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EVALUACION DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE LAS ENERGIAS ALTERNATIVAS EN ZONAS RURALES DE CASANARE

FELIPE LEONARDO TIBOCHA CALA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ

JUNIO 23 DE 2005

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EVALUACION DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE LAS ENERGIAS ALTERNATIVAS EN ZONAS RURALES DE CASANARE

FELIPE LEONARDO TIBOCHA CALA

Proyecto de grado Pregrado Ingeniería Mecánica

Asesor Ing. JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI Ph D.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ

JUNIO 23 DE 2005

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NOTA DE ACEPTACIÓN:

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

Bogotá 23 de Junio de 2005

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Este proyecto representa un logro para mí y un orgullo para mis padres, porque ambos me han enseñado que no solo se necesita talento para ser el mejor, también es importante la constancia y el esfuerzo. Por esto y por mucho más, quiero dedicar este logro a mis padres por su talento y su esfuerzo, a mis amigos por su apoyo, y por supuesto a Dios por sus bendiciones.

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AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer al Ingeniero Jaime Loboguerrro por su gran ayuda y asesoría en el desarrollo del proyecto, y por el apoyo que me brindo para decidir realizar el estudio en Casanare. Agradezco la ayuda que me brindo el ingeniero Santiago Pachón; secretario de Obras del municipio de Aguazul, con la información de necesidades de las diferentes comunidades rurales del municipio. Y finalmente a mi familia por su incondicional apoyo, pues siempre me brindaron ayuda en los momentos que la necesite.

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN 10

1. OBJETIVOS DEL PROYECTO. 11

1.1 OBJETIVO GENERAL 11

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11

2. MARCO TEÓRICO 12

2.1 ENERGÍAS RENOVABLES 12 2.2.1 Energía solar fotovoltaica. 15 2.2.2 Energía solar térmica. 16 2.2.3 Energía solar pasiva. 16

2.3 ENERGÍA EÓLICA 16 2.3.1 Generación eléctrica. 17 2.3.2 Fuerza Motriz. 18

2.4 ENERGÍA DE LA BIOMASA 18 2.4.1 Digestión anaerobia. 19 2.4.2 Gasificación. 19 2.4.3 Combustión. 19 2.4.4. Biocombustibles. 19

2.5 ENERGÍA HIDRÁULICA 20 2.5.1 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH). 21

2.6 ENERGÍA GEOTÉRMICA 23 2.6.1 Generación eléctrica. 23 2.6.2 Usos directos. 23

2.7 TURBINAS, TEORIA BASICA 23 2.7.1 Selección de turbinas. 24

3. PRESELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 25

3.1 SELECCIÓN DE ZONA 25

3.2 NECESIDADES DE LA COMUNIDAD 25 3.2.1 Trapiche de caña. 25 3.2.2 Molienda de granos. 26

3.3 POTENCIAL PRELIMINAR DE ALTERNATIVAS 27

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3.3.1 Proceso de preselección de alternativas. 27 3.3.2 Potencial preliminar energía eólica. 28 3.3.3 Potencial preliminar energía Hidráulica. 29

4. CÁLCULO DE POTENCIAL 31

4.1 MÉTODOS DE MEDICIÓN 31 4.1.1 Medición de cabeza. 31 4.1.2 Medición de caudal. 32

4.2 RESULTADO DE MEDICIONES 34 4.2.1 Velocidad de flujo. 34 4.2.2 Área Transversal. 34 4.2.3 Cabeza disponible. 37

4.3 CÁLCULO DE POTENCIAL 37

5. DISEÑO DE LA PEQUEÑA CENTRAL HIDRÁULICA PCH 38

5.1 OBRAS CIVILES 39 5.1.1 Embalse o presa. 39 5.1.2 Bocatoma. 40 5.1.3 Canal de conducción. 41 5.1.4 Tanque de carga. 42 5.1.5 Tubería de carga. 43 5.1.6 Casa de máquinas. 43

5.2 DISEÑO DE LA TURBINA 44 5.2.1 Rueda Pelton. 44 5.2.2 Transmisión de Potencia. 45 5.2.3 Diseño de la flecha. 45 5.2.4 Selección de rodamientos. 46 5.2.5 Elementos de control y seguridad. 46 5.2.6 Esquema final. 47

6. VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO 48

6.1 PROYECCIÓN ENERGÉTICA 48

6.2 CÁLCULO DE AMORTIZACIÓN DEL PROYECTO 49

6.3 FUENTES DE FINANCIACIÓN 50

7. CONCLUSIONES 51

BIBLIOGRAFÍA 52

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LISTA DE TABLAS

Pag Tabla 2,1 Energías Renovables: descripción, tecnologías y usos finales 14 Tabla 2.2 Valores típicos de radiación solar 16 Tabla 2,3 Posibilidades de uso de la energía eólica 18 Tabla 2.4 Clasificación de PCH según potencia generada 22 Tabla 3.1 Rangos de velocidades de viento con diferentes rugosidades de terreno 30 Tabla 4.1 Datos primer perfil medido 36 Tabla 4.2 Datos segundo perfil medido 36 Tabla 4.3 Datos tercer perfil medido 37 Tabla 4.4 Áreas calculadas de los perfiles 38 Tabla 4.5 Resultado de mediciones de caudal 38 Tabla 5.1 Resultados de diseño de rueda Pelton 45 Tabla 6.1 Demanda sectorial de electricidad 49

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Rangos de aplicación de las micro- turbinas hidráulicas 25 Figura 4.1 GPS utilizado en la toma de datos 32 Figura 4.2 Medición área 34 Figura 4.3 Medición velocidad 34 Figura 4.4 Tramo medido 35 Figura 4.5 Ubicación del tramo medido 35 Figura 4.6 Primer perfil medido 36 Figura 4.7 Segundo perfil medido 37 Figura 4.8 Tercer perfil medido 37 Figura 4.9 Ubicación de bocatoma, tanque de carga y casa de máquinas 38 Figura 5.1 Ilustración de los diferentes componentes que debe tener una PCH 40 Figura 5.2 Efecto de un embalse sobre la caída disponible 41 Figura 5.3 Desvío del flujo usando rocas 42 Figura 5.4 Quebrada Chilipra 42 Figura 5.5 Pasos para diseño de canal de conducción 43 Figura 5.6 Perfil de canal trapezoidal 43 Figura 5.7 Ejemplo de tanque de carga 44 Figura 5.8 Desviador de chorro 45 Figura 5.9 Esquema final de diseño 47 Figura 5.10 Proyección de precio de energéticos en el sector industrial 47

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LISTA DE ANEXOS

Pag

ANEXO 1. Mapa de velocidad media anual de vientos de Colombia 53 ANEXO 2. Mapa del potencial hídrico (preliminar) 54 ANEXO 3. Tabla de costos de las diferentes partes diseñadas 55 ANEXO 4. Memoria de cálculos 56 ANEXO 5. Planos de diseño XX

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INTRODUCCIÓN Actualmente Casanare tiene una gran participación en las regalías nacionales por la importante explotación petrolera que se ha venido desarrollando en el departamento, y considero que una buena forma de inversión de dichos recursos, es el desarrollo y aplicación de energías alternativas para que en un escenario en el que la producción de hidrocarburos disminuyera drásticamente, Casanare y sus municipios puedan tener conocimiento de las diferentes fuentes de generación de energía que poseen y porque no, lograr una autosostenibilidad energética en un futuro. Es importante anotar que actualmente; gracias a la explotación de hidrocarburos en el departamento, Casanare ha logrado un gran desarrollo tanto social como económico que tiene una fuerte dependencia de la producción petrolera, y la comunidad no puede permitir que dicho desarrollo se convierta en un recurso no renovable para el departamento. Para esto debemos desarrollar proyectos de gran contenido social que no permitan que se frene el desarrollo que se ha logrado y que por el contrario, lo sigan estimulando y permitiendo que Casanare siga siendo un ejemplo de progreso en el País. Aunque actualmente la comunidad en general no es consiente de la importancia de las fuentes energéticas, es crucial que empecemos a tomar conciencia porque es muy claro que día a día las fuentes de energía, y su aprovechamiento se están volviendo cada vez más importantes en el futuro económico de toda región y comunidad. Por eso espero que este proyecto sirva para entregar de una manera más concreta y directa, la realidad de las fuentes de energía y su importancia en Casanare y en el resto del País.

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1. OBJETIVOS DEL PROYECTO.

1.1 OBJETIVO GENERAL Calcular la factibilidad del uso de energías alternativas en zonas rurales del departamento de Casanare, para así saber que tan importante puede ser para la comunidad la implementación de plantas o procesos, que permitan el uso de las diferentes fuentes de energía disponibles en el departamento, y así aprovechar las regalías que Casanare recibe; por la producción petrolera, en proyectos que puedan ser importantes en la generación de energía en los próximos años.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar las necesidades energéticas en zonas rurales del departamento

• Escoger en base a criterios ingenieriles entre los diferentes tipos de energías, cuáles son las de mayor potencial en la zona seleccionada y sobre dicho grupo calcular diferentes variables de aplicación. Para cada uno de los tipos de energía seleccionados, hacer una observación preliminar del potencial presente en la región y otras variables como la potencia que se podría generar, sus costos comparativos con los costos de generación para la actualidad y en un horizonte de tiempo; que sea significativo para las reservas de hidrocarburos presentes en el País.

• Realizar el diseño de algún proceso y sus componentes que logre

aprovechar la fuente de energía de mayor viabilidad de aplicación, basándose en los resultados obtenidos en los objetivos anteriores.

• Calcular la viabilidad del proyecto y buscar posibles fuentes de financiación

que permitan implementar la solución energética propuesta

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2. MARCO TEÓRICO

2.1 ENERGÍAS RENOVABLES Energía renovable es la que se aprovecha directamente de recursos considerados inagotables como el Sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el calor del interior de la Tierra. La energía convencional proviene de recursos NO RENOVABLES (combustibles fósiles), de los cuales se dice que están "almacenados" y cuyas reservas se agotan a medida que se utilizan. El caso contrario ocurre con las energías RENOVABLES, las cuales provienen de recursos que están relacionados con los ciclos naturales de nuestro planeta, haciendo posible que dispongamos del recurso de manera permanente. La dependencia del petróleo, el carbón y el gas ha generado conflictos de orden polít ico (guerras entre naciones) y ambiental (emisiones de dióxido de carbono, azufre, etc.); por esta razón, en los últimos años se ha hecho necesario invertir en el desarrollo y aplicación de tecnologías alternativas de producción de energía que funcionen con recursos renovables. Para el ser humano es claro que estas fuentes de energía están disponibles en su entorno, entonces su interés por explotarlas también radica en una mejor administración de los recursos locales. Además, en el mundo entero el término renovable se asocia con la disminución de emisiones contaminantes y con la "no-producción" de desechos, lo cual garantiza un medio ambiente más limpio y apropiado para nosotros y para las futuras generaciones. Actualmente las energías renovables cubren cerca del 20% del consumo mundial de electricidad. Para un mejor entendimiento y estudio se han clasificado estas energías en seis grupos principales: ENERGÍA SOLAR ENERGÍA HIDRÁULICA ENERGÍA EÓLICA ENERGÍA DE LOS OCÉANOS ENERGÍA DE LA BIOMASA ENERGÍA GEOTERMICA Cada una de las energías implica diferentes tipos de tecnologías que utilizan distintos elementos o equipos de transformación, según los cuales se obtiene energía en forma de electricidad, fuerza motriz, calor o combustibles. El siguiente esquema nos brinda un panorama general de cómo las energías renovables pueden ayudarnos a suplir nuestras necesidades energéticas.

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Tabla 2.1 Energías Renovables: descripción, tecnologías y usos finales. (5)

2.2 ENERGÍA SOLAR La estabilidad de la energía que proviene del Sol se refleja en la temperatura relativamente constante que se percibe en la Tierra y en la evolución de otras estrellas similares; por esta razón, la energía solar se puede considerar como fuente renovable, ya que puede permanecer esencialmente inalterable por billones de años.

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Por otra parte, se considera que la mayoría de recursos renovables provienen indirectamente de la energía del Sol. El calor del Sol genera los vientos; luego, los vientos y el calor del Sol hacen que el agua se evapore y cuando este vapor de agua se convierte en lluvia o nieve, se forman nacimientos de agua que originan ríos; junto con la lluvia, la luz del Sol hace que las plantas crezcan. Las mareas se originan de la fuerza gravitatoria que la luna y el Sol ejercen sobre la Tierra. La energía solar se define como la energía producida por reacciones nucleares al interior del Sol, que son transmitidas en forma de ondas electromagnéticas a través del espacio (radiación solar). El Sol irradia energía a una tasa de 3.9 x 1026 vatios, y perpendicularmente, sobre la parte superior de la atmósfera, nuestro planeta recibe una radiación solar promedio de 1 367 vatios por cada metro cuadrado. Las variaciones en la cantidad de radiación solar recibida por nuestro planeta dependen de los cambios en la distancia entre el Sol y la tierra debido a la trayectoria elíptica que recorre la Tierra alrededor del Sol. Otras variaciones son ocasionadas por pequeñas irregularidades en la superficie solar en combinación con la rotación del Sol y posibles cambios temporales de su luminosidad. La radiación solar directa no tiene cambios en su dirección desde el Sol hasta la superficie terrestre. Una vez dentro del planeta, las características físicas y la composición química de la atmósfera terrestre afectan la cantidad y el tipo de radiación que alcanza la superficie del planeta, razón por la cual durante períodos de abundante nubosidad o bruma, la radiación que incide es esencialmente dispersada por partículas y moléculas del aire, este tipo de radiación se conoce como radiación difusa. Para conocer la cantidad de energía que se puede obtener del Sol, es necesario medir la cantidad de radiación solar (directa más difusa) que recibe realmente una región. Esta cantidad de radiación disponible para convertir en energía útil en una localidad depende de varios factores: posición del Sol en el cielo, que varía diaria y anualmente; condiciones atmosféricas generales y del microclima; altura sobre el nivel del mar y la duración del día (época del año). La máxima cantidad disponible sobre la superficie de la Tierra en un día claro, fluctúa alrededor de 1 000 vatios pico por metro cuadrado. La siguiente gráfica muestra los rangos de radiación solar que recibe la tierra dependiendo de las condiciones de claridad del cielo.

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Tabla 2.2 Valores típicos de radiación solar. (5)

Para transformar la energía solar se utilizan principalmente tres tipos diferentes de tecnologías: energía solar fotovoltaica, energía solar térmica y energía solar pasiva. 2.2.1 Energía solar fotovoltaica. La luz del Sol se puede convertir directamente en electricidad mediante celdas solares, conocidas también como celdas fotovoltaicas, que son artefactos que utilizan materiales semiconductores. La corriente eléctrica puede ser utilizada inmediatamente o puede ser almacenada en una batería para utilizarla cuando se necesite. Una celda fotovoltaica típica puede ser cuadrada y medir 10 centímetros por lado y producir cerca de 1 vatio de electricidad, más que suficiente para que un reloj de pulsera funcione, pero no para encender un radio. Las celdas individuales se ensamblan para formar módulos (40 celdas); si se necesita generar más electricidad los módulos se agrupan para formar lo que se conoce como arreglo (10 módulos). Un sistema solar fotovoltaico funciona cuando el campo de módulos fotovoltaicos convierte en corriente eléctrica directa la energía solar que recibe durante el día. Dicha corriente transporta y almacena la energía eléctrica en la batería para ser utilizada en el momento que el usuario lo requiera. La energía eléctrica que los módulos fotovoltaicos envían a la batería y que ésta suministra a la carga pasa por el controlador de carga, cuya función es proteger a los otros elementos del sistema contra sobrecargas o descargas excesivas, altas corrientes y bajos voltajes. Todos los módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que provean la potencia deseada. Los módulos se fabrican, generalmente, para tener una salida de 12 Voltios de corriente directa, varían desde unos cuantos vatios fotovoltaicos (2.8 Vatios pico, Wp) hasta 300 Wp, y su voltaje y corrientes varían según la configuración de los paneles. Los sistemas fotovoltaicos con batería de almacenamiento pueden diseñarse para equipos que utilicen corriente del tipo directa (DC) o alterna (AC). Si se quiere

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utilizar un equipo que funciona con corriente alterna, debe acondicionarse un inversor para alimentar la carga. 2.2.2 Energía solar térmica. El aprovechamiento de la energía solar térmica basa su tecnología en la captación de la radiación por medio de elementos denominados colectores o concentradores, los cuales disminuyen las pérdidas de calor y aumentan la energía absorbida y, en algunos casos, cuentan con seguidores de Sol para mejorar este propósito. Estos sistemas están diseñados para proveer energía eléctrica a la red o para usos térmicos de naturaleza industrial, a través de la transferencia de calor a un fluido térmico; se destinan a suplir grandes demandas y no se utilizan en aplicaciones que requieran bajas capacidades de carga o calor. 2.2.3 Energía solar pasiva. Comprende elementos que se aprovechan en la construcción o adecuación de una vivienda con el fin de calentarla o refrescarla; estos elementos pueden ser muros o cubiertas que actúan como colectores solares, construidos con materiales acumuladores de calor, como el ladrillo, la piedra y la teja de barro.

2.3 ENERGÍA EÓLICA El viento es aire en movimiento, una forma indirecta de la energía solar. Este movimiento de las masas de aire se origina por diferencias de temperatura causada por la radiación solar sobre la superficie terrestre. Cuando el aire se calienta su densidad se hace menor y sube, mientras que las capas frías descienden. Así se establece una doble corriente de aire, cuya velocidad es mayor mientras mayor sea la diferencia de temperatura entre las capas. La energía eólica es la que está presente en forma de energía cinética en las corrientes de aire o viento. Para el aprovechamiento energético del viento es esencial realizar una valoración energética del recurso disponible en una localidad y una caracterización de su comportamiento. Las estimaciones del recurso eólico se basan en algunas estrategias útiles como son la colección de información de manera empírica, anemómetros totalizadores, por factores de correlación, o por adquisición de datos en tiempo real. La información empírica se recoge con base en visitas realizadas al lugar, donde se examinan las características de topografía y vegetación y se indaga el conocimiento de los habitantes de la región con el fin de obtener información valiosa en la identificación de lugares con altos niveles de velocidad de viento. Por ejemplo, la constante incidencia del viento en los árboles a lo largo del tiempo, o

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sobre la vegetación, hace que estos crezcan inclinados en la dirección predominante desde donde sopla el viento. La energía eólica puede transformarse principalmente en energía eléctrica por medio de aerogeneradores, o en fuerza motriz empleando los comúnmente llamados molinos de viento. A continuación se indican las posibilidades de uso de la energía eólica, con base en valores promedios de velocidad de viento anual.

Tabla 2.3 Posibilidades de uso de la energía eólica (5)

Debe existir claridad en el sentido de que esta tabla es una indicación de rápida referencia y no pretende ser completamente concluyente. 2.3.1 Generación eléctrica. Bajo el nombre de turbinas eólicas (aerogeneradores) se designan diferentes sistemas para aprovechar mecánicamente la energía contenida en el viento. En general, son máquinas rotativas de diferentes tipos, tamaños y conceptos, en los que el dispositivo de captación (rotor) está unido a un eje. Hay varios criterios para clasificar estas turbinas. Si se clasifican por la posición del eje, se agrupan como de eje horizontal o eje vertical. Si se clasifican por el tipo de aprovechamiento de la energía del viento, entonces se tienen rotores de accionamiento por arrastre y por sustentación. De los sistemas empleados para la generación de energía eléctrica, los más utilizados son los de eje horizontal por sustentación y, en menor grado, los de eje vertical, accionado también por sustentación. Las plantas de generación eléctrica con sistemas eólicos a gran escala se denominan parques eólicos. Estos son

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lugares en donde se instalan varios aerogeneradores y se conectan de manera apropiada para suministrar energía eléctrica que puede ser interconectada a una red. 2.3.2 Fuerza Motriz. Las máquinas eólicas para esta aplicación son, normalmente, de múltiples alabes (alta solidez). Sus tamaños más grandes a escala comercial internacional no pasan de los 8 metros de diámetro, aunque hay casos particulares poco difundidos que se han construido e instalado con rotores de hasta 12 metros de diámetro o el caso de los molinos de viento holandeses. Estas máquinas por ser de muchos alabes, son relativamente lentas y generalmente son acopladas a bombas de desplazamiento positivo, las cuales, a su vez, requieren bajas velocidades pero altos torques para su arranque y funcionamiento. La potencia aprovechable por este tipo de rotores esta definida por: A = área perpendicular al viento V = velocidad del viento η = eficiencia equipo

2.4 ENERGÍA DE LA BIOMASA La mayoría de seres vivos, como las plantas y los animales que están en nuestro entorno, dependen de la luz del sol, del agua y del aire para vivir. Las plantas, por su parte, transforman y almacenan la energía que reciben del sol; esta energía bien puede ser utilizada para producir electricidad, combustibles, químicos o servir de alimento a otros seres vivos. Al recibir este alimento (energía) o al morir, los animales y los seres humanos producen residuos orgánicos que al descomponerse generan gases. Estos ciclos, al repetirse continuamente, aseguran que la energía de la biomasa esté disponible permanentemente y que, según su manejo, se logre un verdadero autoabastecimiento energético. La biomasa es cualquier material proveniente de organismos vivos tales como vegetación, bosques, selvas, cultivos acuáticos, bosques naturales, residuos agrícolas, desechos animales y desechos urbanos e industriales de tipo orgánico que puede utilizarse para producir energía. Para transformar la energía contenida en la biomasa se utilizan tecnologías que dependen de la cantidad y clase de biomasa disponible. Con los principales

η***21 3VAPotencia =

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sistemas de transformación pueden obtenerse combustibles, energía eléctrica, fuerza motriz o energía térmica. Los siguientes son los diferentes procesos para el aprovechamiento de la energía de la biomasa. 2.4.1 Digestión anaerobia. Para transformar la energía contenida en la biomasa se utilizan tecnologías que dependen de la cantidad y clase de biomasa disponible. Con los principales sistemas de transformación pueden obtenerse combustibles, energía eléctrica, fuerza motriz o energía térmica. 2.4.2 Gasificación. Son los procesos térmicos que convierten la materia prima sólida o líquida en una mezcla de gases (hidrógeno, monóxido de carbono y metano). Este gas es luego utilizado como combustible en plantas de ciclo combinado, las cuales combinan turbinas de gas y turbinas de vapor para producir electricidad. El material que se utiliza comúnmente como combustible es madera y sólo algunos tipos de residuos agrícolas (mazorcas de maíz, cáscaras de coco, carbón vegetal). A escala mundial, aunque ya existe este tipo de plantas y están produciendo energía eléctrica, se considera como tecnología de demostración. 2.4.3 Combustión. La biomasa es quemada en una caldera para producir vapor, el cual es introducido en una turbina conectada a un generador eléctrico; el flujo de vapor hace rotar la turbina, el generador eléctrico se acciona y se produce electricidad. En el mundo es una tecnología ampliamente utilizada, en Colombia su aplicación se hace en pequeña escala y con poca tecnología, en complejos azucareros y en el sector panelero. Otra opción consiste en quemar parte de biomasa con parte de combustibles fósiles (co-combustión) pero se limita a utilizarse en áreas donde existan plantas de carbón. 2.4.4. Biocombustibles. Los biocombustibles líquidos son combustibles para transporte (principalmente biodiesel y bioetanol) procesados de cosechas agrícolas y otras plantaciones renovables. En menor escala, pero igualmente importantes, se encuentran biometanol y biocrudo o crudo de pirolisis. La utilización de biocombustibles reduce la dependencia del petróleo como combustible.

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Fermentación alcohólica. El bioetanol se obtiene por fermentación de ciertos azúcares, especialmente glucosa, y se utilizan como materias primas melazas azucareras, maíz, almidón de trigo y residuos de papa. Esterificación. Los bioaceites (biodiesel) son aceites vegetales obtenidos de plantas oleaginosas, ésteres metílicos o etílicos derivados de estos, o de ácidos grasos de otras procedencias. Algunas materias primas utilizadas en los procesos de obtención de bioaceites son: especies con semillas oleaginosas (girasol, colza, soja), especies con frutos oleaginosos (coco, palma), cultivos no tradicionales (brassica carinata, camelina sativa, cynara cardunculus) y otras (aceites de fritura usados, grasas animales). El biodiesel funciona en cualquier motor diesel, el cual puede ser adaptado o utilizado sin ninguna modificación, produce bajas emisiones de óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, CO2 y CO, es biodegradable y no tóxico; su manejo, transporte y almacenamiento son seguros. Pirolisis. El calor puede ser usado para la conversión química de la biomasa en combustible crudo. Después de la pirolisis, la biomasa se torna líquida - aceite de pirolisis- el cual puede ser tratado como el petróleo para generar electricidad. La aplicación del producto líquido (combustible de pirolisis) en motores y/o en turbinas o incluso en calderas aun necesita ser demostrada para obtener más información sobre sus propiedades, estabilidad, esquemas de producción y manejo. Es una tecnología en investigación.

2.5 ENERGÍA HIDRÁULICA El calor del sol hace que el agua se evapore y se condense en las nubes. Los vientos arrastran las nubes hasta las regiones montañosas donde se producen lluvias o nieve. El agua lluvia se mezcla con la de los manantiales conformando las quebradas y luego ríos que por acción de la gravedad y topografía de los terrenos retornan el agua al mar, donde el ciclo inicia una vez más. La energía hidráulica es aquella que proviene del agua y que se manifiesta como energía cinética en el caudal de las corrientes, y como energía potencial en la altura de las caídas de los ríos. Mediante las plantas o centrales de generación hidráulica se aprovecha la energía potencial almacenada en el agua contenida en un embalse, con base en una diferencia de nivel, para transformarla inicialmente en energía mecánica o cinética, haciéndola pasar por una turbina hidráulica a la cual se puede acoplar un

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generador que finalmente es el encargado de transformar la energía mecánica en eléctrica, o simplemente utilizar la energía mecánica sin ningún tipo de conversión energética. En la siguiente tabla se muestra la clasificación de diferentes centrales, según su capacidad de generación.

Tabla 2.4 Clasificación de PCH según potencia generada. (5)

2.5.1 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH). Una PCH es una instalación donde se utiliza la energía hidráulica para generar reducidas cantidades de electricidad, hasta 10000 kW aproximadamente; estos sistemas se incluyen dentro de las tecnologías alternativas de generación de energía ya que su diseño y construcción ocasionan bajos impactos ambientales además de que se utilizan en zonas aisladas donde pueden ser operadas por personal local. Las PCH se pueden clasificar por: Por su forma de captación. PCH filo de agua. En este tipo de proyectos no se cuenta con embalse, lo que implica que la planta solo utiliza el agua que fluye por el río en condiciones normales. La potencia de salida en estas plantas depende de los ciclos de hidrología por lo cual generalmente se dimensionan para que el mínimo flujo del río pueda suplir la demanda requerida. En los proyectos filo de agua se requiere un sistema para desviar el agua del río y así aprovechar al máximo el flujo de agua disponible, por lo general se emplea un dique de derivación o una pequeña presa para esto. PCH con embalse. En este tipo de desarrollos el agua es almacenada en un reservorio (puede ser un lago existente o un embalse), esto implica la construcción de una o mas presas que puede tener un alto impacto ambiental. Aunque estos proyectos ofrecen una potencia firme, los costos de las obras para el almacenamiento del agua generalmente hacen que el proyecto no sea viable económicamente. Por su funcionamiento diario. Puede ser de uso continuo cuando operan durante las 24 horas del día o discontinuo cuando se opera solo en algún período del día.

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Por su Sistema de Control. Se clasifican en plantas de carga variable cuando la planta se regula con un sistema automático o manual, ó, de carga constante la cual es mantenida mediante sistemas de disipación de carga o utilizando los excedentes de energía en aplicaciones complementarias Por el Uso Final de la Energía. Pueden ser de fin hidráulico es decir cuando la turbina es conectada directamente a una bomba o elevador de agua; de finalidad mecánica, cuando la turbina es conectada a través de correas de transmisión para molinos de grano, motosierras, etc.; de finalidad eléctrica cuando la turbina es conectada a un alternador y por lo tanto a una red eléctrica. Por su Conexión con el Sistema Eléctrico. Las plantas pueden ser aisladas, conectadas a una pequeña red comunitaria, o, integradas al Sistema Interconectado Nacional. Por sus Características Técnicas se pueden clasificar en: Plantas Convencionales: Todos los componentes, obras civiles, captación del agua, canales, desarenadores, tanque de carga, túneles, tubería de presión, equipo electromecánico e hidráulico, son diseñados, construidos y probados de acuerdo con tecnologías comprobadas y estrictamente normalizadas. Las instalaciones de control, medida, protección, señalización, sincronización, etc., son fabricados, probados y puestos en servicio, mediante protocolos que deben cumplir indicadores internacionales que cumplen con normas internacionales establecidas por países desarrollados. Plantas No Convencionales: Utilización y adaptación de captaciones existentes para otros usos (canales de irrigación, acueductos), tubería de presión en materiales menos exigentes (concreto, PVC), equipos electromecánicos e hidráulicos diseñados, construidos y fabricados con tecnologías apropiadas y paneles de control, medida y protección, con un mínimo de instrumentos. Plantas Parcialmente Convencionales: Obras civiles con cierta calidad y equipo electromecánico e hidráulico adaptado de oras plantas convencionales fuera de servicio por diferentes razones (abandonadas, dañadas, vencimiento de vida útil, etc.). La potencia que se puede generar con este tipo de centrales está dada por:

Aguaγ= Peso especifico

Q = Caudal H = Caída η = Eficiencia equipo

ηγ *** HQPotencia Agua=

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2.6 ENERGÍA GEOTÉRMICA La energía geotérmica ha estado presente tanto tiempo como la Tierra existe. "Geo" significa tierra y "termia" significa calor. Por lo tanto geotermia significa "Calor de la Tierra". Bajo la corteza terrestre, existe una capa superior del manto la cual es una roca líquida caliente llamada magma. La corteza terrestre flota sobre ese manto de magma líquido. Cuando el magma llega a la superficie de la tierra a través de un volcán, se le conoce como lava. Por cada 100 metros bajo la superficie de la tierra la temperatura se incrementa cerca de 3 grados centígrados. Por lo tanto a 3000 metros de profundidad la temperatura sería lo suficientemente alta como para hacer hervir agua. El agua algunas veces hace su recorrido cerca de rocas calientes que se encuentran muy por debajo de la superficie y retorna en forma de agua caliente a temperaturas de más de 148 °C (agua termal) o en forma de vapor. La extracción y transformación del agua caliente o el vapor de los yacimientos geotérmicos para generar energía eléctrica en superficie implica la aplicación de tecnología avanzada. Pero existe otra forma de aprovechar esta energía a la cual se le conoce como usos directos. 2.6.1 Generación eléctrica. De acuerdo con las características de producción del campo geotérmico, se puede seleccionar tanto el tamaño como el ciclo térmico de la planta de generación. La capacidad instalada de generación de la planta puede determinarse con base en el mercado de energía y la productividad actual del yacimiento. El ciclo térmico se selecciona de acuerdo con las características del fluido, pero también tomando en consideración las condiciones económicas del proyecto. 2.6.2 Usos directos. Comúnmente el agua caliente que proviene de estos yacimientos se utiliza en piscinas termales con fines recreativos. Otros usos directos de naturaleza residencial incluyen calentar invernaderos para las plantas y a nivel industrial incluyen calefacción, procesamiento de alimentos, lavado y secado de lana, fermentación, industria papelera, producción de ácido sulfúrico, manufactura de cemento, etc.

2.7 TURBINAS, TEORIA BASICA El agua bajo presión contiene energía, esta energía puede ser aprovechada por medio del rodete de una turbina en dos formas:

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En la primera, la presión puede ejercer una fuerza directamente en la superficie del rodete impartiendo energía al rodete, y haciendo que el agua pierda energía mientras pasa por el rodete. Las turbinas que operan de esta manera son llamadas turbinas de reacción y en este grupo se encuentra la turbina Francis. En la segunda, La presión es primero convertida en energía cinética, generando un chorro de alta velocidad por medio de una boquilla. En este caso la pérdida de presión ocurre a través de la boquilla, el chorro de agua golpea el rodete, impartiendo el momento a la superficie que golpea. Las turbinas que operan de esta manera son llamadas turbinas de impulso y en este grupo se encuentran las turbinas Pelton, Turgo, y las de flujo cruzado. 2.7.1 Selección de turbinas. En la selección de turbinas se tienen en cuenta diferentes factores, la figura que se muestra a continuación muestra un método fácil y eficaz para la selección de turbinas en pequeñas centrales hidráulicas (PCH).

Figura 2.1 Rangos de aplicación de las micro- turbinas hidráulicas. (5)

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3. PRESELECCIÓN DE ALTERNATIVAS En este capitulo se van a discutir los criterios de selección de alternativas, que se tuvieron en cuenta para escoger las mas viables en el sitio de estudio, y finalmente, escoger una definitiva a partir de un cálculo preliminar del potencial de cada una de las alternativas en la vereda El Rincón de Vijua

3.1 SELECCIÓN DE ZONA Para la selección del sitio se tuvieron en cuenta dos factores principales, la existencia de la necesidad energética, y buenas condiciones de orden público. Lo primero que se realizo fue una entrevista con el secretario de obras del municipio de aguazul (Santiago Pachón), y se buscaron necesidades energéticas, que las comunidades han manifestado en los diferentes concejos comunales que se han realizado por parte del gobierno municipal. Después de seleccionar las zonas con necesidades que se pudieran solucionar con el desarrollo de un proyecto como este, se selecciono la vereda que presentaba las mejores condiciones de orden público, y desafortunadamente no se encontró una vereda en una zona rural no interconectada que presentara condiciones de seguridad adecuada. Después de recolectar la información suficiente, haciendo visitas a las zonas preseleccionadas y hablando con los presidentes de la junta de acción comunal de las veredas, se selecciono la vereda EL Rincón de Vijua ubicada en la rivera del río Cusiana en la frontera entre el municipio de Aguazul y el municipio de Recetor

3.2 NECESIDADES DE LA COMUNIDAD La principal actividad económica de la vereda seleccionada (El Rincón de Vijua) es la ganadería, pero debido a problemas que han tenido últimamente los transportadores con las vías de acceso en las épocas de invierno, la comunidad ha buscado actividades alternas para el aprovechamiento de la tierra como el cultivo de caña y la molienda de granos en pequeña cantidad par producción de harina. 3.2.1 Trapiche de caña. Para lograr un mejor aprovechamiento de los cultivos de caña, la gente de la vereda está interesada en montar un trapiche para el procesamiento de la caña.

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Para este fin tienen dos posibilidades energéticas actualmente, generación eléctrica a partir de combustión interna, o utilizando directamente un motor eléctrico gracias a la red eléctrica que cubre la zona. Inicialmente está proyectado cultivar 200 Hectáreas de caña en la vereda y se producen dos cosechas al año. Se proyecta adquirir un trapiche que tiene una capacidad de procesamiento de dos hectáreas diarias (Turnos de 8 horas), este trapiche requiere 6,3 HP (4,5 kW) de potencia de entrada, por especificaciones del fabricante para el nivel de producción dicho. En resumen la energía requerida teniendo en cuenta que se necesitan 200 días de funcionamiento para el procesamiento de toda la producción de caña es: Consumo diario: 4,5 kW * 8 horas/día =36 kWh/día Consumo anual: (36 kWh/día) * 200 días =7200 kWh/año kW = Kilowatt kWh = Kilowatt hora Es importante anotar que para que se cumplan estas suposiciones de requerimiento, se debe hacer plantaciones escalonadas a lo largo del año, pues de lo contrario el trapiche no podría procesar toda la cosecha. 3.2.2 Molienda de granos. La necesidad de energética para la molienda se genera porque los problemas de transporte generan sobrecostos en algunos alimentos, por esto la comunidad está interesada en aprovechar otra parte de la tierra en la siembra de maíz, y a la vez implementar un proceso para molienda de pequeñas cantidades de dicho grano. Para cubrir el procesamiento de las cantidades proyectadas de cultivo de maíz, la potencia requerida es 2,1 HP (1,5 kW) de potencia. La energía requerida teniendo en cuenta que se necesitan 200 días de funcionamiento para el procesamiento de toda la producción de maíz es: Consumo diario: 1,5 kW * 4 horas/día = 6 kWh/día Consumo anual: (6 kWh/día) * 200 días = 600 kWh/año kW = Kilowatt kWh = Kilowatt hora

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En total la potencia total requerida es 6 kW, aproximadamente 8 HP, y la proyección de consumo total de energía es de 7800 kWh/año

3.3 POTENCIAL PRELIMINAR DE ALTERNATIVAS Inicialmente se seleccionaron dos de las energías disponibles, y se calculó un potencial preliminar por medio de datos existentes registrados en archivos de la UPME (Unida de Planeación Minero Energética). Aunque estos datos registrados en mapas son a nivel macro del País, sirven para dar una idea preliminar del potencial de cada una de las alternativas energéticas, pues medir el potencial de cada alternativa, podría resultar muy costoso y requeriría mas tiempo que el que hay disponible para este proyecto. 3.3.1 Proceso de preselección de alternativas. Para la preselección de alternativas se tomo como factor determinante uso final de la energía. Para determinar la forma de aprovechamiento final de la energía, se tuvieron en cuenta factores como el costo de la planta, la capacidad de entendimiento de tecnología de la comunidad, las perdidas de por conversión de energía, y la transmisión de potencia. La generación eléctrica requiere el uso de equipo adicional, como un generador, sistemas de control, sistemas de monitoreo, y equipo de protección. Este conjunto de equipos adicionales genera un incremento de costos, pues en un sistema de generación mecánica el sistema de control puede ser manual. A pesar de que en la zona de estudio existe red eléctrica, esta es una zona bastante aislada en donde la capacidad de entendimiento de tecnología no es muy alta, esto se refiere a que a pesar de que en zonas aisladas como esta puede existir un entendimiento de la operación, mantenimiento y reparación de elementos mecánicos; un entendimiento similar de generadores eléctricos, motores, y del equipo eléctrico asociado, requeriría un mayor esfuerzo de entrenamiento a la comunidad. La conversión de energía mecánica a eléctrica puede representar perdidas considerables sobretodo en los rangos de potencia que están siendo considerados. La eficiencia de los generadores eléctricos varía de 60 % para pequeños generadores de corriente alterna, 80% para uno de 5 a 10 kW, hasta aproximadamente 90% para generadores superiores a 50 kW. Si la velocidad del generador es superior a la de la turbina, una transmisión es necesaria. La eficiencia de las transmisiones comúnmente varía desde 90% hasta 98%, dependiendo del tipo de acoplamiento y del número de etapas de la transmisión.

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Si la potencia generada por la turbina se convierte en energía eléctrica y dicha potencia es usada en propósitos mecánicos, la eficiencia global puede variar entre 40% y 70%. En otras palabras, si se genera electricidad para usos finales mecánicos, el tamaño de un sistema de generación energética puede ser el doble del de un sistema que provea energía mecánica directamente Una de las principales ventajas de la generación eléctrica es la posibilidad de transmitir potencia a una distancia considerable desde el lugar de generación. La transmisión de energía mecánica está restringida al área de la casa de máquinas. Teniendo en cuenta todos los criterios para seleccionar entre generación de energía eléctrica y mecánica que se mencionaron anteriormente, y las necesidades energéticas se concluyo que la mejor opción es el uso directo de energía mecánica. Según la tabla 1.1, las dos alternativas más viables para generación de energía mecánica, son la energía eólica y la energía Hidráulica, por lo que se seleccionaron para realizar un cálculo preliminar del potencial de estas dos alternativas en la zona. 3.3.2 Potencial preliminar energía eólica. Para estimar el recurso eólico en una zona determinada, se necesitan conocer diferentes variables que requieren mediciones apropiadas, a pesar de esto, se encontró una forma de estimar dicho potencial utilizando el mapa de velocidad anual de vientos de Colombia (ver el anexo 1), realizado por el Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas INEA, el cual permite establecer un valor aproximado del recurso eólico en las diferentes regiones del país. Localizando la zona de estudio en el mapa, se obtiene un índice de velocidad de 4, y según la tabla de rugosidad el rango de rugosidad está entre 3 Aspera; que corresponde a cultivos ásperos en línea y árboles bajos, y 4 Muy Aspera; bosques y huertos. Tabulando estos índices en la tabla 3.1 se obtiene un rango de velocidad anual promedio entre 2,6 m/s y 3,7 m/s a 10 metros de altura.

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Tabla 3.1 Rangos de velocidades de viento con diferentes rugosidades de terreno. (4) Según la literatura, estos rangos de velocidades pueden se una buena opción para aerobombeo de agua, pero no para generación eléctrica. A pesar de que inicialmente se podría aprovechar directamente la energía mecánica generada, se debe recordar que el bombeo de agua no se ha planteado como una de las necesidades de la comunidad en cuestión. Otra forma de estimar el potencial fue interrogando a la gente local sobre que tan importante creen que es el recurso eólico en la región. Estas entrevistas arrojaron como resultado que el viento no es un recurso con potencial importante en la zona, pues los lugareños manifestaron que a pesar que en algunas épocas del año la intensidad del viento aumenta, esto ocurre en periodos de tiempo muy cortos y nunca se han presentado velocidades de viento que ellos consideren altas. 3.3.3 Potencial preliminar energía Hidráulica. Como una aproximación inicial del valor del recurso hídrico de la zona, se utilizo el mapa de potencial hidroenergético de Colombia realizado por el Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas INEA (Ver anexo 2). En este mapa como primera aproximación para establecer el potencial físico hidroenergético se han tomado como base las características del territorio, en este caso, el agua y las posibilidades del terreno para aprovecharla, a partir de dos variables. La primera es la escorrentía, cuyos datos proceden del estudio de Balance Hídrico de Colombia, realizado por la Universidad Nacional para la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética). La segunda variable es la pendiente del terreno, ésta se construye como una capa de información a partir de modelos computacionales, tomando como variables de entrada las curvas de nivel que dan cuenta de la topografía y la red de drenajes.

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Con dichas variables se construye un Modelo de Elevación Digital (DEM), a partir de este modelo se obtiene la pendiente en valores de porcentaje. Para obtener el mapa se realiza la siguiente clasificación de donde se obtienen los seis niveles, alto, medio alto, medio bajo, bajo y muy bajo. A la escorrentía dada en mm al año, se le asignó un peso del 60% sobre la calificación total, y se clasificó en las siguientes cinco clasificaciones: Muy baja (0–1000), Baja (1000–1500), Media (1500–2000), Alta (2000–2500) y muy alta (>2500). A la pendiente del terreno dada en porcentaje, se le asignó un peso del 40% sobre la calificación total, y se clasificó en las siguientes tres calificaciones: Baja (0-3%), Media (3%-15%) y Alta (>15%). Localizando la zona de estudio en el mapa, se observa que según los criterios mencionados, el potencial Hidroenergético de la región es Medio Alto, lo que muestra que aunque se tienen que hacer estudios mas puntualizados en las corrientes de agua de la Vereda, la energía Hidráulica es una alternativa con potencial altamente aprovechable en la región. En la vereda está ubicada la quebrada Chilipra, que según los habitantes de la zona es la corriente de agua más grande de la región después del río Cusiana, por esto y porque presenta una topografía favorable se selecciono este cuerpo de agua para realizar el estudio de potencial para el diseño de una PCH.

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4. CÁLCULO DE POTENCIAL Como se concluyó en el capitulo anterior, la alternativa seleccionada fue la generación de Energía hidráulica para la molienda de caña y de granos, aprovechando el recurso disponible en la Quebrada Chilipra ubicada en la vereda El Rincón de Vijua. Las variables que se buscan medir para calcular el potencial energético del recurso hídrico, son el caudal o descarga, y la cabeza disponible o caída. En el presente capitulo se van a describir los métodos utilizados para medir las variables mencionadas, los problemas que se tuvieron en la recopilación de datos, y el potencial calculado en la corriente de agua seleccionada.

4.1 MÉTODOS DE MEDICIÓN Actualmente existen varias técnicas con diferentes niveles de sofisticación, para medir tanto la cabeza como el caudal de una corriente de agua, pero para el diseño de una Pequeña Central Hidráulica PCH, no se necesitan técnicas de medición que sean muy precisas, pues datos con dos cifras significativas son mas que suficientes para realizar el diseño de este tipo de centrales. Experiencias anteriores; registradas en la literatura, muestran que mediciones más precisas no representan ganancia alguna a este tipo de proyectos, y por el contrario aumentan los costos en la etapa de estudio de potencial. 4.1.1 Medición de cabeza. Lo primero que se hizo, fue recorrer la quebrada y seleccionar con ayuda de un mapa topográfico de la zona, un buen sitio para la bocatoma y para el tanque de carga, después de esto se buscó la forma de aprovechar la cabeza disponible, diseñando el recorrido del agua de forma que permitieran una reducción en la longitud de la tubería necesaria. Después de ubicar el tanque de carga; con ayuda de un Sistema de Posicionamiento Global GPS; por sus siglas en inglés, y utilizando el mapa topográfico, se buscó una buena ubicación para la casa de máquinas y se midió la diferencia de nivel entre las dos ubicaciones, dicha diferencia de nivel es la cabeza aprovechable para la generación de energía.

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Figura 4.1 GPS utilizado en la toma de datos.

4.1.2 Medición de caudal. A diferencia de la caída aprovechable, los caudales varían a lo largo del año. Lo primero que se hizo fue buscar datos históricos del caudal de la quebrada y de corrientes cercanas con cuencas similares en el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales). Debido a que la quebrada no está instrumentada y a que no se dispone del tiempo suficiente para realizar mediciones a lo largo del año, se buscó un método para estimar el caudal mínimo anual, pues se espera que a lo largo del año el caudal no baje de dicho valor, para que se pueda cumplir con los requerimiento de cantidad de agua de la turbina. Velocidad de flujo. Lo primero fue determinar la velocidad de flujo por medio del método del flotador, este método consiste en seleccionar una longitud del flujo que sea relativamente recto y uniforme, luego se pone un flotador (Un pedazo de madera, o una botella plástica medio llena pueden servir) y se mide el tiempo t, que se demora el flotador en recorrer una distancia D previamente medida en el

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tramo seleccionado. Luego se puede estimar la velocidad superficial de flujo “vs” con la formula vs=D/t. La velocidad del agua en la superficie “vs”, no representa la velocidad promedio de flujo ya que el agua cerca de los bordes de la corriente y cerca al fondo, se mueve más lento que en el centro de la superficie, debido a la rugosidad del fondo y a la viscosidad del agua. Un valor aproximado de la velocidad media de flujo “V”, se puede obtener multiplicando la velocidad superficial “vs” por un factor de corrección “C”, el cual varía desde 0,6 para fondos rocosos, hasta 0,85 para fondos lisos. Área transversal. Luego de calcular la velocidad media de flujo se realiza un aforo que consiste en medir el área transversal de la quebrada en diferentes secciones de un tramo seleccionado de la quebrada para calcular el caudal aproximado de la quebrada. Para aforar se divide cada una de las secciones en puntos equidistantes; el espaciamiento de los puntos depende del ancho de flujo, de la rugosidad del fondo, y de la precisión requerida. Se requieren menos puntos de medición si el perfil de la sección transversal es uniforme. Luego de determinar el número de puntos y su espaciamiento se mide la profundidad en cada uno de ellos, se promedian las profundidades de los extremos de cada área parcial y el resultado se multiplica por el espaciamiento entre puntos, después se suman las áreas calculadas para obtener un estimativo del área de cada sección transversal del flujo. Teniendo la velocidad media de flujo y el estimativo de las áreas, se multiplica la velocidad por cada área, y se promedia el resultado para así obtener un valor aproximado del caudal de la quebrada.

Figura 4.2 Medición área. (1) Figura 4.3 Medición velocidad. (1)

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4.2 RESULTADO DE MEDICIONES La fotografía es del lugar donde se hicieron las mediciones, también se presenta un mapa para ubicar el lugar en la quebrada.

Figura 4.4 Tramo medido Figura 4.5 Ubicación del tramo medido.(7)

4.2.1 Velocidad de flujo. La longitud medida del tramo seleccionado para las mediciones es de 3 metros, se tomaron diez medidas del tiempo que le tomo al flotador recorrer esta distancia, y se obtuvo un tiempo promedio de 3,7 segundos. Entonces la velocidad superficial central de flujo “ vs” es:

Debido a que el fondo de la quebrada en el tramo medido es rocoso, se toma el factor de corrección como 0,6, lo que indica que la velocidad media de flujo es: Este valor de 0,49 m/s es el que se va a utilizar para calcular el caudal de la quebrada. 4.2.2 Área Transversal. Se midieron tres secciones en el tramo seleccionado, los datos tomados se presentan en la memoria de cálculos en el anexo 4. Los resultados fueron los siguientes:

sm

s

s

v

v

81,07,30,3

=

=

smV

smvs

01,049,06,0*81,0

81,0

±==

=

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i Profundidad(m) AREA (m2)0 01 -0,2 0,052 -0,3 0,123 -0,55 0,14 -0,48 0,135 -0,32 0,26 -0,3 0,157 -0,15 0,11

PERFIL 1

Tabla 4.1 Datos primer perfil medido

Perfil 1

-0 ,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.6 Primer perfil medido

i Profundidad(m) AREA (m2)0 -0,051 -0,06 0,032 -0,65 0,183 -0,34 0,254 -0,27 0,155 -0,15 0,16 -0,15 0,08

PERFIL 2

Tabla 4.2 Datos segundo perfil medido

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PERFIL 2

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

Prof

undi

dad

(m)

Figura 4.7 Segundo perfil medido

i Profundidad(m) AREA (m2)0 01 -0,3 0,082 -0,36 0,163 -0,51 0,224 -0,7 0,35 -0,36 0,266 -0,15 0,137 -0,15 0,08

PERFIL 3

Tabla 4.3 Datos tercer perfil medido

Figura 4.8 Tercer perfil medido

PERFIL 3

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

Prof

undi

dad

(m)

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Los resultados de las mediciones del área se muestran en la siguiente tabla.

Perfil AREA (m2)1 0,86±0,00022 1,23±0,00023 0,79±0,0002

Tabla 4.4 Áreas calculadas de los perfiles 4.2.3 Cabeza disponible. Utilizando el GPS utilizado y el mapa topográfico utilizado con escala (1: 25000), la diferencia aprovechable de nivel es 25 metros. En la siguiente figura se muestra la zona en el mapa par mostrar la ubicación de la bocatoma (cuadro gris), del tanque de carga (cuadro negro) y de la casa de máquinas (cuadro blanco).

Figura 4.9 Ubicación de bocatoma, tanque de carga y casa de máquinas (7)

4.3 CÁLCULO DE POTENCIAL Q = A * V

AREA (m2) Velocidad (m/s) Caudal (lts/s)0,86 0,49±0,01 0,421,23 0,49±0,01 0,600,79 0,49±0,01 0,39

0,47±0,01Caudal Promedio (m3/s)

Tabla 4.5 Resultado de mediciones de caudal Los datos fueron tomados en la última semana de Abril de 2005, época en la que el invierno predomina en la región, por esto el caudal calculado no se puede utilizar como el valor mínimo anual.

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Para estimar el caudal mínimo anual se utilizó la siguiente formula de Manning: Q = Caudal A = Área n = n de Manning R = Radio hidráulico S = Pendiente del terreno

Para una Pequeña Central Hidroeléctrica PCH, el caudal de diseño debe tener un 85% de confiabilidad, lo que equivale a decir que el caudal de la quebrada puede estar por debajo del valor de diseño, máximo quince días al año. El factor n de Manning se obtiene comparando el fondo de la quebrada con fotografías de referencia que se pueden encontrar en libros de hidráulica de canales abiertos. El área y el radio hidráulico se pueden estimar preguntando a los ribereños, los niveles mas bajos que han observado en la quebrada a lo largo de los últimos años. El resultado de la estimación del caudal mínimo es: Qmin = 190 lts/s. Según las necesidades energéticas descritas en el capitulo anterior, se necesitan 6 kW de potencia, utilizando la formula de potencia para turbinas hidráulicas, se calculó que el caudal necesario es 37,4 litros por segundo, con lo que se puede afirmar, que la quebrada cuenta con el potencial suficiente para cumplir con los requerimientos del proyecto a lo largo del año. Q = Caudal H = Caída Η = eficiencia ≈ 70 %

5. DISEÑO DE LA PEQUEÑA CENTRAL HIDRÁULICA PCH

2/13/2 ***1

SRAn

Q =

ηγ *** HQPotencia Agua=

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En este capitulo se mostrara una descripción y el resultado del proceso de diseño de cada componente de la central, los cálculos se pueden consultar en el anexo 4. El diseño se enfocó en las partes mecánicas más que en las obras civiles; debido al contexto del proyecto, por esto se muestra solo una breve referencia del diseño de la parte civil (excepto la tubería de carga) y una descripción mas detallada del diseño de elementos mecánicos.

5.1 OBRAS CIVILES Las obras civiles para una microcentral pueden ser simplemente las que se muestran en la imagen, pero algunas veces algunos componentes extras como vertederos, compuertas o rejillas se deben incorporar al diseño.

Figura 5.1 Ilustración de los principales componentes que se deben incluir en una PCH.

(1)

5.1.1 Embalse o presa. Como se mostró en el capitulo anterior, la quebrada cuenta con el potencial suficiente, para cumplir con los requerimientos de caudal y de cabeza de la central, lo que permite evitar la construcción de un embalse como

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reservorio de agua, ya que el agua va a ser usada a una tasa menor a la que fluye normalmente por el río; inclusive en las épocas secas del año.

La construcción de un embalse también permite aumentar la cabeza disponible en un sitio determinado, pero en los lugares donde la cabeza disponible es suficiente para la potencia que se quiere generar, el incremento de cabeza producido por un embalse, no es significativo en comparación con el costo que implica su construcción. En la gráfica se ilustra las limitaciones del incremento de cabeza que puede ofrecer una presa.

Figura 5.2 Efecto de un embalse sobre la caída disponible (1)

5.1.2 Bocatoma. La bocatoma permite mantener un flujo controlado desde la corriente de agua hacia el canal de conducción, funcionando como un área de transición entre un flujo que puede crecer y volverse turbulento, y un flujo de agua que debe ser controlado en cantidad y calidad Debido a que el fondo de la quebrada está compuesto principalmente por cantos rodados (rocas de forma redondeada) de diferentes tamaños, no es recomendable hacer una bocatoma en concreto, porque puede ser destruida por la fuerza del agua, ya que según testimonios de los ribereños, durante las crecientes la quebrada arrastra muchas rocas grandes, que pueden destruir obras en concreto pequeñas. Por esta razón se decidió que la bocatoma se puede construir acomodando algunas de las rocas de la quebrada, que se pueden reemplazar fácilmente en la eventualidad que la fuerza del agua las desacomode. En las siguientes fotografías se muestra el tipo de rocas que hay en la quebrada y como acomodándolas se puede desviar el agua.

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Figura 5.3 Desvío de flujo usando rocas Figura 5.4 Quebrada Chilipra 5.1.3 Canal de conducción. Este canal se usa para llevar agua a una distancia relativamente grande, desde la corriente del agua hasta la entrada de la tubería de carga, minimizando las perdidas de cabeza a un costo mínimo. Para determinar la dimensión del área transversal, y la pendiente del canal, primero se deben determinar, la velocidad del agua en el canal, el coeficiente de rugosidad del canal y la forma del área transversal. La velocidad del agua debe ser lo suficientemente alta para evitar sedimentación, y lo suficientemente baja para evitar la erosión de las paredes y el fondo del canal, y para mantener las pérdidas de cabeza por debajo de límites permisibles a lo largo del canal. Aunque no se realizo un estudio del agua, se puede decir que el agua no lleva partículas muy gruesas, pues por observaciones previas se sabe que el agua de la quebrada, no permanece turbia a lo largo del año, excepto en las crecientes. Para la calidad de agua de la quebrada, la velocidad mínima permisible para evitar sedimentación en el canal es aproximadamente 0,4 m/s, y la máxima para evitar erosión en el canal es 0,45 m/s. Para determinar la rugosidad se busco información sobre suelos y se encontró que para tierra, la rugosidad es aproximadamente 0,03. El perfil más común y de más fácil realización es la trapezoidal, por esto va a ser el que se va a utilizar para la excavación del canal, dicha excavación se va a realizar a pala por los jornaleros de la zona.

Flujo Normal

Flujo desviado

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Figura 5.5 Pasos para diseño de canal de conducción (1)

En el diagrama anterior se muestra el procedimiento que se debe seguir para diseñar el canal de conducción. El área se calcula sabiendo que A=Q/v, y el resultado es A= 0.082 m2 El radio hidráulico para el perfil seleccionado es 0.106 m, lo que quiere decir que las dimensiones son: d=21,2 cm, w=60 cm, y θ=45O

Figura 5.6 Perfil de canal trapezoidal (1)

Según la solución gráfica de la ecuación de Manning, la pendiente del canal debe ser 0,5%. 5.1.4 Tanque de carga. El diseño del tanque de carga es muy simple, para esto se puede utilizar un tanque rectangular de concreto. Las dimensiones que se van a utilizar son: Longitud 2 metros, Ancho 1 metro y Altura 1 metro.

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Figura 5.7 Ejemplo de tanque de carga (1)

En la gráfica anterior se observa una ilustración de un diseño del tanque, que además permite que se use una tapa para evitar que caigan contaminantes al tanque. 5.1.5 Tubería de carga. Para reducir costos y simplificar el diseño, se va a utilizar una tubería flexible para agua potable (ACUAFLEX de PAVCO), la ventaja de esta tubería radica en que presenta un coeficiente de fricción muy bajo y además puede ir enterrada evitando así evita la necesidad de soportes que pueden aumentar el costo del proyecto. Los cálculos de diámetro se pueden encontrar en el ANEXO 4. Los resultados son los siguientes: para cumplir con los límites de perdidas por fricción y turbulencia el diámetro mínimo comercial para transportar el caudal de diseño es 160 mm. La tubería de PAVCO de ese diámetro cumple además con los requerimientos de presión estática, y de presión adicional causada por el golpe de ariete. Las especificaciones para instalación de la tubería se pueden encontrar en el manual de la tubería ACUAFLEX de PAVCO. 5.1.6 Casa de máquinas. La casa de máquina puede ser una estructura enramada de 20 metros cuadrados de área, pues las máquinas no exigen mayor espacio y simplemente se necesita protección contra el clima, ya que la seguridad no es un problema en la zona.

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5.2 DISEÑO DE LA TURBINA En esta parte del capítulo se van a describir los procesos de diseño de las diferentes partes mecánicas de la turbina, solo se van a mostrar los resultados de diseño, pues los cálculos se presentan en el ANEXO 4 5.2.1 Rueda Pelton. La rueda peltón se diseña para que la máxima entrega de potencia, ocurra cuando la velocidad del chorro de agua sea el doble de la velocidad lineal del cangilón. En la siguiente tabla se muestra las dimensiones obtenidas para diferentes velocidades de rotación del rodete (N). D es el diámetro del rodete.

N(rpm) nj d2(m) D(m) m nc A(m) B(m) C(m)1 0,047 21,34 25,92 0,058 0,148 0,0492 0,033 30,90 30,45 0,042 0,105 0,0353 0,027 37,83 33,91 0,034 0,085 0,0281 0,047 10,92 20,46 0,058 0,148 0,0492 0,033 15,45 22,72 0,042 0,105 0,0353 0,027 18,91 24,45 0,034 0,085 0,0281 0,047 7,28 18,64 0,058 0,148 0,0492 0,033 10,30 20,15 0,042 0,105 0,0353 0,027 12,61 21,30 0,034 0,085 0,028

200

400

600

1,029

0,514

0,343

Tabla 5.1 Resultados de diseño de rueda Pelton (2) En amarillo se muestran los resultados obtenidos de acuerdo con los parámetros seleccionados. Ya que los cangilones se van a fabricar por fundición, utilizando moldes ya construidos por el Ingeniero Jaime Loboguerrero (asesor del proyecto), se selecciono la dimensión del cangilón de acuerdo a las dimensiones del molde más grande. Para lograr un diseño eficiente se debe buscar una buena combinación, entre el número de cangilones, la relación de diámetro (m) del disco y el chorro y el número de chorros. Al tener en cuenta todas las variables de diseño mencionadas, se decidió tomar los valores mostrados en amarillo en la tabla. El rodete se va a fijar a la flecha usando un ajuste de interferencia suave, y un cuñero en el cubo. Los planos se muestran en el ANEXO 5. Para la fabricación de la rueda se sueldan los cangilones fundidos y pulidos al disco, y se deja enfriar la soldadura lentamente para lograr una unión más tenaz.

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5.2.2 Transmisión de Potencia. La forma de transmisión de potencia se definió teniendo en cuenta varios factores. Lo primero fue averiguar la velocidad de operación tanto del trapiche como del molino para saber si se podía acoplar directamente, pero ambas máquinas operan a 200 rpm, y la rueda pelton se diseño para operar a 400 rpm, por lo que se necesita alguna transmisión que permita una reducción de velocidad. Los molinos de granos generalmente están diseñados para acoplarse a una fuente de potencia por medio de una transmisión de correa en v, y los trapiches funcionan con una transmisión de banda plana. Por esto se decidió que las transmisiones usadas para cada aplicación, fueran las mencionadas anteriormente, a pesar que las dimensiones de las correa y de la banda están determinadas por el diseño de los fabricantes, en el anexo 4 se pueden encontrar los cálculos de selección de bandas y correas. El tipo de transmisiones por correa son las más usadas en pequeñas centrales hidráulicas, ya que cuando existe mas de una máquina impulsada por una única turbina, es difícil hacer un acoplamiento directo, y las correas son una buena solución porque son fáciles de encontrar y económicas, además las bandas y correas absorben choques que se pueden causar repentinamente por cambios de la carga u otros factores. Una medida del efecto de los choques es el factor de servicio, este factor es necesario para calcular la potencia de diseño de las correas. Para aplicaciones en pequeñas centrales hidráulicas un factor de servicio de 1,5 es adecuado. Las poleas que se van a utilizar son comerciales, se van a utilizar poleas de aluminio de la mitad del diámetro de las poleas de cada máquina, para lograr así la reducción de velocidad deseada. 5.2.3 Diseño de la flecha. La primera parte en el diseño de una flecha giratoria es establecer las fuerzas estáticas y dinámicas que actuarían sobre la flecha. Luego se cálcula el diámetro mínimo para cumplir con los límites de deflexión de los rodamientos. Y después se calcula utilizando la teoría de esfuerzos de Von-Misses, los diferentes diámetros que soporten los esfuerzos en los diferentes puntos a lo largo del eje. El resultado de este procedimiento es un eje escalonado que permite un buen apoyo para los rodamientos. El resultado de diseño se encuentra en el ANEXO 5, y los cálculos en la memoria de cálculos en el ANEXO 4. Los cálculos para el diseño de la flecha se hicieron para un acero AISI 1020 CR, obteniendo un factor de seguridad de 3, pero sabiendo que la máquina probablemente no va a ser operada de una forma cuidadosa, se

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decidió utilizar un acero AISI 4140 CR, que tiene mayor resistencia a la fatiga y permite obtener un factor de seguridad de 11. Las poleas y la rueda pelton van sujetas al eje utilizando un ajuste de interferencia suave y un sistema de cuña y cuñero, las cuñas se diseñan con un factor de seguridad de 4 que garantiza que en una eventualidad que pueda ocurrir, fallen primero las cuñas que el eje u otros elementos. Las cuñas son rectangulares de ¼ de pulgada y de 1 ½ pulgadas de longitud. 5.2.4 Selección de rodamientos. Los rodamientos que se van a usar son de bolas de contacto angular pues tienen un buen balance entre resistencia a la fatiga y costo. Se seleccionan los diámetros comerciales más cercanos por encima a los diámetros obtenidos en los cálculos de resistencia. Tanto la selección de los rodamientos y soportes como el cálculo de vida se realizaron con los procedimientos y recomendaciones del manual SKF. 5.2.5 Elementos de control y seguridad. Debido a que no se va generar energía eléctrica el sistema de control es muy simple, consta de un freno y una válvula al final de la tubería de carga, si se quiere detener la rueda, se debe aplicar el freno que simplemente es un sistema que desvía el flujo de los chorros y evita que golpeen los cangilones y después se cierra la válvula lentamente. En la siguiente gráfica se muestra un esquema del funcionamiento del sistema de freno.

Figura 5.8 Desviador de chorro. (10)

Para seguridad de los operadores todo el sistema se va cubrir con una tapa que evita que nada toque ninguno de los elementos en movimiento.

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5.2.6 Esquema final. En la siguiente gráfica se muestra una vista del esquema final de montaje de la turbina.

Figura 5.9 Esquema final de diseño

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6. VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO

6.1 PROYECCIÓN ENERGÉTICA Para establecer una proyección energética a nivel macro, se analizó el Plan Energético Nacional y se tomaron como guía tanto la proyección de demanda, como la proyección de precios, para el sector industrial. En el sector industrial se esperan tasas de crecimiento entre 4% y 5% cada cuatro años desde la actualidad hasta el año 2020, que está hecho el estudio. Los datos mencionados se encuentran en la siguiente tabla.

Tabla 6.1 (6)

Según el Plan Energético Nacional, los costos de energía no van a tener aumentos considerables para el sector industrial, lo que nos permite usar el precio actual de la energía para el cálculo de amortización del proyecto. En la siguiente gráfica se observa la proyección de pecios mencionada.

Figura 6.1 (6)

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6.2 CÁLCULO DE AMORTIZACIÓN DEL PROYECTO Como se menciono en el capitulo 3, el consumo de energía de las máquinas se estima en 7800 kWh/año, y el precio actual de energía en la zona para el sector industrial es de $240/kWh, lo que implicaría un ahorro en energía de $1’872.000 por año. Como se menciono en el numeral anterior, según los pronósticos del plan energético nacional, se espera que el precio de la energía para el sector industrial, no cambie significativamente en los próximos 16 años, por lo que se puede usar el gasto de energía calculado en todo el horizonte de tiempo, para determinar el tiempo de amortización del proyecto. En el anexo 3 se muestra una tabla con los precios cotizados para las diferentes partes de la PCH, al sumar estos precios unitarios se obtuvo un costo total del proyecto de $7’920.000, para una potencia total instalada de 6kw, con lo que se obtiene un costo aproximado de 660 dólares por kilowatt ($US 660/kW). Según experiencias anteriores registradas en la literatura, se sabe que el costo anual de mantenimiento de una PCH, es aproximadamente el 5% de la inversión inicial. Lo que sería un costo aproximado de 400000 pesos por año ($400000/año). Para el cálculo del tiempo de amortización, se realizó un flujo de caja con una inversión inicial equivalente al costo del proyecto, y unos ingresos anuales equivalentes al ahorro de energía menos el costo de mantenimiento de la PCH. Lo resultados son:

Después de establecer el flujo de caja, se estima el tiempo de amortización, calculando el número de años de funcionamiento necesarios, para que el valor presente neto VPN del proyecto en el año cero sea nulo. Se asume una tasa representativa del 12% efectivo anual.

7’920.000

1472000

añosn

iiiiVPN

n

n

15,912% del interes de tazaPara

)1(1)1(*14720007920000)(

≈

+⋅−+

+−=

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Según los cálculos el tiempo de amortización del proyecto es 9,8 años lo que equivale a 9 años y 2 meses.

6.3 FUENTES DE FINANCIACIÓN El gobierno nacional a través de la Unidad de Planeación Minero Energética UPME, cuenta con unos fondos de financiación para proyectos de energización en zonas rurales, uno de estos fondos es el FAER o Fondo para la Energización de las Zonas Rurales Interconectadas, este fondo fue creado por la ley 788 de 2002 y reglamentado por el Decreto 3652 de 2003. Su objeto es aportar recursos para desarrollar proyectos que lleven energía a las zonas rurales del sistema interconectado nacional. Para acceder a los recursos del fondo, el proyecto debe ser estructurado por unja entidad territorial, después de ser presentado a la UPME esta entidad se encarga de verificar si cumple con los requisitos, y si el proyecto es viable técnica y financieramente. Para la ejecución de los recursos del FAER asignados a un proyecto, el Ministerio de minas y energía firma un convenio con la entidad territorial para la ejecución del proyecto. El proyecto debe contar con recursos de la entidad territorial, que representen mínimo el 10% del valor solicitado al fondo.

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7. CONCLUSIONES Los cálculos demostraron que la alternativa mas viable en la vereda que se realizo el estudio, es la energía Hidráulica, pero gracias a la diversidad topográfica que posee Casanare, las otras energías renovables; excepto la de los océanos, pueden ser alternativas bastante viables, para solucionar necesidades energéticas de comunidades ubicadas en lugares con condiciones climáticas, topográficas y geológicas diferentes a la de la vereda seleccionada. Es importante mostrar la importancia de la medición de recursos naturales en Casanare, ya que actualmente no existen un número suficiente de estaciones metereológicas, que midan las diferentes variables que permitan calcular con mas precisión, el potencial energético de las diferentes regiones del departamento. Después de hablar con las diferentes autoridades civiles del departamento, se puede decir que se está despertando un interés, por empezar a invertir una mayor parte de las regalías destinadas a desarrollo de infraestructura, en proyectos de solución a necesidades energéticas, pues en la actualidad dichas regalías están siendo invertidas en su mayoría, en proyectos de obras civiles. Las energías renovables son alternativas importantes para solución de necesidades energéticas, tanto en zonas rurales no interconectadas, como en zonas rurales o urbanas que cuenten con interconexión eléctrica. Tanto así, que los fondos disponibles para la financiación de este tipo de proyectos, abarcan el desarrollo de los mismos en las dos situaciones mencionadas. Según el cálculo realizado para el tiempo de amortización de la inversión inicial, el proyecto muestra una viabilidad financiera alta, pues si se logra acceder a una fuente de financiación, la inversión inicial sería menor y por ende se reduciría el tiempo de amortización. Si por el contrario no se logra obtener una financiación gubernamental, al comparar la opción de energizar el proyecto utilizando la energía eléctrica de la red que pasa por la vereda, contra la opción propuesta en este proyecto, el valor presente neto daría positivo, demostrando una vez mas que el proyecto es financiera y técnicamente viable, sabiendo que la vida útil es mayor a diez años. Actualmente las comunidades rurales de Casanare desean diversificar sus actividades económicas, pero el precio de la energía eléctrica o la falta de interconexión en estas zonas, no permiten desarrollar proyectos financieramente viables, por esto, proyectos como este son importantes pues generan confianza en la comunidad, para la implementación de las energías renovables como solución de necesidades energéticas.

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13. MATAIX, Claudio. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Ediciones del castillo. Madrid 1970

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ANEXO 1 Mapa de velocidad media anual Vientos de Colombia, versión Preliminar

Fuente (9)

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ANEXO 2 Mapa de potencial hídrico (Preliminar)

Fuente (9)

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ANEXO 3

Tabla de costos de las diferentes partes diseñadas

Descripción Costo Canal de conducción 1000000

Tanque 500000

Zanja tubería 300000 Casa de máquinas 500000

Tubería de carga 3500000 Válvula de cortina 480000

Rodete 650000 Flecha 160000

Rodamientos 280000 Soportes rodamientos 385000

Poleas 100000

Correas 29000 Otros 30000

Costo Total 7914000

ANEXO 5

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Planos de diseño

Plano del eje, las medidas están en milímetros.