22
MÉTODO DE APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DEL
POTENCIAL HIDROENERGÉTICO DE AGUAS
RESIDUALES DE ECUADOR
SYNERGY WASTEWATER – ENERGY: METHOD OF APPROXIMATION FOR CALCULATION
ECUADOR´S HYDROPOWER POTENTIAL OF WASTEWATER
Diego Esteban Teca
1
, Leandro Gabriel Álvarez Samaniego
2
, Efraín Antonio Dominguez Calle
3
Foto de Tom Fisk en Pexels.
23
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Colaborador de la investigación en la fase de tutoría.
RESUMEN
la transformación de ecosistemas. Una forma
Palabras clave:
de Energía Renovable, Aguas Residuales,
ABSTRACT
In Ecuador, the updated energy demand is
40,009 GWh. This demand has projected an
average growth between the 2010-2022 period
of 7.8%. The country’s electricity matrix esti-
mates a generation of 90% of hydraulic energy.
The growing demand for energy has led to an
increase in reservoirs for hydroelectric genera-
tion. The 2013-2022 Electrification Master Plan
estimates the implementation of 25 hydroelec-
tric plants with a power of 4,170 MW. Renewable
energy (RE) generation is seen as an advantage
of these projects and the transformation of
ecosystems as a disadvantage. One way to reduce
this disadvantage is to promote wastewater
environmental management (AR) projects with
the generation of RE. This research identifies
feasible places to implement renewable energy
projects (PER), and exposes a method to esti-
mate the hydro-energy potential of wastewater
(PHAR). Andean cities with cantonal headwaters,
topographic slopes of 60 meters or more, and
average RA generation flows were selected.
This work will support a practical approach
to the calculation of the PHAR, little developed
in the country. This potential will contribute
as an environmental management instrument
for future energy needs, the implementation
of the PER and will support the fulfillment of
the Sustainable Development Goals (SDG).
Keywords: Renewable Energy, Renewable
Energy Projects, Wastewater, Hydropower
Potential, GIS-Geographic Information System,
PyQGIS.
INTRODUCCIÓN
E
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
1900 1920
new dams within the decade existing dams within the decade
1940 1960 1980 2000 2020
0
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suales de los cauces de aguas
1
ción de emisiones de gases de efecto invernadero
total de AR
2
blación, urbanización, mejora de las condiciones
En un mundo donde la demanda de agua
instalados en sistemas de tratamiento de AR a
En América Latina,
se estima que el 80%
del total de aguas
residuales se libera al
ambiente sin tratamiento
previo o tratamiento
parcial.
Nombre País Tipo de
operación
Equipo Potencia
instalada
(kW)
Altura
(m)
Flujo de
diseño
(m
3
/s)
Longitud
de la
compuerta
(m) y
diámetro
(mm)
Aïre, Geneve CH DTE 3.2
As Samra JO
2 Pelton
turbines
3.2
As Samra JO DTE
2 Francis
turbines
3.2
Deer Island,
Boston
USA DTE
turbines
2 x 13.1
E
screws
D DTE
screw
13
Engelberg CH DTE Pelton turbine
CH DTE Pelton turbine
T DTE 11
CH DTE
La Douve I,
CH DTE Pelton turbine
La Douve II,
CH DTE Pelton turbine
Morgental,
St.Gallen
CH DTE Pelton turbine
AUS DTE
Point Loma,
San Diego
USA DTE Francis turbine
CH Pelton turbine
T DTE
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las AR. Estos servicios se encuentran entre los
minación de las subcuencas de los ríos andinos
tinado a actividades absolutamente diferentes
e industriales en Ecuador es casi inexistente
en las ciudades andinas cabeceras cantonales
las necesidades futuras de energía de Ecuador
de Ecuador.
MATERIALES Y MÉTODOS
El diseño metodológico de la investigación
mentar PER. Luego de identificar los lugares
metodológico de la investigación.
Figura 2. Diseño metodológico de la investigación
Tabla 2. Diseño metodológico de la investigación
Fases Actividades Productos
factibles en las subcuencas
del territorio
el modelo de elevación digital
DEM ALOS PALSAR
1.3 Determinación de
elementos de exclusión
2. Estimación del PHAR de
ciudades de Ecuador.
años.
de AR
energía.
Evaluación económica de PER
Análisis de
población
Análisis de
generación
potencial de AR
Estimación
potencial
hidrogenético
disponible
de AR
Evaluación de
impacto
signiicativo
sinergia
AR-energía
Análisis
cartográico
Características
isiográicas
del territorio
Determinación
de elementos de
exclusión
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Datos utilizados
Se utilizaron datos de ciencia de la tierra
National Aeronautics and Space
Administration: NASA
dientes al DEM ALOS PALSAR, con resolución
tacunga, Ambato, Riobamba, Guaranda, Cuenca
últimos censos realizados. Datos utilizados
Determinación de elementos de exclusión
Los criterios de exclusión de datos utilizados
Métodos de análisis de datos
Modelo digital de elevación DEM: Se desarrolló
Foto de Tom Fisk en Pexels.
Inicio
Fin
¿VALORES > 0?
Coordenadas min., max.
Altura min., max.
Radio de estudio
Metros por pixel
NO
NO
SI
Guarda archivo .CSV
(índice, coordenadas X;Y, altura)
DEM ALOS
PALSAR
12.5 x 12.5
∆ Altura = pixel actual - pixel proyectado
Altura > min.
Altura < max.
SI
Descripción del código
PYTHON
Se ingresa al código los DEM ALOS
PALSAR 12.5 x 12.5 descargados para
cada ADADM de las subcuencas hidro-
gráicas.
Debido a que los datos de los DEM se
encuentran en número de pixel, el
código hace un barrido utilizando
una ecuación para transformar de
pixeles a coordenadas.
Se ingresaron los inputs de:
1. Coordenadas (X
min
, X
max
, Y
min
, Y
max
)
de los DEM.
2. Alturas mínimas y máximas.
3. Radios de estudio.
4. Metros por pixel del DEM.
El código hace un barrido por cada
pixel utilizando la operación de
diferencias de altura (∆ Altura). La
diferencia de altura identiicada debe
ser mayor a la altura mínima in-
gresada y menor a la altura máxima
ingresada.
Si la condición anterior sucede, el
código creará y guardará un archivo
con extensión .CSV (archivo deli-
mitado por comas), con la siguiente
información:
1. Índice (conteo).
2. Coordenada X del punto.
3. Coordenada Y del punto.
4. Diferencia de altura (∆ Altura).
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mentar PER se utilizaron en el código los
inputs, de DEM
cada DEM
min.
, AH
max.
3
Vindobona
max.
es
min.
radios se establecieron con base en varias
ban dentro del ADADM de las subcuencas
inputs
las AH
min.
de Latacunga la AH
min.
min.
Como resultados, outputs
coordenadas de cada DEM
formato .CSV se corre con el software libre
DEM
32
Subcuenca
Hidrográfica
Sistema de
referencia de
coordenadas
(SRC)
Coordenadas DEM AH
mín.
(m)
AH
máx.
(m)
Radio
(m)
Mpp
(m)
X
mínimo
Y
mínimo
X
máximo
X
máximo
Mira
Patate
Estimación potencial hidroenergético dispo-
nible de AR:
datos obtenidos del VII Censo de Población
P = P
o
(1 + i)
n
(1)
Q
m
P con las
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Q
m
= (P * DPACB) / 86400 (2)
altura neta o caída útil, así como a la cantidad
m
en m
3
2
3
PHAR = K * Q * H (3)
K = g * ρ * 10
-3
* η (4)
m
3
software
de los datos.
Evaluación económica:
de los PER vinculados a AR. Como indicador de
el flujo de efectivo de las inversiones en los
Para estimar los VAN de los PER se utilizó la
d
investment
(5)
VAN ($) = ∑
i=20
i=1
R
(i)
- C
operation (i)
(1 + I
d
)
i
− C
investmen
t
La cantidad de potencia
y energía disponible en
AR, está relacionada de
manera directa a la altura
neta o caída útil, así como
a la cantidad de agua,
caudal de AR.
Periodo de
construcción
Periodo de operación
C
operation
C
investment
C
operation
I
d
= 9.5%
0123
42
0
Ingresos anuales Ingresos anuales
RESULTADOS
Lugares factibles en las subcuencas hidro-
gráficas de Ecuador para implementar PER
Los lugares identificados en la cordillera de los
filo de agua con tratamiento de AR. Estos lugares
Estimación del PHAR de ciudades andinas de
Ecuador
de Ecuador en el contexto de la investigación,
miento ambiental considerados en Ecuador.
Resultados de análisis de población: La
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Ciudades de Ecuador
Característica Unidad Tulcán Ibarra Latacunga Ambato Riobamba Guaranda Cuenca Loja
Población
VII Censo de
VI de Vivienda
Tasa de
crecimiento
1.2 2 2.2 1
Población
servida
Resultados de análisis generación potencial
de AR:
Resultados de potencial hidroenergético de
aguas residuales en Ecuador:
des de la investigación.
Ciudad Subcuenca
hidrográfica
Población
servida
proyectada
(habitantes)
Dotación
per cápita
de agua de
consumo
básico
(l/hab.*día)
Posibles
puntos
PER
6
Coordenadas Altura
neta
(m)
Caudal
medio AR
proyectado
(m3/s)
PHAR
(kW)
PHAR
(MW)
X Y
1
2
3
1
2
3
Latacunga Patate 1
2
Ambato Patate 1
2
3
Riobamba 1
Guaranda 1
Total 45,658.4 45.66
Relación de resultados: Con los datos de las
de lugares identificados en las subcuencas
valores de la estimación de PHAR, se elaboró
m
10
10
100
1000
1
0.1
0.01
0.1
1
PHAR (MW)
Q (m/s)
Altura neta(m)
10
100
3
3
Inventario de potencial hidroenergético de
aguas residuales de Ecuador: Mediante la
cabeceras cantonales de la región Sierra son
de desarrollo socioeconómico de cada una. Por
ello, la generación de caudales de AR en cada
de AR vinculado a la generación de ER, con una
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la ciudad de Ambato se verifican tres lugares
Ecuador
Resultados de la evaluación económica:
El PHAR puede ser un
instrumento de gestión
ambiental para Ecuador,
para colaborar en la
toma decisiones en
implementación de PER
y así satisfacer las futuras
necesidades energéticas.
Ciudad Subcuenca
hidrográfica
Coordenadas PHAR
(MWh/año)
R
($/año)
X Y
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
additional
Ciudad Subcuenca
hidrográfica
Coordenadas C
turbine
($) C
transformer
($)
X Y Pelton Kaplan Archimedes
screw
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
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Ciudad Subcuenca
hidrográfica
CW1 EHM1 E1 CW2 EHM2 E2 CW3 EHM3 E3
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
Para estimar el costo de inversión de los PER
adittional
Ciudad Subcuenca
hidrográfica
C
generatorgroup
1 C
generatorgroup
2 C
generatorgroup
3 C
additional
1 C
additional
2 C
additional
3 C
investment
1 C
investment
2 C
investment
3
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
, con base en
estudios realizados de costos de inversión de
Ciudad Subcuenca hidrográfica C
operation
1 C
operation
2 C
operation
3
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
obtuvieron los siguientes resultados de VAN
Ciudad Subcuenca hidrográfica VAN 1 VAN 2 VAN 3
Latacunga Patate
Ambato Patate
Riobamba
Guaranda
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Ciudad Subcuenca
hidrográfica
Posibles
puntos
proyectos
ER
Coordenadas Altura
neta
(m)
Caudal
medio AR
proyectado
(m3/s)
Tecnología
Turbina
PHAR
(kW)
PHAR
(MW)
Tipo de
central
hidroeléctrica
X Y
1
Pelton
2
3 Mediana central
Latacunga Patate 1 Mini central
2 Mini central
Ambato Patate 1 Mini central
2 Mini central
3 Mini central
Riobamba 1 Mini central
Small and mini hydro-
power solutions
DISCUSIÓN
des mediante las interrelaciones cotidianas con
ticas de Ecuador, mediante ER amigable con
el ambiente.
de la metodología de la investigación, se ubican
3
Los lugares en la cordillera de los Andes, con
altas caídas, destacaron entre las alturas netas
con caudales medios de AR bajos. Tres de los
3
3
go, no se identificó PHAR en las subcuencas
En el caso de la ciudad de Cuenca, enmarcada
existe la PTAR Ucubamba. Esta PTAR trata el
mediante la metodología no se identificó un
en ER dando como resultado estudios de
varía en función de la generación anual de
electricidad de cada uno. El costo de la turbina,
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C
turbine
o C
tu
turbina Pelton, tecnología utilizada en estudios
bona, vinculado al saneamiento ambiental de
se estimaron con la consideración de la turbina
estimados con la consideración de la turbina
efectivo, los resultados obtenidos de VAN
identificados en las ciudades de Latacunga,
Existen lugares identificados con VAN negativo,
ciudades se consideran PER con costos de
do las centrales en un mismo PER. Se debe
nidades vecinas. Con la intervención de
todo el mundo. ODS 3. Garantizar una vida
de PER vinculados a la gestión ambiental de AR,
rían solo de la energía del sistema nacional
Universidad Tecnológica de Tabasco en una
mación adicionales sobre la generación de AR
Ecuador sería una forma efectiva de mejorar
En la actualidad, el Buen Vivir es una alternativa
en diversas formas, en las cantidades necesarias
CONCLUSIONES
con base en elementos de SIG, lugares de la
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los restantes 3 fueron identificados mediante
de saneamiento ambiental de AR vinculado a la
bles de ingresos generados, costos anuales
de saneamiento ambiental de AR, PTAR’s,
investment
. Por
sentar un instrumento de gestión ambiental
de Ecuador.
CO
2
emitidas como GEI
, al reducir el uso de
neración de electricidad, la generación de
las AR.
utiliza el factor de emisión de CO
2
2
de toneladas de CO
2
Agradecimientos
ron el desarrollo de la investigación, Facultad
Efraín Antonio Domínguez Calle, investigador
REFERENCIAS
Journal of Civil Engineering
and Management, 23
Duke Law Journal, 1
Small and mini hydropower solutions.
Retrieved from www.andritz.com
NovaSinergia
23–32.
Modelo de elevación digital
Constitución de la República del Ecuador.
Introducción a la Economía Ambiental
Renewable Energy, 113
Diagnóstico de la Estadística del Agua en
Ecuador.
Revista de energía de Latinoamérica y el Caribe, 4
Plan Maestro de
Electrificación 2013-2022, 2
In ONU-Agua.
Anais Da Academia Brasileira de Ciencias, 87
Información Tecnológica, 30
ENERLAC • Volumen VI. Número 1. Junio, 2022. ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital).
OLADE – AUGM
Historia del
Agua en Quito
Programa para
la descontaminación de los ríos de Quito - Bienvenido a
EPMAPS. 2
“Los merinos” planta de
tratamiento de aguas residuales y sus componentes
complementarios
Planta de tratamiento de agua residua-
les PTAR de Ucubamba
metabolism. Ecological Modelling, 392
Global Environmental Change, 21
Ideam,
Capitulo 5
Energy
Conversion and Management, 176
Revista de Energía de Latinoamérica
y el Caribe, 4
Factor
de emisión de CO
2
del Sistema Nacional Interconectado del
Ecuador
Plan Maestro de Electricidad 2016-2025.
Computacion y Siste-
mas, 16
Informe de Síntesis sobre el Cam-
bio Climático
Ambiente e Sociedade, 19
Novas Tendências Nos Estudos De
Potenciais Hidrelétricos : Metodologia De Prospecção E.
ENERLAC. 4
Solar en Guatemala. Series Técnicas Energías Renovables,
48.
Environment, Development and Sustainability, 20
Energy, 157
Unidades Hidrográficas Nivel 5.
Secretaria Del Agua
Desafíos e incertidumbres del desarrollo sostenible en
brasileño. ENERLAC, 4
Tratamiento Primario de Lixiviados:
Selección de Aditivos
Water
(Switzerland), 11
Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 28
Stream, Boki, Cross River State, Nigeria. Sustainable
Energy Technologies and Assessments, 27
In-
forme Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo
de los Recursos Hídricos 2017. Aguas residuales: El recurso
desaprovechado. París.
Íconos -
Revista de Ciencias Sociales
Water
(Switzerland), 11
Water (Switzer-
land), 8
Environmental
Modelling and Software, 111
network model. Water (Switzerland), 10
tion. Aquatic Sciences, 77
