan el trabajo de la turbomáquina anteriormente mencionada, ya que este se encarga de recibir el giro de la turbina para después realizar una transformación de energía mecanizada a una energía que proporcione electricidad. (p. 45). 6
Ventajas Las minicentrales pie de presa son generadoras de electricidad a partir de fuentes regenerativas e inagotables, por lo cual son primordiales y trascendentales en la actualidad, es valioso resaltar que son consideradas vitales y esenciales como modelos de energía limpia que brinda un sin número de ventajas que es relevante conocer. Para Interempresas Agua (2010), la ventaja más sobresaliente de este tipo de centrales se evidencia en la gran mitigación de la expulsión de contaminantes que causan polución atmosférica. Hace 11 años atrás, las minicentrales hidroeléctricas generadoras de energía menores a 10 MW ahorraron 472.812 toneladas de dióxido de carbono. Además, gracias a estas centrales se evita el agotamiento desmedido del agua, todo esto por el proceso de recolección en un lugar del río y devolviéndole al cauce a través de una cota ubicada en la subalterna, todo esto después de la transformación de energía. (párr. 8 – 10). Es sumamente valioso resaltar que esta clase de energía es limpia ya que no origina residuos dañinos. Asimismo, se recalca que es amable con el medio ambiente, ya que los efectos que genera son pequeños o eludibles si se promueven acciones de protección correctas como el cuidado de la fauna y flora acuática. De igual importancia, la sección perteneciente a las energías regenerativas colabora de modo competente en la producción e incremento de la tasa de empleabilidad, hasta cinco veces más que las tecnologías convencionales. Las ventajas de este tipo de centrales son difícilmente valoradas entre la mayor parte de la sociedad actual, todo esto a causa de la falta de indagación, con lo cual han impedido su desenvolvimiento. Por lo tanto, la ciudadanía tiene la decisión de proporcionarle la estimación que le concierne con respecto a la aplicación y aprovechamiento de este tipo de centrales, de acuerdo con los beneficios de sostenibilidad ambiental que se menciona.
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Desventajas A pesar de que las minicentrales hidroeléctricas de pie de presa son muy beneficiosas
y
ofrecen
bastantes
ventajas
tanto
económicas
como
medioambientales, es importante también conocer los inconvenientes de este tipo de proyectos. Para Arriols (2020), las desventajas más notables se evidencian en diferentes sectores, con respecto al de producción de energía, las minicentrales ofrecen excelentes rendimientos en temporada de precipitaciones hidrológicas numerosas, sin embargo, en ciclos de déficit de lluvias, son poco eficientes para sobrellevar la demanda energética. Además, se debe tener en cuenta una elevación óptima para que al momento del descenso del agua pueda ser útil y servicial, así como también se debe considerar una orografía idónea con lo que esto supone la existencia de limitados lugares para su instalación. (párr. 12 – 13). En cuanto al ambiente, este tipo de estructuras cortan la fluidez genuina del río, por lo cual se producen efectos perjudiciales y desfavorables para los integrantes de dicho ecosistema acuático. Referente al sector económico, la inversión inicial tradicionalmente es muy elevada por lo que en su edificación involucra realizar la inversión de una cantidad de dinero relevante y además esperar una amplia duración de tiempo por el transcurso de la fase de diseño y planificación del proyecto para después continuar con la fase de instalación y posible funcionamiento, cabe resaltar que la energía que se obtiene al momento de venderla tiene un precio devaluado. Por lo expresado, este tipo de estructuras generadoras de energía eléctrica también tienen desventajas relevantes que conviene analizar y contrastar. Sin embargo, tenemos claro que no debemos desorientarse del propósito de desarrollar este tipo de energías y a su vez proteger el medio ambiente por medio de la generación renovable y limpia.
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III. Conclusiones Las minicentrales hidroeléctricas pie de presa son edificaciones valiosas y sustentables que tienen como finalidad la generación de energía eléctrica eficiente mediante la manipulación y aprovechamiento de una masa considerable de agua estancada a cierta altura de un río, apoyándose para esta transformación de equipamiento electromecánico de buena calidad y rendimiento. En el equipamiento electromecánico, la turbina es la máquina motriz más fundamental para el proceso de generación de electricidad en una minicentral hidroeléctrica pie de presa, elementos la cámara de espiral, en algunos casos un predistribuidor, distribuidor, rodete y tubo de aspiración componen un artefacto como este. Además de acuerdo con lo investigado para este tipo de centrales sería adecuada de utilizar la turbina Francis, por criterios de eficiencia y vida útil, además de complementar este proceso con elementos de calidad como el generador. La ventaja más notable de las minicentrales hidroeléctricas pie de presa, según Interempresas Agua, se evidencia en el aspecto ambiental, ya que de acuerdo con la indagación si esta generara 10 MW ya estaría ahorrando 472.812 toneladas de dióxido de carbono. Sin embargo, su
desventaja principal es en el aspecto
económico ya que la inversión inicial tradicionalmente es elevada por el deficiente desarrollo de estas alternativas generadoras de electricidad que existen en el Perú.
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REFERENCIAS 1. ARROYO, M. Las mini-centrales hidroeléctricas: ¿de vestigios del pasado a opción de futuro? [en línea] [Fecha de consulta: 24 de abril 2021]. Disponible en: http://www.ub.edu/geocrit/IVSimposio/Arroyo.pdf
2. BONILLA AGUILAR, J., RONQUILLO RONQUILLO, R. Repotenciación de la pequeña central hidroeléctrica para una generación de energía en la pequeña central hidroeléctrica de Ulba en el cantón Baños [en línea]. Tesis de titulación. Universidad técnica de Cotopaxi. Latacunga, 2014[Fecha de consulta:
12
de
junio
del
2021].
Disponible
en:
http://repositorio.utc.edu.ec/handle/27000/1884
3. CASTRO, Adriana. Minicentrales hidroeléctricas [en línea]. Madrid IDAE, 2006. [Fecha de consulta: 28 de mayo de 2021] Disponible en: https://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_2.1.7_Minicentrales _hidroelectricas_125f6cd9.pdf
4. Goyzueta Arce, Elviz. Estudio y diseño para la minicentral hidroeléctrica II etapa del distrito de Phara-Sandia-Puno”, Tesis de titulado. (Licenciado en Ingeniería Mecánica Eléctrica). Puno: Universidad Nacional del Altiplano ,2017.
195
pp.
Disponible
en
http://repositorio.unap.edu.pe/bitstream/handle/UNAP/3602/Goyzueta_Arce _Elviz_Julver.pdf?sequence=1&isAllowed=y 5. INTEREMPRESAS AGUA .17 de diciembre de 2010. Disponible en: https://www.interempresas.net/Agua/Articulos/46163-Los-beneficios-de-lasmini-hidroelectricas.html
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6. PARAGUAY CCONOVILCA, J. Selección óptima de la turbina hidráulica para el aprovechamiento del recurso hidro energético de la minicentral hidroeléctrica de la cc.nn. Betania [en línea]. Tesis de titulación. Universidad nacional del centro del Perú. Huancayo, 2021[Fecha de consulta: 12 de junio del
2021].
Disponible
en:
http://repositorio.uncp.edu.pe/bitstream/handle/20.500.12894/6482/T010_4 8299993_T.pdf?sequence=1&isAllowed=y 7. Revista informada. Pequeñas y microcentrales hidroeléctricas: alternativa real de generación eléctrica [en línea] [Fecha de consulta: 12 de junio del 2021].
Disponible
de:
http://revistas.sena.edu.co/index.php/inf_tec/article/view/22/3439#toc 8. VALDIVIELSO, A. ¿Qué es y cómo funciona una central hidroeléctrica? [en línea] [Fecha de consulta: 12 de junio del 2021]. Disponible de: https://www.iagua.es/respuestas/que-es-y-como-funciona-centralhidroelectrica
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Anexo 1 Elección de turbina según la relación de caudal y salto neto
TURBINA
Pelton
Francis
Turgo
Banki
Kaplan
FUENTE: Centro de demostración y capacitación en tecnologías apropiadas (CEDECAP) 1
Anexo 2 Turbina Francis
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FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
Anexo 3 Distribuidor de Turbina Francis
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 3
Anexo 4 Cámara espiral Turbina Francis
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FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
