CLASE_I de Hidráulica

HIDRÁULICA CON

LABORATORIO.

UNIDAD I. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES.1.1. PRESENTACIÓN DEL CURSO.

1.2. GENERALIDADES.

Por Imer López Grijalva

Programa Académico de Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica de Chiapas

[email protected]

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1.1. PRESENTACIÓN DEL CURSO.

El curso de ENERGÍA HIDRÁULICA CON LABORATORIO,con 60% de teoría y 40% de actividades prácticas, consistede cinco unidades temáticas, 6 prácticas y un proyectofinal en el que se presentan conceptos y aspectoselementales del agua y la hidráulica.

OBJETIVO GENERAL: Relacionar los conocimientosteóricos-prácticos básicos que rigen el reposo ymovimiento del agua así como comprender los principiosbásicos del fluido en canales abiertos y conductos apresión para ser aplicados a proyectos de ingeniería enenergía.

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1.2. GENERALIDADES.

CONTENIDO:

MARCO REGULATORIO DE LAS FUENTESDE ENERGÍAS RENOVABLES.ORGANISMOS PROMOTORES DE LASENERGÍAS RENOVABLES.CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.GENERALIDADES.PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN.CLASIFICACIÓN.

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MARCO REGULATORIO DE LASA ENERGÍAS RENOVABLES.

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MARCO REGULATORIO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES.

Por razones básicamente económicas y ambientales, enlos últimos años los gobiernos de los principales países delmundo han fomentado el uso de las energías renovables(ER).

México no esta ajena a esta realidad mundial.

De acuerdo con la Comisión Reguladora de Energía (CRE)en los últimos años mas del 80 porciento de la energíaeléctrica ha provenido de recursos naturales norenovables.

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Ante la necesidad de que México contara con un marcoregulatorio en materia energética que respondiera a lasdemandas medioambientales se comenzaron a desarrollaralgunos programas y proyectos, e inclusive se inicio elimpulso de cambios legales, en lo relativo al fomento yaprovechamiento de las fuentes de E.R.

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Indicadores Energéticos.

Realizan el monitoreo del progreso de cada país haciaobjetivos específicos. Por ejemplo: es importante analizarel desarrollo de la eficiencia en procesos y sistemasenergéticos.

Los indicadores del desarrollo energético sostenible (IDES)cumplen con el propósito de monitoreo y se clasifican entres grandes grupos: sociales, económicos y ambientales

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Desde el 2002 la secretaria de energía (SENER) y elInstituto Nacional de Estadística Geografía e Informática(INEGI) han trabajado con la Agencia Internacional deEnergía Atómica (IAEA, por sus siglas en Ingles) en laimplementación de los indicadores energéticos para eldesarrollo sustentable.

El objetivo principal es el desarrollo nacional de losindicadores socio-económicos y ambientales para el sectorenergético, hacen especial énfasis en la seguridadenergética, eficiencia energética, promoción de lasenergías renovables y la protección al medio ambiente.

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ESTRATEGIA NACIONAL DE ENERGÍA 2012 –2026.

Delinea el rumbo del sector energético mexicano con unhorizonte de 15 años.

Es una herramienta prospectiva e indicativa que la sitúacomo instrumento útil para cualquier plan o programa ycontiene una visión sólidamente planteada y con un papelrelevante en la política energética de México.

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PROSPECTIVA DE ENERGÍAS RENOVABLES 2012 –2026.

Establece que la generación eléctrica a partir de energíaslimpias debe alcanzar una participación del 35% en lageneración total en 2026.

Constituye un análisis del sector energético mexicano enmateria de renovables.

Ofrece información relevante y actualizada acerca delcrecimiento estimado del aprovechamiento de las energíasrenovables en el mediano y largos plazos.

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LEY PARA EL APROVECHAMIENTO DE LASFUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA (LAERyFTE).

Su objetivo es promover el aprovechamiento de lasfuentes de energías renovables y tecnologías limpias,para generar electricidad con fines distintos a laprestación del servicio publico de energía eléctrica, asícomo establecer la estrategia nacional y losinstrumentos para el financiamiento de la transiciónenergética.

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ACTIVIDAD PROGRAMADA:

INVESTIGACIÓN: “ORGANISMOS PROMOTORES DEENERGÍA” (ACTIVIDADES, PROYECTOS, OBJETIVOS).FECHADE ENTREGA: (8-ENE-13)

ENSAYO: “LEGISLACIÓN ENERGÉTICA Y LA ENERGÍAHIDRÁULICA EN MÉXICO”. (15 –ENE -13)

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ORGANISMO PROMOTORES DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES.

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SECRETARÍA DE ENERGÍA.SENER

Conduce la política energética del país dentro delmarco constitucional vigente, garantizando elsuministro competitivo, suficiente, de alta calidad,económicamente viable y ambientalmentesustentable de energéticos para el desarrollo delpaís.

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COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA.CRE

Regula a las industrias del gas natural yelectricidad, otorga los permisos para lageneración de energía, aprueba los contratos parala provisión de energía, y las metodologías para elcalculo de las tarifas para los proveedoresprivados de energía.

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COMISIÓN NACIONAL PARA EL USO

EFICIENTE DE LA ENERGÍA.CONUEE

ANTERIORMENTE CONAE.

Promueve el ahorro de la energía y la eficienciaenergética.

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OTROS ACTORES IMPORTANTES

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ORGANISMOS PROMOTORES DE

LAS ER

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELÉCTRICAS (IIE)

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD (CFE)

SECRETARÍA DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

(SEMARNAT)

SECRETARIA DE DESARROLLO SOCIAL (SEDESOL).

ASOCIACIONES RELEVANTES: ASOCIACIÓN NACIONAL DE

ENERGÍA SOLAR (ANES), ASOCIACIÓN MEXICANA DE ENERGÍA

EÓLICA (AMDEE), ENTRE OTRAS.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA

Según las Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglasen ingles), la oferta total de energía primaria en el mundo fuede 12, 715 millones de toneladas equivalentes de petróleo(Mtpe), de las cuales se produjo el 13% (1,685.7 Mtpe) apartir de las fuentes de ER (incluyendo hidroeléctricas).

Se espera que para el 2035 el suministro de ER moderna(hidráulica, eólica terrestre y marina, solar, geotérmica,océanos y biomasa) se incremente a 840 Mtpe.

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Se estima que los costos unitarios de generación de lastecnologías de ER continuaran disminuyendo durante lossiguientes años.

Sin embargo, las tecnologías maduras como es el caso dela energía hidráulica ya no tendrá cambios significativos.

De acuerdo con la CFE la generación hidráulica, en plantascon capacidad de generación igual o menor a 30MW seubicó en 286.6 MW. Dicha capacidad instalada degeneración eléctrica por medio de plantas, mini y micohidroeléctricas se concentra en 14 estados de la republicamexicana.

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Ch

iapas 4

lugar


Cabe hacer notar la existencia de plantas instaladas hacemas de cien años que continúan en servicio (Hidalgo,México y Puebla).

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Clasificación por tipo de Central

Hidráulica

Micro ≤100 kW

Mini 100 < kW < 1,000

Pequeña 1 < MW < 30

ENERGÍA HIDRÁULICA

GENERALIDADES

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La energía hidroeléctrica es una de las principales energíasrenovables junto con la energía solar y la energía eólica.

Su aplicación general se encuentra en las maquinashidráulicas (turbinas, bombas) y generación deelectricidad.

Hidráulica significa: la creación de fuerzas y movimientosmediante un fluidos sometidos a presión, los cuales son elmedio para la transmisión de energía.

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Podemos distinguir dos tipos de hidráulica: estacionaria(maquinaria de producción y montaje) y móvil (generacióneléctrica).

Nuestro enfoque se centra en la hidráulica móvil, la cualtiene su origen en le ciclo hidrológico de las lluvias y, por lotanto, en la evaporación solar y la climatología.

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VENTAJAS: INCONVENIENTES:- Es renovable.

- No se consume. Se toma el agua en un punto y sedevuelve a otro a una cota inferior.

- Funciona a temperatura ambiente.

- Es completamente segura para personas, animales obienes.

- No genera calor ni emisiones contaminantes (lluviaácida, efecto invernadero...)

- Genera puestos de trabajo en su construcción,mantenimiento y explotación.

- Una solidez de 50 años de vida útil

-Genera experiencia y tecnología fácilmenteexportables a países en vías de desarrollo.

-Una eficiencia entre el 75% y 90% (porcentaje dado enla transformación de la energía potencial en el agua aenergía mecánica y eléctrica).

- Altera el normal desenvolvimiento en la vidabiológica (animal y vegetal) del río.

- Las centrales de embalse tienen el problema de laevaporación de agua: En la zona donde se construyeaumenta la humedad relativa del ambiente comoconsecuencia de la evaporación del agua contenida enel embalse.

- En el caso de las centrales de embalse construidas enregiones tropicales, estudios realizados handemostrado que generan, como consecuencia delestancamiento de las aguas, grandes focos infecciososde bacterias y enfermedades.

-Los sedimentos se acumulan en el embalseempobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta ladesembocadura.

-Un alto costo inicial, potencia máxima limitada ydefinida por el recurso natural, además de problemassociales.

CICLO HIDROLÓGICO DEL AGUA

Dicho ciclo es unaprovechamientoindirecto de laenergía solar, el soles el “motor” delciclo del agua ociclo hidrológico.

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Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua,de su evaporación se forman nubes y eventualmentelluvia que fluye a través de caudalosos ríos. El agua enestos ríos tiene una enorme cantidad de energía potencial,y para aprovechar esta energía se seleccionan causes deríos que tienen algunas características importantes queincluyen amplio caudal de agua y diferencias importantesde altura con corta distancia.

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El ciclo hidrológico del agua continua con la formación dearroyuelos y ríos que descienden desde las montañashasta las llanuras y mar, completándose de esta manera elciclo termodinámico (caldera: sol; condensador:atmosfera). Este recorrido del agua de los ríos es posibleaprovechar parte de la energía que posee y obtenertrabajo útil, que de otra manera se perdería enrozamientos. En efecto en un punto determinado del rio elagua posee energía cinética y energía potencial; laprimera es pequeña comparada con la segunda, ya queraramente excede los 20 J/kg, mientras que la energíapotencial puede superar los 3000 J/kg.

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PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN

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ENERGÍA HIDRÁULICA (Proceso de transformación)

El proceso que lleva acabo en una central hidroeléctrica sebasa esencialmente en la ley de la conservación de laenergía en todo el proceso de transformación.

Descripción del funcionamiento: Concentrando grandescantidades de agua en un embalse se obtiene inicialmenteenergía potencial. Por acción de la gravedad, el aguaadquiere energía cinética o de movimiento: pasa de unnivel superior a otro muy bajo, a través de las obras deconducción. A la energía desarrollada por el agua al caerse denomina energía hidráulica.

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)

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Por su masa y velocidad, el agua produce un empuje quese aplica a las turbinas, las cuales transforman la energíahidráulica en energía mecánica. Esta se propaga a losgeneradores acoplados a las turbinas.

Los generadores producen energía eléctrica, la cual pasa ala subestación contigua o cerca de la planta. Lasubestación eleva la tensión o voltaje para que la energíallegue a los centros de consumo con la debida calidad(acondicionamiento de la energía).

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ENERGÍA HIDRÁULICA(Procesos de transformación)

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Energía potencial de agua por

concentración.

Ep = m · g · Δh

Energía cinética

Ec = ½ m · v² Energía Hidráulica

Energía mecánica

(Turbinas)

Generación de la energía eléctrica

Acondicionamiento para su utilización

ENERGÍA HIDRÁULICA(Procesos de transformación)

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• Desde el punto de vista de su capacidad de generacióneléctrica las centrales hidroeléctricas tienen doscaracterísticas principales:

1. La potencia, que es función del desnivel existente entreel nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguasdebajo de la compuerta, y del caudal máximo turbinable(aprovechamiento de energía en la turbina), además delas características de la turbina y el generador.

2. La energía garantizada, en un lapso de tiempodeterminado, generalmente un año, que es función delvolumen útil del embalse, y de la potencia instalada.


CLASIFICACIÓN

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ENERGÍA HIDRÁULICA (Clasificación)

Las plantas hidroeléctricas generalmente se clasifican entres categorías principales de acuerdo a su operación ytipo de flujo:

1. Centrales de agua fluyente (Run-of –River)

2. Centrales con embalse o regulación (StorageHydropower)

3. Centrales de acumulación por bombeo ( PumpedStorage).

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Centrales de agua fluyente (Run-of –River)

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• Se construyen en los sitios en donde la energía hidráulicadisponible se puede utilizar directamente para accionar laturbina .

• Es aquel aprovechamiento en el que se desvía parte del aguadel río mediante una toma, y a través de canales oconducciones se lleva hasta la central donde será turbinada.

• Una vez obtenida la energía eléctrica el agua desviada esdevuelta nuevamente al cauce del río.


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• Dentro de este grupo hay diversas formas de realizar elproceso de generación de energía. La característica común atodas las centrales de agua fluyente es que dependendirectamente de la hidrología, ya que no tienen capacidad deregulación del caudal turbinado y éste es muy variable.

• Estas centrales cuentan con un salto útil prácticamenteconstante y su potencia depende directamente del caudalque pasa por el río.



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• En algunos casos se construye una pequeña presa en la tomade agua para elevar el plano de ésta y facilitar su entrada alcanal o tubería de derivación. El agua desviada se conducehasta la cámara de carga, de donde sale la tubería forzada porla que pasa el agua para ser turbinada en el punto más bajode la central.


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Centrales con embalse o regulación (Storage Hydropower )

• Es aquel aprovechamiento en el que existe la posibilidad deconstruir un embalse en el cauce del río para almacenar lasaportaciones de éste, además del agua procedente de las lluvias ydel deshielo.

• La característica principal de este tipo de instalaciones es quecuentan con la capacidad de regulación de los caudales de salidadel agua, que será turbinada en los momentos que se precise.

• Esta capacidad de controlar el volumen de producción se empleaen general para proporcionar energía durante las horas punta deconsumo.

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• Tiene la posibilidad de almacenar las aportaciones de un riomediante la construcción de un embalse.

• En estas centrales se regulan los caudales de salida para serturbinados en el momento que se precisen.

• También incluyen las centrales que se sitúan en embalsesconstruidos para otros usos, como son riego oabastecimiento.

Centrales con embalse o regulación

(Storage Hydropower)

Centrales con embalse o regulación (Storage Hydropower )

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Centrales de acumulación por bombeo

( Pumped Storage).

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• Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuandola demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel a lolargo del día, el agua almacenada en el embalse superior,hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternadorfuncionando como una central convencional generandoenergía.


( Pumped Storage).

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• Durante las horas del día en la que la demanda de energía esmenor el agua es bombeada al embalse superior para quepueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Para ello lacentral dispone de grupos motores - bomba o,alternativamente, sus turbinas son reversibles de tal formaque puedan funcionar como bombas y los alternadores comomotores.

Centrales de acumulación por

bombeo

( Pumped Storage).

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( Pumped Storage).

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• En cualquier caso es de hacer notar que la energía obtenidaal turbinar una cantidad determinada de agua es menor quela consumida durante el bombeo para elevarla.

• Estas centrales son de bajo rendimiento debido alas perdidasasociadas al doble proceso de conversión, además de serconsumidoras netas de energía.

• Aun así son ideales para cubrir zonas de puntas de consumo,debido a su tiempo de arranque corto y facilidad deregulación.

ENERGÍA HIDRÁULICA (Clasificación según la potencia

instalada)

• Los límites de esta clasificación son convencionales yrelativos según las posibilidades hidroeléctricas de cadapaís o región.

Desde el punto de vista europeo se pueden establecer así:

Microcentrales: < 100 KW

Centrales de pequeña potencia: 100 ≤ KW < 1000

Centrales de media potencia: 1000 ≤ KW < 10,000

Centrales de gran potencia: ≥ 10,000 KW.

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ENERGÍA HIDRÁULICA (Clasificación según la potencia

instalada) La propuesta de clasificación para Centroamérica es la

que sigue:

Nano Vatios hasta 1 kW

Pico 1 kW hasta 10 kW

Micro 10 kW hasta 50 kW

Mini 50 kW hasta 1000 kW

Pequeñas 1 MW hasta 5 MW

Mediana 5 MW hasta 30 MW

Grande Arriba de 30 MW

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ACTIVIDAD PROGRAMADA:

INVESTIGACIÓN: “Breve historia de la energíahidráulica” . Fecha de entrega: 15-Ene-13

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