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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL - PROYECTO FINAL DE CARRERA – APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA Autor: Tomás Moreno Castillo Directores: Amaya Martínez Gracia Javier Uche Marcuello Especialidad: Mecánica Convocatoria: Mayo 2011 I APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA. Tomás Moreno Castillo. Proyecto Final de Carrera presentado para la obtención del título de Ingeniero Técnico Industrial, especialidad Mecánica. Universidad de Zaragoza, España. Resumen No va a descubrirse aquí la importancia del agua. El agua es fundamental para la vida, y un recurso cada vez más escaso debido al incremento de la población. La mayoría de los aprovechamientos que el ser humano hace del agua tienen lugar gracias a los ríos. Por este motivo, es de vital importancia llevar un control lo más exhaustivo posible de lo que se está haciendo con el agua de los ríos en cada momento. En este contexto nació, en el año 2000, la Directiva Marco del Agua, fruto de un extenso proceso de discusión, debate y puesta en común de ideas entre un amplio abanico de expertos, usuarios del agua, medioambientalistas y políticos, que por consenso sentaron los principios fundamentales de la gestión moderna de los recursos hídricos. A partir de la concienciación que está teniendo lugar recientemente acerca del uso del agua, surge esta idea de emplear la exergía como indicador del estado del agua de los ríos. Así, mediante la medición de multitud de parámetros a lo largo del río Ebro y la posterior realización de los cálculos pertinentes, se estudia la utilidad y la viabilidad del establecimiento de la exergía como indicador del estado del río. Un indicador que habla tanto de calidad como de cantidad y que sirve para medir tanto contaminaciones como ratios de aprovechamientos. II Agradecimientos: Quiero dedicar unas breves palabras de agradecimiento a todas las personas que han hecho posible la realización de este trabajo: A Amaya y Javier, gracias por dirigirme a lo largo y ancho de este proyecto, por toda la paciencia que a buen seguro habéis tenido conmigo y por acercarme a la realidad del trabajo de investigación. A todas las personas de las diferentes organizaciones que en su día resolvieron mis dudas y necesidades con diligencia: a José Luis Montero, de la Dirección General del Agua del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino; a Noelia Guaita, del Observatorio de Sostenibilidad en España; y a todo el personal de la Confederación Hidrográfica del Ebro: a Sergio Gimeno y José Mª Sanz, del centro de control de calidad SAICA; a Vicente Sancho-Tello, de Calidad de Aguas; a Alfredo Beltrán, de la Comisaría de Aguas; y a Miguel Ángel García, de la Oficina de Planificación Hidrológica. Gracias a todos por ayudar de buen agrado. A mis amigos, a los que después de la cantidad de veces que os he dicho “no, tengo que trabajar”, todavía me seguís llamando cuando hay plan, gracias. A Marina, gracias por no dejarme caer en el desánimo, y por ungirme con tu afán de superación. Gracias por hacerme sonreír. A mis padres, por empujarme toda la vida sin descansar un solo instante, gracias por vuestra paciencia y por vuestro tesón. Sabéis lo que significáis para mí y lo mucho que os quiero. III Contenido: Resumen .................................................................................................. I Agradecimientos: .................................................................................... II Contenido: ............................................................................................. III 0. Objeto y alcance del Proyecto. ............................................................ 1 1. Introducción: los indicadores. ............................................................. 2 1.1. Funciones y características de los indicadores. ..................................................... 3 1.2. Índices y conjuntos de indicadores. ....................................................................... 4 2. Clasificación de los indicadores. Marcos conceptuales. ....................... 6 2.1. Esquema Presión-Estado-Respuesta (PSR). ........................................................... 7 2.1.1. Indicadores de presión. ................................................................................... 8 2.1.2. Indicadores de estado. .................................................................................... 9 2.1.3. Indicadores de respuesta. ............................................................................. 10 2.2. Esquema Factor determinante-Presión-Estado-Impacto-Respuesta (DPSIR). .... 11 3. Indicadores en el mundo del agua. .................................................... 13 3.1. Aplicación del modelo DPSIR por el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. ............................................................................................................ 14 3.2. Elección del objeto de estudio. ¿Por qué el río Ebro? ......................................... 18 4. El río Ebro. ......................................................................................... 19 4.1. La cuenca. ............................................................................................................. 20 4.2. La Confederación Hidrográfica del Ebro. ............................................................. 21 4.3. Usos del agua. ...................................................................................................... 22 4.3.1. Abastecimiento de la población. ................................................................... 24 4.3.2. Aprovechamientos agrarios. ......................................................................... 25 4.3.3. Usos industriales no energéticos .................................................................. 26 4.3.4. Usos energéticos. .......................................................................................... 27 4.4. El sistema SAIH, las redes de estaciones SAICA y CEMAS. Medición de parámetros a lo largo del cauce. ................................................................................. 29 4.4.1. Midiendo la cantidad: el SAIH ....................................................................... 30 IV 4.4.2. Midiendo la calidad: redes de estaciones CEMAS y SAICA. .......................... 31 5. Propuesta de nuevos indicadores: exergía, perfil exergético y coste exergético. ............................................................................................ 32 5.1. Definiciones. ......................................................................................................... 32 5.1.1. Exergía. Generalidades. ................................................................................. 33 5.1.2. Exergoecología. ............................................................................................. 34 5.1.3. Estados ecológicos de los ecosistemas. ........................................................ 35 5.1.4. Coste exergético. ........................................................................................... 36 5.1.5. Hidronomía Física. ......................................................................................... 37 5.1.6. Directiva Marco del Agua. ............................................................................. 39 5.2. Ecuación general de la exergía aplicada al río Ebro. ............................................ 40 5.2.1. Exergía térmica. ............................................................................................. 42 5.2.2. Exergía mecánica. .......................................................................................... 43 5.2.3. Exergía potencial. .......................................................................................... 44 5.2.4. Exergía cinética. ............................................................................................. 45 5.2.5. Exergía química de formación. ...................................................................... 46 5.2.6. Exergía química de concentración. ............................................................... 48 6. Procedimiento seguido. ..................................................................... 49 6.1. División en tramos de la cuenca. ......................................................................... 51 6.2. Recogida de datos. ............................................................................................... 52 6.2.1. El visor cartográfico de la Confederación: SITEbro (Sistema de Información Territorial del Ebro). ................................................................................................ 53 6.2.2. SAIH. Petición de datos históricos. ................................................................ 55 6.2.3. CEMAS. Composición del agua. ..................................................................... 57 6.3. Simulación en Aquatool: SIMGES & GESCAL. ....................................................... 61 6.4. Cálculos en EES. .................................................................................................... 62 7. Resumen de resultados. .................................................................... 63 7.1. Variación del caudal. ............................................................................................ 63 7.1.1. Variación del caudal a lo largo del tiempo. ................................................... 64 7.1.1. Variación del caudal a lo largo del cauce. ..................................................... 65 7.2. Variación de los parámetros físico-químicos. ...................................................... 68 V 7.2.1. Altura. ............................................................................................................ 68 7.2.2. Temperatura. ................................................................................................. 69 7.2.3. Conductividad. ............................................................................................... 71 7.2.4. Carbono Orgánico Total (COT). ..................................................................... 73 7.3. Variación de la calidad en términos de exergía específica. ................................. 75 7.3.1. Exergía potencial específica. ......................................................................... 76 7.3.2. Exergía térmica específica. ............................................................................ 77 7.3.3. Exergía química inorgánica específica. .......................................................... 79 7.3.4. Exergía química orgánica específica. ............................................................. 81 7.4. Variación de componentes absolutas de la exergía. ........................................... 83 7.4.1. Exergía potencial absoluta. ........................................................................... 83 7.4.2. Exergía térmica absoluta. .............................................................................. 86 7.4.3. Exergía química inorgánica absoluta. ............................................................ 88 7.4.4. Exergía química orgánica absoluta. ............................................................... 90 7.5. Perfiles. Resumen de resultados de la integración a lo largo del cauce. ............. 92 8. Indicadores propuestos. .................................................................... 96 8.1. Índice de Uso Potencial. ....................................................................................... 97 8.2. Índice de Uso Térmico. ......................................................................................... 98 8.3. Índice de Uso Químico. Coste de Desalación Potencial. .................................... 100 9. Conclusiones: ¿qué información adicional aportan los indicadores relacionados con la exergía? ............................................................... 101 Bibliografía ......................................................................................... 103 Índice de tablas. .................................................................................. 104 Índice de figuras. ................................................................................. 105 Índice de gráficas. ............................................................................... 106 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 1 0. Objeto y alcance del Proyecto. El objeto de este Proyecto Final de Carrera es analizar, desde el punto de vista exergético, el cauce principal del río Ebro. Dicho análisis se lleva a cabo mediante la elaboración de los correspondientes perfiles exergéticos del río, que dan información sobre la cantidad y calidad del agua en las mismas unidades objetivas de medida (unidades energéticas), y también a través del cálculo de indicadores físicos, que permiten conocer el grado de aprovechamiento de las distintas potencialidades que el río ofrece. El alcance del trabajo aquí presentado está condicionado por el contexto en el que se ha desarrollado: un proyecto mucho más amplio en el que el área de Agua y Energía de la división de Recursos Naturales de la Fundación CIRCE (Universidad de Zaragoza) está trabajando desde hace varios años. De este modo, alguno de los datos utilizados derivan de trabajos previos y/o paralelos dentro del grupo de investigación, en los que el proyectando ha trabajado en colaboración con el equipo. La parte más relevante de esta colaboración radica en los datos utilizados para los cálculos iniciales, que son fruto de una simulación de la cuenca en el programa Aquatool. El tratamiento de los datos, los cálculos de exergía y contenido exergético de la cuenca y la definición de indicadores han sido trabajo elaborado para este Proyecto Fin de Carrera que va a seguir desarrollándose dentro del citado grupo de investigación. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 2 1. Introducción: los indicadores. En casi todas las actividades que precisan la toma de alguna decisión se emplean indicadores, aunque puede que no se sea totalmente consciente de ello. La definición de indicar es: “Comunicar, explicar, dar a entender una cosa con indicios o señales. Significar una cosa algo. Señalar, advertir, manifestar, apuntar, mostrar”. En otras palabras, la información que permite conocer algo es un indicador, y dicha información puede conducir a tomar unas decisiones u otras. Un ejemplo cercano: la temperatura del cuerpo o la presión arterial son indicadores del estado de salud y según su valor se puede decidir si visitar o no al médico. Los indicadores se emplean en todos los campos; con diferentes complejidades; desde sencillos, como el color de una fruta que indica su nivel de madurez, hasta más complejos, como la concentración de agentes inmunológicos para detectar cáncer. La utilización de indicadores está muy extendida, pero no existe una definición única. La más conocida y aceptada es la que dicta la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE): un indicador es “un parámetro o valor derivado de varios parámetros que proporciona información relativa a un estado o proceso, con un significado que va más allá del directamente asociado al valor del parámetro en sí mismo” (OCDE, 1994). Por su parte, el Ministerio de Medio Ambiente de Canadá lo define como una estadística o parámetro que, monitoreado a través del tiempo, proporciona información de la tendencia o las condiciones de un fenómeno más allá de la que se asocia a la estadística en sí misma (Environment Canada). Hay que hacer notar que a menudo se emplean las palabras “parámetro” e “índice” como sinónimos de indicador, pero no tienen el mismo significado. Un parámetro es definido como cualquier propiedad que es medida u observada, mientras que un índice consiste en un conjunto agregado o ponderado de parámetros o indicadores (OCDE, 2001). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 3 1.1. Funciones y características de los indicadores. La importancia de los indicadores radica en el uso que se puede hacer de ellos. Deben informar y ayudar a esclarecer un tema para conducir a una buena toma de decisiones. Son una excelente herramienta de información al público porque ilustran información científica, contribuyendo al entendimiento de los temas y a que la sociedad tome un papel activo en la solución de problemas. Las funciones principales, en resumen, de los indicadores son (OCDE, 2004): 1. Informar sobre el estado del medio. 2. Evaluar el desempeño de políticas. 3. Comunicar los progresos en la búsqueda del desarrollo. No obstante, para que los indicadores cumplan con estas funciones es necesario que tengan ciertas características. La Academia Nacional de la Ciencia de los Estados Unidos (National Academy of Science) dicta una serie de preguntas relevantes en este aspecto: i) ¿El tema es relevante? ¿El indicador provee información acerca de cambios o procesos de relevancia? ii) ¿Se basa en un modelo conceptual aceptado, bien entendido y con buen sustento científico? iii) ¿Ha probado su utilidad? iv) ¿Tiene la suficiente resolución espacial o temporal para evaluar cambios o situaciones? v) ¿Es suficientemente robusto como para distinguir entre variabilidad natural o la atribuible a la medición del comportamiento real del fenómeno en estudio? vi) ¿Los datos que se requieren para documentar el indicador se pueden obtener y ser confiables? vii) ¿Existe información clara de cómo fue obtenido cada dato (por ejemplo, método de cálculo, instrumento utilizado, etc.)? Se concluye evidentemente que la correcta elaboración de un determinado indicador ha de cimentarse en respuestas afirmativas a las anteriores cuestiones. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 10 2.1.3. Indicadores de respuesta. Muestran los esfuerzos realizados por la sociedad, por instituciones o por gobiernos para reducir o atenuar la degradación del ambiente. Las labores de respuesta están enfocadas hacia: i) la presión y ii) el estado. Un ejemplo cercano: el problema del sobrepeso. Una respuesta podría ser cambiar la dieta (respuesta a la presión), y otra podría ser comenzar un plan de ejercicio (respuesta dirigida al estado). Los indicadores de respuesta estudiarían los resultados de estas medidas tomadas. Figura 4: Acciones de respuesta. Puede ocurrir que algunos indicadores de respuesta sean también indicadores de estado. Por ejemplo, la superficie cubierta por áreas naturales protegidas ofrece una imagen de la voluntad para conservar el ambiente y, simultáneamente, facilita una idea de la situación del mismo. Los indicadores de respuesta son más específicos que los anteriores, ya que describen situaciones más particulares. Es frecuente también que los indicadores de respuesta no tengan una naturaleza cuantitativa, por lo menos en principio. Por ejemplo, ante el deterioro de la capa de ozono, una respuesta es la firma o no de un compromiso para sujetar la producción y emisión de destructores de ozono, como el Protocolo de Montreal. Acciones de respuesta Presión Estado APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 11 2.2. Esquema Factor determinante-Presión-Estado-Impacto-Respuesta (DPSIR). El modelo DPSIR (Driving force, Pressure, State Impact, Response), cuyas siglas significan factor determinante, presión, estado, impacto y respuesta, ha sido desarrollado por la Agencia Europea de Medio Ambiente para describir las interacciones entre la actividad humana y el medio ambiente. Se trata de una extensión del modelo PSR de la OCDE. A continuación se define brevemente cada uno de los elementos del modelo:  Factor determinante: los indicadores de factor determinante describen las condiciones ambientales, sociales, demográficas y económicas que influencian significativamente las presiones sobre el medio ambiente (en otros modelos, presiones indirectas).  Presiones: son las actividades humanas que causan o pueden causar problemas en el medio ambiente. Los indicadores de presión describen la emisión de sustancias contaminantes, y el uso de los recursos naturales.  Estado: los indicadores de estado describen la situación de diversos aspectos del medio ambiente en un momento determinado. El estado depende, además de las condiciones naturales, de las presiones sobre el medio y de las medidas de protección del medio ambiente que se hayan implantado.  Impacto: los indicadores de impacto muestran las consecuencias de los cambios en el estado del medio ambiente o en la población.  Respuesta: los indicadores de respuesta reflejan las iniciativas de la sociedad y la administración para la mejora de los problemas medioambientales. Este esquema muestra los fenómenos de manera más disgregada que el PSR, a costa de perder simplicidad. En términos generales, se puede emplear el marco DPSIR cuando el sistema de indicadores tiene como objetivo un conocimiento más profundo de los temas y mientras exista suficiente información. En la siguiente página se puede observar una representación esquemática del funcionamiento de este modelo. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 12 FACTOR DETERMINANTE •Condiciones ambientales y socioeconómicas básicas PRESIÓN •Actividades humanas que afectan al medio ambiente ESTADO •Cambios perceptibles en el medio ambiente IMPACTO •Efectos provocados por los cambios del medio ambiente RESPUESTA •Respuesta de la sociedad para solucionar los problemas Funcionamiento del esquema DPSIR. Más adelante, en la sección 3.1, se estudia un ejemplo de la aplicación de este modelo en el mundo del agua, por parte del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino de España (MARM). La información se encuentra disponible públicamente en la página web del Ministerio (http://www.marm.es). Figura 5: Esquema DPSIR. Factor determinante, presión, estado, impacto y respuesta. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 13 "El agua tiene el poder de mover a millones de personas. Desde el comienzo de la civilización humana, las personas se han asentado cerca del agua. La gente se mueve cuando hay poca, la gente se mueve cuando hay demasiada. La gente se mueve sobre ella. La gente escribe, canta, baila y sueña con ella. La gente lucha por ella. Y todo el mundo, en todas partes y todos los días, la necesita. Necesitamos agua para beber, para cocinar, para lavar, para la alimentación, para la industria, la energía, el transporte, para la diversión, para la vida. Y no solo nosotros los humanos la necesitamos, todo ser vivo depende del agua para su supervivencia”. Mijaíl Gorbachov. 3. Indicadores en el mundo del agua. Se han visto con anterioridad las pautas para la elaboración adecuada de indicadores y los marcos de referencia en que pueden ser catalogados para una mejor comprensión. Sin embargo, es momento de enfocar. Como es bien sabido, los indicadores están por todas partes, y una de esas partes, de vital importancia para la vida, es el agua. Después de esta concienciadora sentencia acerca de la importancia del agua, puede procederse ya al abordaje del tema en cuestión: el uso actual de indicadores en el mundo del agua. Sirva para comenzar el ejemplo del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, que emplea el marco DPSIR, desarrollado en el capítulo previo. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 14 3.1. Aplicación del modelo DPSIR por el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. Propósito del sistema de indicadores El Sistema de Indicadores del agua es un conjunto de medidas clave que caracterizan el estado del medio acuático y la repercusión de la actividad humana sobre el mismo. Es parte de un esfuerzo de síntesis de la información más relevante contenida en los datos ambientales y socioeconómicos recogidos por el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. Resume en más de 40 variables los valores más destacados y que caracterizan mejor el estado y la evolución del medio. El esfuerzo del diseño y cálculo de estos indicadores va mucho más allá de su publicación, puesto que se trata de información que se utiliza en el proceso de gestión del agua. Sin embargo su publicación es clave para promover su conocimiento por parte de la sociedad y para fomentar su uso generalizado como herramienta de diagnóstico y seguimiento de las problemáticas principales del agua en España. A quién va dirigido Según indica el citado Ministerio en su página web, el público al que va dirigido es el siguiente: - Ciudadanos interesados en conocer con más profundidad el estado del medio en España y comprender mejor la problemática del agua, su evolución y las medidas que toma la administración para gestionarlo. - Usuarios más especializados del mundo del agua, españoles o extranjeros, que desean tener una visión de conjunto del estado del medio que les permita identificar rápidamente:  Las problemáticas más graves  La situación relativa de las demarcaciones en el conjunto del Estado  La evolución de los indicadores a lo largo del tiempo APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 15 El Sistema de Indicadores como parte del SIA El Sistema Integrado de Información del Agua (SIA) es el sistema de referencia para el tratamiento de la información ambiental sobre el agua del Ministerio de Medio Ambiente. Se trata de un sistema que integra múltiples fuentes de datos de diversos organismos relacionados con la planificación y gestión hidrológica. El SIA posee un modelo de datos único que relaciona todas esas fuentes y permite disponer de una visión integrada de la información independientemente de dónde se encuentre almacenada. Modelo de cálculo El sistema de indicadores se nutre de datos del SIA, lo que permite que la información mostrada se corresponda con los últimos datos disponibles y provenga de fuentes validadas. Los datos originales disponibles para cada variable se agregan en la mayor parte de los casos para mostrar valores a escala nacional y de Comunidades Autónomas o de Demarcaciones Hidrográficas según el indicador de que se trate. Respecto a la escala temporal, la información se muestra a escala anual, y en algunos casos mensual; si la información de partida es más detallada, se realiza la agregación necesaria, que puede ser una suma o una media. La información se muestra mediante gráficos que comprenden todo el periodo de datos disponible para cada indicador. Acceso al panel de control El sistema de indicadores del agua pretende incluir los indicadores más relevantes para cada uno de los elementos del modelo DPSIR en lo referente al medio ambiente acuático e incluye tanto factores naturales como antrópicos. La organización de los indicadores dentro del modelo puede observarse en la siguiente imagen. En este 'mapa de indicadores' cada indicador se encuentra en la zona considerada más apropiada, aunque realmente existen indicadores influenciados tanto por factores naturales como antrópicos, y, en último término la actividad humana influencia todas las variables ambientales. Mapa de indicadores – FACTORES ANTRÓPICOS Figura 6: Mapa de indicadores: factores antrópicos. Ministerio de Medio Ambiente. Mapa de indicadores – FACTORES NATURALES Figura 7: Mapa de indicadores: factores naturales. Ministerio de Medio Ambiente. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 18 3.2. Elección del objeto de estudio. ¿Por qué el río Ebro? Para ilustrar el marco teórico descrito anteriormente se ha elegido el río Ebro. Las razones que han conducido a esta elección son las siguientes: 1. Es el río más representativo de España, por su magnitud, (hablando tanto en términos de caudal como de longitud) y por la extensión de su cuenca, la mayor de la Península. 2. El valle del Ebro, junto con la costa Mediterránea de España y Francia, forman el segundo eje de futuro de Europa, contactando perpendicularmente con el eje del Rin (que recorre Europa de norte a sur desde el sur de Inglaterra hasta el norte de Italia a través del Rin). 3. La disponibilidad de datos es elevada, gracias a la Confederación Hidrográfica del Ebro, la primera institución creada en el mundo con el objetivo de gestionar toda una cuenca fluvial de manera unitaria; y cuya sede está en Zaragoza, donde se está llevando a cabo este trabajo. En el siguiente capítulo se realiza una descripción del río Ebro y de su cuenca, de la Confederación Hidrográfica del Ebro y de los usos más importantes que se hacen del agua según la citada institución. Se finaliza explicando los diferentes sistemas de medida de parámetros que son empleados por la Confederación a lo largo y ancho de toda la cuenca, a fin de esclarecer cualquier tema, dar luz a toda cuestión y permitir la toma adecuada de decisiones bajo fundamentos en forma de datos. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 19 4. El río Ebro. El río Ebro es el segundo río más caudaloso de la Península Ibérica, por detrás del Duero; el segundo más largo de la Península, por detrás del Tajo; y el primero, tanto por longitud como por caudal, entre los que discurren enteramente por España. Recorre el extremo nororiental de la Península Ibérica, a través del valle que lleva su nombre, situado en una depresión. Sigue una dirección noroeste-sureste desde su nacimiento en el Pico Tresmares en la Cordillera Cantábrica (aunque tradicionalmente se ha considerado Fontibre como su lugar de nacimiento), hasta el Mar Mediterráneo, en el que desemboca formando el Delta del Ebro. Figura 8: Cuenca del Ebro. Orografía. El Ebro atraviesa las comunidades autónomas españolas de Cantabria (donde nace), Castilla y León, La Rioja, Navarra, Aragón y Cataluña (donde desemboca). Además, su cuenca hidrográfica también drena territorios del País Vasco, Castilla la Mancha y la Comunidad Valenciana. Dos capitales de comunidad autónoma, Logroño y Zaragoza, son bañadas por el río. Fuente: Gran Enciclopedia Aragonesa (GEA). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 26 4.3.3. Usos industriales no energéticos Los usos industriales comprenden las actividades de la industria manufacturera, excluyendo las actividades extractivas energéticas y relativas a la construcción. Si bien la demanda de agua para uso industrial servida por las redes de abastecimiento urbano ya está contemplada en el abastecimiento de población, en este punto se incluye todo el volumen de consumo industrial, tanto conectado a la red municipal como a partir de recursos propios. La demanda de la industria manufacturera asciende a 249 hm3/año, lo que representa un 3% de la demanda consuntiva total de agua en la Demarcación. Si se realiza un análisis subsectorial de la demanda industrial manufacturera se desprende que la actividad que más agua requiere es la correspondiente a la metalurgia y productos metálicos (79 hm3/año), seguido de la industria del papel (43 hm3/año), el sector de alimentación, bebidas y tabaco (41 hm3/año) y la industria química y farmacéutica (36 hm3/año) (C.H. del Ebro, 2010). Figura 15: Gráfico sectorial: usos del agua en la industria manufacturera. 40% 22% 20% 18% Usos industriales no energéticos Metalurgia (79 hm3/año) Industria del papel (43 hm3/año) Alimentación, bebidas y tabaco (41 hm3/año) Industria química y farmacéutica (36 hm3/año) APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 27 4.3.4. Usos energéticos. La demarcación del Ebro cuenta con una potencia instalada de 11.500 MW, sin considerar las energías alternativas, capacidad que corresponde en un 34% a la producción hidroeléctrica, un 44% a la producción térmica, y un 22% restante de origen nuclear. En términos de contribución a la capacidad de generación nacional, en la cuenca del Ebro se produce el 32% de la energía nuclear, el 21% de la energía hidráulica y el 11% de la energía térmica convencional. La cuenca del Ebro presenta un notable desarrollo hidroeléctrico, tanto por número de saltos hidroeléctricos (458 agrupados en 360 centrales), como por la potencia instalada (3.894,5 MW). El uso estrictamente hidroeléctrico viene a suponer la utilización de unos 38.000 hm3/año de agua, con lo que se obtiene una producción del orden de los 9.400 GWh. Considerando la aportación media en régimen natural, la producción unitaria que se obtiene (0,5 kWh/m3) es la mayor de todas las cuencas españolas. La producción hidroeléctrica del Ebro es fundamental y de importancia estratégica para el mantenimiento de la potencia-frecuencia de la red en el nordeste de España. La capacidad hidroeléctrica se concentra en las cuencas de la margen derecha -fundamentalmente en el Segre y sus afluentes (Cinca, Ésera y Nogueras)- y en el sistema de embalses del bajo Ebro: Mequinenza–Ribarroja–Flix que albergan las tres centrales más productivas de la cuenca (C.H. del Ebro, 2010). Figura 16: Centrales en la Demarcación Hidrográfica del Ebro. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 28 Centrales térmicas Por otro lado, las principales demandas de agua dulce para refrigeración en España se localizan en las centrales nucleares de la cuenca del Ebro, con una potencia instalada de 5.430 MW: Ascó (2.270 hm3/año) y Sta. Mª de Garoña (766 hm3/año); ambas tienen riesgo de no satisfacer las demandas e imponen rigidez a la explotación de los caudales del Ebro. Las centrales de ciclo combinado, con una potencia instalada que alcanza los 3.877 MW, se han ubicado en Arrúbal, Castejón, Castelnou y Escatrón, aunque existen varios emplazamientos solicitados a lo largo del Ebro, y superan en potencia instalada a las térmicas clásicas de Teruel (1.050 MW) y Escucha (160 MW). Por otra parte, en los ciclos combinados el consumo de agua resulta una media de 200 l/s por grupo de 400 MW, de los cuales un 60% se evapora y un 40% retorna al cauce fluvial (C.H. del Ebro, 2010). Resumen de los aprovechamientos energéticos: Toda la cuenca: Nº Potencia (MW) Produc. (GWh/año) Centrales hidroeléctricas 330 3874 6500 Centrales térmicas de carbón 3 1290 7600 Centrales térmicas de gas 3 2300 9500 Centrales nucleares 3 2421 18400 Parques eólicos 200 5500 7000 Tabla 1: Aprovechamientos energéticos en toda la cuenca del Ebro. Potencia instalada y producción. Cauce principal: Nº DE C. HIDROELÉCT: 55 POTENCIA (MW) CAUDAL (m3/s) PRODUCCIÓN (GWh/año) TOTAL 865,01 6495,56 1935,12 Tabla 2: Aprovechamientos energéticos en el cauce principal del Ebro. Potencia instalada y producción. Fuente: C. H. del Ebro. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 29 4.4. El sistema SAIH, las redes de estaciones SAICA y CEMAS. Medición de parámetros a lo largo del cauce. A lo largo y ancho de toda la cuenca se encuentran situadas estaciones de diversas redes que sirven para medir multitud de parámetros, de cara a un conocimiento lo más pleno posible acerca del comportamiento del río y de su estado. Algunas están enfocadas a la obtención de parámetros cuantitativos, y otras son en la práctica como laboratorios en los que se analiza la calidad del agua. Son las herramientas de las que se sirve la Confederación Hidrográfica del Ebro para elaborar informes detallados acerca de la situación del río en todo momento. Y son el medio por el que obtener los datos necesarios para la elaboración de este trabajo. A continuación, la explicación de cada una de ellas. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 30 4.4.1. Midiendo la cantidad: el SAIH El SAIH es el Sistema Automático de Información Hidrológica de la Cuenca Hidrográfica del Ebro. Es un sistema de información encargado de captar, transmitir en tiempo real, procesar y presentar aquellos datos que describen el estado hidrológico e hidráulico de la cuenca, incluyendo, por tanto, el conocimiento del régimen hídrico a lo largo de su red fluvial y el estado de las obras hidráulicas principales y de los dispositivos de control que en ellas se ubican. Como tal sistema de información se apoya en una red de comunicaciones, y como elementos inteligentes de la misma, utiliza sistemas de adquisición y procesado de datos. Figura esquemática representativa del funcionamiento del SAIH. Los “puntos de concentración”, representados por triángulos en la figura recogen la información de las “estaciones de control” de sus alrededores y se la hacen llegar al “centro de proceso de cuenca”, representado por un círculo en la figura. Estaciones de control Puntos de concentración Centro de proceso de cuenca Figura 17: SAIH. Sistema Automático de Información Hidrológica. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 31 4.4.2. Midiendo la calidad: redes de estaciones CEMAS y SAICA. Red de estaciones SAICA En la cuenca existe una serie de puntos en los cuales el riesgo de producirse fenómenos de alteración de la calidad es mayor (por vertidos de aguas residuales, fundamentalmente), o bien se trata de masas de agua que exigen un mayor control en razón del uso a que se destinan (captaciones de agua potable, sobre todo). Para llevar a cabo esos controles está implantada la Red de alerta, conocida como red SAICA (Servicio Automático de Información de Calidad del Agua). Está constituida por una serie de instalaciones desasistidas que informan en continuo a un Centro de Control. En las estaciones se miden en continuo parámetros como la turbidez del agua, la temperatura, la conductividad, el pH, el oxígeno disuelto, el amonio, y en algunas estaciones también los nitratos y los cloruros. Red de estaciones CEMAS A diferencia de la red SAICA, cuyas medidas son continuas y en tiempo real, las estaciones de la red CEMAS (Calidad y Estado de las Masas de Agua Superficiales) son de muestreo puntual sobre una red de puntos fijos, en los que se efectúan medidas in situ y determinaciones analíticas. Se miden muchos más parámetros que en las estaciones de la red anterior, con una frecuencia mensual o trimestral. Figura 18: Red CEMAS. Control de Estado de las Masas de Agua Superficiales. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 32 5. Propuesta de nuevos indicadores: exergía, perfil exergético y coste exergético. En el presente capítulo se procede a la explicación de los diferentes conceptos de exergía, exergoecología, coste exergético, Hidronomía Física y la Directiva Marco del Agua. Después se desglosa la ecuación general de la exergía del río en sus diferentes términos dando explicación a cada uno de ellos. Habiendo sentado las bases teóricas, se procede al estudio de los datos obtenidos para el cauce del Ebro, comprobando la viabilidad de la aplicación de los nuevos indicadores que se proponen. 5.1. Definiciones. A continuación se explican las nociones básicas necesarias para el entendimiento de este tema. Índice de definiciones: 5.1.1. Exergía. Generalidades. 5.1.2. Exergoecología. 5.1.3. Estados ecológicos de los ecosistemas. 5.1.4. Coste exergético. 5.1.5. Hidronomía Física. 5.1.6. Directiva Marco del Agua. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 33 5.1.1. Exergía. Generalidades. En termodinámica, la exergía de un sistema es el máximo trabajo útil teórico que se puede obtener durante un proceso que conduzca a dicho sistema al equilibrio con el entorno. Si los límites del entorno se amplían lo suficiente, el entorno es el ambiente. Dicho de otro modo, la exergía es la energía susceptible de ser utilizada. Cuando el sistema y sus alrededores alcanzan el estado de equilibrio, la exergía es nula; y a éste se le denomina estado muerto. La energía nunca se destruye en los procesos, solo cambia de forma (1º Ley de la Termodinámica). En cambio, la exergía da cuenta de la irreversibilidad de un proceso debida al incremento de entropía (2ª Ley de la Termodinámica). La exergía se destruye en todo proceso que implique un cambio de temperatura, y esta destrucción es proporcional al incremento de entropía del universo. En los procesos isotermos reversibles, los términos exergía y energía son intercambiables y no hay generación de entropía. La exergía es una propiedad de la combinación del sistema y su entorno porque, a diferencia de la energía, depende del estado de ambos. No tiene sentido hablar de exergía de un sistema sin tener definido un entorno. A la luz de estas nociones, ha de quedar claro que la definición tradicional de la energía como la “capacidad para efectuar trabajo” no es cierta, pues rigurosamente esta propiedad es inherente a la exergía, y no a la energía. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 34 5.1.2. Exergoecología. La exergoecología (Valero, 1998) es la aplicación del análisis de exergía para la evaluación de los recursos naturales en la tierra. El consumo de los recursos naturales implica dispersión y destrucción de la organización, lo que se traduce en pérdida de exergía (generación de entropía). Por ello, el análisis de exergía describe perfectamente la degradación del capital natural. El valor termodinámico de un recurso natural se define como el mínimo de trabajo (exergía) necesario para producir dicho recurso a partir de las sustancias tal y como se encuentran (concentración y distribución) en el entorno de referencia. Por lo tanto, la exergía da cuenta de las características físicas concretas que hacen valiosos a los recursos naturales: unas características físicas diferentes de las del entorno, una composición particular que les diferencia del medio ambiente circundante, una localización privilegiada... Por lo tanto, la cuantificación del capital natural en términos de exergía es más rigurosa, coherente y global que en términos de masa o de dinero. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 35 5.1.3. Estados ecológicos de los ecosistemas. Entre el “estado natural” (sin intervención humana) y el “estado cero” (máxima degradación), existen diversos estados intermedios, como el “estado de explotación” (situación en régimen de explotación no regulada, sin medidas correctoras del impacto ambiental), el “estado actual” (situación observable como resultado de la aplicación efectiva de medidas correctoras), el “estado legal” (situación que correspondería al total cumplimiento de la normativa ambiental) y el “estado objetivo” fijado por consenso (situación correspondiente a la aspiración social de calidad ambiental) (Directiva 2000/60/CE, 2000) (Directiva Marco del Agua). Figura 19: Estado ecológico de un ecosistema, desde el estado natural al estado cero. Más adelante, se estudiarán los estados natural, actual y objetivo del río Ebro, con objeto de compararlos para establecer conclusiones sobre la influencia del ser humano, sobre las pretensiones de las políticas establecidas y sobre el coste de llevar a cabo esas políticas. Estado Natural Estado Objetivo Estado Legal Estado Actual Estado de Explotación Estado Cero APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 42 5.2.1. Exergía térmica. La exergía térmica depende del calor específico de la solución -que puede aproximarse, en el caso de ríos y lagos, al del agua pura cp,H2O = 4,184 kJ/kgK (Perry & Green, 1997)- y de las temperaturas absolutas del sistema T y del entorno de referencia T0: [ ( )] Ecuación 2: Exergía térmica del agua de un río. Este término puede tener cierto valor representativo en algunos casos tales como sistemas de enfriamiento o usos recreativos como los baños térmicos. A continuación, un ejemplo de la evolución de la exergía térmica en función de la temperatura. Se ha tomado temperatura de referencia T0 = 288 K. Puede observarse un mínimo en la gráfica, justamente cuando la temperatura del agua del río coincide con la temperatura de referencia, caso en que la exergía térmica es nula. Figura 23: Variación de la exergía térmica del río en función de la temperatura. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 43 5.2.2. Exergía mecánica. El componente mecánico de la exergía se calcula a partir del volumen específico de la solución (agua del río) -el cual puede aproximarse sin serio error al del agua pura ( = 0,001 m3/kg) (Perry & Green, 1997) - y de la diferencia de presión (kPa) con el ambiente de referencia. ( ) Ecuación 3: Exergía mecánica del agua de un río. Esta componente sería representativa si se analizasen en el estudio las estaciones de bombeo, los sistemas subterráneos de conducción de agua o el agua recogida en los embalses. En el estudio de un río o de otra masa de agua, se puede asignar un valor a esta componente cuando la altura del flujo se conozca en cada punto o tramo de río. Figura 24: Variación de la exergía mecánica en función de la presión. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 44 5.2.3. Exergía potencial. La exergía potencial se calcula tomando en cuenta las alturas z (km) respecto del nivel del mar. El parámetro g representa la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) y z0 la altitud del entorno de referencia (z0 = 0 al nivel del mar). ( ) Ecuación 4: Exergía potencial del agua de un río. Aunque este término tiene su mayor importancia en el nacimiento del río, se debe considerar con especial atención el caso de los embalses con instalaciones para generación de energía hidroeléctrica: esta exergía potencial se convertirá primero en energía mecánica y después en eléctrica. Figura 25: Variación de la exergía potencial en función de la altura. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 45 5.2.4. Exergía cinética. La exergía cinética se calcula a partir de la velocidad absoluta C (m/s) del agua en la estación de medida. El 1000 que figura en la fórmula corresponde a un mero factor de conversión para obtener las unidades deseadas. ( ) Ecuación 5: Exergía cinética del agua de un río. A menos que la estación de medida esté emplazada en rápidos o en el corazón de una cascada, este término no debería tener demasiada relevancia en ningún caso. El entorno de referencia se considera estático, de modo que C0 = 0 por definición. Figura 26: Variación de la exergía cinética en función de la velocidad. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 46 5.2.5. Exergía química de formación. La exergía química intrínseca de cualquier elemento se encuentra fácilmente en cualquier tabla de exergía química: ∑ Ecuación 6: Exergía química debida a la composición del agua de un río. Donde es la energía libre de formación de Gibbs, n es la cantidad (kmol) del elemento e y es la exergía química estándar del elemento. Este componente representa la energía necesaria para formar una determinada molécula a partir de los elementos tal y como se encuentran en el ambiente de referencia. Si la molécula se encuentra exactamente igual en el ambiente, su componente de exergía de formación es nulo. En este aspecto, existen varias técnicas para realizar la caracterización del río. Los métodos comúnmente usados hoy en día para medir la materia orgánica (MO) presente en el agua son la demanda biológica de oxígeno (DBO), la demanda química de oxígeno (DQO), carbono orgánico total (COT) y demanda total de oxígeno (DTO). Para este trabajo se obtuvieron las medidas de la DBO, pero se considera oportuno caracterizar la exergía química orgánica en función del COT. Para realizar esta transformación entre DBO y COT, se emplea un factor experimental de 0,5 (Metcalf & Eddy, 2003). ( ) ( ) Ecuación 7: Exergía química orgánica en función del Carbono Orgánico Total (COT). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 47 Figura 27: Variación de la exergía química orgánica en función del Carbono Orgánico Total. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 48 5.2.6. Exergía química de concentración. Además de la exergía química de formación, la concentración de cada sustancia en la masa de agua tiene que ser comparada con su concentración en el estado de referencia. Este término es el término más complejo de calcular porque hay tres diferentes contribuciones que han de tenerse en cuenta: la concentración de agua pura y las contribuciones correspondientes a las sustancias inorgánicas y orgánicas disueltas. ∑ ( ) Ecuación 8: Exergía química debida a la concentración de iones en el agua de un río. Donde es la fracción molar y es el coeficiente de actividad de la sustancia i en el agua. Las actividades se utilizan más que las concentraciones molares, ya que se trata con disoluciones. Figura 28: Variación de la exergía química en función de la concentración. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 49 6. Procedimiento seguido. Como ya se ha mencionado en el capítulo 5, cada uno de los componentes de la exergía se calcula a partir de uno o varios parámetros. Es necesario entonces hacer una recopilación exhaustiva de los valores de dichos parámetros. Parámetro determinante Componente exergética Temperatura Térmica Presión Mecánica Altitud Potencial Velocidad Cinética DBO/COT Química orgánica Conductividad/Concentraciones iones Química inorgánica Tabla 3: Relación parámetro determinante – componente de exergía. En este estudio, se tiene en cuenta el periodo comprendido entre octubre del 2002 y septiembre del 2006, lo que suma un total de 4 años hidrológicos divididos en los correspondientes 48 meses. El siguiente paso es determinar cuántos puntos a lo largo del cauce principal de la cuenca serán objeto de estudio, y la localización de estos puntos. El río Ebro es dividido en un número determinado de tramos, desde el nacimiento a la desembocadura. Para caracterizar mejor el río, se controlan medidas, además del cauce principal, de los principales afluentes. Se analizan los datos disponibles de cantidad (estaciones de aforo) y los de calidad, que son determinados a partir de las medidas tomadas por la red de estaciones CEMAS (Control del Estado de las Masas de Agua Superficiales) explicada en la sección 4.4.2. Estos datos físico-químicos, junto con otra mucha y variada información de la hidromorfología de la zona, características del terreno, condiciones ambientales, usos del agua, se introducen en el programa Aquatool 2 para la realización de la simulación 2 Aquatool es un programa para la edición de grafos, diseñado por la Universidad Politécnica de Valencia, empleado para la simulación de cuencas (Universidad Politécnica de Valencia). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 50 de la cuenca, obteniendo así información detallada de cada uno de los tramos en que se ha dividido el río para su análisis. Estos datos de salida del simulador proporcionan la base para construir el perfil exergético de cauce principal del Ebro (Ebro simplificado). Tras la representación gráfica y análisis de las variables físicas en el río (caudal, conductividad, materia orgánica, etc.) se procede al cálculo de la exergía del río. Como ya se indicó en el capítulo 5, la distinta naturaleza y orden de magnitud de las diferentes componentes de la exergía de un río hacen recomendable mantener separados los resultados de cada una de esas componentes. Así, se obtienen varios perfiles del río, uno por cada una de las variables analizadas. Para ello, una vez trasladados estos datos a las tablas oportunas, y ordenados convenientemente, se introducen en el programa EES 3 y, tras aplicar las ecuaciones explicadas en la sección 5.2, se obtienen los resultados. En las páginas que siguen a estas líneas se explica con más detalle cada uno de los pasos dados hasta alcanzar los resultados finales. Finalmente, se computa la exergía de cada uno de los tramos para obtener el valor total de la exergía del río. Estos valores globales de exergía (energía disponible) en el río se comparan mediante un conjunto de indicadores con el aprovechamiento actual de la cuenca. 3 EES (Engineering Ecuation Solver): potente programa para la resolución de todo tipo de ecuaciones desarrollado por F-Chart Software (F-Chart Software). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 51 6.1. División en tramos de la cuenca. La división en tramos de todos los ríos de la cuenca fue realizada por la Confederación en un trabajo interno mediante el empleo del software Aquatool. A continuación se puede observar la magnitud del esquema del Ebro, y un ejemplo del Noguera Pallaresa en el que se pueden apreciar los nudos y los tramos con claridad (afluente del Segre, a su vez afluente del Ebro): Figura 29: Esquema del Ebro dividido en tramos. Aquatool (Carrasquer, 2011). Figura 30: Ejemplo: esquema del Noguera-Pallaresa dividido en tramos. Aquatool (Carrasquer, 2011). APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 58 El siguiente paso es acceder a los datos tomados en cada estación. Desde esta página (C. H. del Ebro), en la sección de resultados analíticos, se accede a las fichas elaboradas con los datos medidos: http://oph.chebro.es/DOCUMENTACION/Calidad/cemas/inicio.htm Y haciendo clic en “Ver fichero” accedemos a la información: Figura 35: CEMAS. Resultados analíticos. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 59 Figura 36: Ejemplo de hoja de resultados analíticos. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 60 Los datos de los parámetros oportunos son trasladados a una tabla Excel, para facilitar su almacenamiento y el posterior manejo de los mismos. Siguiendo el mismo procedimiento para cada una de las distintas estaciones, 51 en total, entre cauce principal y afluentes, se obtiene una tabla de datos para cada parámetro. Ejemplo (amonio): NH4 (mg/L) Estación referencia 003.- Ega en Andosilla 004.- Arga en Funes 015.- Guadalope, Der. Acequia … AÑO MES 2002 oct 0,13 0,18 0,13 … 2002 nov 0,13 0,18 0,13 … 2002 dic 0,13 0,18 0,13 … 2003 ene 0,13 0,18 0,13 … 2003 feb 0,13 0,18 0,13 … 2003 mar 0,13 0,13 0,13 … 2003 abr 0,13 0,13 0,13 … 2003 may 0,13 0,13 0,13 … 2003 jun 0,13 0,13 0,13 … 2003 jul 0,13 0,13 0,13 … 2003 ago 0,13 0,13 0,13 … 2003 sep 0,13 0,13 0,13 … 2003 oct 0,13 0,13 0,13 … 2003 nov 0,13 0,13 0,13 … 2003 dic 0,13 0,13 0,13 … 2004 ene 0,13 0,13 0,13 … 2004 feb 0,13 0,13 0,13 … … … … … … … Tabla 8: Ejemplo de tabla de datos para el amonio. Los parámetros obtenidos a través de las fichas CEMAS y luego utilizados para la simulación en la cuenca y el cálculo de las componentes exergéticas son: pH, temperatura del agua, conductividad, oxígeno disuelto, DBO5, amonio total, cloruros, sulfatos, nitratos, nitritos, fosfatos, carbonatos, calcio, magnesio, sodio, potasio, alcalinidad y materia en suspensión. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 61 6.3. Simulación en Aquatool: SIMGES & GESCAL. 5 El modelo SIMGES es un modelo general para la Simulación de la Gestión de Cuencas perteneciente al Sistema Soporte de Decisión (SSD) Aquatool. Aquatool ha sido desarrollado durante más de una década por el Grupo de Ingeniería de Recursos Hídricos de la Universidad Politécnica de Valencia. Este SSD está compuesto por una serie de herramientas que permiten la modelación de sistemas de recursos hídricos a todos los niveles como son optimización, simulación, modelación de la calidad del agua, aspectos económicos, aguas subterráneas, hidrología, etc. El modelo SIMGES permite la modelación de sistemas de recursos hidráulicos complejos, en los que se dispone de elementos de regulación o almacenamiento tanto superficiales como subterráneos, de captación, de transporte, de utilización y/o consumo, y de dispositivos de recarga artificial. La herramienta GESCAL permite el desarrollo de modelos de calidad del agua sobre modelos de simulación de sistemas de recursos hídricos previamente desarrollados con el módulo SIMGES. La calidad en un tramo de río o en un embalse no sólo depende de los procesos que se producen sino también de la gestión del sistema y de la calidad de los diferentes elementos que tengan relación con el elemento en cuestión. Los constituyentes que se pueden modelar son los siguientes: o Temperatura. o Contaminantes arbitrarios. o Oxígeno disuelto y Materia Orgánica Carbonosa (MOC). o Ciclo del nitrógeno: nitrógeno orgánico, amonio y nitratos. Y su afección sobre el oxígeno disuelto. o Eutrofización: ciclo del nitrógeno, fitoplancton (como clorofila-a, fósforo orgánico e inorgánico; y su afección sobre el oxígeno disuelto). Fuente: Portal de desarrollo de Aquatool (Universidad Politécnica de Valencia). 5 Esta parte se realizó dentro del mismo trabajo de investigación en el que está enmarcado el PFC, sin embargo, no es competencia de éste. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 62 6.4. Cálculos en EES. El siguiente paso es introducir los datos obtenidos tras la simulación en Aquatool en el EES (Engineering Equation Solver) para el cálculo de los resultados finales. El EES es un programa para la resolución de ecuaciones desarrollado por F- Chart Software. Figura 37: Muestra de la tabla de datos introducida en el EES y lista para comenzar el cálculo. En el EES se programan las funciones oportunas para el cálculo de las diferentes componentes de exergía explicadas en el capítulo 5, y se obtienen los resultados buscados, que son exportados de nuevo a Excel para facilitar el manejo de los mismos y la elaboración de gráficas. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 63 7. Resumen de resultados. A continuación se presentan los resultados que se han obtenido en los diferentes apartados. En primer lugar, se estudian las evoluciones del caudal en el río Ebro, tanto a lo largo del tiempo como a lo largo del cauce. Posteriormente se explican las variaciones de los diferentes parámetros a lo largo del cauce y las correspondientes variaciones de las distintas componentes específicas de la exergía. Después de observar la evolución de las componentes específicas, se realiza lo mismo para las componentes absolutas. Y por último, se explica un método para la integración a lo largo de todo el cauce de cada una de las diferentes componentes exergéticas. 7.1. Variación del caudal. En esta sección se observa la variación del caudal a lo largo del tiempo y a lo largo del cauce. Las variaciones de caudal son sencillas de comprender y dan una imagen intuitiva de la cantidad de agua disponible en cualquier momento o en cualquier lugar. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 64 7.1.1. Variación del caudal a lo largo del tiempo. A continuación se muestra cómo varía el caudal con el paso de los meses a lo largo del año. Sólo se muestra el caso del tramo final, por considerarse el más representativo y en el que más evidentes son los cambios estacionales. Más adelante se hará referencia a esta gráfica para realizar comparaciones con los diversos tipos de exergía, justificando qué tipo de relación tiene cada uno de ellos con el caudal, en caso de tenerla. G. 1: Variación del caudal en la desembocadura a lo largo del año. Como puede observarse en la gráfica G.1, el caudal es notablemente alto en los meses húmedos, entre enero y abril, variando entre 500 m3/s y 1000 m3/s dependiendo de si el año es seco o húmedo. Por el contrario, en los meses secos, entre junio y septiembre, apenas se alcanzan los 100 m3/s, lo que da una idea del régimen irregular del río. Nótese, asimismo, que las riadas se notan poco en la gráfica, porque son amortiguadas al ser los datos medias mensuales. 0 200 400 600 800 1000 1200 Q (m3/s) Caudal en el tramo final A.H. 2002-03 A.H. 2003-04 A.H. 2004-05 A.H. 2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 65 7.1.1. Variación del caudal a lo largo del cauce. En este apartado va a estudiarse la evolución de los valores de caudal a lo largo del cauce del río Ebro para los diferentes años hidrológicos comprendidos entre octubre de 2002 y septiembre de 2006. Para la realización de las gráficas se han escogido los meses de octubre, enero, abril y julio; que son considerados representativos y dan una idea general de lo que ocurre durante el año hidrológico. G. 2: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2002-03. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 01_Ebro 02_Ebro 03_Ebro 04_Ebro 05_Ebro 06_Ebro 07_Ebro 08_Ebro 09_Ebro 10_Ebro 11_Ebro 12_Ebro 13_Ebro 14_Ebro_(final) Caudal (m3/s) A.H. 2002-03 oct-02 ene-03 abr-03 jul-03 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 66 G. 3: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2003-04. G. 4: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2004-05. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 01_Ebro 02_Ebro 03_Ebro 04_Ebro 05_Ebro 06_Ebro 07_Ebro 08_Ebro 09_Ebro 10_Ebro 11_Ebro 12_Ebro 13_Ebro 14_Ebro_(final) Caudal (m3/s) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 01_Ebro 02_Ebro 03_Ebro 04_Ebro 05_Ebro 06_Ebro 07_Ebro 08_Ebro 09_Ebro 10_Ebro 11_Ebro 12_Ebro 13_Ebro 14_Ebro_(final) Caudal (m3/s) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 67 G. 5: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2005-06. Como puede observarse en las gráficas G.2, G.3, G.4 y G.5, el caudal crece desde el nacimiento del río hasta la desembocadura sin apenas excepciones, siendo este fenómeno mucho más notable en los meses de enero y abril, por ser meses húmedos. En los años hidrológicos 2002-03 y 2003-04, se puede observar que el caudal en los meses de enero y abril es muchísimo mayor que en el caso de los años hidrológicos 2004-05 y 2005-06. Son años húmedos en el primer caso y años secos en el segundo. Sin embargo, esta diferencia de caudal entre un año húmedo y un año seco no es tan notable en los meses de julio y octubre, por ser el caudal muy escaso, nulo en algún caso. En adelante, para los demás parámetros, solo se plasman en este documento las gráficas correspondientes a los años hidrológicos 2003-04, por ser el más caudaloso, y 2004-05, por ser el más seco. Merece la pena destacar, por otro lado, el salto notable que tiene lugar entre los tramos 5 y 6, y que puede observarse en cualquiera de los años hidrológicos, sobre todo en los meses de enero y abril. Este salto es debido a la desembocadura en el Ebro del Aragón, uno de los grandes afluentes pirenaicos. En esta misma línea se observa entre los tramos 10 y 11 otro salto, correspondiente en este caso a la desembocadura del Segre, el principal de los citados afluentes pirenaicos. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 01_Ebro 02_Ebro 03_Ebro 04_Ebro 05_Ebro 06_Ebro 07_Ebro 08_Ebro 09_Ebro 10_Ebro 11_Ebro 12_Ebro 13_Ebro 14_Ebro_(final) Caudal (m3/s) A.H. 2005-06 oct-05 ene-06 abr-06 jul-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 74 Con el COT no parece observarse una dependencia con los meses del año, salvo en el A.H. 2005-06, en el que aparece una ‘meseta’ en los meses de junio y julio con valores de COT justificados por el escaso caudal circulante en dicha época. 7.2.4.2. Variación del TOC a lo largo del cauce. G. 14: COT a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 COT (mg/l) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 75 G. 15: COT a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. La explicación para los ceros es la misma que se ha dado en 7.2.3.2 y previamente en 6.2.2. El COT parece ser constante a lo largo del cauce, el aumento de materia orgánica en el río está compensado por el aumento de caudal, haciendo que las líneas representadas sean prácticamente horizontales. A la llegada del agua del río al mar, el COT se reduce radicalmente a cero. 7.3. Variación de la calidad en términos de exergía específica. En este apartado se estudia la variación de diferentes términos que componen la exergía específica: exergía potencial específica, exergía térmica específica, exergía química inorgánica específica y exergía química orgánica específica. Asimismo, también se estudia el comportamiento de los citados términos exergéticos comparándolos con el de los parámetros de los cuales dependen. 0 2 4 6 8 10 12 COT (mg/l) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 76 7.3.1. Exergía potencial específica. La exergía potencial específica tiene una característica que la diferencia de todas las demás. Está caracterizada por dos constantes: la aceleración terrestre de la gravedad y la altura de cada tramo, por tanto, independientemente del mes o año que estudiemos, la exergía potencial específica siempre tendrá el mismo perfil a lo largo del cauce. Recordando la Ecuación 4: ( ) G. 16: Exergía potencial específica a lo largo del cauce del Ebro. Como era de esperar, el perfil es exactamente análogo al que fue obtenido para la altura en 7.2.1, sin mayor diferencia que la que significa la gravedad g como factor de proporcionalidad. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b_p (kJ/kg) Exergía potencial específica b_p (kJ/kg) APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 77 7.3.2. Exergía térmica específica. 7.3.2.1. Variación de la exergía térmica específica en el tramo final a lo largo del tiempo. G. 17: Variación de la exergía térmica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. Es muy importante destacar que, pese a que en la gráfica G. 17 todos los resultados son positivos, hay casos en los que la exergía se debe a que el río tiene una temperatura más alta que el ambiente de referencia (mar) y otros casos en los que la exergía se debe a una temperatura menor del río (véase la gráfica de la temperatura G. 7). Los picos de los A.H. 2004-05 y 2005-06 en mayo son ejemplos de lo primero, mientras que el pico del A.H. 2002-03 en febrero es un ejemplo del segundo caso. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep b_t (kJ/kg) Exergía térmica específica en el tramo final A.H.2002-03 A.H.2003-04 A.H.2004-05 A.H.2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 78 7.3.2.2. Variación de la exergía térmica específica a lo largo del cauce. G. 18: Exergía térmica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. G. 19: Exergía térmica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 b_t (kJ/kg) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 b_t (kJ/kg) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 79 Los datos reflejados en las gráficas anteriores y los picos que se observan en determinados tramos algunos meses son consecuentes con los datos de temperatura que se estudiaron en las gráficas correspondientes. Cada gradiente de temperatura elevado entre el río y el ambiente de referencia ha conducido ahora a la obtención de un pico en las gráficas de exergía. 7.3.3. Exergía química inorgánica específica. 7.3.3.1. Variación de la exergía química inorgánica específica en el tramo final a lo largo del tiempo. G. 20: Variación de la exergía química inorgánica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. La exergía química en el tramo final es algo mayor en períodos de elevado caudal (febrero-abril), que suponen en general una menor salinidad. 2,3 2,32 2,34 2,36 2,38 2,4 2,42 2,44 2,46 2,48 oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep b_q_i (kJ/kg) Exergía química inorgánica específica en el tramo final A.H.2002-03 A.H.2003-04 A.H.2004-05 A.H.2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 80 7.3.3.2. Variación de la exergía química inorgánica específica a lo largo del cauce. G. 21: Exergía química inorgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. G. 22: Exergía química inorgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 b_q_i (kJ/kg) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 b_q_i (kJ/kg) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 81 La exergía química inorgánica específica disminuye a lo largo del cauce en tanto que la conductividad aumenta, como se puede advertir en las gráficas G.21 y G.22 respectivamente para dos años hidrológicos distintos. 7.3.4. Exergía química orgánica específica. 7.3.4.1. Variación de la exergía química orgánica específica en el tramo final a lo largo del tiempo. G. 23: Variación de la exergía química orgánica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. Esta gráfica es idéntica a la estudiada para el COT, debido a que la fórmula para pasar de uno a otra implica un simple factor de proporcionalidad. Las reflexiones hechas previamente para el COT sirven igualmente en este caso. Lo mismo ocurre para las gráficas del siguiente apartado. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep b_q_o (kJ/kg) Exergía química orgánica específica en el tramo final A.H.2002-03 A.H.2003-04 A.H.2004-05 A.H.2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 82 7.3.4.2. Variación de la exergía química orgánica específica a lo largo del cauce. G. 24: Exergía química orgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. G. 25: Exergía química orgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 b_q_o (kJ/kg) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 b_q_o (kJ/kg) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 83 7.4. Variación de componentes absolutas de la exergía. En este apartado se estudia la variación de diferentes términos que componen la exergía, teniendo en cuenta en esta ocasión la cantidad y la calidad de forma simultánea. Las magnitudes están expresadas en unidades de potencia. 7.4.1. Exergía potencial absoluta. 7.4.2.1. Variación de la exergía potencial absoluta en el tramo final a lo largo del tiempo. G. 26: Variación de la exergía potencial absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. Esta gráfica es semejante a la gráfica G.1 obtenida en el apartado 7.1.1. Esto tiene una sencilla explicación: la exergía potencial específica es constante durante todo el tramo, como ya se ha explicado anteriormente (7.3.1). Así pues, todo fenómeno que pudiera comentarse acerca de esta gráfica ha sido explicado previamente en 7.1.1. 0 10 20 30 40 50 60 oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep B_p (MW) Exergía potencial en el tramo final A.H.2002-03 A.H.2003-04 A.H.2004-05 A.H.2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 90 7.4.4. Exergía química orgánica absoluta. 7.4.4.1. Variación de la exergía química orgánica absoluta en el tramo final a lo largo del tiempo. G. 35: Variación de la exergía química orgánica absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. La anterior gráfica tiene la forma determinada por el caudal, ya que la contribución que hace la exergía inorgánica específica es mucho menor, por tanto, cada tendencia o salto puede explicarse de la misma forma que se explican en 7.1. Esto es aplicable a las gráficas del siguiente apartado. 0 50 100 150 200 250 300 350 oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep B_q_o (MW) Exergía química orgánica en el tramo final A.H.2002-03 A.H.2003-04 A.H.2004-05 A.H.2005-06 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 91 7.4.4.2. Variación de la exergía química orgánica absoluta a lo largo del cauce. G. 36: Exergía química orgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. G. 37: Exergía química orgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. 0 50 100 150 200 250 B_q_o (MW) A.H. 2003-04 oct-03 ene-04 abr-04 jul-04 0 20 40 60 80 100 120 B_q_o (MW) A.H. 2004-05 oct-04 ene-05 abr-05 jul-05 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 92 7.5. Perfiles. Resumen de resultados de la integración a lo largo del cauce. Una vez definidos los parámetros del río, se puede obtener el perfil discreto de cada componente de la exergía de un río. Como hay varios términos significativos (potencial, térmica, química inorgánica, química orgánica), se presenta un perfil correspondiente a cada uno. Cuanta más información se tenga a disposición, más exacta será la representación del perfil. Lo ideal sería un continuo, pero no es factible. Los datos reales proveen de una base discreta de datos que conduce a un perfil discreto del río (Figura 41) (Martínez, 2009). Figura 38: Perfil real del río y perfil discreto calculado (Martínez, 2009). A continuación se muestra un resumen, en forma de tablas, de los resultados obtenidos para los distintos componentes de exergía calculados. La Tabla 9 muestra los datos resultado de sumar todos los tramos del río Ebro, para cada mes, y en cada año hidrológico en unidades de potencia, mientras que la Tabla 10 hace lo propio en unidades de energía. B L Perfil real del río Perfil calculado con la informaci ó n disponible Tabla 9: Resumen de los resultados en los cálculos de exergía en unidades de potencia (MW). B_P (MW) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep MEDIA ANUAL B_P (MW) Mín. Máx. AH-02/03 214,2 311,0 1978,8 2703,7 2819,0 1531,0 1132,8 1233,5 304,6 292,2 163,9 263,8 1079,0 AH-02/03 163,9 2819,0 AH-03/04 797,9 1355,8 1455,5 2273,5 1526,8 2244,3 1986,1 1257,8 282,5 201,9 216,3 249,3 1154,0 AH-03/04 201,9 2273,5 AH-04/05 319,7 606,9 1219,3 1226,4 1453,2 1381,8 1592,7 734,5 191,5 358,0 281,7 72,2 786,5 AH-04/05 72,2 1592,7 AH-05/06 377,7 1075,6 1185,7 1087,1 823,6 1940,8 1026,8 388,2 237,8 261,5 285,6 232,5 743,6 AH-05/06 232,5 1940,8 B_Q_I (MW) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep MEDIA ANUAL B_Q_I (MW) Mín. Máx. AH-02/03 2,9 30,8 1281,1 1989,9 2414,1 1496,2 1023,6 1278,2 379,0 168,1 115,8 375,5 879,6 AH-02/03 2,9 2414,1 AH-03/04 897,9 1687,5 1506,6 1930,8 1423,8 1967,4 1972,2 1312,4 393,2 199,5 128,5 268,1 1140,7 AH-03/04 128,5 1972,2 AH-04/05 300,7 412,1 784,8 750,0 825,0 776,1 1005,7 520,7 198,8 143,6 99,7 68,0 490,4 AH-04/05 68,0 1005,7 AH-05/06 360,9 817,1 852,6 865,4 619,5 1528,7 815,2 313,2 253,7 149,5 112,1 318,0 583,8 AH-05/06 112,1 1528,7 B_Q_O (MW) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep MEDIA ANUAL B_Q_O (MW) Mín. Máx. AH-02/03 19,4 40,1 148,0 275,0 227,2 151,4 112,4 132,4 39,8 23,0 18,5 46,9 102,8 AH-02/03 18,5 275,0 AH-03/04 103,0 212,0 168,4 173,4 130,5 179,5 203,8 136,8 42,5 28,3 18,9 30,5 118,9 AH-03/04 18,9 212,0 AH-04/05 38,8 48,4 80,2 68,3 79,0 80,7 104,3 68,2 25,4 19,7 14,6 9,2 53,1 AH-04/05 9,2 104,3 AH-05/06 61,8 146,3 150,4 177,1 122,9 309,7 154,3 58,6 60,5 43,7 28,8 61,2 114,6 AH-05/06 28,8 309,7 B_T (MW) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep MEDIA ANUAL B_T (MW) Mín. Máx. AH-02/03 13,6 19,9 31,7 163,3 169,4 38,6 8,3 41,3 83,5 47,3 27,6 86,8 61,0 AH-02/03 8,3 169,4 AH-03/04 99,4 185,7 35,2 93,9 55,9 400,0 56,8 26,6 107,0 61,5 40,7 52,6 101,3 AH-03/04 26,6 400,0 AH-04/05 30,7 57,3 52,1 80,8 78,2 119,1 16,2 9,7 46,1 39,2 14,2 8,3 46,0 AH-04/05 8,3 119,1 AH-05/06 18,4 95,3 138,1 99,2 45,8 42,7 12,3 12,8 29,7 18,0 12,9 27,0 46,0 AH-05/06 12,3 138,1 Tabla 10: Resumen de los resultados en los cálculos de exergía en unidades de energía (GWh). B_P (GWh) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep TOT. ANUAL B_P (GWh) Mín. Máx. AH-02/03 159,3 223,9 1472,2 2011,5 1894,4 1139,0 815,6 917,7 219,3 217,4 122,0 189,9 9382,3 AH-02/03 122,0 2011,5 AH-03/04 593,7 976,1 1082,9 1691,5 1026,0 1669,8 1430,0 935,8 203,4 150,2 161,0 179,5 10099,8 AH-03/04 150,2 1691,5 AH-04/05 237,9 437,0 907,2 912,4 976,6 1028,0 1146,7 546,5 137,9 266,4 209,6 52,0 6858,1 AH-04/05 52,0 1146,7 AH-05/06 281,0 774,4 882,1 808,8 553,5 1444,0 739,3 288,8 171,2 194,6 212,4 167,4 6517,4 AH-05/06 167,4 1444,0 B_Q_I (GWh) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep TOT. ANUAL B_Q_I (GWh) Mín. Máx. AH-02/03 2,1 22,2 953,2 1480,5 1622,3 1113,1 737,0 951,0 272,9 125,0 86,2 270,3 7635,7 AH-02/03 2,1 1622,3 AH-03/04 668,0 1215,0 1120,9 1436,6 956,8 1463,8 1420,0 976,4 283,1 148,4 95,6 193,0 9977,6 AH-03/04 95,6 1463,8 AH-04/05 223,7 296,7 583,9 558,0 554,4 577,4 724,1 387,4 143,2 106,9 74,2 49,0 4278,8 AH-04/05 49,0 724,1 AH-05/06 268,5 588,3 634,4 643,8 416,3 1137,4 587,0 233,0 182,6 111,2 83,4 229,0 5114,9 AH-05/06 83,4 1137,4 B_Q_O (GWh) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep TOT. ANUAL B_Q_O (GWh) Mín. Máx. AH-02/03 14,4 29,8 110,1 204,6 169,0 112,6 83,7 98,5 29,6 17,1 13,7 34,9 918,2 AH-02/03 13,7 204,6 AH-03/04 76,7 157,7 125,3 129,0 97,1 133,5 151,6 101,7 31,6 21,1 14,1 22,7 1062,0 AH-03/04 14,1 157,7 AH-04/05 28,9 36,0 59,7 50,9 58,8 60,1 77,6 50,7 18,9 14,7 10,8 6,8 473,9 AH-04/05 6,8 77,6 AH-05/06 46,0 108,8 111,9 131,7 91,5 230,4 114,8 43,6 45,0 32,5 21,5 45,6 1023,3 AH-05/06 21,5 230,4 B_T (GWh) oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sep TOT. ANUAL B_T (GWh) Mín. Máx. AH-02/03 10,1 14,4 23,6 121,5 113,8 28,7 6,0 30,7 60,2 35,2 20,6 62,5 527,3 AH-02/03 4,1 121,5 AH-03/04 74,0 133,7 26,2 69,9 37,5 297,6 40,9 19,8 77,0 45,7 30,3 37,9 890,5 AH-03/04 17,9 297,6 AH-04/05 22,8 41,2 38,8 60,1 52,6 88,6 11,7 7,2 33,2 29,1 10,5 6,0 401,8 AH-04/05 4,1 88,6 AH-05/06 13,7 68,6 102,7 73,8 30,8 31,7 8,8 9,5 21,4 13,4 9,6 19,4 403,5 AH-05/06 7,0 102,7 APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 95 G. 38: Comparativa de los diferentes componentes de exergía. Como puede observarse, las componentes más importantes, con muchísima diferencia, son la potencial y la química orgánica, de un orden de magnitud diez veces mayor que las componentes térmica y química orgánica. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 AH-02/03 AH-03/04 AH-04/05 AH-05/06 Comparativa de valores de las diferentes componentes de exergía en cada año B_p (MW) B_q_i (MW) B_q_o (MW) B_t (MW) APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 96 8. Indicadores propuestos. A continuación se propone una serie de indicadores para evaluar el potencial hidroeléctrico, térmico de enfriamiento y osmótico del río y el aprovechamiento que se hace de estos potenciales. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 97 8.1. Índice de Uso Potencial. A continuación se propone el Índice de Uso Potencial del río (IUP). Se trata simplemente de un cociente entre la producción hidroeléctrica y el potencial máximo obtenido mediante los cálculos realizados. Este índice puede calcularse empleando las energías o las potencias. Véase realizado en ambos casos: Bp (MW) Bp (GWh) Pot. Inst. (MW) Generac. (GWh) IUP_potencia IUP_energía 2002/03 1079,0 9382,3 865 1935 0,80 0,21 2003/04 1154,0 10099,8 865 1935 0,75 0,19 2004/05 786,5 6858,1 865 1935 1,10 0,28 2005/06 743,6 6517,4 865 1935 1,16 0,30 Media 940,8 8214,4 865 1935 0,92 0,24 Tabla 11: Cálculo de Índice de Uso Potencial  Bp (MW) es la media anual, en unidades de potencia, de las integraciones mensuales del perfil completo del río, y está recogida en la Tabla 9.  Bp (GWh) es la suma total, en unidades de energía, de todos los meses del año, en los que se ha integrado el perfil del río. Los datos están en la Tabla 10.  Pot. Inst. es la potencia instalada en el cauce principal del río Ebro, disponible en la Tabla 2.  Generac. es la generación anual de energía que tiene lugar en el cauce principal del río Ebro y se encuentra disponible en la Tabla 2.  IUP_potencia es el Índice de Uso Potencial, cociente de potencias, resultado de dividir Pot. Inst. entre Bp (MW).  IUP_energía es el Índice de Uso Potencial, cociente de energías, resultado de dividir Generac. entre Bp (GWh). El IUP_potencia se encuentra cercano a la unidad, en ocasiones lo sobrepasa y en ocasiones no lo alcanza, esto depende de si el año es húmedo o seco, pero en general se puede observar como la potencia instalada se aproxima mucho al máximo de potencia aprovechable. Sin embargo, puede observarse como el IUP_energía apenas alcanza valores de 0,25; esto es debido a que las centrales no funcionan todas las horas del año y a que no se aprovecha el potencial hidroeléctrico en todos los tramos del río. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 98 8.2. Índice de Uso Térmico. Para el cálculo del Índice de Uso Térmico se necesitan los datos de las centrales localizadas en el cauce principal del río: Ciclo combinado Empresa Potencia MW Producción GWh horas operación Concesión m3/s Vol. máximo, hm3/año Arrubal 1 GAS NATURAL, SDG 402 899 2868 0,23 5,80 Arrubal 2 GAS NATURAL, SDG 397 926 2979 0,23 5,80 Castejón 1 EL. RIBERA DEL EBRO 399 1002 3843 0,28 8,83 Castejón 2 EL. RIBERA DEL EBRO 378 1508 5103 0,28 8,83 Castejón 3 IBERDROLA 426 1184 4401 0,15 9,46 Escatrón 3 E.ON GENERACIÓN 818 4561 7597 0,35 10,94 Escatrón Peaker GLOBAL 3 COMBI SLU 297 161 2592 0,10 3,15 TOTAL 3117 10241 29383 1,61 52,82 Nuclear Empresa Potencia MW Producción GWh horas operación Concesión m3/s Vol. máximo, hm3/año Garoña NUCLENOR 466 3575 7856 24,35 767,78 Ascó 1 ENDESA 1028 5659 5761 38,66 1219,18 Ascó 2 ENDESA 85% IBERDROLA 15% 1027 8191 8082 38,66 1219,18 TOTAL 2521 17425 21699 101,67 3206,14 Tabla 12: Centrales térmicas en el cauce principal del Ebro (Uche, 2010). A partir de la potencia generada en cada central, se realiza una estimación del potencial térmico aprovechado en las centrales termoeléctricas del cauce principal del Ebro (ciclo abierto en las Centrales Nucleares y cerrado en las de Ciclo Combinado). Suponiendo un rendimiento global del 55% y 35% respectivamente, se puede calcular cuál es la energía total proveniente del combustible (Qcomb), así como la energía cedida en el condensador (Qcond) y, por tanto, la exergía suministrada a la corriente de agua extraída del cauce. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 99 TI PO Potencia (MW) Producción (GWh) Horas operación Concesión (m3/s) Q_comb (MW) Q_cond (MW) ∆T concesión (K) Q_cond (GWh) B_t (GWh) IUT Arrúbal1 CC 402 899 2868 0,23 731 329 - 943 - - Arrúbal2 CC 397 926 2979 0,23 722 325 - 968 - - Castejón1 CC 399 1002 3843 0,28 725 326 - 1255 - - Castejón2 CC 378 1508 5103 0,28 687 309 - 1578 - - Castejón3 CC 426 1184 4401 0,15 775 349 - 1534 - - Escatrón3 CC 818 4561 7597 0,35 1487 669 - 5084 - - EscatrónP CC 297 161 2592 0,10 540 243 - 630 - - Garoña N 466 3575 7856 24,35 1331 865 9 6799 - - Ascó 1 N 1028 5659 5761 38,66 2937 1909 12 10999 - - Ascó 2 N 1027 8191 8082 38,66 2934 1907 12 15415 - - TOTAL 45204 556 81 Tabla 13: Cálculo del Índice de Uso Térmico (IUT). 󰇗 ( ) 󰇗 ( ) 󰇗 ( ) 󰇗 ( ) 󰇗 ( ) ( ) 󰇗 ( ) ( ) ( ) ( ) El IUT es mucho mayor que la unidad (en el ejemplo es 81), es decir, la refrigeración le aporta exergía al flujo captado del cauce, al elevar su temperatura muy por encima de la referencia (agua de mar). Posteriormente, dicho calentamiento no es aprovechado por parte del ser humano en ninguna actividad, por lo que es una perdida energética relevante. APLICACIÓN DE LA EXERGÍA PARA LA DEFINICIÓN DE INDICADORES DEL APROVECHAMIENTO DEL AGUA 106 Índice de gráficas. G. 1: Variación del caudal en la desembocadura a lo largo del año. ......................................................... 64 G. 2: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2002-03. ............................................... 65 G. 3: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2003-04. ............................................... 66 G. 4: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2004-05. ............................................... 66 G. 5: Evolución del caudal a lo largo del cauce. Año Hidrológico 2005-06. ............................................... 67 G. 6: Variación de la altura a lo largo del cauce. ........................................................................................ 68 G. 7: Variación de la temperatura en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ........................... 69 G. 8: Temperatura a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. .............................................................................. 70 G. 9: Temperatura a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. .............................................................................. 70 G. 10: Variación de la conductividad en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ....................... 71 G. 11: Conductividad a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. .......................................................................... 72 G. 12: Conductividad a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. .......................................................................... 72 G. 13: Variación del COT en el último tramo del Ebro en función del tiempo. .......................................... 73 G. 14: COT a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. ........................................................................................... 74 G. 15: COT a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. ........................................................................................... 75 G. 16: Exergía potencial específica a lo largo del cauce del Ebro. .............................................................. 76 G. 17: Variación de la exergía térmica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. .... 77 G. 18: Exergía térmica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. ........................................................ 78 G. 19: Exergía térmica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. ........................................................ 78 G. 20: Variación de la exergía química inorgánica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ....................................................................................................................................................... 79 G. 21: Exergía química inorgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04....................................... 80 G. 22: Exergía química inorgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05....................................... 80 G. 23: Variación de la exergía química orgánica específica en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ....................................................................................................................................................... 81 G. 24: Exergía química orgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2003-04.......................................... 82 G. 25: Exergía química orgánica específica a lo largo del cauce. A.H. 2004-05.......................................... 82 G. 26: Variación de la exergía potencial absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ... 83 G. 27: Exergía potencial absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. ....................................................... 84 G. 28: Exergía potencial absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. ....................................................... 84 G. 29: Variación de la exergía térmica absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ...... 86 G. 30: Exergía térmica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2003-04. .......................................................... 87 G. 31: Exergía térmica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2004-05. .......................................................... 87 G. 32: Variación de la exergía química inorgánica absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ....................................................................................................................................................... 88 G. 33: Exergía química inorgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2003-04......................................... 89 G. 34: Exergía química inorgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2004-05......................................... 89 G. 35: Variación de la exergía química orgánica absoluta en el último tramo del Ebro en función del tiempo. ....................................................................................................................................................... 90 G. 36: Exergía química orgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2003-04............................................ 91 G. 37: Exergía química orgánica absoluta a lo largo del cauce. A.H. 2004-05............................................ 91 G. 38: Comparativa de los diferentes componentes de exergía. ............................................................... 95