Guia para estudios de prefactibilidad de pequeÑas centrales

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  • GUA PARA ESTUDIOS DE PREFACTIBILIDAD DE PEQUEAS CENTRALES HIDROELCTRICAS COMO PARTE DE SISTEMAS

    HBRIDOS

    DIEGO CAMILO MORA NAVARRO JORGE MAURICIO HURTADO LIVANO

    PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA

    CARRERA DE INGENIERA CIVIL BOGOT D.C.

    2004

  • GUA PARA ESTUDIOS DE PREFACTIBILIDAD DE PEQUEAS CENTRALES HIDROELCTRICAS COMO PARTE DE SISTEMAS

    HBRIDOS

    DIEGO CAMILO MORA NAVARRO JORGE MAURICIO HURTADO LIVANO

    Trabajo para optar el ttulo de

    Ingeniero Civil

    Director EDUARDO MACHADO

    Ingeniero Civil

    PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA

    CARRERA DE INGENIERA CIVIL BOGOT D.C.

    2004

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  • CONTENIDO

    Pg INTRODUCCIN 13 1. ENERGAS ALTERNATIVAS 14 1.1. Sistemas hbridos 19 1.2. Recursos energticos no renovables 21 1.3. Recursos energticos renovables 22 1.3.1. Pequeas centrales hidroelectricas. 23 1.3.1.1. Tipos de pequeas centrales hidroelctricas 25 1.3.1.1.1. Pequeas centrales hidroelctricas con derivacin 25 1.3.1.3.2. Pequeas centrales hidroelctricas en Colombia 27 1.3.2 Energa solar 27 1.3.2.1. Colectores de placa plana 28 1.3.2.2. Colectores de concentracin 29 1.3.2.3. Energa solar pasiva 30 1.3.2.4. Sistemas heliotrmicos 30 1.3.2.5. Energa solar fotovoltaica 31 1.3.2.6. Energa solar va satlite 33 1.3.2.7. Energa solar en Colombia 33 1.3.3. Energa elica 34 1.3.3.1. Aeroturbinas 37 1.3.3.2. Dispositivos de orientacin 38 1.3.3.3. Almacenamiento de energa 38 1.3.3.4. Energa elica en Colombia 39 1.3.4. Biomasa 39 1.3.4.1. Biogs 42 1.3.4.2. Dendroenerga 44 1.3.4.3. Biomasa en Colombia 44 1.3.5. Energa geotrmica 45 1.3.5.1. Energa geotrmica en Colombia 48 1.3.6. Energa mareomotriz y de olas 49 1.3.6.1. Energa maromotriz 49 1.3.6.2. Energa de olas 50 1.3.6.3. Energa por calor diferencial en el mar 54 1.3.6.4. Corrientes Ocenicas 55 1.3.7. Otras fuentes 56 1.3.7.1. Pilas de combustible 56 1.3.7.2. Hidrgeno 56 1.3.7.3. Energa elctrica de la basura 58

    3

  • 1.3.7.4. Energa del hielo de los glaciares 59 2. ETAPAS DEL PROYECTO 60 2.1. Inventario 60 2.2. Reconocimiento 61 2.3. Prefactibilidad 62 2.3.1. Localizacin de los sitios de obra 63 2.3.2. Informacin bsica 64 2.4. FACTIBILIDAD 66 2.4.1. Estimacin de la demanda 67 2.4.2. Encuestas 72 2.4.3. Potencia 74 2.5. Diseo 75 3. ESTUDIOS DE PREFACTIBILIDAD DE PCH EN COLOMBIA 78 3.1. Pequea central hidroelctrica de Lopez de Micay 78 3.1.1. Generalidades 78 3.1.2. Localizacin 78 3.1.3. Descripcin de la planta 79 3.1.4. Observaciones a los estudios de prefactibilidad 79 3.2. Pequea central hidroelctrica de Mitu 82 3.2.1. Generalidades 82 3.2.2. Localizacin 83 3.2.3. Descripcin de la planta 84 3.2.4. Observaciones a los estudios de prefactibilidad 84 4. ESTUDIOS BSICOS 86 4.1. Cartografa 86 4.2. Topografa 87 4.2.1. Mtodo del nivel con manguera 87 4.2.2. Mtodo del nivel de carpintero 87 4.2.3. Mtodo del clinmetro 87 4.2.4. Mtodo del barmetro 88 4.2.5. Mtodo del profundmetro 89 4.3. Estudio geotcnico 89 4.3.1. Mecnica de suelos 89 4.3.2. Ubicacin de las obras y tipos de suelo 90 4.3.3. Materiales naturales de construccin 90 4.3.4. Mtodos para la investigacin geolgica 91 4.3.5. Mtodos de excavaciones y sondeo 91 4.3.5.1. Sondeo 91 4.3.5.2. Perforacin 91 4.3.5.3. Pozos de inspeccin 92 4.3.6. Geologa y geomorfologa 92 4.4. Estudio hidrolgico 92 4.4.1. Caso 1: Si existe informacin 93

    4

  • 4.4.1.1. Curva de caudales Hidrograma 93 4.4.1.2. Curva de duracin de caudales 94 4.4.1.3. Curva de frecuencias 95 4.4.1.4. Caudal de diseo 95 4.4.1.5. Curva de caudal contra calado 96 4.4.1.6. Volumen de sedimentos 96 4.4.1.6.1. Medicin de sedimentos 97 4.4.2. Caso 2: Cuando hay registros pluviomtricos 98 4.4.2.1. Mtodo aritmtico 98 4.4.2.2. Mtodo de los polgonos de Thiesen 99 4.4.2.3. Mtodo de las isoyetas 99 4.4.2.4. Caudal mximo 100 4.4.2.4.1. Triangular 101 4.4.2.4.2. Trapezoidal 102 4.4.2.5. Caudal mnimo 103 4.4.3. Caso 3: Si se cuenta con registros de una estacin cercana 104 4.4.3.1. Transposicin de caudales 104 4.5. Potencial hidroenergtico 105 4.5.1. Principio y funcionamiento de una PCH 105 4.5.1.1. Potencia 105 4.5.1.2. Energa 107 4.6. Estudio para la generacin de electricidad usando energa elica 108 4.6.1. Medicin de la velocidad del viento 112 4.6.1.1. Anemmetros totalizadores 112 4.6.1.2. Mtodo de correlacin 112 4.6.1.3. Instalacin de pequeos equipos elicos 112 4.6.1.4. Adquisicin de datos en tiempo real 112 4.7. Uso de la energa solar para la generacin de energa elctrica 114 4.8. Estudios para la aplicacin de dendroenerga y de diesel para la generacin de energa elctrica 118 5. OBRAS CIVILES 119 5.1. Bocatomas 119 5.1.1. Partes de la bocatoma 119 5.1.2. Presa de derivacin 120 5.1.3. Tipos de bocatoma 121 5.1.3.1. Bocatoma tipo I 121 5.1.3.1.1. Dimensionamiento 122 5.1.3.2. Bocatoma tipo II 122 5.1.3.2.1. Dimensionamiento 123 5.1.3.3. Bocatoma tipo III 124 5.1.3.3.1. Dimensionamiento 124 5.2. Canales de conduccin 125 5.2.1. Revestimiento de canales 127

    5

  • 5.2.2. Dimensionamiento 127 5.3. Aliviadero 129 5.4. Desarenadotes 131 5.4.1. Tipos de desarenadotes 133 5.4.1.1. Desarenadores de lavado intermitente 133 5.4.1.2. Desarenadores de cmara doble 134 5.4.1.3. Desarenadores de lavado continuo 134 5.4.2. Dimensionamiento 135 5.5. Tanque de presin 136 5.5.1. Dimensionamiento 138 5.6. Tubera de presin 139 5.6.1. Seleccin de la tubera de presin 139 5.6.2. Materiales 140 5.6.2.1. Acero comercial 140 5.6.2.2. Policloruro de vinilo 140 5.6.2.3. Hierro dctil centrifugado 140 5.6.2.4. Asbesto-cemento 141 5.6.2.5. Resina de polister con fibra de vidrio reforzado 141 5.6.2.6. Polietileno de alta densidad 141 5.6.3. Tipos de uniones 141 5.6.3.1. Uniones con bridas 141 5.6.3.2. Espiga y campana 141 5.6.3.3. Uniones metlicas 142 5.6.3.4. Uniones soldadas 142 5.6.3.5. Juntas de expansin 143 5.6.4. Dimetro de la tubera 143 5.6.5. Espesor de la tubera 144 5.6.6. Apoyos y anclajes 144 5.6.7. Golpe de ariete 145 5.6.8. Chimenea de equilibrio 145 5.7. Casa de mquinas 146 5.7.1. Ubicacin 147 5.8. Vlvulas 147 5.8.1. Vlvula mariposa 147 5.8.2. Vlvula de compuerta 147 5.8.3. Vlvula esfrica 148 5.9. Turbinas 148 5.9.1. Caractersticas generales de las turbinas 150 5.9.1.1. Turbina Pelton 150 5.9.1.2. Turbina Michell-Banki 150 5.9.1.3. Turbina Francis 150 5.9.1.4. Turbina Axial 151 5.9.1.5. Otras turbinas 151

    6

  • 5.10. Generadores 152 5.10.1. Caractersticas generales 152 5.10.1.1. Alternadores 152 5.10.1.2. Generadores de induccin 153 6. ESTUDIOS AMBIENTALES 154 6.1. Diagnstico ambiental de alternativas 154 6.2. Estudio de impacto ambiental 155 6.2.1. Fases del estudio 159 6.2.1.1. Identificacin 159 6.2.1.2. Prediccin 159 6.2.1.3. Evaluacin de los impactos 160 6.2.1.4. Atenuacin 160 6.2.2. Prefactibilidad 161 6.2.3. Caudal ecolgico 161 6.2.3.1. Mtodo Montana 161 6.2.3.2. Mtodo de caudales progresivos 162 6.2.4. Costos 163 6.3. Evaluacin socioeconmica 165 6.3.1. Anlisis de beneficios 165 6.3.2. Anlisis de ingresos y egresos 165 6.3.2.1. Ingresos del proyecto 165 6.3.2.2. Egresos del proyecto 166 6.3.3. Mtodos para el calculo de la rentabilidad 167 6.3.3.1. Mtodos estticos para el calculo de la rentabilidad 169 6.3.3.1.1. Clculo comparativo de costos 169 6.3.3.1.2. Mtodo de comparacin de anualidades de costos 171 6.3.3.1.3. Clculo de la rentabilidad 171 6.3.3.1.4. Clculo del periodo esttico de amortizacin 172 6.3.3.1.5. Mtodo acumulativo 173 6.3.3.1.6. Mtodo de promedios 173 6.3.3.2. Mtodos dinmicos para el calculo de la rentabilidad 173 6.3.3.2.1. Mtodo del valor actual de capital 173 6.3.3.2.2. Mtodo de la tasa interna, TIR 175 6.3.3.2.3. Mtodo de las anualidades 175 6.3.3.2.4. Mtodo de comparacin de anualidades de gastos 176 6.3.3.2.5. Clculo dinmico de amortizacin 177 6.3.4. La inflacin y la influencia sobre la rentabilidad 178 6.3.5. Anlisis de rentabilidad 178 7. CONCLUSIONES 180 8. BIBLIOGRAFA 183

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  • LISTA DE FIGURAS

    Pg. Figura 1. Curva de demanda de rea 71 Figura 2. Hidrograma de creciente 94 Figura 3. Curva de caudales clasificados y curva de frecuencias 95 Figura 4. Mtodo de los polgonos de Thiesen 99 Figura 5. Representacin de las isoyetas de precipitacin 101 Figura 6. Representacin total del un caudal mximo 101 Figura 7. Representacin de las magnitudes fsicas requeridas para encontrar el potencial del recurso 105 Figura 8. Anlisis de sensibilidad