Ingeniería a escala para resolver un reto energético
Una investigación que convirtió las condiciones reales de un río de montaña en un escenario de prueba para encontrar alternativas frente a un reto de la generación hidroeléctrica.
Una investigación que convirtió las condiciones reales de un río de montaña en un escenario de prueba para encontrar alternativas frente a un reto de la generación hidroeléctrica.
¿Cómo se estudia el comportamiento de un río de montaña sin intervenirlo directamente? Una respuesta está en la modelación física: reproducir sus condiciones en un laboratorio, observar lo que ocurre y poner a prueba diferentes alternativas. Eso fue precisamente lo que hizo la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito con un tramo del río Risaralda, en el marco de un proyecto asociado a la operación de la PCH Morro Azul, en Belén de Umbría.
En un espacio de la Escuela, un río de aproximadamente 760 metros de longitud quedó reducido a una escala de 1:50. No era una representación meramente visual. Cada elemento del modelo respondía a información obtenida directamente del territorio: la forma del cauce, sus pendientes, la composición del lecho, los caudales y, especialmente, la cantidad y el comportamiento de los sedimentos que transporta el agua.
El trabajo fue desarrollado por los programas de Ingeniería Ambiental e Ingeniería Mecánica de la Escuela, bajo el liderazgo de los profesores Juan Antonio Acosta Gempeler y Héctor Matamoros Rodríguez, a partir de la necesidad planteada por Risaralda Energía SAS ESP, empresa del Holding Alupar y responsable de la operación de la Pequeña Central Hidroeléctrica (PCH) Morro Azul.
Antes de construir el modelo, el equipo tuvo que conocer en detalle el lugar que iba a reproducir.
La zona de estudio se encuentra en un sector donde confluyen el río Mistrató y el río Guática para formar el río Risaralda, en un entorno característico de los ríos de montaña: grandes pendientes, zonas rocosas y un cauce condicionado por la geología del territorio.
Para llevar esas condiciones al laboratorio, se realizaron levantamientos topográficos y batimétricos, vuelos con dron y el levantamiento de 23 secciones del río, distribuidas de acuerdo con la morfología del cauce. También se realizaron aforos
líquidos y sólidos para conocer tanto los caudales como el material que transporta el río.
A este trabajo se sumó un estudio hidrológico de las cuencas de los ríos Mistrató, Guática y Risaralda, que permitió complementar la información necesaria para diseñar el modelo.
Fue un proceso que se desarrolló durante varios meses y que permitió contar con la información necesaria para pasar del territorio al laboratorio.
La PCH Morro Azul tiene una capacidad de generación de 19,9 megavatios y transporta un caudal de 18,8 metros cúbicos por segundo a través de un túnel de 4.6 kilómetros hasta su casa de máquinas, donde operan dos turbinas Francis.
El problema que dio origen al proyecto estaba relacionado con los sedimentos. Parte del material sólido transportado por el río puede ingresar al sistema de generación y llegar hasta el túnel, la tubería de carga y las turbinas, generando desgaste y haciendo necesarios mantenimientos frecuentes.
Por eso, el objetivo del modelo no era simplemente reproducir el río. Era entender qué estaba ocurriendo y comprobar físicamente qué alternativas podían ayudar a disminuir el ingreso de sedimentos al sistema.
Con la información recopilada se construyó el modelo físico a escala 1:50, incluyendo el tramo comprendido entre los puentes de la vía Anserma-Belén de Umbría, en la zona de los ríos Guática y Mistrató, hasta el sector del dique vertedero. La bocatoma de la central se encuentra aproximadamente en la mitad de este tramo.
Una vez construido y calibrado el modelo, comenzaron las pruebas.
El primer escenario reprodujo las condiciones actuales de la infraestructura, lo que permitió comprobar en el laboratorio comportamientos que ya se presentaban en la central y establecer una línea base para comparar las alternativas.
Después se evaluó una propuesta que contemplaba la instalación de compuertas tipo clapeta. Los ensayos permitieron identificar algunas condiciones de operación que podían ser mejoradas.
A partir de esos resultados, el equipo planteó una nueva configuración que incorporó, además de las compuertas, una prolongación del canal de aducción de aproximadamente 56 metros mediante tablestacado. Esta alternativa mostró resultados favorables durante los ensayos.
Finalmente, y teniendo en cuenta la experiencia de los profesionales que participaron en el proyecto, se evaluó una cuarta configuración con compuertas radiales.
Cada escenario permitió observar cómo cambiaba el comportamiento del agua y, particularmente, cómo se movilizaban y atrapaban los sedimentos.
Uno de los aspectos más importantes del proyecto estuvo precisamente en aquello que el ojo no puede determinar por sí solo: la cantidad de sedimentos que logra atravesar cada configuración.
Por eso, además de observar el comportamiento hidráulico, el equipo realizó ensayos morfodinámicos y tomó muestras del material sedimentado. La comparación de las masas atrapadas en cada escenario permitió evaluar objetivamente el desempeño de las alternativas estudiadas.
Así, el modelo permitió pasar de una hipótesis a una comprobación experimental: cada alternativa podía ser construida, ensayada, comparada y analizada antes de considerar una intervención sobre la infraestructura real.
Del territorio al laboratorio y del laboratorio a la ingeniería
El proyecto representa una de las posibilidades que ofrece la ingeniería cuando el conocimiento académico se conecta con las necesidades de un territorio y de un sector productivo.
En este caso, la Escuela no solo construyó un modelo a escala. Integró información obtenida directamente en campo, estudios hidrológicos, conocimientos de hidráulica, comportamiento de sedimentos, diseño y experimentación para estudiar un problema concreto asociado a una infraestructura de generación de energía.
Para Héctor Matamoros, profesor emérito de la Escuela y director técnico y de campo del proyecto, el trabajo fue también una oportunidad para poner en práctica el conocimiento acumulado por un equipo interdisciplinario y utilizar la modelación física como una herramienta para encontrar respuestas frente a fenómenos que, en escala real, serían mucho más complejos y costosos de intervenir.
El resultado fue un proceso que comenzó en los ríos Mistrató, Guática y Risaralda, pasó por el levantamiento detallado del territorio, llegó a un modelo físico construido en la Escuela y terminó con la comparación experimental de diferentes alternativas de solución.
Un río que, a escala, permitió hacer algo que la ingeniería necesita constantemente: observar antes de intervenir, experimentar antes de decidir y convertir los datos en conocimiento para resolver problemas reales.