Por Nelson Hernández
El Gurí tiene una capacidad estimada de almacenamiento de energía de 11,5 millones de barriles de petróleo equivalente
El almacenamiento de energía es un componente esencial en cualquier sistema energético, ya que permite equilibrar la producción con la demanda y garantizar estabilidad en el suministro. Todas las fuentes de generación, desde la solar y eólica hasta la térmica y nuclear, requieren algún tipo de almacenamiento para optimizar su eficiencia y mantener la confiabilidad del sistema. En este escenario, las represas hidroeléctricas destacan como una de las formas más efectivas y probadas de almacenamiento de energía.
Las presas hidroeléctricas no solo generan electricidad a partir del agua embalsada, sino que también funcionan como reguladores estratégicos del flujo energético. Su capacidad para almacenar grandes volúmenes de agua les permite ajustar la producción en función de la demanda, evitando desperdicios y asegurando la continuidad del suministro incluso en condiciones de variabilidad climática o fluctuaciones en el consumo. Además, el almacenamiento hidráulico posibilita el desarrollo de sistemas de bombeo hidroeléctrico, una de las soluciones más eficientes para gestionar excedentes de energía provenientes de otras fuentes, como la solar y eólica.
En un contexto de transición energética y búsqueda de alternativas sostenibles, el almacenamiento a gran escala es clave para integrar diversas fuentes en un sistema interconectado y eficiente. Las represas hidroeléctricas, con su capacidad de almacenamiento inherente, representan un pilar fundamental en este proceso, asegurando no solo generación limpia, sino también flexibilidad y seguridad operativa.
Factores Claves
La cantidad de energía que se almacena en una presa hidroeléctrica depende de varios factores clave, tanto naturales como técnicos. Aquí los principales:
- Volumen del embalse: La capacidad de almacenamiento de agua en la presa es uno de los factores más determinantes. Cuanto mayor sea el volumen del embalse, mayor será la cantidad de energía potencial disponible para generación.
- Altura de caída (carga hidráulica efectiva): La energía almacenada en el agua depende de la altura desde la que cae. Una mayor diferencia de altura entre el nivel del embalse y las turbinas genera una presión más alta, lo que permite una conversión más eficiente de energía potencial en electricidad.
- Caudal disponible: El flujo de agua que ingresa al sistema determina la cantidad de energía que puede ser generada de manera continua. Factores climáticos, estaciones del año y gestión de cuencas hidrográficas influyen en la disponibilidad de agua.
- Eficiencia de las turbinas y generadores: El diseño y mantenimiento de las turbinas y generadores afectan el aprovechamiento de la energía. Sistemas más eficientes convierten una mayor proporción de la energía almacenada en electricidad útil.
- Evaporación y filtraciones: Las pérdidas de agua por evaporación en climas cálidos o por filtraciones en la estructura del embalse pueden reducir la energía disponible para generación.
- Operación y gestión del embalse: El modo en que se administra el agua influye en el almacenamiento energético. Algunas presas operan con estrategias de regulación estacional para garantizar producción continua, mientras que otras ajustan sus operaciones en función de la demanda energética.
- Integración con sistemas de almacenamiento adicionales: Algunas presas hidroeléctricas implementan “sistemas de bombeo”, donde el agua se eleva nuevamente al embalse utilizando excedentes de energía renovable. Este método mejora la capacidad de almacenamiento y flexibilidad operativa.
Niveles de Operación
Uno de los factores claves es la altura de la caída de agua. Una mayor diferencia de altura entre el nivel del embalse y las turbinas genera una presión más alta, lo que permite una conversión más eficiente de energía potencial en electricidad.
La gráfica anterior, ubica tres niveles o cotas: 1) Cota máxima de operación (H), que corresponde al nivel de agua más alto de la represa o embalse. 2) Cota mínima de operación (h), asociada al nivel del embalse donde pueden operar las turbinas sin riesgo a ser sometidas a fenómenos físicos. 3) Cota de diseño (Hd) que es la cota a la cual están colocadas las turbinas.
Para efecto de estimar la energía almacenada en un embalse con fines hidroeléctricos, también es necesario conocer, además de las cotas, el volumen de agua almacenada en el embalse y la capacidad de generación instalada en el mismo.
Método de cálculo
El método a utilizar es transformar la energía potencial del agua del embalse. En tal sentido se emplea la siguiente ecuación:
E = d * g * havg * V * e
Donde:
E = Energía potencial, Joule
d = Densidad del agua = 1000 kg/m³
g = Aceleración de la gravedad = 9,81 m/s²
havg = Altura media (en metros) entre los niveles superior e inferior
V = Volumen de agua efectiva, m³
e = Eficiencia operacional, adimensional
Es de acotar, que el cálculo de la energía se hará bajo el concepto “estado estacionario”. Es decir, es una fotografía instantánea del embalse a su capacidad máxima de almacenaje de agua. O en otras palabras, no se considera la entrada (restitución) de agua al embalse.
Data Gurí para la estimación del almacenaje de energía
Área del embalse: 4250 km²
Capacidad de agua del embalse: 135 km³.
Cota máxima de operación del embalse (H): 270 msnm
Cota mínima de operación del embalse (h): 242 msnm
Capacidad de agua del embalse a 270 msnm: 111.8 Gm³
Capacidad de agua del embalse a 242 msnm1: 20.6 Gm³
Eficiencia operacional (e): 0.9
Volumen de agua efectiva: Va270 – Va242 = 111.8 – 20.6 = 91.2 Gm³
Altura efectiva del agua: H – h = 270 – 242 = 28 m
Altura de diseño = 165 msnm1
Cálculos
La ecuación a aplicar es:
E = d * g * havg * V * e
De la ecuación falta por determinar havg.
Si se toma los valores de las cotas H y h, y se toma un promedio, tendríamos un valor de
havg = (H + h) / 2 = (270 + 242) / 2 = 256 m (este valor es una mala aproximación)
Una mejor aproximación es tomar el promedio de las diferencias de cotas como sigue:
Dif 1 = Cota máxima – Cota de diseño = 270 – 165 = 105 m
Dif 2 = Cota minima – Cota de diseño = 242 – 165 = 77 m
havg = (Dif 1 + Dif 2) / 2 = (105 + 77) / 2 = 91 m
Ya determinado el havg, podemos introducir todos los valores en la ecuación para estimar la energía almacenada en el embalse Guri.
E = 1000 * 9.81 * 91 * 10^9 * 91.2 * 0.9 = 73274 * 10^12 Joule
Pero, 1 MWh = 3.6 x 10^9 Joules
Por lo que la
E = 73274 * 10^12 Joule / 3.6 x 10^9 Joules = 20354 Mwh = 20.4 TWH
O equivalente a:
11.5 MBPE
Otro aspecto que podemos estimar es el gasto (Qmax) para generar la máxima potencia del embalse. Para lo cual utilizamos la misma fórmula, despejando Q = V/seg. Para este cálculo se utilizará como havg, la altura neta de diseño de embalse, que en la literatura se indica como 130 m.
La máxima potencia que puede generar la represa es de 10325 MW. El tiempo que tomaría turbinar todo el volumen de agua depende del caudal. Entonces el caudal máximo de diseño de la central es:
P = (d * g * haveg * Q_max * e) / 10^6 = 10325 MW
Qmax = P * 10^6 / (d * g* havg * e)
Qmax = 10325 * 10^6 / (1000 * 9.81 * 130 * 0.9)
Qmax = 8900 m³/seg
Por otra parte, el volumen total útil es 91.2 * 10^9 m³.
El tiempo que se tardaría en turbinar todo ese volumen a caudal máximo sería:
t = Volumen / Q_max =91.2 * 10^9 / 8900 = 10.25 * 10^6 segundos
Convertido a horas: 10.25 * 10^6 / 3600 = 2846 horas.
Si la central funcionara a plena capacidad (10325 MW) durante esas 2846 horas, la energía generada sería:
E = 10325 MW * 2846 h = 29385 MWh = 29.4 TWH
Nótese que este valor es mayor que el cálculo anterior de 20.4 TWH. La discrepancia se debe a que en el 1er cálculo se utilizó una altura media de 91 m y en el 2do una altura media de 130 m.
Además, en el segundo método (usando la capacidad instalada) estamos asumiendo que la central puede operar a plena capacidad durante todo el tiempo, lo cual no es cierto porque a medida que baja el nivel del embalse, la altura neta disminuye y por lo tanto, para el mismo caudal, la potencia generada es menor.
En conclusión:
- El segundo método sobreestima la energía porque no tiene en cuenta la reducción de la altura neta.
- El primer método es más realista, aunque aproximado.
- En la práctica, la energía almacenada se suele calcular mediante la curva de capacidad del embalse y la curva de eficiencia de la central.
- Sin embargo, para una estimación, podemos confiar en el primer método
- Una estimación de la energía almacenada en el embalse de Gurí, entre 242 y 270 msnm, es de aproximadamente 20.4 TWH = 20.4 GkWh = 11.5 MBPE
Es de acotar, que el Gurí en el 2024 produjo 77 TWH, 3.8 veces su capacidad de generación es un escenario “estado estacionario”, lo que refleja su renovabilidad de la disponibilidad de energía. Es decir, entraron al embalse (renovabilidad), al menos, 346 Gm³ de agua.
Netgrafía
https://es.wikipedia.org/wiki/Embalse_de_Guri
https://es.wikipedia.org/wiki/Central_Hidroel%C3%A9ctrica_Sim%C3%B3n_Bol%C3%ADvar
