obras civiles de bajos costos en microncetrales

EXPERIENCIAS EN INGENIERÍA DE BAJO COSTO PARA MICROCENTRALES
HIDROELÉCTRICAS EN EL PERÚ
Autores: Teodoro Sánchez, Luis Rodríguez
Programa de Energía ITDG-Perú
[email protected], [email protected]
1.0 RESUMEN
El presente artículo incluye algunos conceptos de diseño de ingeniería de bajo costo y de su
implementación en el campo de las microcentrales hidroeléctricas (MCHs), con la finalidad de mejorar
las posibilidades de acceso de la población rural aislada y pobre a la energía eléctrica.
La mayor parte de información expresada en este artículo se basa en la experiencia obtenida por
ITDG en los 13 años de trabajo desarrollado en el campo de las MCHs hasta la fecha y en la
implementación más de más de 30 instalaciones en el Perú en el rango de 0.3 kW a 100 kW de
potencia.
2.0 LAS MCHs COMO UNA OPCION PARA LA ELECTRIFICACION RURAL
Entre las diferentes barreras para la ampliación de la cobertura eléctrica en las zonas rurales aisladas
se encuentra el alto costo de inversión requerido, ya sea mediante la extensión de la RED o pequeños
sistemas aislados de generación. Es claro que cada una de estas dos grandes opciones tienen
ventajas y desventajas, y que requieren evaluaciones técnicas y económicas para la elección final de
una u otra. Sin embargo, es importante que para dichas evaluaciones se tome en consideración los
desarrollos efectuados durante las dos últimas décadas sobre reducción de costos en la
implementación, operación y mantenimiento, y sobre los nuevos conceptos de organización y
administración de sistemas aislados.
Dentro de dichos sistemas aislados, la hidroenergía a pequeña escala es, indudablemente, una de las
opciones más interesantes, especialmente por el bajo costo de operación y mantenimiento que
requiere y porque es una de las mejores opciones al ofrecer oportunidades de desarrollo gracias a la
generación, durante las 24 horas del día. Pese a ello, dicha opción ha sido postergada muchas veces
debido a los altos costos de inversión inicial. En ese sentido, la ingeniería moderna de las MCHs se ha
desarrollado de tal forma que, utilizando las técnicas, métodos y tecnología adecuadas, se puede
reducir los costos en porcentajes tan altos que llegan hasta el 50% del costo de sus similares
implementados bajo conceptos y métodos convencionales.
3.0 ALGUNOS CONCEPTO SOBRE REDUCCION DE COSTOS EN MCHs
Como se ha dicho más arriba, en el caso de las MCHs es posible reducir los costos de inversión inicial
sustancialmente y en todas las etapas, desde los estudios preliminares y diseños de ingeniería hasta
la implementación y puesta en marcha de los sistemas, si para ello se toma en cuenta algunos
conceptos importantes.
◊ La ingeniería necesaria.- Cuando se diseña una MCH hay que tener en cuenta que no debe
consistir en una simple reducción de escala de las grandes centrales. En las grandes centrales, se
utilizan grandes volúmenes de agua, y se transporta e instala grandes masas de metal; las
inversiones son grandes y, por lo tanto, los riesgos asociados son mayores. De este modo, la
prevención de dichos riesgos necesita lleva a mayores costos.
◊ La eficiencia.- En una gran central, un punto menos de eficiencia puede significar megavatios
menos de potencia y en consecuencia megavatios o gigavatios hora que se dejan de vender, lo
que significa una gran diferencia en términos de facturación. Esto no sucede con las MCHs. En
éstas, lo importante es que durante las horas pico haya la generación necesaria y que su diseño
contemple adecuadamente el crecimiento de la población.
◊ Los trabajos complementarios.- En el caso de las MCHs los trabajos complementarios como la
construcción de vías de acceso, campamentos y otros debe evitarse en lo posible, ya que la
magnitud de los trabajos no lo amerita. Según la experiencia de ITDG, es posible realizar el
transporte de equipos y materiales con la participación de las comunidades organizadas, inclusive
cuando se trata de grandes distancias y de difícil acceso. Éstos y otros conceptos contribuyen a la
reducción de costos.
◊ La ingeniería en los últimos años.- Durante las dos últimas décadas se ha producido una serie
de desarrollos en pro de la reducción de costos, sin poner en riesgo la calidad y suministro de la
energía, que es el objetivo de un sistema de esta naturaleza. Dichos desarrollos cubren desde
metodologías para realizar expedientes técnicos y estudios de campo hasta la implementación y
puesta en marcha de MCHs, obras civiles de bajo costo, fabricación de máquinas en talleres
locales, y uso de máquinas no convencionales como motores en reverso y bombas en reverso, etc.
A continuación, se hace un comentario, basado en la experiencia, sobre las oportunidades de
reducción de costos en los diferentes momentos y partes de la implementación de una MCH,
especialmente en lo que se refiere al equipo electromecánico y las obras civiles.
4.0 REDUCCION DE COSTOS EN EQUIPO ELECTROMECANICO Y REDES
En este caso tenemos cuatro elementos principales: turbina, alternador o generador, y regulador de
velocidad y redes.
4.1 Turbina
La turbina es uno los elementos que más llama la atención, pues además de ser una de las piezas
fundamentales de la MCH, es una máquina que requiere cierta especialización para su fabricación.
Según la experiencia de ITDG, al menos en el Perú, no se ha encontrado parámetros claros de
referencia para los precios de las turbinas. Hay fabricantes que fijan sus precios en función de la
potencia que éstas darán al ser instaladas, lo que constituye, desde ya, una distorsión muy seria. Una
turbina de cierta geometría puede funcionar en un rango de potencias. Por ejemplo, una turbina del
tipo Pelton de 400 mm de diámetro que genera 30 KW de potencia, puesta en otras condiciones de
altura y caudal, podría dar 150 KW. Claro que en esta última se debe reforzar los aspectos
estructurales, lo que significa un pequeño aumento del costo (no mayor al 20%); por lo tanto, no se
puede fijar costos proporcionales a la potencia.
Corregir esta distorsión de costos es difícil pues tiene que ver con un modus operandi de los
fabricantes; mientras no exista una competencia seria y capaz de romper ese estado de cosas, no
podrá haber un cambio significativo.
Ante esta situación de altos costos de la turbina, se presentan principalmente dos alternativas: la
primera está relacionada con la necesidad de transferencia de tecnología que implique una mayor
oferta en el mercado; la segunda tiene que ver con la utilización de equipos no convencionales, como
es el caso las bombas como turbinas, que pude reducir drásticamente los costos y los tiempos de
implementación, pues normalmente la turbina es la máquina que requiere mayor tiempo de
fabricación.
4.2 Generador o alternador
Los generadores eléctricos normalmente son caros y fabricados a pedido, además como en el caso
de las turbinas, éstos también requieren un tiempo de fabricación m. Con la finalidad de resolver este
“ problema” y de reducir los costos, durante los últimos años se ha trabajado bastante en el tema del
uso de motores en reverso y otras posibilidades.
Para pequeños sistemas en el rango de 0.2 a 1.0 kW es posible utilizar repuestos de automóviles
como alternadores y para aquéllos de hasta 20 kW existe la oportunidad de usar motores invertidos
como generadores, llamados los generadores de inducción (GIs). Éstos reducen el costo a la mitad o
menos de sus similares “ los generadores convencionales” . Según nuestras primeras experiencias en
el uso de motores (GIs), en equipos pequeños (de hasta 10 kW) los costos pueden ser tan bajos
como un tercio del costo de un generador síncrono. Adicionalmente, el uso de GIs requiere el uso de
reguladores diseñados especialmente para estos casos, los controladores de generadores de
inducción (CGIs). Estos equipos son igualmente baratos, comparados con sus similares del tipo
electrónico.
4.3 Regulador de velocidad
Antes de la década del 70 las únicas forma de regular era mediante el uso de reguladores
oleohidráulicos, máquinas complejas por la cantidad de piezas y, además, con exigentes
requerimientos de mantenimiento; o en su defecto manualmente. Desde comienzos de los 70s, se
utiliza cada vez más los reguladores electrónicos, cuyo costo en pequeñas potencias es largamente
menor que un oleohidráulico. En la actualidad, se está usando poco los oleohidráulicos y, más bien,
los electrónicos de carga han pasado a ocupar su lugar, especialmente en potencias menores de los
500 kW.
En este momento hay dos pequeñas empresas que fabrican reguladores electrónicos de carga en el
Perú, uno de ellos con tecnología Inglesa transferida hace algunos años y otro con su propio diseño.
Se han instalado ya varias decenas de MCHs usando estas tecnologías, con muy buenos resultados,
no solamente en lo referente a costos iniciales sino también en costos de mantenimiento, además de
ello, estos reguladores son de fácil mantenimiento, los repuestos son pequeños y de bajo costo y
finalmente si hay necesidad de transportarlos a la ciudad para efectos de reparación (en el eventual
caso que esto sea necesario), el montaje y desmontaje de estos reguladores son sencillos.
4.4 Reducción de costos en redes
En principio, es necesario aclarar que todas las MCHs requieren redes secundarias, y cuando el
poblado es de 200 o más familias concentradas, requieren red primaria. Cuando la MCH está a una
distancia mayor de 500 m del centro poblado, requiere de una línea de media tensión. En el caso de
redes en general, las posibilidades de reducción de costos son pocas. Entre ellas, podemos
mencionar las siguientes:
•
•
•
Uso de cables autoportantes, cuya utilización reduce los costos hasta en un 30% respecto a los
cables convencionales.
Uso de postes de madera, en zonas donde existen buenos recursos madereros.
Implementación de un sistema de alumbrado público moderado usando, por ejemplo, un poste y
luminaria por cada cuadra (aproximadamente cada 100 m. de distancia entre uno y otro)
Utilizando todas estas alternativas, el costo de las redes puede llegar a un 70% o menos que los
diseños convencionales.
5.0 TECNOLOGIAS EMPLEADAS EN DIFERENTES COMPONENTES DE OBRAS CIVILES
A nivel del desarrollo y de la sistematización de experiencias, lo que menos se ha hecho en el tema de
la reducción de costos en MCHs ha sido en el campo de las obras civiles, a pesar de que éstas
normalmente representan entre el 20% y el 50% del costo total de implementación de un sistema de
este tipo. En ese sentido, debemos decir que los conceptos aquí vertidos y utilizados nos han
permitido lograr interesantes resultados, permitiendo reducciones de costos hasta del 40% o más de
las inversiones en obras civiles (comparando con diseños y métodos tradicionales).
También es importante resaltar que las partes en las que radican las mayores oportunidades de
reducción de los costos son: el canal, que casi siempre resulta de cientos y hasta de miles de metros
de longitud, la tubería y la bocatoma. Otros componentes como el desarenador, las obras de arte, la
casa de fuerza, etc., también ofrecen oportunidades pero éstas son menores. Por ello y por razones
de espacio, en este documento se incluyen los tres componentes principales.
5.1 Bocatomas de concreto y madera de barraje mixto o tipo fusible
El nombre de barraje mixto o tipo fusible, obedece a que éste tiene una parte fija de concreto armado
y otra parte movible de madera.
Especialmente en la época de estiaje, funciona con toda la madera (tablones) y en época de lluvias,
se retiran los tablones necesarios.
Esta tecnología consiste en diseñar muros de encauzamiento den un 70% más un 30% de piedra
grande. En otros casos, los muros pueden ser de mampostería de piedra. No necesariamente deben
construirse los dos muros, es decir, en ambas márgenes. Esto depende del talud de la ribera del río y
de su formación geológica.
Hemos empleado este tipo de bocatoma en ríos o quebradas provenientes de manantiales o de
lagunas de cabecera. Se reconocen porque su agua es cristalina, aún en el tiempo de lluvias, aunque
en las avenidas llega a enturbiarse temporalmente por la escorrentía de sus laderas o de otros
afluentes de la época lluviosa, y porque el material de arrastre no es de mucho cuidado en tamaño y
volumen.
Se ha construido este tipo de bocatomas en las MCHs de Bellavista Baja de Combayo (1993),
Tambomayo y Chalán (1994), y Yumahual (1996). Actualmente, se encuentran funcionando
normalmente.
Ventajas:
• Reduce el costo aproximadamente en un 25 ó 35%, tanto en materiales como en mano de obra.
• Facilita la limpieza del sedimento, retirando los tablones y aprovechando la corriente del río
• Los muros de encauzamiento no necesitan mayor altura.
• Es una tecnología más accesible para el poblador del medio rural y su mantenimiento es más
fácil.
• Algunos materiales empleados son de la zona, por lo tanto reduce fletes.
5.2 Revestimiento de canales de sección trapezoidal con concreto por el método de las
cerchas
En obras pequeñas, como es el caso de las MCHs y en especial en aquellas en las que los caudales a
conducir son, los canales no soportan esfuerzos o son despreciables para el cálculo de resistencia.
De este modo, la finalidad de los revestimientos es evitar pérdidas de agua por filtración y proteger la
solera y los taludes del canal contra erosiones provocadas por la velocidad del agua, de modo que el
espesor de la pared se puede reducir al mínimo dentro de la funcionalidad práctica y sin correr
riesgos.
Las cerchas constituyen un método práctico y una importante reducción de costos ya que permite la
construcción de canales de 5 cm y 7.5cm de espesor sin mayores complicaciones, permitiendo
importantes ahorros en materiales. Asimismo, la técnica usada es sencilla y permite el empleo de
menos mano de obra que sus similares con encofrados.
El método consiste en utilizar a cada cierta distancia (la distancia difiere según se trate de zonas
rectas o curvas) marcos de madera hechos a la medida de la sección del canal y luego revestir las
paredes manteniendo el espesor. Estas cerchas luego son retiradas y los espacios que quedan por
ese motivo se rellenan con materiales adecuados que sirven como juntas de dilatación.
Cuadro 1: Canales revestidos por el método de las cerchas (concreto fc = 175
2
kg/cm )
Microcentral
Características geométricas (en m.)
*Costo en
Hidroeléctrica
b
B
B’
y
H
e
L
US$/ml
Huacataz
0.315
0.58 0.74
0.26
0.41
0.05
700
6.32
Tambomayo
0.435
1.00
0.35
0.50
0.05
280
8.50
El Tingo
0.25
0.50 0.64 0.216
0.34
0.05
250
5.77
Tamborapa
0.46
0.60 1.00
0.45
0.61
0.05
1200
11.57
Huarango**
0.70
1.73 2.04
0.69
0.94 0.075
2,000
23.60
Fuente: Programa de Energía. ITDG-Perú, Julio 98
* Los costos corresponden a los materiales empleados en el concreto, incluido juntas de
dilatación.
** El Fondo de Compensación Social - FONCODES (organismo del Estado peruano creado
para aliviar la pobreza en los sectores más necesitados de la población) está realizando la
aplicación del revestimiento del canal de Huarango.
Ventajas con respecto al método de los encofrados:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tiene mayor flexibilidad y facilita el trabajo, con respecto al uso de encofrados en tramos curvos y
rectos.
Permite acomodar el concreto en espesores mínimos 5 cm = 2 pulgadas.
Reduce la cantidad de madera, aproximadamente en un 80%.
Elimina la tarea de encofrar y desencofrar.
Disminuye los esfuerzos de transporte de mayor cantidad de madera.
El acabado de los taludes y de la solera (pulido o frotachado) se hace el mismo día.
La cantidad de materiales que conforman el concreto (cemento, arena y piedra) se reduce a la
mitad porque el espesor de revestimiento se disminuye a 5 cm. En cambio, cuando se usa
encofrados, se necesita un espesor mínimo de 10 cm para acomodar el concreto.
El asfalto, la arena fina y otros materiales en la colocación de las juntas de dilatación también se
reducen a la mitad.
El rendimiento de mano de obra es mayor, aproximadamente en un 20%.
5.3 Tubería de presión
Para el caso de la tubería de presión, la reducción del costo radica en usar tubería PVC de alta
presión en lugar de tubería de fierro, aunque hay alternativas como es el uso de tubos de asbesto,
cemento y otras. El PVC es la alternativa ya probada, con excelentes resultados.
Ventajas:
• Su costo por metro lineal con respecto a la tubería de fierro está aproximadamente en una
relación de 1 a 2.
• El montaje es más sencillo y por su bajo peso facilita y reduce los costos de transporte.
• La mano de obra semicalificada o calificada para el montaje se puede obtener rápidamente.
capacitando en obra a personal del lugar.
• Posee alta resistencia química.
• Tiene un bajo índice de rugosidad y porosidad.
• No se utiliza equipos de soldadura, sino pegamento para uniones rígidas y anillos de jebe con
lubricante para el caso de unión flexible.
• Cuenta con accesorios que facilitan la reparación.
• No son necesario apoyos de concreto y los anclajes son menos costosos.
• Se puede combinar tubería de fierro con PVC para alturas que superan los 150 m.
• La vida útil es de 30 años.
• En el caso de instalar tubería con diámetros muy grandes (no comerciales), se puede emplear
doble tubería y realizar la unión en la parte inferior con un pantalón de fierro.
Limitaciones:
• No le es permitido trabajar expuesto al ambiente, pues los rayos infrarrojos pueden menguar su
resistencia y durabilidad. Además, deben de ir enterrados para evitar daños por el impacto de
piedras o de elementos pesados.
• A altas temperaturas, tiende a dilatarse.
• Tubos y accesorios mayores de 12 pulgadas de diámetro son atendidos como pedidos especiales,
lo que dificulta la facilidad de adquisición.
6.0 COSTOS REDUCIDOS EN MCHs: ALGUNOS EJEMPLOS EN EL CASO PERUANO
a) En el cuadro siguiente se presentan tres tipos de costo para la misma MCHs. Se trata de estudios
En el primero, se exigen los mismos estándares que para una gran central y podríamos
denominarlo “ estándar internacional” ; en el segundo, los costos se reducen hasta niveles
intermedios; y en el tercero, se recurre a todas las posibilidades de ahorro sin que ello signifique en
absoluto poner en riesgo la calidad y el servicio. (Esto fue desarrollado por ITDG y presentado en
el VII ELPAH, Encuentro Latinoamericano de Pequeños Aprovechamientos Hidroenergéticos.
Incluye estudios de ingeniería, obras civiles y redes).
285 928
193 397,20
Inv./beneficiario
US$/kW instalado
Inversión inicial
1 1078
4 905,40
52 235,40
923
4 085
37 884
623,60
2 762,40
23 677,30
Inv./beneficiario
US$/kW instalado
1 450,90
5 223,50
1 052,30
3 788,40
657,70
2 367,7
Bajo costo
Equipo Electromecánico
3000
Obras Civiles
2500
2000
1500
1000
500
o
nt
Sa
Pa
llá
n
To
hu
ca
In
m
ás
C
ha
la
m
ar
ca
as
i
ris
ña
Ka
C
as
ca
ril
la
nt
as
Ll
au
cá
n
0
Ju
Articulo presentado en la “ IV
Conferencia
de
Termoenergética
Industrial” , Cuba, Noviembre, 1998.
intermedio
COSTO DE GENERACION DE MCHs
s
b) En el gráfico adjunto se muestran
los costos de generación según el
diseño de ingeniería de 10 casos
realizados por ITDG. No se
incluyen redes ya que, por un lado,
las oportunidades de reducción de
costos son pequeñas para las
redes y, por otro, porque se trata de
un seminario internacional en el
que cada país tiene sus propios
estándares técnicos y normas de
seguridad.
La
Moyán
(10kW)
Inversión inicial
Estandar
internacional
343 375
M
oy
án
Santo Tomás
(70kW)
Tipo de costo
US$/kW
MCH