GUIA: TP INTEGRADOR

1. INTRODUCCION

El presente trabajo propone estudiar métodos de generación de energía eléctrica renovable debido al potencial hídrico de la zona y la topografía, es decir plantear una pequeña o micro central hidroeléctrica de pasada (PCH o MCH), para satisfacer la demanda de energía eléctrica en colonias alejadas de las principales ciudades, en especial las que están ubicados en zonas rurales y que en su mayoría son las de menores recursos económicos.

La generación por medio de PCH o MCH no requiere un costo elevado de inversión ni de mantenimiento además de que se podrían operar y controlar por los mismos pobladores del lugar, ya que el mantenimiento es simple y solo necesita de una capacitación básica.

2. OBJETIVOS GENERALES

El objetivo general del proyecto es demostrar la viabilidad de un proyecto a nivel preliminar, el cual consiste en la construcción de una MCH en el sector definido a cada grupo, cubriendo la demanda o déficit de energía eléctrica de la zona, demostrando también que se genera una rentabilidad al conectar esta al Sistema Interconectado Nacional.

3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Identificar la configuración del sitio estudiado para la construcción de una MCH;

      ¿Qué debemos buscar en un sitio?

       Para elegir el mejor lugar, debemos considerar varios factores clave:

       La Caída (o Salto) de Agua:

• ¿Qué es? La caída de agua es la diferencia de altura que tiene el curso de agua en un tramo. Es la "energía potencial" que vamos a aprovechar para generar electricidad.
• ¿Por qué es importante? Cuanto mayor sea la caída, más energía se puede generar con la misma cantidad de agua.
• ¿Dónde buscarla?

       Evitar la naciente: En la naciente (donde nace el curso de agua), generalmente el caudal es muy pequeño y la caída es insuficiente.

       Evitar la desembocadura: En la desembocadura (donde el curso de agua se une a otro cuerpo de agua), la pendiente suele ser muy suave, lo que resulta en poca caída.

       Buscar zonas de pendiente pronunciada: Los mejores lugares suelen ser tramos donde el curso de agua tiene una pendiente pronunciada, como en zonas de colinas, montañas o donde hay cascadas o rápidos.

• Ayuda Visual:

         Accesibilidad:

• ¿Qué es? La facilidad para llegar al sitio con materiales, equipos y personal para construir y operar la central.
• ¿Por qué es importante? Un sitio de difícil acceso aumenta los costos y complica la construcción y el mantenimiento.
• ¿Qué buscar?

• Buscar cursos de agua con caudal constante: Es mejor elegir cursos de agua que tengan un caudal relativamente constante a lo largo del año, para        asegurar una generación de energía confiable.
• Evitar arroyos muy pequeños: Los arroyos pequeños pueden secarse en algunas épocas del año, dejando a la central sin agua.
• Buscar tramos donde se junten afluentes: Los lugares donde se unen otros cursos (afluentes) suelen tener un caudal mayor.

      2.  Evaluar el recurso hídrico, mediante estudios hidrológicos

•       ¿Qué vamos a lograr en esta etapa?
• Analizar en detalle la cantidad de agua disponible.
• Elegir cuánta agua usaremos para la central.
• Calcular cuánta energía podemos generar.

• Tareas:
  • 2.1 Buscando los Datos del Curso de agua:
  • Averigüen qué datos hay disponibles sobre el agua del curso de agua (mediciones del caudal, lluvias, etc.).
  • Digan de dónde sacaron los datos y si son confiables.
  • Si no hay mucha información, investiguen cómo se puede estimar el caudal (por ejemplo, usando datos de lluvia o de otros cursos de aguas cercanos).
  • 2.2 La Curva de Duración de Caudales:
  • Construyan la curva de duración de caudales del curso de agua.
  • Pregunta Guía: ¿Qué información importante nos da esta curva sobre el comportamiento del curso de agua?
  • 2.3 Elegir el Caudal de Diseño:
  • Según la curva de duración, decidan qué cantidad de agua usarán para la central (caudal de diseño).
  • Expliquen por qué eligieron esa cantidad.
  • Pregunta Guía: ¿Qué tan importante es equilibrar la producción de energía con la seguridad de que habrá suficiente agua? (Discutan cómo esta elección afecta el tamaño y la capacidad de la central).
  • 2.4 Calculando la Energía Potencial:
    •  Calculen cuánta agua hay disponible en promedio durante el año.
    • Estimen cuánta energía se podría generar en la central, considerando la cantidad de agua y la altura de la caída.

• ¿Qué vamos a lograr en esta etapa?
• Calcular cuánta energía necesita la zona.
• Tareas:
• Calculando la Demanda de Energía:
• Calculen cuánta energía necesita ahora y necesitará en el futuro la comunidad o zona que abastecerá la central.  
• Usen los métodos que les damos (o otros que conozcan).
• Consideren los diferentes tipos de consumo (hogares, comercios, industrias).

• ¿Es Posible Hacerlo?:
• Hagan un análisis sencillo para ver si el proyecto es viable, teniendo en cuenta cuánta energía se puede producir.
• Discutan los beneficios económicos y sociales que traería la central.

      4. Definir un esquema de obras civiles posibles para la MCH.

• ¿Qué vamos a lograr en esta etapa?
• Ubicar las estructuras principales de la central.
• Considerar las características del terreno.
• Asegurarnos de que el diseño sea adecuado para la turbina elegida.

• Tareas:
• 3.1 La Toma de Agua:
• Ubiquen la estructura donde se toma el agua del curso de agua para llevarla a la central.
• Piensen en cómo evitar que entre basura, cómo controlar el flujo y cómo cuidar el medio ambiente.
• 3.2 El Canal o Tubería:
• Indiquen el canal o la tubería que llevará el agua a la turbina.
• Decidan las medidas, la inclinación y los materiales.
• Calculen las pérdidas de energía por el rozamiento del agua.
• 3.3 La Casa de Máquinas:
• Ubiquen el edificio que contendrá la turbina, el generador y otros equipos.
• 3.4 El Canal de Descarga:
• Ubiquen  el canal que devolverá el agua al curso de agua después de pasar por la turbina.
• Busquen que el agua salga de forma eficiente y no erosione el curso de agua.
• 3.5 El Plano General:
• Hagan un plano general de la central, mostrando dónde va cada estructura.

• ¿Qué entregamos?
• Un informe actualizado (sumando lo de la Etapa anterior 7-9 paginas) con los diseños y dibujos de las estructuras.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
• Si las ubicaciones de las obras civiles son adecuadas y posibles de construir (30%).
• Si tuvieron en cuenta las características del lugar (20%).
• Si buscaron que la central sea eficiente y cuide el ambiente (20%).
• Qué tan claras son las ubicaciones y esquemas (30%).

• ¿Qué vamos a lograr en esta etapa?
• Elegir las turbinas y generadores correctos.

• Tareas:
• 4.1 Elegir la Turbina:
• Según la altura de la caída de agua y la cantidad de agua disponible, elijan el tipo y tamaño de turbina más adecuado (por ejemplo, Pelton, Francis, Kaplan, o Michell-Banki).  
• Justifiquen su elección, teniendo en cuenta qué tan eficiente es y para qué tipo de caudales sirve.

• ¿Es Posible Hacerlo?:
• Hagan un análisis sencillo para ver si el proyecto es viable, teniendo en cuenta cuánta energía se puede producir.
• Discutan los beneficios económicos y sociales que traería la central.
• Identifiquen los posibles problemas ambientales y cómo solucionarlos.

4. ETAPAS PARCIALES DE PRESENTACIÓN Y EXPOSICIÓN FINAL

1. Elección del sitio a servir con MCH

• ¿Qué entregamos?
  • Un informe en formato Word o PDF (2-3 páginas) que incluya:
  • Texto claro y bien organizado.
  • Mapas y fotos del sitio.
  • Dibujos o esquemas hechos por ustedes.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
  • Qué tan completa es la descripción del sitio (20%).
  • Qué tan bien explicaron por qué eligieron ese lugar (20%).
  • Qué tan precisa es la estimación del agua (20%).
  • Qué tan clara es la presentación (40%).

2. Identificar sitio de MCH, caracterización de áreas, ocupación, volúmenes

•  ¿Qué entregamos?
  • Un informe actualizado (sumando lo de la Etapa 1) con el análisis más detallado del área a servir.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
  • Qué tan preciso es el análisis del sitio (30%).
  • Si eligieron bien el sitio (30%).
  • Si entendieron la importancia de los factores que inciden en la selección del sitio (20%).
  • Qué tan bien presentaron el análisis (20%).

3. Evaluación del recurso hídrico / Planteo esquema de obras

• Qué entregamos?
  • Un informe actualizado con el análisis detallado de la evaluación del recurso hídrico del curso de agua.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
  • Qué tan preciso es el análisis (30%).
  • Si eligieron bien el caudal de diseño (30%).
  • Si entendieron la energía potencial disponible (20%).
  • Qué tan bien presentaron los datos (20%).

4. Evaluación de demandas / Planteo esquema final de obras

• ¿Qué entregamos?
• Un informe final (juntando y mejorando todo lo anterior) con el diseño completo y el análisis de viabilidad.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
• Si eligieron bien los equipos (20%).
• Qué tan preciso es el cálculo de la demanda de energía (20%).
• Qué tan completo y sólido es el análisis de viabilidad (30%).
• La calidad general del diseño (10%).

5. FECHA DE EXPOSICIÓN DEL TP - EVALUABLE

• ¿Qué entregamos?
• Una presentación del trabajo para exponer en forma virtual.
• ¿Cómo los vamos a calificar?
• Qué tan bien hicieron la presentación final (100%).

5. PÁGINAS WEB DE INTERÉS

http://siga2.inta.gov.ar/#/

https://umap.openstreetmap.fr/es/map/hidrografia-de-la-provincia-de- misiones_415265?fbclid#9/-27.2412/-54.9481

https://snih.hidricosargentina.gob.ar/Filtros.aspx#

http://www.ide.misiones.gov.ar/index.php

6. DOCUMENTOS DE TRABAJO

La Cátedra pone a disposición un Proyecto en Qgis con las capas necesarias de información de base.

https://aulavirtual.fio.unam.edu.ar/pluginfile.php/332223/mod_book/chapter/6577/TP%20Integrador.rar

7. DEMANDA DE ENERGÍA

MÉTODO 1 - DEMANDA ACTUAL

Consiste en calcular la demanda de energía de un pueblo teniendo como dato la cantidad de viviendas o lotes, clasificarlos y luego, con los consumos promedio anuales de estos, realizar el cálculo para la demanda actual.

DEMANDA ACTUAL

MÉTODO 2 - DEMANDA POTENCIAL ACTUAL

Esta metodología consiste en el cálculo de la demanda potencial, es decir se toma inclusive a la población que no cuenta con energía eléctrica. Lo que se hace es identificar un usuario promedio, tanto doméstico como pequeña industria y servicios públicos, y en base a este se calculará la demanda potencial actual. Se construyen los diagramas de carga. Ej.:

MÉTODO 3 - DEMANDA ACTUAL POR CANTIDAD DE POBLACIÓN

Se obtiene la demanda de la población de la siguiente tabla:

DEMANDA FUTURA DE ENERGÍA

Pf = Po x (1+i)ⁿ

Pf (kw) = Potencia Final 

Po (kw) = Potencia Inicial 

i = Tasa de crecimiento

n = Vida útil de la obra

8. CAUDAL ECOLÓGICO

Se define el caudal ecológico como: el agua reservada para preservar valores ecológicos; los hábitats naturales que cobijan una riqueza de flora y fauna, las funciones ambientales como purificación de aguas, amortiguación de los extremos climatológicos e hidrológicos, los parques naturales y la diversidad de paisajes.

Esto implica que después del uso del recurso hídrico para la MCH se dispone de un caudal para: consumo humano, aprovechamiento agrícola e industrial hay que mantener un caudal para la naturaleza, que sirve para conservar la biodiversidad y las funciones ambientales.

1er Criterio: El caudal ecológico debe ser siempre superior o igual al 20 % del promedio de los tres meses consecutivos más secos de la serie histórica.

2do Criterio: El caudal ecológico debe ser como mínimo igual al 10% del Caudal Medio Anual del río.

9. TURBINA MICHELL-BANKI

Esta turbina fue inventada por A.G. Michell (Australia) y patentada en 1903. Posteriormente, entre 1917 y 1919, fue estudiada por Donat Banki (Hungría), en la Universidad de Budapest. Se trata de una turbina de acción, de flujo radial centrípeto- centrífugo, de flujo transversal, de doble paso y de admisión parcial.

La turbina se basa en la teoría de Poncelet, ingeniero francés (1788-1867) quien desarrollo la clásica rueda hidráulica de eje horizontal. Posteriormente, el profesor húngaro Donat Banki hizo un trabajo extensivo sobre esta máquina (1912-1918). A través de una serie de publicaciones especificó que, para obtener la máxima eficiencia, el ángulo con el cual el chorro golpea al álabe debe ser tan pequeño como sea posible. Basado en esta suposición calculó los ángulos de entrada y salida del rodete, ancho del mismo, la forma del flujo a través de este y la curvatura del álabe.

Considerando todas las pérdidas posibles que ocurren en el distribuidor y el rodete, expreso el rendimiento máximo posible con la siguiente ecuación:

η_max= 0.771 - 0.384(D/H)

^ηmax = Rendimiento máximo 

D (m) = Diámetro de la turbina 

H (m) = Altura bruta

Sonnek, (1923) modifico la teoría de Banki asumiendo un ángulo del álabe constante e igual a 30º grados, con lo que la ecuación de rendimiento máximo resultó en:

η_max= 0.863 - 0.264(D/H)

Desde esa época fueron muchas las investigaciones realizadas sobre esta turbina a través del tiempo, las cuales han introducido mejoras sustanciales en la eficiencia de la misma.

La turbina de Flujo Cruzado o turbina Michell-Banki es una máquina utilizada principalmente para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos, basa sus ventajas fundamentalmente en un sencillo diseño y fácil construcción lo que la hace especialmente atractiva en el balance económico de un aprovechamiento en pequeña escala.

A diferencia de las turbinas de flujo axial o radial el agua en una turbina de flujo cruzado pasa a través del rodete en forma transversal y solo de forma parcial; como en una rueda de agua, esta es admitida por su perímetro exterior, la cual luego ingresa al rodete y pasa por los alabe del lado opuesto del rodete. Esto implica que el agua pasa dos veces por los alabes entregando un trabajo adicional, mejorando la eficiencia.

Las principales características de esta máquina son las siguientes:

• La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango

• Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un mecanismo sencillo

• El diámetro de la turbina no depende necesariamente del caudal

• Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeños caudales

• Diseño e instalación sencilla

Los rangos generales de operación de esta turbina son los siguientes:

Altura (m) → 1< H < 100 Caudal (m3/s) → 0.2< Q< 7 Potencia (MW) → P<1

Velocidad especifica → 30< Ns< 210 o 23< Nq< 70