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Jiménez-Mendoza, S. y Terneus-Páez, F. (2019). «Nexo agua – energía: Análisis del flujo hídrico del Proyecto Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair ». Ingenius. N.° 21, (enero-junio). pp. 53-62. doi: https://doi.org/10.17163/ings.n21.2019.05
1. Introducción
El nexo entre el agua-energía-alimentos ha entrado en debate desde la Conferencia de Bonn del 2011 en la cual se recomendó que estos recursos se consideren de manera integradora, y centrándose en asegurar que las interdependencias entre estos estén explícitamente identificadas en la toma de decisiones [1]. Tres años más tarde, durante la conferencia del Global Water Security & Sanitation Partnership (GWSP), las comunidades de investigación y políticas de todo el mundo emitieron un llamado para desarrollar estrategias que aborden un enfoque de nexo completo [2]. Con la actual tasa de crecimiento de la población mundial, el sector agrícola enfrenta el desafío de duplicar la producción de alimentos para 2050 [3]. Alrededor del 71 % de las extracciones de agua del mundo se atribuyen al sector agrícola [4]. Para el 2050 se necesitará un aumento del 55 % en la demanda mundial de agua para abordar el aumento de la generación de electricidad y uso doméstico, se proyecta que más del 40 % de la población mundial vivirá bajo estrés hídrico severo [5]. Sin embargo, muy pocos autores han abordado la cuestión de cómo traducir este concepto del nexo agua–energía–alimentos, que es principalmente teórico, en enfoques prácticos de evaluación. Albrecht et al. [6] afirman que, a pesar del enfoque conceptual prometedor, el uso del nexo agua-energía-alimentos como herramienta analítica para evaluar sistemáticamente las interconexiones de estos recursos ha sido limitado. Middleton et al. [7] menciona que el nexo agua-energía-alimento aún no se ha integrado en la práctica. Del mismo modo, Leck et al. [8] solicita la aplicación práctica del nexo agua-energía-alimento en las futuras investigaciones científicas.
Denise Lofman et al. [9] consideran que el nexo entre el agua y la energía presentarán dificultades de equilibrar las necesidades de los usuarios y proteger recursos valiosos a la vez, esto referente a temas agrícolas, industriales y residenciales. Pittock Jamie et al. [10] muestran como el nexo entre el suministro de energía hidroeléctrica y el suministro de alimento influye considerablemente en la cuenca aportante de agua. Según Fisher, J. et al. [11] el nexo agua-energía para la generación de electricidad trae problemas más severos como la contaminación y la emisión de CO2. Lubega et al. [12] afirma que es posible medir el nexo agua-energía mediante modelos entre la energía eléctrica y el consumo municipal de agua. Varias tendencias actuales aumentan aún más la urgencia de abordar el nexo agua-energía de una manera integrada y proactiva. En primer lugar, el cambio climático ya ha comenzado a afectar los patrones de precipitación y temperatura. En segundo lugar, el crecimiento de la población, y las tendencias de migración regional indican que es probable que aumenten habitantes en zonas áridas. Por último, la introducción de nuevas tecnologías en los ámbitos de la energía y el agua podría cambiar las demandas de estos recursos [13].
La Agencia Internacional de Energía [14] proyecta para el año 2040, un aumento del uso consuntivo del agua en el mundo en casi un 60 %, afectando a hidroeléctricas de la misma zona cuya extracción de agua aumentará en menos del 2 %. Debido al crecimiento poblacional y los cambios en la dieta, el consumo de alimentos está aumentando en casi todas las regiones del mundo. Se espera que para el año 2050 sea necesario producir 200 millones de toneladas de carne y 1 billón adicional de toneladas de cereal al año para poder satisfacer la creciente demanda de alimentos. Por ello la agricultura es responsable del 90 % del uso consuntivo del agua [15].
Debido a estos problemas mundiales, el país se ve en la necesidad de abordar y planificar el aprovechamiento de sus recursos hídricos considerando su nexo. La Ley de Recursos Hídricos del Ecuador menciona en el artículo 30: “El Estado y sus instituciones en el ámbito de sus competencias son los responsables de la gestión integrada de los recursos hídricos por cuenca hidrográfica. En consecuencia, son los obligados a regular los usos, el aprovechamiento del agua y las acciones para preservarla en cantidad y calidad mediante un manejo sustentable a partir de normas técnicas y parámetros de calidad” [16].
Por otra parte, en el Ecuador, la Constitución del 2008, en el Art. 313 determina: “El Estado se reserva el derecho de administrar, regular, controlar y gestionar los sectores estratégicos; se consideran sectores estratégicos la energía en todas sus formas...” [17]. Este artículo tiene como objetivo analizar el caso del Proyecto Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair (PHCCS), como ejemplo del nexo existente entre el agua y la energía; donde los usos consuntivos del agua disminuirían el caudal de entrada al túnel de conducción, arriesgando con esto su capacidad de generación eléctrica de este proyecto emblemático. A continuación, en la sección 1.1, se muestra la síntesis de la historia del PHCCS, en la sección 2 se analiza como metodología, los informes de factibilidad del PHCCS y los proyectos que hacen uso consuntivo del agua, en la sección 3 se analiza como dichos proyectos afectarían al caudal de ingreso del PHCCS y, finalmente, en la sección 4 se ofrece unas conclusiones evidenciando la necesidad de planificar el nexo agua-energía de manera integrada.
1.1. El Proyecto Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair
El PHCCS es una obra que fue calificada como emblemática por el Gobierno ecuatoriano, se construyó en el origen del cauce del río Coca en la provincia de Napo [18], toma su nombre por el geólogo norteamericano Joseph Sinclair, quien al recorrer el río Coca en el Oriente ecuatoriano, identificó una curva marcada, que luego fue bautizada por la población del sector como Codo Sinclair. Este investigador afirmó que este lugar tenía la posibilidad de ser utilizada para generar energía eléctrica [19].
El PHCCS, fue uno de los proyectos más importantes del Plan Nacional de Electrificación, en la cuenca de los ríos Quijos y Coca, durante los años setenta y ochenta, siendo el Instituto Ecuatoriano de Electrificación (INECEL), la empresa encargada de realizar los estudios. En 1976 se realizaron dos, el de prefactibilidad por la empresa brasileña Hidroservice y el de la capacidad total de aprovechamiento por empresas consultoras italianas Electroconsult y Rodio, la empresa belga Tractionel y las empresas nacionales Ingeconsult, Inelin, Astec y Caminos y Canales [20].
Entre abril de 1990 y junio de 1992 para la optimización de la alternativa seleccionada, se realizó el diseño de factibilidad en dos etapas continuas que generarían 432 (MW) y 427 (MW) de potencia respectivamente sumando un total de 859 (MW) de potencia. Este estudio incluía modificaciones del proyecto debido al terremoto que hubo cerca del volcán Reventador en el mes de marzo de 1987, el cual cambió notablemente la fisonomía del terreno. En el 2007 el Estado modificó dicho estudio Importar tabla
y fue rediseñado hasta alcanzar una potencia de 1500 (MW) [18].
El PHCCS fue anunciado el 15 de enero del 2007 y fue considerado de alto interés nacional, siendo incluido en el Plan Maestro de Electrificación. En ese año, las empresas encargadas de su gestión fueron dos; el primer trimestre fue el Consejo Nacional de Electricidad (Conelec) y en julio fue el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables (MEER). Sin embargo, cabe anotar que como operadora del proyecto había sido designada, en septiembre del 2007, la empresa del estado ecuatoriano Termopichincha, que más adelante pasa a conformar con la empresa argentina ENARSA el consorcio Coca Sinclair S. A. [20].
En el 2008 los estudios fueron aprobados por el Conelec. La Compañía Hidroeléctrica Coca Codo Sinclair S. A. de Quito, encargó a la Compañía Consultora ELC-Electroconsult de Milán, Italia los estudios de rediseño conceptual para alcanzar 1500 (MW). En el 2009 ELC-Electroconsult presenta el estudio de factibilidad final de 1500 (MW). La Compañía Hidroeléctrica Coca Codo Sinclair S. A. de Quito contrata a la empresa SINOHYDRO para el desarrollo de ingeniería y es esta la que inicia su construcción [20]. Después de seis años, el 18 de noviembre de 2016 se inaugura el PHCCS [21].
Tras finalizar la construcción, las principales obras que conforman el PHCCS son la obra de captación que cuenta con una presa de 31,8 (m) de altura máxima, vertedero con una altura del azud de 13,5 (m) y ancho neto de 160 (m), desarenador de 8 cámaras. El túnel de conducción con una longitud de 24,8 (km), 9,10 (m) de diámetro de excavación y un diámetro interior de 8,20 (m), diámetro de diseño de 222 (m3/s). El embalse compensador conformado por una presa de enrocado con cara de hormigón de 58 (m) de altura, para crear un embalse útil de 800 000 (m3). Las tuberías de presión son dos y conducen el agua desde el embalse compensador hasta la casa de máquinas, en hormigón y con revestimiento de acero en su tramo final, de 1400 (m) de longitud y tienen un diámetro interno de 5,8 y 5,2 (m) respectivamente, el caudal de diseño es de 139,25 (m3/s) cada una. La casa de máquinas es una caverna excavada en roca de 26 × 46,8 × 219,5 (m) donde se ubican 8 turbinas tipo Pelton de eje vertical con 6 inyectores cada una y una potencia unitaria de 187,5 (MW), que turbina las aguas del río Coca, que se forma a partir de la unión de los ríos Quijos y Salado como se observa en la Figura 1 [22].
Utilizando la ecuación general (1) que rige la potencia instalada de una central hidroeléctrica, denominada también potencia útil nominal, se calcula el caudal necesario para generar la potencia de 1500 (MW), detallándose la misma a continuación [24].
donde:
-
Pi = Potencia útil nominal (W)
Q = Caudal que entra en la tubería de presión
(m3/s)
H = Altura neta nominal (m)
nt = Eficiencia de la turbina Pelton
ng = Eficiencia del generador
ntr = eficiencia del transformador
A continuación, se muestran los datos obtenidos del anexo f del informe de factibilidad del PHCCS realizado por ELC-Electroconsult [25].
Reemplazando los datos en la ecuación (1), se tiene:
Dado que el PHCCS es una central de pasada con regulación diaria [25], para generar 1500 (MW), el caudal turbinado, es decir, el caudal que debe ingresar a las dos tuberías de presión es de 286,6 (m3/s), es decir, 143,3 (m3/s) en cada una. Según Synohidro Corporation, el PHCCS solo puede generar esta potencia 4 horas diarias, sin embargo, el caudal de diseño de las tuberías de presión es de 139,25 (m3/s), es decir, 278,5 (m3/s) las dos [25].
En el 2017, tras un año de operación, el PHCCS ha producido el 66,7 % de la energía esperada. Entre enero y diciembre, la central, aportó al sistema nacional interconectado un total de 5838 (GWh), una cifra por debajo de la generación media proyectada, que es de 8734 (GWh) [21].
2. Materiales y métodos
La investigación presentada es de tipo bibliográfica con un alcance descriptivo. Se analiza el estudio de factibilidad que Importar tabla
presentó INECEL en el año 1992 donde se observa el comportamiento histórico del caudal del río Coca, el estudio de factibilidad que presentó ELC-Electroconsult que muestra el rediseño del estudio de Inecel. Además, se revisan los proyectos que afectarían el caudal que ingresa al PHCCS debido a los usos consuntivos de agua.
2.1. Estudios de factibilidad
A continuación, se va a analizar los dos informes de factibilidad del PHCCS, el primero corresponde al estudio que realizó INECEL aprobado en el año de 1992 y el segundo corresponde al estudio que realizó ELC-Electroconsult aprobado en el año 2009.
2.1.1. Estudio de factibilidad de 1992 del PHCCS
El estudio de factibilidad fue realizado por INECEL. Para calcular los caudales del proyecto, se partió de datos históricos del río Coca y la cascada San Rafael, el lapso comprendido fue desde 1972 a 1987 para la cascada San Rafael y desde 1972 a 1987 para el río Coca en el sector El Salado [18]. Dado que este estudio se hizo en una misma estación fluvial y durante un lapso de quince a veinte periodos que abarcan años secos, normales y húmedos, esta metodología es ampliamente aceptada [26]. En la Figura 2, se observa los caudales medios mensuales registrados en la estación del río Coca en el sector El Salado durante los lapsos de tiempo antes señalados. La curva de duración general de caudales diarios en el sitio El Salado elaborada por INECEL se ilustra en la Figura 3 [19].
De esta manera, Inecel determina que el caudal promedio del río Coca en el sector El Salado es de 292 (m3/s) descontando 3 (m3/s) que eran tomados por el acueducto Papallacta-Quito, lo que corresponde a una contribución especifica superior a los 80 (l/s/km2). El caudal firme diario garantizado en un 90 % del tiempo es de 127 (m3/s) [18].
La empresa Inecel decidió que el caudal se debía captar en 2 etapas, la primera debía ser de 63,5 (m3/s), al cual se tenían que añadir otros 63,5 (m3/s) en segunda alcanzando así en total 127 (m3/s). Tanto en primera etapa como en la segunda el factor de planta se había mantenido igual a 0,8 [22].
2.1.2. Estudio de factibilidad actual del PHCCS
El estudio de factibilidad actual del PHCCS fue realizado por ELC-Electroconsult, y se basó en el estudio hidrológico que realizó Inecel en el año 1992 donde se registra el caudal histórico del río Coca [22].
ELC-Electroconsult señaló que para alcanzar los 1500 MW instalados en la casa de máquinas, manteniendo las mismas pérdidas del estudio de factibilidad en las obras de caída, se requeriría un caudal máximo de 278,5 (m3/s) en la tubería de presión, lo que corresponde a un caudal entrante en el embalse compensador de 222,7 (m3/s). Restando 0,7 (m3/s) del caudal promedio de la quebrada Granadilla, se obtiene el valor de 222,0 (m3/s). Por lo tanto, el caudal a ser derivado en el sitio El Salado a la presa y que transitaría en el túnel de conducción es de 222,0 (m3/s) [22].
Para obtener un caudal máximo de 278,5 (m3/s) en la tubería de presión manteniendo el factor de planta (0,8), se requirió aumentar el volumen útil del embalse compensador de 460 000 (m3) a 800 000 (m3) manteniendo siempre los mismos valores de niveles mínimo y máximo, es decir, 1229,50 y 1216,00 (m s. n. m.) respectivamente [22].
Por otro lado, CENACE dispone información sobre el caudal afluente al embalse compensador del PHCCS que se muestran en la Tabla 1. En la Figura ?? se puede evidenciar una disminución de los caudales del año 2017 con los históricos de los obtenidos de 1972-1990.
Cabe considerar el cambio significativo en la fisionomía del sector, debido principalmente a la construcción de la vía Valle de Quijos-Lago Agrio, la cual fue entregada en 1972 y fomentó la colonización del sector con la consecuente transformación de la masa boscosa en pastizales y la explotación maderera, lo cual seguramente afectó las condiciones climáticas de esta cuenca hidrológica y el caudal de sus ríos [27]. Estos últimos se ven afectados también por los usos consuntivos del agua.
2.2. Usos consuntivos del agua
La Ley Orgánica de Recursos Hídricos, Usos y Aprovechamiento del Agua, define al uso consuntivo como aquel en el que el líquido vital, una vez utilizado, no se devuelve al medio donde se ha captado, ni de la misma manera que se ha extraído [16]. Estos tipos de usos se pueden identificar en cuatro proyectos; uno ya existente, dos en construcción y uno programado como muestra la Figura 4, que van a captar o captan el agua que conforman el caudal que ingresa al PHCCS, estos son los siguientes:
Existente:
• Proyecto Papallacta de la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento del Distrito Metropolitano de Quito (EPMAPS).
En construcción:
-
• Proyecto Chalpi Grande o etapa uno del Proyecto Ríos Orientales (PRO) de la EPMAPS.
• Proyecto de riego Cayambe-Pedro Moncayo y agua potable Pesillo-Imbabura.
A continuación, se describirán a cada uno de ellos.
2.2.1. Proyecto Papallacta
Es un proyecto inaugurado en 1990 por la Empresa Metropolitana de Alcantarillado y Agua Potable de Quito, EPMAPS, consiste en el abastecimiento de agua potable para la ciudad de Quito, en la provincia de Pichincha. En sentencia del 22 de septiembre de 1987 mediante la concesión con número de proceso 1503, la empresa obtuvo el permiso de captar el caudal de los ríos Papallacta con un caudal de 1,70 (m3/s); Chalpi Grande con un caudal de 3,20 (m3/s); Tuminguina con un caudal de 2,20 (m3/s) y Blanco Chico con un caudal de 0,90 (m3/s) [29, 30].
Para los estudios de factibilidad del PHCCS se tomó en cuenta el valor de 3 (m3/s), sin embargo, la concesión otorgada a EPMAPS fue de 8 (m3/s) [30].
2.2.2. Proyecto Ríos Orientales (PRO)
En la década de los setenta se analizó la creciente demanda de agua potable en la ciudad de Quito, la cual exigía la implementación de nuevos proyectos, además de reducir las pérdidas no contabilizadas y el consumo per cápita. EPMAPS decidió diseñar algunos proyectos, de ellos, el más importante es el Proyecto Ríos Orientales (PRO), el cual abastecería de agua al Distrito Metropolitano de Quito y a sus 22 parroquias rurales hasta después del año 2055 mediante la captación, conducción a gravedad, tratamiento y transmisión de 31 ríos. El PRO aprovecharía aguas de las cuencas hidrográficas de los ríos Valle Vicioso, Antisana, Cosanga, Quijos y Papallacta, situadas sobre todo en los cantones Quijos y Archidona de la provincia de Napo [31]. El 16 de enero de 2002, mediante la concesión con número de proceso 296-96-CTD [29], EPMAPS obtuvo el permiso, por parte del entonces Consejo Nacional de Recursos Hídricos (CNRH), hoy Senagua, de captar las aguas de los ríos que alimentarán al proyecto, los cuales se resumen en la Tabla 2 [31].
Por aspectos técnicos, económicos-financieros y ambientales, la construcción del Proyecto Ríos Orientales (PRO) se ejecutaría por etapas como se muestra en la Figura 5 [32]. La primera etapa usaría la concesión del año de 1987, mientras que la segunda etapa y las etapas futuras usarían la concesión del año 2002, la cual se resumió en la Tabla 2.
La primera etapa: Ramal Chalpi Grande-Papallacta comprende un canal que captará el caudal de 2,21 (m3/s) de los afluentes: Chalpi A (1,23 m3/s), Encantado (0,64 m3/s), Chalpi B (0,27 m3/s) y Chalpi C (0,07 m3/s) que conforman el río Chalpi Grande como se muestra en la Figura 6, y lo transvasa al reservorio en Papallacta [33].
En julio del 2018, el gerente de la EPMAPS señaló que el proyecto registra un avance del 26 % y su culminación será en el 2021 [35].
La segunda etapa: Ramal Quijos-Papallacta-Paluguillo empezará en el año 2040 y tiene previsto captar un caudal total de 4,691 (m3/s) de los ríos Quijos Norte, Tablón, Cristal, Pucalpa, Azufrado, Semiond, Quijos Sur y Blanco Grande [36].
Las etapas futuras empezarán en el año 2041 y tiene previsto obtener un caudal de los ríos Cosanga, Antisana, Valle Viscoso Importar tabla
y sus afluentes [32].
2.2.3. Proyecto de riego Cayambe-Pedro Moncayo y agua potable Pesillo-Imbabura
El Proyecto de riego Cayambe-Pedro Moncayo y agua potable Pesillo-Imbabura tiene por objetivo captar las aguas de los ríos Arturo, Boquerón, San Pedro, San Jerónimo y Montoneras a través de túneles de aducción que conectan al río Arturo con el Boquerón, al río Boquerón con el San Pedro y al San Pedro con La Rápida, como muestra la Figura 7 [37]. En el primer proceso, el 220-96, la Resolución de la Agencia de Aguas de Quito, dictada el 15 de abril de 1999, favoreció al Gobierno Provincial de Pichincha, concediéndole el derecho de uso y aprovechamiento de las aguas de los ríos Azuela, Arturo, Boquerón y San Pedro, con un caudal total de 3,325 (m3/s) [38].
En el segundo proceso, el 1375-00, la Agencia de Aguas de Quito concede al Gobierno Provincial de Pichincha el derecho de aprovechamiento de las aguas que provienen de los ríos San Jerónimo, Montoneras, La Chimba, y sus afluentes. De estos ríos, los que afectan al caudal del río Salado que alimenta al PHCCS, son los dos primeros, con un caudal de 0,24 (m3/s) y 0,08 (m3/s) respectivamente. Asimismo, la Agencia de Aguas de Quito concede a favor del Gobierno Provincial de Imbabura, las aguas que provienen de los ríos Montoneras con un caudal de 0,1 (m3/s) y San Jerónimo con un caudal de 0,31 (m3/s) [39]. Dichos caudales, sumados al de la anterior concesión, que también desembocan en El Salado, de los ríos Arturo, Boquerón y San Pedro, totaliza 4,06 (m3/s) [39].
El 13 de diciembre del 2017 el director del proyecto de riego Cayambe-Pedro Moncayo y agua potable Pesillo-Imbabura, informó que el proyecto registra un avance del 95,60 % [37].
3. Resultados y discusión
A continuación, en la Figura 8 se recopila los eventos pasados y futuros que afectarían al caudal del PHCCS.
Del análisis realizado de los tres proyectos, se desprende que del caudal del río Coca en el sector El Salado, se debería restar 20 (m3/s) debido al caudal ecológico (ELC-Electroconsult, 2009); y en un futuro cercano el caudal de 4,06 (m3/s) del proyecto Cayambe-Pedro Moncayo y Pesillo-Imbabura para el año 2018; un caudal de 2,21 (m3/s) del proyecto Chalpi Grande, que corresponde a la etapa uno del PRO. Sin embargo, la concesión de 1987, le permite utilizar hasta 5 (m3/s), considerando que 3 (m3/s) ya han sido utilizados en el proyecto Papallacta; y por último se debe considerar un total de 17,2 (m3/s) del PRO correspondiente a la segunda y tercera etapa, que iniciarían en el año 2040 y 2041 respectivamente. En la Tabla 3 se explica más detalladamente los proyectos que restarían el caudal del PHCCS. Hay que considerar que la vida útil de un proyecto hidroeléctrico es generalmente de 50 a 75 años [39].
Como se observa en la Tabla 3, el caudal que ingresa al PHCCS disminuiría un valor máximo de 26,29 (m3/s), equivalente al 11 % del caudal de diseño. Dado que el PHCCS es una central de pasada con regulación diaria, dicha disminución de caudal afectaría a la generación eléctrica en un porcentaje similar.
4. Conclusiones
El Proyecto Hidroeléctrico Coca Codo Sinclair, vería afectada su capacidad de generación de energía por a la reducción del caudal de 222 (m3/s) de entrada debido los futuros usos Importar tabla
consuntivos del agua por parte de la EPMAPS, debido al Proyecto Chalpi Grande, que tomaría 2,2 (m3/s) y las siguientes fases del Proyecto Ríos Orientales que tomaría hasta 17,2 (m3/s). A esto se restaría también el caudal utilizado por el Proyecto de riego Cayambe-Pedro Moncayo y el de agua potable Pesillo-Imbabura, que se tienen previsto culmine en este año 2018, que en total tiene otorgada una concesión de 4,06 (m3/s). El caudal que ingresa al PHCCS se vería en el futuro reducido hasta en un 11 %, afectando su generación eléctrica. Queda en evidencia la necesidad de planificar el aprovechamiento de los recursos considerando su nexo.
