MAESTRÍA EN

INGENIERÍA DE LA ENERGÍA

Fundamentos de

Generación Hidroeléctrica

Aprovechamientos

hidroeléctricos

Ing. Daniel Schenzer

MSc Ing. Rodolfo Pienika IMFIA – Facultad de Ingeniería

rpienika@fing.edu.uy

Relevamientos y estudios:

2ª aproximación

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ecológicos o ambientales • Socioeconómicos

• Análisis económico-financiero

Ninguno es determinante,

todos pueden ser invalidantes

ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL

Ley 16466 “MEDIO AMBIENTE” (19 / 01 / 1994)

………………… Art. 6º:

Requerirán estudio de impacto ambiental:

…………………..

F) Usinas de generación de electricidad de más de 10 MW

……………………

I) Obras de explotación o regulación de recursos hídricos

Decr. Reglamentario 349/005, (03/10/2005) Agrega:

Art. 2:

.........................

25) Construcción de represas con una capacidad de embalse de más de 2 millones de m3 , o con espejo de agua de más de 100 há

Autorización Ambiental Previa (AAP) : Etapas

• Comunicación de proyecto

• Clasificación del proyecto por DINAMA (art. 5 del decr.

349/005), según estimación de impactos:

– Cat. A, impactos no significativos

– Cat. B, impactos ambientales moderados, o eliminables

– Cat. C, impactos negativos significativos

• Solicitud de la AAP

• Puesta de manifiesto del “Informe Ambiental Resumen”

• Audiencia pública (proyectos C y a discreción de DINAMA los B)

• Resolución ministerial

Impactos por etapas de un

emprendimiento hidroenergético

• Planeación, proyecto (mínimo impacto, sólo

algunos cateos)

• Construcción

• Operación

• Desmantelamiento (“decommissioning”)

Impactos durante la construcción (algunos)

Actividad

Impacto

Relevamientos geológicos Ruido

Tala vegetación existente Alteración de habitat

Movimientos de tierra Estabilidad de pendientes

Represamientos y desvíos transitorios Alteración habitat y dinámica

fluvial

Explotación de canteras Ruido, emisiones de polvo,

alteración local de topografía

Acopios transitorios de materiales

Montaje temporal de un obrador (puede

incluir planta de hormigón)

Impactos durante la obra (algunos)

Actividad

Impacto

Desplazamientos transitorios de

personas, caminos

Alteraciones habitat humano,

Dragado de cursos de agua Alteración de habitat

Uso de maquinaria de construcción

(excavadoras, camiones, vehículos

personales,…)

Ruido, emisiones gaseosas,

compactación terrenos

Montajes líneas de transmisión

Presencia humana Ruido, desechos, necesidad de

alojamiento, comida, salud, etc.

Desplazamiento temporal de otras

actividades (pesca, recreativas, …)

Retiro instalaciones provisorias

Impactos durante la construcción (algunos)

Actividad Impacto

Llenado del vaso Alteraciones del habitat, disminución

caudal aguas abajo, corte caminos

Operación de turbinas y

compuertas

Ruido, alteración caudal aguas abajo

Manejo y descarga de caudales

de generación

Erosión de márgenes

Descarga de caudales afluentes

excedentes

Variación nivel aguas abajo

Detención de sedimentos fértiles Pérdida de productividad en terrenos

aluviales aguas abajo

Limpieza periódica de cribas Residuos sólidos

Lago como habitat de vectores Aumento riesgo de enfermedades

Presencia del lago Afectación paisajística y a patrimonio

histórico

Impactos durante la operación (algunos)

Impactos durante la obra (algunos)

Actividad

Impacto

Desmantelamiento equipos y líneas Ruidos, interrupciones temporales

Transporte equipos y materiales Movimientos viales, alteraciones

habitat humano

Tapiado de canales y túneles Movimiento de materiales

Demolición obras civiles Ruido, polvo

Demolición presa Ruido, polvo

Retiro residuos sólidos (escombro,

chatarra)

Recuperación del medio Movimientos viales, alteraciones

habitat humano y de especies

Impactos durante la clausura (algunos)

Impacto ambiental de la obra:

recursos naturales

• Inundación de terrenos

• Desaparición de fauna

• Migración de fauna

• Peces migratorios

• Introducción de otras especies animales

• Desaparición de flora

• Introducción de otras especies vegetales

• Efectos sobre calidad del agua de vegetación inundada (consumo de oxígeno)

• Cambio de régimen fluvial

• Creación o desaparición de playas

• Eventual contaminación con agroquímicos en embalse

• Retención de metales en el embalse

• Eliminación de humedales

• Detención de sedimentos naturales fértiles

• Aumento de la evaporación

• Cambio de microclima local

• Acuíferos subterráneos

Impacto ambiental de la obra:

recursos naturales

Medidas de mitigación de

impactos principales Obras en represa

• Descargadores de fondo

• Aireación

• Pasajes para peces (varios diseños, eficacia cuestionada)

Obras adicionales

• Creación de nuevos habitats para fauna y flora

• Reforestaciones

• Cambios en el curso del río

• Consolidación de márgenes (gaviones, sauces, álamos, …)

Todas deben ser muy estudiadas y bien ejecutadas, alta frecuencia de efectos indeseables no previstos

Descargadores de

fondo

• Pueden o no coincidir con

toma de turbinas

• Disipar energía cinética:

válvulas de chorro cónico

hueco (”Howell Bunger”)

Pasajes para peces

El curso de agua se considera “corredor biológico”

mantener su continuidad biológica; evitar la “fragmentación biológica”

Princip.: Salmón, trucha, dorado, sábalo. Menos: boga, algunos

bagres, algunas anguilas, algunas variedades de esturión, …

Caudal que se deja pasar: muy discutido; normalmente, entre 1 y 6% del caudal medio anual

Puede variar según períodos de intensa o poca migración

Tipos principales de

Pasajes para peces

• Escalas para peces (fish ladders,

fish pass, échelles á poissons)

sucesión de cuencos en escalera

• Sistemas de by-pass para

peces Se imita la morfología y la hidráulica de

los cursos (para pequeños)

• Ascensores para peces (fish lift)

• Bombeo

Escalas para peces

Escala cerrada con compuertas (Salto Grande)

a b

c d

Ascensores para peces

http://fishflowinnovations.nl

Bombas para peces

Turbinas “fish friendly”

Criterios de diseño de pasajes para peces

• Salida del agua: evitar sedimentación, que sea accesible por los peces aún en estiaje

• Pasaje: velocidades de flujo variables, velocidades máximas admisibles, no más turbulencias que el cauce natural, evitar vórtices, saltos entre cuencos de alturas admisibles, vertederos siempre sumergidos, protección contra excesivo sol, lechos naturales, luz natural, controlar accesos de personas

• Cuencos: profundidad, ancho y largo adecuados, evitar aireación excesiva, permitir reposo, evitar daños a peces

• Toma de agua: caudal ajustable, protección contra inundaciones, protección contra flotantes, protección contra exceso de arrastre de fondo

• Materiales: colores y rugosidad adecuados, resistencia mecánica

Comentarios sobre pasajes para peces;

problemas abiertos

• Hacia aguas arriba: sólo un % de peces circula; pasajes en serie

pueden ser muy restrictivos

• Hacia aguas abajo: Muchos turbinados, o por vertederos:

mortandad (10%)

• Concentra predadores (incluso humanos)

• Puede permitir pasajes indeseables (mejillón dorado)

• En USA se ha llegado a compensar ($) a las pesquerías

Instalarlos o no: ¿quién tiene la carga de la prueba?

• Las agencias (p.e., DINARA) probar que la presa perjudica la fauna

• Quien represa probar que no perjudica si no se hace pasaje

Sistemas de guiado y

protección de peces

• En obras de derivación

• En bocas de toma de conductos de presión

• En el canal de restitución

Objetivo: evitar lesiones o mortandad de peces

TIPOS

• Físicas (rejas)

• Basadas en el comportamiento

• Sistemas de guía y retorno al río

Barreras físicas: rejas

• Planas

• Tipo tambor

• Móviles

• Efecto Coanda → (pérdida de carga 1,2 a

1,6 m, arrastra peces

con otros sólidos y poca

agua, puede dañarlos)

Barreras basadas en el comportamiento

• Sónicas: peces detectan de 50 Hz a 10 kHz, bajas frecuencias

son repelentes.

Generador de la señal, amplificador, altavoces sumergidos;

eficaces si v < 0,5 m/s

• Eléctricas : generar campo eléctrico (CC), pez detecta y se

coloca perpendicular al campo (minimiza el posible shock o

parálisis temporal) y se deja arrastrar

• Luminosas: luces estroboscópicas, no hay mucha

experimentación concluyente, a veces han sido atractivas y no

repulsivas

• CO2: altas concentraciones sedan o anestesian; bajas repelen

(en desarrollo)

By-pass, sistemas de guía y retorno al río

Medidas de mitigación:

Caudal reservado

Caudal mínimo obligatorio que se debe mantener en el curso

Componentes:

• Caudal ecológico o ambiental

• Caudal reservado para la solidaridad aguas arriba / aguas abajo

(caudal para uso compartido)

Caudal ecológico Régimen hidrológico que asegure la sustentabilidad a

largo plazo del ecosistema fluvial en condiciones naturales (que mantenga los servicios ecosistémicos y el bienestar humano en la cuenca).

Determinación:

1.- criterios hidrológicos, estadísticos: análisis de regímenes de caudales históricos, en especial estiajes naturales

2.- criterios fisiográficos; análisis de la variación del habitat y el relieve con el caudal; requerimientos para mantener las poblaciones

3.- criterios de planificación multi-objetivo (económico-productivos y ecológicos)

Más de 200 métodos en más de 50 países

Criterios hidrológicos y estadísticos.

Con Q = Caudal medio anual

• 10% Q

• Lanser (Austria) : 5 a 10% Q

• CEMAGREF (Fr.): 2,5 a 10% de Q

• Jäger (Aust.) 15 % Q (peces)

• Montana (USA), pesca: • alta importancia de la pesquería: 40 a 60% Q;

• baja importancia: 10% Q

Caudal ecológico

Con Q = caudal medio mínimo (Q365)

• Steinbach (Austr.): Q, eventualmente considerando aparte verano e invierno

• Baden-Würtenberg (Alemania): 33% Q

• Rheinland-Pfalz (Alemania): 20-50% Q

• Hessen (Alemania): 20-90% Q

Caudal ecológico

Basándose en curva de permanencia de caudales:

• Al menos 20% de Q300 (caudal excedido al menos 300 días al año)

• Mathey (Suiza): Q más frecuente, en gral. cerca de Q300:

15 . Q300 / (ln Q300)2 si Q300 > 50 lt/s

• Id. 0,25 Q300 + 75 lt/s si Q300 > 100 lt/s

• Büttinger (Suiza): Q347 (vida de salmónidos)

• Hindley (U.K.): el mínimo caudal medio en los 7 meses de mayores

caudales naturales

• Sawall y Simon (R.D.A.): 7 a 100% de caudal mínimo en agosto

• (USA): caudal promedio entre un año lluvioso y un año seco que

ocurre al menos 84% del año

• (Austria): mínimo caudal observado en el río

• Kärtner Institute (Austria): 10 a 15% del mínimo Q medio mensual

observado en todas las pesquerías sobre el curso

Caudal ecológico

Basadas en mantenimiento de relieve, fauna y flora:

• (Suiza) C. Q347, C coeficiente específico del lugar

• (USA): mantener actividad pesquera – gran abundancia de peces: 9,1 lt/s/km2

– Normal abundancia de peces: 2,6 lt/s/km2

• (Tirol, Austria) según condiciones geológicas – Cristalino: 2,0 lt/s/km2

– Arcilloso: 3,0 lt/s/km2

• Lombardía : 2,88 lt/s/km2

Caudal ecológico

Comentarios sobre los métodos anteriores (basados en datos hidrológicos y estadísticos):

• Fácil aplicación (si hay buenos datos de base)

• Pueden considerar fluctuaciones naturales

• Dan una idea del costo económico (energía no producida)

• Pueden ser un poco rígidos de más

• Caudales medios fáciles de subestimar

• No consideran parámetros hidráulicos del flujo (velocidades, pendientes, profundidades, …)

• No aplicables a todas las tipologías de río

• No transferibles de río a río

• Pueden tener poco que ver con las necesidades reales del ecosistema

• Puede afectar mucho la economía (en PCH)

Caudal ecológico

Criterios basados en velocidad y profundidad del agua:

• Steiermark, Kärtnen (Austria): en el flujo estrechado y deprimido,

velocidad 0,3-0,5 m/s; profund. mínima 10 cm

• Oregon (USA): en lo más llano, velocidad 1,2 a 2,4 m/s; profund. mínima 12 a 24 cm

• Oberosterreich y Tirol (Austria): profund. mínima 15 a 20 cm

• Miksch (Austria), Sawall (Alemania): 30 a 40 lt/s por m de ancho

• (USA) : perímetro mojado al menos 75% del flujo previo no perturbado

Caudal ecológico

Comentarios sobre los métodos basados en profundidad y velocidad de agua:

• Mantienen las características del flujo principal

• Incluyen la forma del perfil

• Son específicos para cada río

• No precisan datos hidrológicos

• Relaciones con parámetros ecológicos son genéricas e indirectas

• Permiten evaluación económica

• No consideran pendiente y patrones de flujo naturales

• En ríos anchos dan caudales muy elevados, hasta irreales

• En torrentes de montaña imponen profundidades irreales

• Adecuados sólo para algunos tipos de río

• Dudosa transferibilidad

Caudal ecológico

Métodos holísticos: basados en planificación multi-objetivo (económicos) y consideraciones ecológicas

Modelos para hallar valor de compromiso entre parámetros

económicos y ecológicos:

• Oportunidad de explotación regular (economía)

• Profundidad mínima

• Temperatura del agua máxima

• Contenido de oxígeno mínimo

• Velocidad mínima

• Dilución de aportes con carga biológica (al menos 10:1)

• Capacidad de sustentar salmónidos

Se elaboran índices sofisticados (Habitat Quality Index, basado en biomasa de salmónidos que pueden vivir; o Pool Quality Index, basado en maximizar la diversidad hidráulica, por ej. el número de lagunas)

Caudal ecológico

Comentarios sobre los métodos holísticos:

• Se basan en observaciones específicas de cada curso

• Usan magnitudes hidrológicas, hidráulicas, ecológicas y meteorológicas

• Además, económicas

• Requieren gran cantidad de datos y cálculos (tiempo, costo)

• Adecuados para tipos particulares de ríos

• Mínima o nula replicabilidad

• Poco experimentado

Caudal ecológico

Comentarios generales

Aplicados a un mismo curso, dan valores muy distintos (por ej., de 50 lt/s a más de 1000 lt/s)

(ver, por ej., ESHA: “Guía para el desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica”)

Pueden confluir

- caudal reservado

- pasajes para peces

Algunas medidas de rehabilitación de ríos (deben

ser muy bien pensadas y ensayadas) pueden

disminuir el caudal reservado

Algunas regulaciones nacionales :

Francia: Ley de Aguas (ley 2006-1772) : no inferior a10 % del Qmedio interanual

Portugal: no inferior al 2,5% o 5% de Qmedio

Noruega: Q350

Grecia: 1/3 del caudal medio en verano del río

Italia: no hay nacional, sólo regionales o por cuenca (fórmulas complicadas)

Reino Unido: no hay nacionales, se negocia cada caso partiendo de Q95%

Alemania: no hay nacionales, cada región tiene la suya

Colombia: Q90% = Q329

Brasil: Nada nacional, cada estado fija sus criterios; se usa 7Q10 (promedio

de los 7 días seguidos de Q mínimo en 10 años); también Q85% y Q 95%

Argentina: no hay nacionales

Chile: se negocia cada caso; no superior a 0,2.Qmedio; por excepción, hasta

0,4.Qmedio

Caudal Reservado

Regulación nacional (Uruguay):

DINAGUA sugería:

Caudal mínimo: 0,4 lt / s / km2 de cuenca

(estimado como promedio de caudal mínimo de estiaje)

Decreto 368/018 dio plazo de 1 año a MVOTMA para elaborar guía, mientras tanto:

Para cursos permanentes, si hay registros de al menos 20 años:

• Embalses: Q60 % de cada mes

• Tomas de agua: Q80 % de cada mes

Si no hay registros, usar un modelo hidrológico de precipitación -escorrentía (p. e. Temez)

Caudal Reservado

Criterios actuales de

determinación del caudal reservado

• Determinarlo a partir de parámetros o comunidades biológicas

• Corresponder a características hidrológicas de la cuenca

• Conclusión: es específico de cada cauce

• Que “copie” en alguna medida la estacionalidad hidrológica

• También tener en cuenta la geomorfología de la cuenca

• Deberá establecerse en los planes hidrológicos de cuenca

Tendencia actual

• Caudal para uso compartido: reglamentarlo, comités de cuenca (Constit. Art. 47: “…las cuencas hidrográficas como unidades básicas”)

• Caudal ecológico: aumentarlo

Comentarios adicionales sobre caudal reservado

Temas abiertos:

• Obras ya ejecutadas: ¿quién asume el costo de limitar Q? – Remediación de impactos

– Merma de beneficios económicos

– Costo de obras para lograrlo

• Concesiones previas ¿revisarlas?

Cuestionamientos:

“si un 10% es imprescindible, ¿un 90% es prescindible?”

Caudal del río no sólo tiene efectos ecológicos y económicos:

simbólicos, patrimoniales, paisajísticos, placer y recreación, límite de jurisdicciones, …

El caudal reservado es una cuestión de fijación de prioridades (asunto político, no puramente técnico ni científico ni económico ni sociológico)

Los temas ambientales y socioeconómicos son transversales, quien los maneja debe ser un actor transversal

Requiere organismos de regulación y control fuertes, (credibilidad, poder coactivo).

Todo proyecto actual y futuro debería tenerlo presente

Comentarios adicionales sobre caudal reservado

Relevamientos y estudios: 2ª

aproximación

• Topográficos

• Hidrológicos

• Geológicos y geotécnicos

• Ecológicos

• Socioeconómicos

• Análisis económico-financiero

Impactos socioeconómicos

• Migraciones poblacionales (reasentamientos)

• Fuentes de trabajo y migraciones temporales; servicios

de salud, educación, transporte y seguridad conexos

• Cambios culturales (lugares, tradiciones, relaciones de vecindad,

situaciones conflictivas previas o a crearse...)

• Cambios en la organización política y administrativa de

los municipios o regiones

• Cambios de actividades económicas, métodos de

producción, formas de comercialización

Impactos socioeconómicos

• Consumo de recursos

• Navegabilidad del curso

• Accesibilidad del territorio

• Control de crecidas

• Desaparición de paisajes naturales

• Aparición de enfermedades, alteración de cuadros

epidemiológicos

• Recursos arqueológicos

Otros usos del embalse o de la represa:

• Riego

• Recreación

• Cría ictícola

• Navegación

• Reserva para potabilizar

• Puente

• etc.

pueden alterar la ecuación socio-económica

Impactos socioeconómicos

Posible colapso de la presa y vaciado del embalse

Generalmente, asociado a eventos hidrológicos extremos

Causas primeras:

Geológicas (cambios en el nivel del agua, sismos)

Deficiencias de diseño: cota del aliviadero, taludes, cimentación,

Deficiencias constructivas (filtraciones, núcleo de arcillas

inadecuadas, mala compactación, ...)

Deficiencias de operación y mantenimiento

Acciones humanas (sabotajes, bombardeos, ...)

Requiere: Gestión de riesgo

(debería ser forzada por organismos reguladores)

Impactos socioeconómicos Rotura de presa

GESTIÓN DEL RIESGO

IDENTIFICAR, ANALIZAR, DECLARAR, CONTROLAR Y MEDIR EL

RIESGO Y SUS EFECTOS

Identificación: qué puede llevar a un fallo; suponer escenarios

Estimación: cuantificar probabilidad de fallo (período de retorno)

Análisis: estimar efectos de cada fallo sobre personas, propiedades o

medio ambiente

Evaluación: estimar importancia de esos efectos

Declaración: Decisión sobre si los riesgos identificados son tolerables

y las medidas de control adecuadas.

Criterio usual: ALARP (as low as reasonably possible): criterio de

aceptación social; umbral de afectación tolerable cuya reducción es

impracticable o de costo desproporcionado

En todos los casos: PLANES DE CONTINGENCIA

Plan de contingencia

Para cada modo de falla:

– estimar daños y consecuencias (vidas humanas –

ambiente – bienes materiales)

– Prever acciones preventivas y correctivas

• Evitar escenario

• Disminuir la causa (p. ej., laminación de crecidas)

• Disminuir el efecto inmediato (p.ej., admitir daños parciales)

• Disminuir el efecto mediato (p. ej., evacuaciones)

– Prever acciones durante un evento

• responsabilidades

• comunicaciones

• recursos

– Difundirlo, obligar a conocerlo

Bibliografía

• Societé Hydrotechnique de France: “Les petits aménagements hydro-électriques. Guide pour la conception, la réalisation, la mise en service et l’explotation, France, 1999.

• RetScreen International “Small Hydro Project Analysis”; Minister of Nat. Resources, Canada; ISBN 0-662-35671-3; 2003

• ESHA (2006): “Guía para el desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica”

• Office of Technology Assessment (OTA), USA (1995): Fish Passage technologies

• “Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala”; BUN-CA, Costa Rica, 2002

Bibliografía

• “El caudal mínimo medioambiental del tramo inferior del río Ebro”, J. M. Franquet, España, 2009

• “El concepto de caudal ecológico y criterios para su aplicación en los ríos españoles”; García de Jalón et al., Univ. Politécnica de Madrid.

• CIEMAT, P- García Ybarra, et al.: “Tecnologías energéticas e impacto ambiental”; Mc. Graw Hill, España, 2001, ISBN 84-481-3360-9

• ESHA: Thematic network on small hydroelectric plants. Environmental

group; “Reserved flow – short critical review of the methods of

calculation”

• de Membrillera, Escuder, González, Altarejos: “Aplicación del Análisis

de Riesgos a la Seguridad de Presas”; Universidad Politécnica de

Valencia, 2005