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DISEO PARA LA PREFACTIBILIDAD DE LA MINICENTRAL
HIDROELECTRICA CERRO REDONDO MEDIANTE LA METODOLOGIA
DEL ESTUDIO DE CASO
Profesor Gua:
Cristian Hadad
Profesor Colaborador:
Maxs Ardiles
OSCAR CONTRERAS CASTILLO
NOVIEMBRE 2015
SANTIAGO - CHILE
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TABLA DE CONTENIDOS
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
TABLA DE CONTENIDOS
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCION
CAPITULO 1: ESTADO DEL ARTE
CAPITULO 2: MARCO TEORICO
CAPITULO 3: LA PERSPECTIVA METODOLOGICA
CAPITULO 4: PRESENTACION DEL CASO CERRO REDONDO
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
NOTAS
LISTADO DE TABLAS E ILUSTRACIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
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INTRODUCCION
En Chile para obtener y suministrar la electricidad necesaria
para realizar
las actividades del pas de manera econmica se recurre a la
participacin de la
inversin privada, que ve en la creciente demanda de energa una
oportunidad
de negocio y el gobierno como sujeto regulador de las
condiciones en las
cuales se realizarn las diferentes operaciones, con el fin de
obtener finalmente
un producto que permita que las actividades productivas del pas
puedan ser
hechas a un costo econmicamente competitivo con los del resto
del mundo. En
dicho procedimiento existen tres grandes actividades: generar,
transmitir y
distribuir.
En el mbito de las empresas relacionadas a la generacin elctrica
se
encuentra la empresa chilena ENACON S.A. que ejecuta las tareas
de gestin,
evaluacin y promocin de proyectos de energa renovable. En forma
prctica
lo que la empresa hace es buscar y evaluar una oportunidad de
negocio que
posteriormente pueda ser financiado. La empresa adems ayuda en
la
bsqueda de financiamiento y liga su participacin aportando
capital para la
obtencin del estudio de factibilidad econmica y de ingeniera
bsica del
proyecto. La empresa ENACON S.A. ha facilitado el estudio de
prefactibilidad
econmica de la minicentral hidroelctrica Cerro Redondo para ser
utilizado
como caso de estudio de esta investigacin, cuyas conclusiones
espera sern
un conjunto de sugerencias a la ingeniera bsica ya vista para el
proyecto. En
trminos prcticos el objetivo general es proponer una o ms
soluciones de
ingeniera bsica a las principales obras pertenecientes al
proyecto minicentral
hidroelctrica Cerro Redondo.
Se presentar el desarrollo de la investigacin en 4 captulos y
las
conclusiones.
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El primer captulo llamado estado del arte contiene y expone
deductivamente la
recopilacin principal de lo que se ha dicho antes al respecto de
las centrales
hidroelctricas.
El segundo captulo ser el marco terico donde se defina el objeto
de
investigacin a travs de la identificacin de los conceptos y
caracteres ms
importantes extrados del estudio de prefactibilidad de la
minicentral
hidroelctrica Cerro Redondo.
El captulo tres nombrado como perspectiva metodolgica contiene
la
explicacin de la metodologa utilizada para dar solucin a la(s)
pregunta(s) de
investigacin. Se realizar una explicacin respecto a la
metodologa de estudio
de caso y de la manera en que esta metodologa puede aportar
resultados para
el diseo de la la minicentral Cerro Redondo.
El captulo cuatro ser destinado a la presentacin del caso y
detallar el
estudio de prefactibilidad de la minicentral hidroelctrica Cerro
Redondo
facilitado por la empresa ENACON S.A.
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CAPITULO 1: ESTADO DEL ARTE
Introduccin
El estado del arte que se desarrollar es una presentacin
deductiva de la
informacin recolectada organizada en subcaptulos. Los temas o
subcaptulos
explicarn de forma detallada y separada los temas relacionados
al contexto o
medio en el cual se encuentra el caso de estudio. Lo primero es
explicar cmo
son los medios de generacin existentes y cules son las
principales fuentes de
generacin. En segundo lugar se ubicar y estudiarn otros casos
de
minicentrales con caractersticas similares de los cuales se
puedan obtener
experiencias relevantes en materia de obras civiles que se
puedan aplicar al
caso Cerro Redondo. Adems de las caractersticas del contexto, el
estado del
arte estudiar el funcionamiento de una minicentral hidroelctrica
y sus
componentes. En este nivel se obtendr una lista de obras
civiles
esencialmente necesarias para la construccin de la
minicentral
1.1.- Cmo se genera y distribuye la electricidad en Chile.
En Chile para obtener y suministrar la electricidad necesaria
para realizar todas
las actividades del pas de manera econmica, se recurre a un
esquema
complejo, en donde participa la inversin privada que ve en la
creciente
demanda de energa una oportunidad de negocio y el gobierno como
sujeto
regulador de las condiciones en las cuales se realizarn las
diferentes
operaciones requeridas, con el fin de obtener finalmente un
producto que
permita que las actividades productivas del pas puedan ser
econmicamente
competitivas con las del resto del mundo.
En dicho procedimiento existen tres grandes acciones: generar,
transmitir y
distribuir. Esto concluye en la existencia de empresas
generadoras,
transmisoras y de distribucin que deben realizar sus operaciones
de forma
conjunta y bajo un plan de crecimiento comn delineado por el
gobierno. En
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estas tres acciones se rene un conjunto de instalaciones, que se
agruparn
en:
a. Las centrales generadoras.
b. Lneas de transmisin y distribucin.
c. Las subestaciones elctricas.
Por las condiciones naturales del pas se ha divido la
distribucin de electricidad
en 4 grupos en orden de norte a sur:
a. SING (Sistema Interconectado del Norte Grande).
b. SIC (Sistema Interconectado Central).
c. Sistema elctrico de Aysn.
d. Sistema elctrico de Magallanes.
Cada sistema hace posible la administracin de electricidad de
forma ajustada a
sus actividades econmicas, por ejemplo solamente pensando en la
distribucin
geogrfica de los habitantes del pas y la importancia de la
industria minera en
la economa nacional, se puede inferir que en la zona norte del
pas se genera
energa elctrica mayormente para la minera y sus industrias
asociadas,
quienes son los principales clientes de las empresas
generadoras. La otra parte
de la energa llega a sus clientes finales a travs de las
empresas de
distribucin. En cambio en la zona central se encuentra la mayor
concentracin
de habitantes e industrias que necesitan electricidad para
realizar sus
actividades, por esta razn en la zona central del pas es donde
se producems electricidad, y sta abastece a la gran mayora de la
poblacin nacional.
Los dos sistemas de ms al sur constituyen un porcentaje muy
pequeo de la
generacin nacional y se abastece de sistemas medianos no
conectados entre
s.
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1.2.- Principales fuentes generadoras de electricidad en
Chile.
La electricidad que se genera en Chile proviene principalmente
de fuentes
trmicas e hidrulicas, seguidas muy por debajo por aquellas de
Energa
Renovable no Convencional.
Las centrales generadoras trmicas utilizan combustible como por
ejemplo:
carbn, gas natural o petrleo, y actualmente no todas cuentan con
tecnologa
de ciclo combinado que permite reutilizar los gases provocados
en la
combustin en otro motor generador en agregado a las turbinas
principales de
la central.
Las centrales hidroelctricas funcionan en base la utilizacin de
la cada de
agua desde una altura y a un caudal tal que induzcan el
movimiento de las
turbinas conectadas a una estacin de generacin. Existen grandes
centrales
hidroelctricas, como la Central Ralco ubicada en la VIII Regin
que cuenta con
una potencia instalada de 690 MW, pero tambin existen centrales
de menor
potencia como la Central Sauzalito de 12 MW de potencia
instalada ubicada en
la Regin de OHiggins. Cuando una central hidroelctrica tiene
menos de 20
MW de potencia instalada se califica como una central de Energa
Renovable
no Convencional.
1.3.- Fuentes de Energa Renovable No Convencional (ERNC).
Las centrales denominadas ERNC son definidas como aquellas:
elicas,
biomasa, biogs, geotermia, solar, mareomotriz, pequea
hidroelctrica (hasta
20 MW).
En conjunto las fuentes las ERNC han sumado participacin en la
produccin
de energa elctrica en los sistemas SIC y SING conjuntamente. Y
actualmente
el gobierno de Chile a travs de la Estrategia Nacional de Energa
2012-2030
propone aumentos en su uso.
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Las centrales elicas son aquellas compuestas por un conjunto
de
aerogeneradores que utilizan la fuerza del viento, son llamados
parque elico.
Las centrales de biomasa utilizan materia orgnica de origen
vegetal o animal
obtenida de forma natural o artificial. Es decir, que la materia
orgnica es
convertible en energa al ser sometida a cambios qumicos.
Las centrales geotrmicas aprovechan el calor alojado en el
interior de la Tierra,
a travs de la extraccin de vapor de agua a altas temperaturas
que calienta el
agua de las tuberas que al aumentar su presin permite el
movimiento de una
turbina generadora.
La energa solar es aprovechada de dos maneras: usando la
radiacin del sol
para para elevar la temperatura de un fluido y a travs de celdas
fotovoltaicas
que transforman la radiacin solar directamente en
electricidad.
Una central mareomotriz aprovecha el movimiento de las grandes
masas de
agua en movimiento del mar producido por las diferencias de
marea y las
corrientes ocenicas para hacer rotar turbinas generadoras. Hasta
el momento
es un sistema de alto costo de inversin en relacin a su
capacidad de
generacin.
1.4.- Descripcin de una central hidroelctrica.
En general una central hidroelctrica de menos de 20 MW se
caracteriza por no
provocar grandes embalses en el punto de toma de agua y
funcionan tomando
una parte de caudal de un cauce natural considerando sus
diferencias
relacionadas a la estacionalidad y de ubicacin geogrfica. El
caudal obtenido
es conducido y utilizado en una turbina de generacin elctrica
ubicada en otro
punto aguas abajo. Las condiciones de generacin se darn
principalmente por
la cantidad de caudal otorgado y la altura desde la cual ser
posible finalmente
dejar caer el agua en la turbina generadora, sin dejar de
considerar las prdidas
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de carga que se darn en el trayecto. Las condiciones de terreno
y situaciones
particulares de servidumbre en terreno hacen que cada proyecto
de central
generadora sea particular en el cumplimiento de las exigencias
de generacin,
costo y rentabilidad, todo esto sin dejar de considerar el
impacto social y
ambiental que la construccin y puesta en marcha de una central
hidroelctrica
de pasada va a producir.
Para comprender el funcionamiento de una central hidroelctrica
es necesario
revisar y entender los dos conceptos o variables que son
predominantes en el
momento de planificar: el caudal disponible y la diferencia de
altura o carga.
1.5.- Las principales partes que componen una central
hidroelctrica.
Una central hidroelctrica de pasada opera principalmente con los
siguientes
elementos:
a. Bocatoma: es una construccin que permite recolectar el agua.
Estas
consideran el uso de compuertas que regulan el caudal de entrada
y
elementos de seguridad que evitan la introduccin de objetos
que
puedan producir daos en la turbina.
b. Vertederos: son estructuras que permiten liberar parte del
agua retenida
directamente sin usarla.
c. Canales de aduccin: aquellos encargados de trasladar el agua
sin
presin y con la menor prdida de altura posible.
d. Chimenea de equilibrio: es un elemento de seguridad que
permite evitar
la sobrepresin en la tubera producida por la apertura o cierre
de la
vlvula de control de pasada del agua.
e. Cmara de carga: consiste en un depsito ubicado al final del
canal de
aduccin y desde el cual comienza la tubera en presin. Su funcin
es
suministrar el volumen de fluido necesario para el movimiento de
la
turbina sin interrupciones.
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f. Tubera en presin: es aquella que trasporta finalmente el agua
desde la
cmara de carga hasta las turbinas generadoras ubicada en sala
de
mquina.
g. Sala de mquina: es una construccin destinada a las
turbinas,
alternadores y sistemas de control y regulacin de la
central.
h. Turbina generadora: es un artefacto que se encarga de
trasformar
finalmente la energa cintica alojada en el agua que se deja caer
en
energa mecnica que ser transformada en energa elctrica a travs
de
un alternador asociado.
Existen un nmero mayor de elementos asociados a una central
hidroelctrica
de pasada, por ejemplo aquellos asociados a la electricidad
tales como:
transformadores o estaciones elctricas y las lneas de transmisin
de alta y
media tensin. Por otro lado existen elementos que se relacionan
con el diseo
hidrulico tales como: vlvulas de seguridad, obras relacionadas a
la proteccin
de riberas, desarenadores y disipadores de energa.
1.6.- Otros casos similares
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CAPITULO 2: MARCO TEORICO
Introduccin
Una vez que se ha terminado de hacer la presentacin de la
informacin de lo
que se ya se sabe con antelacin respecto al caso e incluso
revisar uno o ms
ejemplos similares. En el marco terico se construir un objeto de
estudio
mediante la revisin de conceptos ms especficos. El desarrollo
del marco
terico llevar finalmente a desplegar una pregunta de
investigacin y sus
objetivos. Respecto al planteamiento de la hiptesis que nos
ayudara a probar
una idea, este caso de estudio no considera formalmente
plantearla, debido a
que el objetivo general no es comprobar una idea, sino ms bien
obtener
informacin sobres acciones parecidas al caso de estudio y
aplicarlas al mismo.
En la primera parte del captulo se nombraran conceptos que
ayudaran a la
comprensin de los criterios de diseo de ingeniera conceptual de
la
minicentral hidroelctrica. Posteriormente se presentarn el
objetivo principal de
la investigacin.
2.1.- Conceptos asociados al diseo de una central.
a) Caudal: es el volumen de un fluido en movimiento en una
unidad de tiempo y
se mide en [m3/s] [l/s].
b) Carga bruta: altura medida desde el punto de captacin hasta
el punto de
restitucin.
c) Carga neta: altura que descuenta todas las prdidas que el
fluido tiene en el
trayecto desde la toma hasta la entrada a la turbina.
d) Caudal ecolgico: se define como el caudal mnimo necesario en
un cauce
para que se pueda mantener con vida los valores ecolgicos aguas
abajo de un
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punto de captacin. Se define en el Artculo 129 bis 1 del Cdigo
de Aguas y se
expone su mtodo de clculo en el Decreto N14 del ao 2012.
e) Caudal de diseo: comprende un estudio terico de varias
caractersticas
relacionadas al lugar donde se realizar la captacin del agua.
Depender de la
ubicacin geogrfica de la cuenca y sus caractersticas del
terreno, los datos
pluviomtricos, mediciones y estudios histricos de caudal del rio
u otros
cercanos. En la prctica siempre se debe considerar el caudal
ecolgico.
f) Potencia instalada: es la mxima capacidad de generacin
elctrica que tiene
una central.
g) Potencia de generacin: es el rendimiento real con el que
opera una central.
h) Factor de planta: conceptualmente es un valor asociado a la
eficiencia de la
central, es decir que este factor sirve para determinar la
generacin de la
central considerando detenciones de la generacin asociadas por
ejemplo al
mantenimiento de equipos, la constancia de la disponibilidad del
recurso hdrico
y las prdidas de energa que se provocan en los equipos
elctricos.
Matemticamente es el cociente de la energa que realmente genera
una
central y la que podra generar utilizando la mxima carga durante
el mismo
tiempo.
2.3.- Objetivo de la investigacin
El objetivo general de la investigacin que se est haciendo es
proponer al
menos una nueva solucin al diseo conceptual de la minicentral
hidroelctrica
Cerro Redondo mediante la metodologa del estudio de caso.
Ya se tiene un estudio de prefactibilidad que estima y define
varios elementos
importantes de diseo de la central. Sin embargo podra haber una
falta de
detalle en la investigacin de las posibilidades, por lo cual se
recurre a una
metodologa de investigacin que describir nuevas soluciones para
el caso.
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CAPITULO 3: LA PERSPECTIVA METODOLOGICA
Introduccin
Lo que se presenta a continuacin es explicar la metodologa de
investigacin
que se utilizar. En ese sentido existe un mtodo llamado estudio
de caso. El
diseo de un estudio de caso fundamenta su existencia en la
preferencia del
tema en cuestin y por lo tanto su principal fuente de
conocimiento es el estudio
de lo que ya se ha dicho al respecto a travs de una recopilacin
ordenada y
selectiva de la informacin en conjunto con el anlisis detallado
del caso en
cuestin.
La transcripcin detallada del caso es relevante en esta
metodologa de estudio,
por lo tanto el relato correspondiente a la presentacin del
estudio de
prefactibilidad de la minicentral hidreoelctrica Cerro Redondo
debe ser
detallada y casi literal. Por otro lado el captulo del estado
del arte representa
una gran fuente de conocimiento que se utilizar en el desarrollo
de una nueva
propuesta de diseo. Por lo tanto la metodologa obliga a pensar
que ambos
captulos ms extensos debido a que se buscar mayor detalle en
el
conocimiento.
3.1.- Preguntas de investigacin
Cmo hacer posible la obtencin de opciones de diseo conceptual
para la
minicentral Cerro Redondo a travs de la metodologa del estudio
de caso?
Qu variables sern las ms determinantes en el momento de
establecer el
diseo conceptual de una minicentral hidroelctrica una vez
terminado el
estudio?
Existe una sola combinacin de variables que cumplan con los
requerimientos
que exige el caso de la minicentral Cerro Redondo?
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Cmo es el nuevo diseo propuesto que lo diferencia del propuesto
antes de
realizado el estudio?
Qu beneficios se pueden obtener aplicando el mtodo de estudio de
caso en
el estudio de prefactibilidad de la minicentral hidroelctrica
Cerro Redondo?
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CAPITULO 4: PRESENTACION DEL CASO MINICENTRAL
HIDROELECTRICA CERRO REDONDO
El estudio de prefactibilidad econmica para la construccin de la
minicentral
hidroelctrica Cerro Redondo se presenta de forma resumida:
4.1.- Ubicacin.
Comuna: Melipeuco.
Provincia: Cautn.
Regin: IX Regin de La Araucana.
4.2.- Alturas.
Altura de captacin: 1300 (m.s.n.m.).
Altura de restitucin: 1050 (m.s.n.m.).
Altura o carga bruta: 250 metros.
Altura o carga neta: 243 metros.
La empresa ha estimado descontar 7 metros de la carga real con
el propsito
de considerar las prdidas singulares en la hidrulica de la
central.
4.3.- Antecedentes Generales del Derecho de Agua
Los antecedentes ms importantes en relacin al Derecho de Agua
son:
Forma de Extraccin: Gravitacional.
Naturaleza de las aguas: Superficial y Corrientes.
Tipo de Derecho: No Consuntivo.
Nombres del ro: Ro Chufqun.
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Los puntos de captacin y restitucin otorgados por la Direccin
General de
Aguas son:
Coordenadas UTM (Datum 1956)
Punto de captacin Este: 283.307
Norte: 5.688.509
Punto de Restitucin Este: 283.320
Norte: 5.690.700
El caudal otorgado en la Resolucin es:
Q [m3/s] Enero Febrero Marzo Abril mayo Junio Julio Ago Sept Oct
Nov Dic
Permanente
y Continuo
1,70 1,60 1,30 0,94 1,25 2,30 2,00 2,15 2,30 2,60 2,45 1,95
Eventual y
Continuo
1,40 1,10 0,82 1,20 0,32 2,90 3,90 2,60 2,00 2,35 2,50 2,60
Adems determina que el caudal ecolgico es de 0,684 [m3/s] desde
enero
hasta diciembre.
4.4.- Estudio de caudal en el punto de captacin
Este estudio se realiza con el propsito de punto precisar el
caudal en el punto
de captacin utilizando los datos existentes de una estacin
fluviometrica
cercana llamada Estacin Fluviomtrica Allipn en Melipeuco que
pertenece a
la red de la Direccin General de Aguas y una serie de aforos
realizados en el
punto de captacin. Se ha planteado la siguiente formula que
estima los
caudales medios mensuales histricos en el punto de captacin:
Caudal Mensual en bocatoma=Caudal mensual de Estacion Allipen
en
Melipeuco x factor de rendimiento mensual x factor de rea entre
cuencas
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El resumen de los caudales medios mensuales en la siguiente
tabla:
Distribucin y promedio de los caudales medios mensuales en el Ro
Chufqun
en bocatoma
Mes Promedio de caudales
[m3/s]
Distribucin [%]
Enero 3,65 13,19
Febrero 4,70 16,97
Marzo 2,14 7,73
Abril 1,84 6,65Mayo 1,30 4,70
Junio 1,40 5,07
Julio 0,67 2,41
Agosto 0,82 2,96
Septiembre 0,81 2,93
Octubre 3,51 12,68
Noviembre 3,70 13,38
Diciembre 3,14 11,34
Promedio 2,31 100
4.5.- Potencial de generacin de la central
Con los caudales obtenidos y descontando el caudal ecolgico es
posible
calcular la potencia en cada mes de la central y luego a travs
de un proceso de
simulacin se obtiene:
Altura de generacin: 240 m
Caudal de diseo: 1,45 m3/s
Potencia de la central: 2,92 MW
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Factor de planta: 0,65
Generacin media anual: 16,16 GWh/ao
4.6.- Obras de la Central
La central en el Ro Chufqun capta el caudal a travs de una
bocatoma fija de
barrera frontal y posteriormente este es conducido a una
chimenea de equilibrio
que servir para amortiguar el golpe de ariete producido al
cerrar la vlvula de
la turbina. Desde la chimenea de equilibrio el agua es
introducida a la tubera en
presin hasta la casa de mquina.
Tipo de obra Descripcin Distancia (m)
Bocatoma y Captacin Barrera fija de hormign 010
Tubera de baja presin Tubera PRFV 10388
Chimenea de equilibrio Hormign armado 388
Tubera en presin Tuberas de HDPE y
PRFV
3881978
Casa de mquina Edificio de 100 m2 1978
Canal de restitucin Canal abierto 2000
Se nombrarn las principales obras que se consideran en el
estudio de
prefactibilidad:
a) Instalacin de faenas y construccin de caminos.
b) Movimiento de tierra para bocatoma.
c) Ejecucin de hormign armado en bocatoma.
d) Colocacin de compuertas, motores y sistemas de levante.
e) Enrocado de proteccin de riberas en sector de bocatoma.
f) Chimenea de equilibrio.
g) Movimiento de tierra tubera sin presin.
h) Movimiento de tierra tubera en presin.
i) Fundaciones de los apoyos de la tubera en presin.
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j) Colocacin de la tubera en presin.
k) Tramo final colocacin de tubera en presin de acero.
l) Casa de mquina.
m) Instalacin de turbina y equipos electromecnicos.
n) Construccin del canal de restitucin.
