INGENIERIA DE LA ENERGIA HIDRAULICA Mg. Amancio Rojas Flores

INTRODUCCION

La crisis energética de 1973 y 1979, originada por la brusca subida de los precios del petróleo, propició el desarrollo de los recursos renovables autóctonos e inextinguibles, en contraposición a los recursos fósiles, limitados en el espacio y en el tiempo.

Más tarde, cuando las predicciones acerca del agotamiento de los recursos fósiles resultaron ser excesivamente pesimistas, la preocupación general por el fenómeno del calentamiento global del planeta, en buena parte debida a las emisiones de CO2, SO2 y NOx en los procesos de generación de energía eléctrica con combustibles fósiles, y las incertidumbres planteadas por el futuro de los residuos nucleares, volvieron a poner de relieve las ventajas de generar electricidad con recursos renovables.

Actualmente el 11.7% del total de la energía eléctrica generada en la Unión Europea es de origen hidroeléctrico, con lo que las emisiones de anhídrido carbónico - uno de los grandes objetivos de la política comunitaria - se reducen en más de 67 millones de toneladas año.

Según los datos de la Agencia Internacional de Energía, las energías renovables ascienden a casi el 29% Dentro del sector predomina la energía hidroeléctrica con un 62% de la cuota total de energías renovables, llegando a elevarse hasta el 90% en algunos países como Brasil o Paraguay.

I.- GENERALIDADES

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Se denomina energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía, a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable. Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de presas, aunque estas últimas no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que producen. Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire, hace que el agua del mar, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia. Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina engranada con un generador de energía eléctrica.

RESEÑA HISTORICA Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

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Rotor de palas en un pequeño curso de agua.

VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas o Se trata de una energía renovable de alto rendimiento energético. o Debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable.

o Es una energía totalmente limpia, no emite gases, no produce emisiones tóxicas, y no causa ningún tipo de lluvia ácida y, desde este punto de vista, es ecológica. o los embalses que se construyen para generar energía hidráulica: Permiten el almacenamiento de agua para abastecer fácilmente a actividades recreativas o sistemas de riego. o Pueden regular el caudal del río en caso de que haya riesgo de una inundación.

Ventajas económicas o La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la eliminación parcial de los costes de combustible. El coste de operar una planta hidráulica es casi inmune a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles como petróleo, el carbón o el gas natural. Además, no hay necesidad de importar combustibles de otros países. o Las plantas hidráulicas también tienden a tener vidas económicas más largas que las plantas eléctricas que utilizan combustibles. Hay plantas hidráulicas que siguen operando después de 50 a 99 años. Los costos de operación son bajos porque las plantas están automatizadas y tienen pocas personas durante su operación normal. o Como las plantas hidráulicas no queman combustibles, no producen directamente dióxido de carbono. Muy poco dióxido de carbono es producido durante el período de construcción de las plantas, pero es poco, especialmente en comparación a las emisiones de una planta equivalente que quema combustibles.

Desventajas o La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, lo que podría significar pérdida de tierras fértiles, dependiendo del lugar donde se construyan; o En el pasado se han construido embalses que han inundado pueblos enteros. Con el crecimiento de la conciencia ambiental, estos hechos son actualmente menos frecuentes, pero aun persisten; o Destrucción de la naturaleza. Presas y embalses pueden ser disruptivas a los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las presas en las costas de Norteamérica han reducido las poblaciones de trucha septentrional común que necesitan migrar a ciertos locales para reproducirse.

o Cambia los ecosistemas en el río aguas abajo. El agua que sale de las turbinas no tiene prácticamente sedimento. Esto puede dar como resultado la erosión de las márgenes de los ríos. o Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del río se puede modificar drásticamente causando una dramática alteración en los ecosistemas

FORMAS DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA HIDRAULICA 11

La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la humanidad que cada vez demanda más recursos energéticos para cubrir sus necesidades de consumo y bienestar.

Existe una concienciación cada vez mayor sobre los efectos medioambientales que conlleva el actual sistema de desarrollo económico, como son el cambio climático, la lluvia ácida o el agujero de la capa de ozono

Actualmente las energías renovables han dejado de ser tecnologías caras y minoritarias para ser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la demanda.

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EL BOMBEO HIDRÁULICO

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EL BOMBEO HIDRÁULICO. Uno de los factores que más reduce la actividad productiva del sector rural peruano es que los sistemas de bombeo de agua convencionales (moto-bomba eléctrica o combustibles fósiles) utilizados para realizar dicho trabajo poseen un alto costo de funcionamiento (costo de combustibles o electricidad) en comparación con los escasos recursos económicos con los que cuentan los campesinos. El bombeo de agua y la energía renovable son socios naturalmente compatibles que pueden crear soluciones económicas para cualquier aplicación remota de bombeo y transporte de agua. Los sistemas hidráulicos de bombeo de agua son equipos que pueden abastecer de agua a pequeños poblados para el consumo familiar o riego. La fuerza que mueve el equipo de bombeo puede ser un arroyo, un canal u otra forma de agua corriente que pueda suministrar la energía suficiente para bombear agua a alturas superiores.

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Funcionamiento del sistema. Los equipos utilizados para bombeo de agua sin gasto de energía eléctrica o combustible (convencional), utilizan la propia energía del río o vertiente para ser accionados. La configuración básica de estos sistemas de bombeo mediante energía hidráulica consta de los siguientes componentes: 1) Represa de desviación o cámara de carga. 2) Tubería de carga. 3) Equipo de bombeo. 4) Tubería de alimentación. 5) Estanque de acumulación.

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Criterios para la selección de un sistema de bombeo hidráulico. Para la elección del tipo y tamaño de bomba hidráulica adecuado deben considerarse los siguientes parámetros: - Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar, en litros por segundo. - Altura de caída vertical máxima o salto hidráulico: Distancia desde donde se captara el agua hasta donde se ubicara el equipo de bombeo, medida en metros. - Altura de bombeo: Diferencia de altura vertical entre el equipo de bombeo y el estanque de almacenamiento o punto del uso, en metros.

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- Distancia de bombeo: Recorrido que realizará el agua bombeada desde el equipo de bombeo hasta el estanque de almacenamiento, medida en metros.

- Demanda de agua para el riego: agua requerida en litros por día para su uso productivo.

• Caudal de agua disponible del río o vertiente a utilizar. Esta medición debe realizarse preferentemente cuando el recurso hidráulico sea el mínimo estacional conocido, ya que es de gran importancia conocer con alguna seguridad el caudal del recurso, para poder planificar la superficie a regar, especialmente en los meses de máximo consumo.

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•Estimación de la altura de caída máxima o salto hidráulico Cuanto mayor es el salto hidráulico, mayor será el potencial energético para un mismo caudal, y en consecuencia, menor será el tamaño requerido de la turbina para producir la misma cantidad de energía.

Demanda de agua para el riego. Aunque lo lógico es implementar un proyecto como respuesta a una demanda de agua, no es imposible que se proceda de modo inverso. La razones para ello consisten en que, además, de que el recurso hidráulico ofrece un determinado caudal y salto hidráulico, con sistemas de bombeo mediante energía renovable no se pueden elevar grandes cantidades de caudal.

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Determinación de la potencia hidráulica disponible. La potencia disponible de un recurso, dependerá del caudal, el salto hidráulico y el rendimiento del equipo instalado. La elección de los equipos dependerá fundamentalmente de las características geográficas e hídricas disponibles. Para realizar un cálculo aproximado del potencial energético se pueden considerar los rendimientos de la Tabla

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EQUIPO DE BOMBEO

RENDIMIENTO (%)

Bomba de ariete Rio – bomba Turbo - bomba

20 – 25 30 50

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La siguiente ecuación permite estimar la potencia real en kW, a obtener a la salida de la sala de máquinas

Ph  10 . h . Q .  Donde: Ph= Potencia hidráulica disponible (kW). h = Salto hidráulico (m). Q=Caudal (m3/s).  =Eficiencia del equipo (%).

Estimación del volumen diario de bombeo. Hay tres factores principales que determinan la cantidad de agua elevada por el sistema de bombeo en un sitio específico: el caudal, el salto hidráulico y la altura de bombeo.

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La determinación de la altura total de bombeo, al igual que el salto hidráulico, se realiza mediante análisis topográfico, estableciendo la diferencia de nivel entre el punto seleccionado para la captación del líquido hasta el sector donde se ubicará el estaque de acumulación. La cantidad de agua que elevará el recurso hidráulico diariamente se puede calcular aproximadamente a partir de la siguiente ecuación (GEA, 2004):

Qxh Vh  34.560 H Donde: Vh =Cantidad diaria de agua elevada por el equipo de bombeo (l/día). Q = Caudal del recurso hidráulico (l/s). h = Salto hidráulico (m). H = Altura de bombeo (m). Mg. ARRF

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RIO-BOMBA La Río-bomba transforma la energía hidráulica del recurso hídrico (río) en energía mecánica. Esto se logra utilizando como elemento motor una rueda hidráulica con diversas innovaciones constructivas y una bomba de desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo al salto hidráulico y caudal del río a utilizar. La rueda hidráulica aprovecha la energía cinética del agua que circula por el río, arroyo o canal de poca pendiente. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el giro de la rueda se transforma en movimiento lineal alternativo para accionar la bomba que eleva el agua desde el río hasta el nivel de descarga deseado. Es una alternativa de solución al problema de elevación de agua cuando el agua que circula por el río, arroyo o canal, tiene poca pendiente y no permite la instalación de bombas de ariete o turbo-bombas.

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¿Qué ventajas posee? • La Río-bomba es un mecanismo de bombeo de agua que utiliza la misma energía hidráulica del estero o río del cual se alimenta, para producir el trabajo de elevación de agua.

• Entrega un abastecimiento de agua eficiente, practico, seguro y económico ante un suministro de agua en forma continua. • No posee costos de funcionamiento. • Posee un reducido costo de manutención y para realizarla no se requiere mano de obra calificada. • Es de fácil traslado y montaje, no se requiere gran inversión en obras civiles que se relacionen con la instalación del mecanismo en su lugar de trabajo. • No genera residuos tóxicos, ni ruidos molestos en su funcionamiento, es amigable con el medio ambiente. Mg. ARRF

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¿Dónde y cómo instalar el equipo? El lugar de ubicación es en orillas de canales o pequeñas represas donde se pueda instalar la Rio-bomba bajo con un pequeño desnivel (de 1 hasta 2,5 metros).

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Accionamiento de la Río-bomba La entrada del agua que acciona la rueda hidráulica puede ubicarse de 2 maneras, por encima o por la mitad de ella. La mejor forma de accionamiento es por encima, ya que el agua inunda el 50 % de la rueda y permanece más tiempo en ella lo que genera mas potencia de bombeo. El ducto (tubo u canaleta) que conduce el agua a la rueda debe estar centrada y a 10 cm. de la parte superior de esta, con una inclinación de 2 a 5 grados. El accionamiento por la parte media de la rueda no es recomendable ya que el agua inunda solo el 25 % de ella y se mantiene por menos tiempo en su interior lo que reduce gran parte la potencia de la Rió-bomba. Solo es recomendable cuando las condiciones topográficas (naturales o artificialmente creadas) no periten instalar el ducto de accionamiento por encima. Mg. ARRF

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Condiciones ideales de operación SALTO HIDRAULICO (m)

CAUDAL DE ACCIONAMIENTO (L/seg )

1 a 2,5

2 a 60

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Canal-Bomba

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TURBOBOMBA La Turbo-bomba transforma la energía hidráulica del recurso hídrico en energía mecánica para saltos de agua superiores a los 8 metros de altura.

Esto se logra utilizando como elemento motor una bomba centrífuga en funcionamiento inverso y una bomba de desplazamiento positivo, dimensionada de acuerdo a las necesidades de bombeo y las características hidráulicas Condiciones ideales de operación

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SALTO HIDRAULICO (m)

CAUDAL DE ACCIONAMIENTO (L/seg )

8 a 30

5 a 30

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AEROBOMBAS Estas máquinas transforman la energía eolica en energía mecánica.

Esto se consigue mediante un rotor que gira movido por el arrastre de la velocidad del viento . Por medio de una transmisión de bielamanivela, se impulsa una bomba de pistón que a su vez eleva el agua. Mg. ARRF

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I.- ROTOR II.- TORNAMESA

III.- VELETA IV.- TRANSMISIÓN V.- TORRE VI.- BOMBA

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BOMBAS MANUALES

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Bombas de ariete La bomba de ariete es una máquina sencilla que opera bajo el principio de aprovechamiento del golpe de ariete, fenómeno hidrodinámico producido por la detención brusca de una corriente de agua confinada en una tubería rígida. Este fenómeno trae como consecuencia la creación de una onda de alta presión, originada en el lugar en que se produce la detención, que viaja por la tubería. Esta onda posee una presión varias veces mayor que la existente antes de la detención, provocando que el agua fluya hacia el estanque de acumulación Utilizando adecuadamente este efecto, es posible elevar agua hasta una altura varias veces mayor que la caída original, únicamente mediante la energía de la corriente de agua. Mg. ARRF

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Condiciones ideales de operación

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MODELO

SALTO HIDRAULICO (m)

CAUDAL DE ACCIONAMIENTO (L/seg)

1 ½ pulg.

De 1 a 10

0.35

3 pulg.

De 1 a 10

1

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