Mini Hidraulica

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MINI HIDRULICA

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Jaime G. Molina P. Carrera de Ingeniera Mecnica UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRSA Procesado mediante L TEX 2 Septiembre, 2004

Resumen La tecnologa en el campo hidroelctrico ha llegado, en la actualidad, a su plena madurez y el uso industrial del recurso hdrico, por lo menos en los pases desarrollados tras casi dos siglos de aprovechamiento, ha alcanzado prcticamente su potencial tcnico. A diferencia de ello, la situacin en los pases latinoamericanos y especialmente en Bolivia es completamente diferente; no se han realizados esfuerzos prcticos para la implementacin de estos sistemas, sobretodo en reas rurales. El objetivo principal de ste artculo es ofrecer al lector del mismo, un instrumento de anlisis y evaluacin para la utilizacin de pequeos sistemas de produccin descentralizada de energa elctrica, que contribuyan, dentro del mbito local, a moderar los efectos que conlleva la utilizacin incontrolada de combustibles fsiles y de recursos no renovables. Asimismo, pretende motivar a fortalecer la capacidad tecnolgica regional local y la de manejo sostenible de sistemas hidrulicos pequeos, mediante la revisin de tcnicas y teora necesaria para este efecto.

ndice1. Introduccin 2. Energa Hidrulica 2.1. Cmo aprovechar la energa del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Instalacin hidrulica tpica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Las instalaciones hidroelctricas de pequeo tamao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Turbinas adecuadas a mini-hidrulica 3.1. Tipos comunes de micro-turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Aplicaciones de las micro-turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. La realizacin de un sistema mini-hidrulico 5. Micro-turbinas de uso domstico 6. Impacto ambiental 7. Conclusin 8. Referencias Documentales 2 2 4 4 5 6 7 10 11 12 16 16 17

*

Protocolo de Investigacin Curso de Maestra en Ciencias de la Ingeniera Mecnica

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1.

Introduccin

En Amrica Latina ms del 50 % de la poblacin rural no tiene acceso a la electricidad. La alternativa ms comn de electricacin en zonas no citadinas es mediante interconexin a la red se va haciendo cada vez ms complicada y costosa, debido al cada vez mayor aislamiento en que se encuentran miles de centros poblados. Las alternativas de generacin de energa descentralizadas y de pequeas potencias como es la Mini y micro hidroenerga an no son utilizadas en forma signicativa para atender estas demandas, a pesar de que en muchas zonas existen abundantes recursos hdricos, de fcil explotacin y en condiciones favorables econmica, social y ambientalmente. Entre otras razones, entre las ms importantes se encuentran la falta de acceso a la tecnologas conables y de bajo costo, la inexistente capacidad local para la evaluacin, planicacin, diseo e implementacin de sistemas de generacin de este tipo, la poca conanza sobre la sostenibilidad de los pequeos sistemas en zonas aisladas, as como tambin la falta de polticas y estrategias nacionales o regionales que permitan su adecuada promocin, implementacin y manejo. Durante las dos ltimas dcadas, los gobiernos de la regin han venido trabajando sostenidamente en el desarrollo, diseminacin de tecnologas apropiadas y de bajo costo; y en la creacin de la industria y capacidad local. Se han implementado ms de dos centenas de sistemas hidrulicos en nuestro pas Bolivia y en otros pases. Se ha transferido tecnologa y desplegado acciones de asistencia tcnica y tecnolgica, y en muchas de stas acciones internacionales ha contado con el apoyo de instituciones relacionadas con este rubro. El emprender cualquier esfuerzo destinado a proveer energa elctrica basada en una generacin de carcter hidro-hidrulico debera considerar los siguientes objetivos: Fortalecer las capacidades tcnicas regionales y nacionales en nuestro pas, en el campo de la ingeniera, diseo y aplicacin de las mini y microcentrales hidroelctricas; y en el manejo sostenible de los sistemas. Contribuir a la promocin y desarrollo de la industria local en la fabricacin de equipos y partes en el campo de las mini y microcentrales hidroelctricas. Contribuir al manejo sostenible de sistemas aislados de generacin de energa mediante la divulgacin de mtodos modernos y con participacin de la comunidad. Contribuir a la promocin de la energas renovables en nuestro pas, especcamente en el campo de mini y micro hidrulica como opcin de generacin de energa para zonas rurales aisladas. Las energas renovables son necesarias para nuestro desarrollo futuro sostenible, reduciendo el uso de combustibles fsiles, las enormes cantidades de gases contaminantes emitidos a la atmsfera y el uso de recursos naturales. La energa renovable no se agota, no reduce nuestros recursos y no contamina. La Conferencia de Kyoto obliga a todos los Pases a desarrollar el uso de fuentes energticas renovables, para reducir el consumo de combustibles fsiles y reducir las emisiones contaminantes en la atmsfera, que provocan el peligroso efecto invernadero. Por ello en todo el orbe se ha tomado decididamente el apoyo a su utilizacin, consiguindose avances importantes. La energa mini-hidrulica debe retomar su papel, siendo necesario conseguir, por medio de voluntad poltica esencialmente, que alcance las cotas que se le han designado dentro de este fundamental objetivo de nuestros pases. Las mini-centrales hidrulicas son instalaciones sencillas, respetuosas con el entorno y tiles para aplicaciones cercanas a la instalacin y que no precisen valores importantes de energa. Su futuro es alentador, con inversiones moderadas podemos asegurar que su crecimiento ser continuo, aunque solo llegar a signicar un porcentaje muy bajo en el conjunto general de la generacin energtica.

2.

Energa Hidrulica

Ya desde la antigedad, se reconoci que el agua que uye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energa cintica susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyndose a orillas de los ros. La energa hidrulica aprovecha el paso del agua continuo de un ro para generar energa elctrica. Se consigue por la diferencia de altura del agua que existe entre dos puntos diferentes. Hay diferentes 2

Figura 1: Pequea Represa Hidrulica tipos de instalaciones que realizan este tipo de transformacin energtica. Segn el tipo de central tendramos: Central Hidrulica: necesita la construccin de una presa. Central Mini-hidrulica: puede ser con la construccin de una presa, o bien de aguas pasantes, es decir, se genera electricidad con el continuo paso del agua, sin necesidad de construir una presa. Central Micro-hidrulica: no necesita construir una presa. Esta es la opcin ms viable para las economas domsticas por ser la ms barata y para todos los bolsillos. Y adems la ms respetuosa con su entorno natural y el medioambiente. Puede incluso instalarse sin que exista un ro caudaloso. nicamente se necesita un pequeo cauce de agua. Ms adelante hablamos de la energa mini-hidrulica y la aplicacin para viviendas. La energa minihidrulica se genera a partir de una instalacin de una pequea presa, que no siempre es necesario, sin sobrepasar los 15 metros de altura y la potencia no superar los 10 megavatios. Normalmente son instalaciones pequeas que empezaron a construirse a principios del siglo XX y que proporcionaban luz a poblaciones pequeas, como muestra la fotografa que se aprecia en la Figura 1. Ms recientemente, hace ms de un siglo, se aprovecha la energa hidrulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla. El aprovechamiento de la energa potencial del agua para producir energa elctrica utilizable, constituye en esencia la energa hidroelctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroelctrica. Hoy en da, con los problemas medioambientales, se ven las cosas desde otra perspectiva. Esto ha hecho que se vayan recuperando infraestructuras abandonadas dotndolas de nuevos equipos automatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es ms del que ya exista o por lo menos inferior al de una gran central. A estas instalaciones, con potencia inferior a 5.000 KW se les denomina mini-hidrulicas. Las mini-centrales hidroelctricas estn condicionadas por las caractersticas del lugar de emplazamiento. La topografa del terreno inuye en la obra civil y en la seleccin del tipo de mquina. Por el tipo de captacin y uso del agua en el sistema hidrulico de generacin de energa elctrica en una central mini-hidrulica, se las puede subdividir en: CENTRALES DE AGUA FLUYENTE Aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del ro y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, para despus devolverlo al cauce del ro.

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CENTRALES DE PIE DE PRESA Son los aprovechamientos hidroelctricos que tienen la opcin de almacenar las aportaciones de un ro mediante un embalse. En estas centrales se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando se precisen CENTRALES DE CANAL DE RIEGO Se pueden distinguir dos tipos: a) Con desnivel existente en el propio canal : Se aprovecha mediante la instalacin de una tubera forzada, que conduce el agua a la central, devolvindola posteriormente al curso normal del canal. b) Con desnivel existente entre el canal y el curso de un ro cercano: En este caso la central se instala cercana al ro y se aprovechan las aguas excedentes en el canal. A la hora de realizar un proyecto de una mini-central hidroelctrica y dependiendo del tipo por su emplazamiento, la determinacin del caudal y la altura de salto denirn la potencia a instalar, as como el tipo de mini-turbina a ser utilizada.

2.1.

Cmo aprovechar la energa del agua

Las turbinas hidrulicas utilizan la energa potencial que tiene una masa de agua en un desnivel, llamado salto, existente entre las dos secciones de canal a cielo abierto, la superior (aguas arriba) y la inferior (aguas abajo). La transformacin de la energa potencial del agua en energa mecnica se realiza a travs de turbinas, que se activan gracias a la masa de agua que pasa por su interior. A su vez, la potencia mecnica en el eje de la turbina se puede utilizar directamente para realizar trabajo (como en los molinos de agua) o para producir energa elctrica, conectando el eje de la turbina, a travs de reductores adecuados, a un alternador. La potencia que se puede obtener de una turbina hidrulica est expresada por la siguiente ecuacin: P = QH donde : P Q H = = = = = potencia mecnica en el eje de la turbina rendimiento global del sistema * peso especco del agua caudal circulante de agua salto o desnivel aprovechable

* Por rendimiento global de la instalacin se entiende el porcentaje de potencia que se puede realmente obtener respecto al potencial tcnico, teniendo en cuenta las inevitables prdidas de la transformacin. Para un clculo aproximado del rendimiento de un micro-sistema se aconseja hacer referencia a un rendimiento global inferior al que normalmente se utiliza en las instalaciones de gran tamao, considerando un rendimiento global comprendido en el rango: 0, 5 0, 7.

2.2.

Instalacin hidrulica tpica

Una instalacin hidroelctrica est formada por canales y componentes hidrulicos (sistema de captacin de agua, tomas de agua, sistema de canalizacin y de restitucin, centralita) y por componentes electromecnicos (turbina, alternador, cuadros elctricos, sistemas de mando). El agua procedente de los sistemas de toma de agua es canalizada, a travs de canales o conductos, a la cmara de carga, que determina el nivel del canal a cielo abierto superior, necesario en funcin del salto til para la central. Desde este punto, el agua es canalizada a las turbinas a travs de conductos forzados y, al pasar a por las paletas mviles (ubicadas en el rotor), generan el movimiento rotacional de ste. El eje del rotor que gira est conectado a un generador de electricidad (alternador); el agua que sale de la turbina es devuelta, a travs de los sistemas de restitucin a su curso original, a un nivel determinado por el canal a cielo abierto inferior. Este proceso se ilustra en las Figuras 2 y 3. De forma ms especica, una instalacin hidroelctrica consta de los siguientes componentes:

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Figura 2: Esquema de una instalacin hidroelctrica

Figura 3: Esquema detallado sistemas de toma de agua, cuya conguracin depende de la tipologa del curso de agua interceptado y de la orografa de la zona sistemas de ltracin, para la eliminacin de cuerpos en suspensin en el agua; su tipologa incluida su mayor o menor automatizacin depende del caudal derivado y de la entidad de los slidos transportados por el ujo hdrico sistemas de conduccin de las aguas formados por canales o conductos forzados segn la orografa y por consiguiente la tipologa de instalacin, con un mayor o menor salto casa de mquinas, que en su interior contiene los sistemas electromecnicos: grupo turbinaalternador, transformador, contadores, cuadros elctricos y sistemas de control sistemas de restitucin de las aguas al curso de agua principal La potencia que se puede obtener de una instalacin, a igualdad de caudal y salto, depende del rendimiento global de transformacin de una instalacin hidroelctrica, que es el resultado del producto de, al menos, los siguientes rendimientos parciales: rendimiento hidrulico rendimiento volumtrico de la turbina rendimiento mecnico del grupo turbina-generador rendimiento elctrico del generador rendimiento del transformador

2.3.

Las instalaciones hidroelctricas de pequeo tamao

Las instalaciones de pequeo tamao (micro hidrulicas), de potencia inferior a 100 Kw, son ms verstiles y no tienen efectos negativos sobre el medioambiente. 5

Mini-hidrulica es el trmino con el que la UNIDO (Organizacin de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial), denomina a las centrales hidroelctricas de potencia inferior a 10 MW. Dentro de la mini-hidrulica, puede realizarse la siguiente clasicacin: pico centrales micro centrales mini centrales pequeas centrales P P P P < < < < 5 kW 100 kW 1.000 kW 10.000 kW

La clasicacin de los sistemas de mini-hidrulica es una convencin til para reejar diferentes modalidades de funcionamiento. En pases latinoamericanos, se consideran centrales mini-hidrulicas; aquellas con una potencia instalada de 10 MW o menos, una frontera que hasta hace poco se situaba en los 5 MW. Son numerosos los lugares aptos para el desarrollo de la energa hidrulica, teniendo tambin en cuenta que la tipologa de los posibles usuarios es muy variada: entidades locales, parques naturales, usuarios aislados, ncleos familiares, aldeas, empresas agrcolas y establecimientos de turismo rural, artesanos, empresas industriales, etc. Aunque sea difcil cuanticar el potencial micro hidrulico disponible (haran falta estudios muy detallados del territorio y el potencial hdrico), es presumible que el residuo potencial pueda ser utilizado por las centrales hidroelctricas de pequeo tamao. De todos modos la ventaja de las micro centrales hidroelctricas distribuidas sobre el territorio no es tanto la aportacin energtica que puede darse a la necesidad elctrica nacional, cuanto el valor de la utilizacin del recurso hdrico en su conversin elctrica a nivel local. El potencial hidroelctrico en pequea escala bien proporcionado y ubicado, resulta econmicamente competitivo respecto a las otras fuentes energticas renovables y, considerando los costos globales reales, tambin respecto a las fuentes energticas tradicionales. Las instalaciones micro hidrulicas representan por lo tanto una forma de energa valiosa, porque con un impacto medioambiental muy bajo utilizan una fuente energtica renovable, que de otra manera se perdera. Entre las ventajas de las micro-instalaciones hidroelctricas, podemos mencionar las siguientes Aprovechan al mximo todos los recursos hdricos disponibles, ya que los lugares de instalacin son muy variados y su central es muy sencilla. Necesitan un limitado recurso hdrico para producir energa elctrica. Producen energa elctrica cerca del usuario. Ocupan poco sitio y, gracias a su estructura compacta, son relativamente fciles de transportar incluso en lugares inaccesibles. Las Administraciones Publicas locales, los profesionales y los responsables de energa y medioambiente tienen un papel fundamental para el desarrollo de las instalaciones micro hidrulicas para la produccin de energa elctrica. Por una parte, los responsables de la Administracin Local en materia de energa y medioambiente tienen la posibilidad de favorecer la difusin en su territorio de pequeas instalaciones hidroelctricas, a travs de los instrumentos de la programacin, de la simplicacin de los trmites de autorizacin, de los incentivos y de la adhesin a proyectos e iniciativas locales. Por otra, los profesionales tienen la tarea de identicar las potencialidades del territorio, estudiar como integrar estos sistemas en el entorno tpico local, denir proyectos piloto que ayuden a determinar y difundir un estndar aplicable localmente, con el objetivo de contribuir a mitigar los efectos producidos por la utilizacin incontrolada de los combustibles fsiles.

3.

Turbinas adecuadas a mini-hidrulica

Las mquinas que se encargan de realizar la conversin de energia potencial gravitatoria del agua almacenada y convertirla en energa cintica rotacional en un eje que acciona el generador o alternador se denominan turbinas hidrulicas.

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As, una turbina hidrulica es una mquina motriz que permite transformar la energa potencial del agua en energa mecnica rotacional. Consta de: una parte ja - distribuidor - con la funcin mecnica de direccin y regulacin del caudal que llega al rodete, y la funcin hidrulica de transformacin de la energa potencial del agua en energa cintica. una parte mvil - rodete - puesto en movimiento por el agua que sale del distribuidor con la funcin de comunicar energa mecnica al eje en el que est montada. Segn la terminologa utilizada en el mbito internacional, se llaman micro centrales (micro-hidro) a las centrales elctricas de potencia inferior a 100 Kw., que normalmente utilizan caudales y saltos reducidos. En relacin a sus caractersticas dinmicas, las turbinas se pueden clasicar de la siguiente manera: TURBINAS DE ACCIN: la energa del agua que sale del distribuidor es totalmente cintica (la transformacin de energa potencial a cintica, se produce al pasar a travs de una aguja que provoca un estrechamiento del dimetro del conducto forzado). A lo largo de todo el recorrido a travs del rodete, el uido se encuentra a la presin atmosfrica. Las nicas turbinas de accin utilizadas en la prctica son las turbinas PELTON. TURBINAS DE REACCIN: la energa del agua que sale del distribuidor es en parte cintica y en parte de presin (la transformacin de potencial a cintica que se produce en el distribuidor no es completa: el agua sale con una velocidad inferior a la de las turbinas de accin, pero con una presin no nula). Las turbinas de reaccin trabajan completamente sumergidas en el agua y tienen en su parte nal un difusor. Existen numerosos tipos que se pueden resumir en las FRANCIS y las DE HLICE (entre las cuales se encuentran las turbinas KAPLAN). En funcin del salto y del caudal disponible, se instalan diferentes tipos de turbinas: PELTON: cuando el salto es grande y el caudal reducido; FRANCIS: para valores medios de salto y caudal; KAPLAN: cuando el salto es pequeo y el caudal es importante. Cuando la potencia generada por estas mquinas es de reducida magnitud, evidentemente el tamao fsico de stas, as como la instalacin de obras civiles donde funcionan tambin es reducido, razn por la cual se les conere el denominativo de micro-turbinas.

3.1.

Tipos comunes de micro-turbinas

Como se ver ms adelante, la eleccin de la turbina adecuada se realiza a travs de nomogramas en los que la introduccin de los datos de proyecto (salto y caudal de agua disponibles) permiten extrapolar la tipologa de turbina ms adecuada y el tamao en trminos de potencia. La potencia de una instalacin se dene, como ya se ha visto, por el producto del caudal y del salto. Aunque se puede obtener la misma potencia en sistemas que utilizan un gran caudal y saltos pequeos que en las que utilizan saltos grandes y caudales pequeos, las microcentrales (que producen bajas potencias) aprovechan normalmente caudales reducidos sobre saltos modestos. Adems, se debe considerar que cada turbina tiene su propio rendimiento, en funcin del rgimen de utilizacin de la misma. En la seccin anterior y se mencionaron los nombres de las turbinas que mejor se adecan en su uso a la minihidrulica. A continuacin mostramos en relativo detalle dichas turbinas: Micro-turbina Pelton o de ujo cruzado Muy parecida a las turbinas utilizadas en centrales ms grandes, la Pelton puede ser de eje horizontal o vertical y, por el nmero de giros relativamente bajo, es adecuada para instalaciones con saltos de agua de unos centenares de metros. De fcil y slida construccin, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento ptimo, funciona a la presin atmosfrica y no genera problemas de estanqueidad. Tiene palas de doble cuchara, con un numero de chorros hasta 6.

7

Figura 4: Micro-turbina Pelton Generalmente todas las principales partes mecnicas estn hechas de acero inoxidable. Las turbinas Pelton son las ms utilizadas en las micro centrales, porque son las ms adecuadas para aprovechar el potencial de caudales reducidos. Entre las ventajas que ofrece esta turbina, podemos mencionar las siguientes: a) funciona a la presin atmosfrica (no ofrece problemas de estanqueidad o de cavitacin); b) de fcil y slida construccin, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento ptimo; c) el nmero de giros relativamente bajo (adaptable a saltos de agua incluso muy elevados). En la Figura 4 se puede apreciar esta micro-turbina. Micro-turbina de ujo radial o cruzado Es una mquina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequea; es apta para saltos de unos pocos metros hasta 100, y para caudales de 20 a 1000 litros/segundo. Se trata de una mquina de entrada radial del agua, caracterizada por una doble accin del uido sobre las palas. La transmisin del movimiento al generador se debe a una correa dentada. Generalmente los componentes metlicos estn hechos de acero inoxidable. El rendimiento de las turbinas de ujo cruzado es menor que el de las turbinas Pelton, pero tienen una mayor facilidad constructiva y una mejor adaptabilidad a los pequeos saltos. Las ventajas e inconvenientes de las turbinas de ujo cruzado son parecidas a las de las turbinas Pelton, excepto porque tienen un menor rendimiento. Se fabrican con mayor facilidad y se pueden adaptar incluso a saltos inferiores que las Pelton. En la Figura 5 se puede apreciar esta micro-turbina. Micro-turbina de reaccin La Francis es una turbina de reaccin para potencias con lmite inferior alrededor de los 100 kW: por esto se denomina miniturbina. La aplicacin de turbinas de reaccin en instalaciones pequeas es ms problemtica que la utilizacin de las de accin. A pesar de ello, en las aplicaciones pequeas se utilizan turbinas tipo Francis, aptas para saltos medianos (de una decena a unos centenares de metros). Estas turbinas son muy parecidas a las turbinas para instalaciones ms grandes. Entre las ventajas de este tipo de turbina, podemos mencionar las siguientes: a) aprovechan todo el salto disponible hasta el canal de desage; b) tienen una velocidad de rotacin alta, apta para saltos medianos-pequeos y no estrictamente relacionada con la entidad del salto, sino, al contrario, variable con el grado de reaccin; c) es posible utilizarla para aplicaciones a sistemas en cmara libre para saltos muy pequeos. En la Figura 6 se puede apreciar esta micro-turbina.

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Figura 5: Micro-turbina Kaplan

Figura 6: Micro-turbina Francis

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Figura 7: Ejemplo de utilizacin de presa hinchable

3.2.

Aplicaciones de las micro-turbinas

Los sistemas de micro-hidralica pueden utilizarse en todos los casos en los que haga falta un suministro de energa y est disponible un curso de agua, aunque sea pequeo, con un salto incluso de pocos metros. En esos casos, la introduccin de sistemas de utilizacin de las aguas tiene un impacto reducido ya que no se modica el uso mayoritario del curso de agua, que puede ser vital para el suministro de zonas aisladas. Una aplicacin bastante til para los sistemas hidrulicos de tamao muy pequeo es su utilizacin en reas de montaa, que son de difcil acceso y en las que existen dicultades de suministro por la red elctrica. En estas zonas existe un elevado potencial para construir o restaurar mini-centrales en cursos de agua de rgimen torrencial o permanente, que se utilizan para el suministro de pequeas comunidades locales o granjas y hoteles aislados, y que son gestionadas en el marco de una planicacin territorial que aboga por la proteccin y conservacin del territorio, la produccin dispersa respecto a la concentrada, convencional y de gran tamao. Desde el punto de vista operativo, los sistemas actuales tienen la ventaja de su facilidad de gestin, gracias la introduccin del telecontrol y del mando a distancia, lo que supone tambin un ahorro del personal de gestin, cuya intervencin se limita a la manutencin ordinaria y extraordinaria. Para la mini-hidrulica se utilizan tambin pequeos cursos de agua, regueros y torrentes, con aplicaciones mnimamente invasivas (turbina-alternador estancos, insertados directamente en el cauce del curso de agua con el cable de la energa elctrica generalmente de corriente continua que llega directamente al refugio o a la cabaa), que se insertan en el entorno natural sin necesidad de obras de infraestructura y de control y consiguen proporcionar una aportacin extra de unos kW, a menudo sucientes para alimentar un refrigerador o nevera, una radio trasmisora y receptora o la iluminacin de un refugio o de una cabaa. Tal tipo de instalacin solo requiere el almacenamiento transitorio del agua circulante, haciendo uso de un dispositivo como el mostrado en la Figura 7. Otro sector de aplicacin cada vez ms desarrollado es la llamada recuperacin energtica. En general, en los sistemas de tipo disipador, como puntos de control y regulacin del caudal (diques de desconexin, aliviaderos, presas, divisores, portillos) con presencia de saltos, es posible instalar una turbina con el n de recuperar energa de la corriente. En la prctica, la realizacin de una micro instalacin en un sistema hdrico de este tipo es viable econmicamente si los conductos ya existen y en los casos en los que los saltos y los caudales sean grandes. Los sistemas hdricos en los que existe esta posibilidad son muchos: - acueductos locales o redes de acueductos complejas; - sistemas hdricos de uso mltiple (agua potable, industrial, de riego, recreativo, etc.); - sistemas de canales de bonicacin y de riego; - canales o conductos de reujo para los desbordamientos de caudal; - circuitos de enfriamiento de condensadores de sistemas con motores trmicos. Algunas aplicaciones prevn la realizacin de sistemas hidroelctricos de produccin con bombeo,

10

que hacen funcionar el generador como un motor y permiten durante la noche, cuando la disponibilidad energtica es mayor, bombear el agua de un embalse inferior al superior.

4.

La realizacin de un sistema mini-hidrulico

La realizacin de una micro-instalacin hidroelctrica depende mucho del tamao (expresado en trminos de potencia) de la instalacin misma. En trminos de plantear una metodologa terica para una evaluacin previa de clculos tcnicos que indiquen una probable factibilidad de un proyecto de este tipo se deben considerar los siguientes aspectos: Eleccin del lugar y estudio de parmetros (caudal y salto disponibles, potencia) La eleccin del lugar se realiza basndose en: - la disponibilidad de terrenos (control de las propiedades o de vnculos); - la accesibilidad del lugar (cuanto mayor es la accesibilidad al curso de agua, menor ser el impacto sobre el mismo provocado por las posibles intervenciones); - la evaluacin de los parmetros de referencia (caudal y salto disponible). Una vez elegido el lugar que cumpla los requisitos adecuados, se pasa a la determinacin del caudal (Q) de agua (litros/s) y del salto (H) (m). Cuando se tengan estos valores, el clculo de la potencia terica (vatios) se obtiene de la siguiente forma: Pterica = Q (l/s) x H (m) x 9,81 Ejemplo: Pterica = 25 (l/s) x 30 (m) x 9,81 = 7.357,5 W, que corresponden a aproximadamente a 7,4 kW Debido a que la turbina tiene su propia eciencia (para estos tamaos comprendida entre el 50 % y el 70 %), la potencia mecnica efectiva es igual a: Pmec. = Pterica x eciencia mec. Ejemplo: Pmec. = 7,4 x 0,60 = 4,4 kW Finalmente, para obtener la potencia elctrica, se aplica otra reduccin para tener en cuenta el rendimiento del generador elctrico, igual a 85 %. Pelectr = Pmec . x eciencia electr. Ejemplo: Pelectr. = 4,4 x 0,85 = 3,8 kW que es poco ms de la potencia necesaria para una familia. Como hemos visto, los elementos que permiten elegir un lugar para la realizacin de una instalacin hidroelctrica se reeren al salto y al caudal disponible. El producto de los dos trminos proporciona, teniendo en cuenta la aceleracin de gravedad (9,81 m/s2 ) y el rendimiento medio global, la potencia de la instalacin, considerando iguala ala unidad el peso especco del agua. La evaluacin del salto se puede realizar con un altmetro; la evaluacin del caudal es bastante compleja ya que requiere un estudio del rgimen del curso de agua que se quiere aprovechar. El caudal se puede medir de forma emprica. Se puede determinar por puntos la forma de la seccin hdrica de inters, calcular el rea (producto del ancho del canal a cielo abierto de la seccin por un valor de altura media de la corriente), de forma paralela medir la velocidad de la corriente mediante un otador y, nalmente, multiplicar los dos trminos medidos experimentalmente. En el caso de potencias ms grandes (mayores de 10 kW) para tener un cuadro de la potencialidad de la instalacin hace falta realizar un estudio hidrolgico que se puede efectuar con mtodos directos o indirectos. Los primeros permiten calcular el caudal de la seccin de inters mediante mediciones experimentales o utilizando las series temporales de los datos hidrolgicos disponibles sobre el curso de agua. Los segundos calculan el caudal a travs de la transformacin ujos (o sea basndose sobre el estudio de las precipitaciones) o por extrapolacin respecto a cursos de agua cercanos. Eleccin del tipo de turbina Consolidada la intencin de realizar una instalacin de mini-hidrulica, es oportuno contactar a los productores o constructores de estas pequeas mquinas (posiblemente a ms de uno). A travs de su experiencia y mediante la comparacin directa entre las posibles soluciones relativas al lugar especico, se podrn realizar las elecciones tcnicas ms oportunas y adecuadas. A menudo, en las aplicaciones de pequea escala los constructores de aparatos electromecnicos pueden tambin ofrecer un asesoramiento en la fase de diseo de las obras, esto es, un proyecto llave en mano. 11

Figura 8: Nomograma para eleccin de mini-turbina Turbina Pelton Kaplan Francis Caudal [l/seg] 1-1.000 20-2.000 500-2.000 Salto [m] 20-300 5-100 2-10

Cuadro 1: Eleccin de mini-turbina Segn las caractersticas estimadas de salto y caudal y de la potencia que se necesite, es posible, con la ayuda de oportunos grcos entregados por los constructores de la maquinaria, identicar la tipologa de la turbina y el tamao ms adecuado, teniendo en cuenta que la turbina tiene que dimensionarse en base no slo al caudal medio del ao sino tambin al caudal de pico de los periodos con mayor disponibilidad de agua. Habiendo efectuado las mediciones de caudal disponible de agua (Q), y del salto disponible neto (H) que puede aprovecharse en su energa potencial, podra usarse el nomograma que se presenta en la Figura 8, para realizar la eleccin de la turbina ms adecuada. En el caso de micro-sistemas, el mercado no ofrece, como ya se ha comentado, muchos modelos. El rango de valores de caudal y salto dentro de los cuales elegir se expone a continuacin, mediante el Cuadro 1. Considerada la simplicidad constructiva de una micro instalacin, el mantenimiento y su gestin de operacin resultan mucho menos complicadas que las de instalaciones ms grandes. No es necesaria la presencia de una persona continuamente, sino de un operador que de vez en cuando controle el correcto funcionamiento de las instalaciones hidrulicas (de toma y de ltracin) y de las electromecnicas (turbina-alternador). En resumen, la instalacin de un mini-sistema hidroelctrico requiere una somera evaluacin de tipo tcnico, la cual en su concepcin ms simplicada es la tratada en el presente artculo. Por otra parte, es necesario tambin realizar una evaluacin de carcter econmico para denir la viabilidad nal del proyecto de generacin de energa elctrica mediante cualquiera de estos mini-sistemas. En la Figura 9 se muestran los componentes que hacen a un mini-sistema de generacin de energa elctrica, donde se consideran elementos accesorios y adicionales.

5.

Micro-turbinas de uso domstico

Las micro-turbinas de uso domstico son de diseo super-compcto y de fcil instalacin, es decir, sus dimensiones son las mnimas necesarias como para satisfacer la demanda de un solo grupo familiar y su instalacin y puesta en marcha puede ser efectuada por usuario directamente, con asesoramiento de un tcnico del ramo. Evidentemente son de muy pequea potencia. Existen diversas alternativas de este tipo de turbinas en el mercado comercial. En este artculo mencionaremos solamente dos de ellas a modo de ejemplos ilustrativos.

12

Figura 9: Componentes de mini-sistema hidroelctrico

Figura 10: Esquema de funcionamiento de la PowerPal

Micro-turbina PowerPal Es una micro-turbina muy versatil con un diseo compacto y de fcil instalacin. Su comercializacin es en tres tamaos diferentes: 200 W, 500 W y 1000 W. La turbina PowerPal ms pequea produce energa elctrica con un caudal de agua de 35 lt/seg. Gracias a que es muy sencilla instalarla, cualquiera lo puede hacer con el manual de instrucciones. No necesita ningn tornillo. En su proceso de instalacin hay que cuidar los siguientes puntos relevantes: - El canal de canalizacin del agua hasta la boca de la turbina. - El ensamble de partes en la turbina misma. El tubo de desage es vertical y tiene que tener siempre una altura mnima de 1,5 m. El tubo hace funcionar la turbina por la succin del agua hacia abajo por efecto sifn. Por eso deben respetarse estas especicaciones. En la Figura 10 se muestra un diagrama esquemtico de esta micro-turbina. La turbina se coloca encima del tubo de desage y queda sujetada por la propia succin que produce el ujo de agua hacia abajo. Por eso no necesita ningn anclaje. Si el ujo de agua es constante, la turbina Powerpal produce electricidad las 24 horas del da. Y la genera directamente a 220 voltios de corriente alterna. O sea que no hacen falta convertidores ni acumuladores. Evidentemente tambin puede ser utilizada para cargar bateras. Estas microturbinas son el sistema de apoyo ms adecuado para una instalacin fotovoltaica aislada porque puede completar la produccin de electricidad cuando la luz del sol escasea. En este caso hay que poner un regulador de carga que desconecte la turbina en el momento que las bateras ya estn cargadas. O bien incorporar resistencias elctricas que disipen calor en el aire (perdiendo toda la produccin) o en un depsito de agua y aprovechar para calentar el agua de este. Si se quisiera aumentar la potencia podra hacerse tambin instalando varias turbinas juntas. Lo mejor de todo es que no hace falta cambiar ningn cauce del ro. Solamente un canal de 13

Figura 11: Funcionamiento de la PowerPal entrada para riegos de huertos es ideal para poner la turbina PowerPal y comenzar a generar energa elctrica. Las dos fotografas que se muestran en la Figura 11 nos dan una idea ms clara de este sistema, la facilidad de su instalacin y su funcionamiento en situacin real. Bombas utilizadas como Turbinas Cuando se discute la situacin energtica en pases en desarrollo y especialmente en las reas rurales de estos, es de reconocimiento general que las pequeas centrales hidrulicas juegan un importante rol en el desarrollo de las mismas. Sin embargo, el costo de inversin inicial de las pequeas centrales hidroenergticas es considerado relativamente alto y esto ha restringido, en algunos pases mas que en otros, de manera considerable el desarrollo de estas potenciales energa renovables. El uso de Bombas Centrfugas Standard como Turbinas puede ofrecer, y desde y lo estn haciendo, una alternativa tcnica y con una considerable ventaja econmica y por lo tanto, debe contribuir a una amplia aplicacin en pequeas centrales hidrulicas. Desde hace varias dcadas, las bombas con sentido de rotacin inverso, estn siendo utilizadas como turbinas en aplicaciones industriales, y mas recientemente en centrales de generacin hidroenergtica para sitios aislados o, en algunos casos, conectadas a la red, sobre todo en pases desarrollados. En virtud del mayor tamao de su mercado, las bombas usadas como turbinas (BUTUs) representan tener un costo menor y estn de manera ms rpida en disponibilidad respecto a las turbinas convencionales; adems es ms fcil su mantenimiento, debido a la amplia disponibilidad de talleres con tcnicos y/o idneos experimentados. Sin embargo, algunas incertidumbres que se encuentran presente aun sobre estos equipos con rotacin invertida, y ha frenado su difusin, particularmente en el contexto de los pases en desarrollo. Una bomba presenta las siguientes ventajas respecto a una turbina: Economa Los fabricantes de Turbinas son pocos. El mercado de turbinas es pequeo comparado con el mercado que presentan las bombas centrfugas. Una turbina es mas cara que una bomba standard, siempre comparando dimensiones semejantes. Disponibilidad La disponibilidad de una bomba centrfuga y sus partes de stock, es mas accesible que en el caso de turbinas; esto toma mas evidencia cuando se trata para pases en desarrollo. Construccin Las bombas centrfugas son de concepcin robustas y simple y no requieren de un tcnico y/o mecnico altamente calicado para su mantenimiento; esto hace que la bomba centrfu-

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Figura 12: Comparacin de funcionamiento ga utilizada como turbina sea mas apropiada para pases en desarrollo que las relativamente sosticadas turbinas . La mquinas rotantes que manejan uido son totalmente reversibles, por lo tanto una bomba puede efectivamente trabajar como tal o como turbina. Sin embargo el rendimiento o perfomance no son los mismo, aunque el anlisis terico para un escurrimiento ideal predice lo contrario. Sin excepcin alguna, la altura y caudal en su punto ptimo en el modo turbina es mayor que en el modo bomba; la principal razn de esta diferencia esta relacionada con las perdidas hidrulicas de la mquina. Conceptualmente cualquier tipo de bomba puede ser utilizada como turbina. Sin embargo la principal ventaja de una bomba como turbina, que est en el menor costo que representa respecto a una turbina convencional, esta muy a favor en el campo de las bombas centrfugas standard y bombas de ujo mixto, mientras que para el caso de bombas de ujo axial, estas ventajas se hacen menos notorias analizando cualquier aspecto de estas. La teora hidrodinmica bsica de aplicacin es la misma para ambas mquinas; sin embargo, el comportamiento del ujo de uido real incluyendo la friccin y la turbulencia resultan diferentes en algunos aspectos para el diseo de la bomba y la turbina. La Figura 12 nos muestra esquemticamente las diferencias en cuanto al modo de funcionamiento de una bomba, comparada con una turbina. Idealmente la seleccin de una BUTUS debe ser tan fcil y sencilla como la seleccin de una bombas centrfuga standard: Para ello se consideran diagrama de perfomance de diferentes fabricantes en funcin de los requerimientos de la bomba en cuestin y que estarn en funcin del caudal, altura y ptima eciencia. Pero desafortunadamente, hoy en da este no es el caso de las BUTUS, dado que no se cuenta con informacin suciente respecto a la perfomance de las bombas funcionando en el modo de turbina, y la poca que existe resulta insuciente. En los ltimos aos se han publicado diversos mtodos de aproximacin para predecir la perfomance del modo turbina de una bomba centrfuga; las mismas son de carcter emprico y tericos. El objetivo principal es el de poder predecir la perfomance de la BUTUS a partir de datos hidrodinmicos como ser la altura, el caudal y la eciencia para su mejor punto de funcionamiento. Sin embargo, todos los mtodos propuesto no han resultados muy conables, dado que se han detectados errores en predecir la perfomance del modo turbina de bombas centrfugas, y que oscilan entre un 20 % y ms. Por lo general no se realizan cambios o modicaciones en el diseo cuando se va ha utilizar una bomba como turbina; pero una vez realizada la seleccin deberemos realizar una vericacion del diseo de manera adecuada, dado que durante la operacin de la bomba como turbina, la altura y la potencia son por lo general mas altas que las correspondientes a su operacin como bomba. En base a lo expuesto se hace necesario una revisin del diseo poniendo un especial nfasis en los siguientes puntos: Cambiar el sentido de las roscas en los componentes del eje de modo que estos no puedan

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aojarse (tuerca sujeta rotor, tapa de cojinetes, etc). Chequear los limites de presin de la carcaza; para ello es necesario vericar que la presin de prueba de la carcaza no sea inferior a 1,50 veces la mxima presin de operacin de la bomba como turbina. Para esta evaluacin es recomendable evaluar el fenmeno de golpe de ariete que es frecuente que se haga presente durante el proceso de embalamiento del grupo. En caso de que esta vericacin, de realizada, no verica la carcaza se deber cambiar el material de la carcaza, o eventualmente seleccionar alternativamente una nueva unidad con una velocidad de operacin menor. Vericar que el eje pueda resistir el torque ejercido en la operacin como turbina. Evaluar el diseo adecuado para los cojinetes. Las ventajas especicadas anteriormente de modo muy resumido, hacen de la conversin de bombas a turbinas, una opcin muy factible para casos de generacin de energa hidrulica de caractersticas domiciliarias.

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Impacto ambiental

Seguramente las consideraciones medio ambientales sobre el uso hidroelctrico cambian radicalmente si nos referimos a los sistemas de pequeo tamao (debajo de los 100 kW) que se analizan en este documento. Los sistemas pequeos son diferentes de los de elevada potencia, ya que estn caracterizados por modelos de organizacin diferentes, distribuidos en el territorio, gestionados por pequeas comunidades e integrados en un uso mltiple y equilibrado del recurso agua. El caso de la hidroelctrica de dimensiones reducidas es emblemtico en la investigacin de fuentes energticas alternativas. Aunque no utilicen una fuente energtica o una tecnologa del todo nueva (la tcnica constructiva ha progresado mucho, pero el aprovechamiento hidroelctrico tiene orgenes antiguos), hoy en da los sistemas de mini-hidrulica pueden contribuir al desarrollo sostenible del territorio en el que se ubican. Los benecios desde el punto de vista ambiental de los microsistemas hidroelctricos son notables: servicio a zonas aisladas o suministrada a travs de obras de mayor impacto, actuacin de una poltica de regionalizacin de la produccin, contribucin a la diversicacin de las fuentes, disminucin de la dependencia energtica de fuentes convencionales de la zona afectada por el proyecto, y disminucin de emisiones de sustancias contaminantes y causantes del efecto invernadero. Tambin los microsistemas hidroelctricos pueden tener impactos negativos sobre el medio ambiente, impactos que el proyectista/constructor tendr que intentar minimizar. Estos impactos negativos estn relacionados sobre todo con la ocupacin del terreno, la transformacin del territorio, la derivacin y captacin de recursos hdricos superciales y posibles alteraciones sobre la ora y la fauna, aunque son de mucha menor entidad que los de sistemas de mayor tamao. Tambin para las micro-aplicaciones es importante mantener un reujo adecuado (caudal ecolgico) para la conservacin del ecosistema uvial en el que se encuentra la instalacin. Es necesario recordar que, sobre todo en el caso de sistemas llamados de recuperacin energtica, el impacto puede ser muy limitado ya que, adems de su reducido tamao, estos se introducen en esquemas hdricos ya existentes y en un territorio ya antropizado. No obstante, en aplicaciones de este tipo situadas cerca de los centros urbanos es necesario programar actuaciones que reduzcan los ruidos y de las vibraciones producidas por las mquinas.

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Conclusin

Se ha constatado que las tcnicas de Adecuacin Tecnolgica (AT) estn siendo adoptadas de forma creciente tanto por pequeas empresas de inuencia regional como por organizaciones de promocin rural y organizaciones no gubernamentales (ONGs), pero el crecimiento es lento, y muchas ms de estas entidades, especialmente entre las de menor tamao, pueden hacer que pequeas poblaciones puedan beneciarse de las metodologas de implementacin de generacin mini-hidrulica. Pero, sin embargo, puede concluirse que tal como ocurre con cualquier nuevo enfoque, existe ahora la necesidad de innovadores que se conviertan en defensores del cambio en el aprovechamiento 16

de la informacin existente y accesible sobre la ciencia y tecnologa asociada con la mini-hidrulica. Tanto Internet como el mercado proporcionan nuevas oportunidades y soluciones, aunque el apoyo estatal puede todava jugar un importante papel para acelerar el cambio. Y a propsito de la ms grande red de informacin mundial, sin equivocarme puedo armar: La buena noticia es que todo est en Internet. La mala es que todo est en Internet. Aunque seamos conscientes de los lmites en la abilidad y en la actualizacin de los datos que se encuentran a travs de la red Internet, no cabe duda que el creciente nmero de servicios y bases de datos a los que hoy en da se puede acceder representan una de las fuentes de informacin ms ecientes. Pero la bsqueda en la web con frecuencia es como buscar una aguja en un pajar. Lo que est en cuestin es la capacidad de conseguir resultados tiles a partir de una inmensa maraa sin sentido. Aquellos que desean poner en prctica la Mini Hidrulica por su cuenta necesitarn el apoyo de la direccin de la entidad en la que prestan servicios profesionales, que ha de comprometerse claramente facilitando los recursos y los medios. Y eso sin olvidar que, cualquiera que sea el nivel de sosticacin de la organizacin o las tcnicas y herramientas disponibles, nalmente la toma de decisiones y el proceso inteligente que subyace en este campo son actividades humanas. Las personas constituyen la diferencia. Esperamos que este artculo ayude a sus lectores a utilizar sus competencias para el benecio de sus entidades, organizaciones y de la sociedad en su conjunto.

8.

Referencias Documentales

De igual manera que en tantos otros temas, la red Internet es una de las mejores fuentes de informacin, tanto terica como prctica, sobre cuestiones relacionadas con la Mini Hidrulica. Como sucede con frecuencia, la informacin existente es tan amplia y variada que resulta excesiva, siendo difcil orientarse hacia lo que ms interesa en la maraa de pginas disponibles. Seguidamente damos una serie de referencias generales, que pueden resultar de utilidad para una primera y rpida aproximacin. Aportacin de la Mini-hidrulica - http://www.revistaespacios.com/a00v36n04/42002682.html Navarra Industrial - http://www.navaindus.com/ Observatorio de Prospectiva Tecnolgica - http://www.opt.com/ Primer Consorsio Hidrulica VT - http://www.primerhid.net/ Recursos Hdricos y Utilizacin - http://revista.robotiker.com/ Baldroom Hydraulics Research - http://www.baldhydra.org/ CT Source Enterprises - http://www.ctsourceent.org/ Dataquest Hydro Interactive - http://www.datahydroquest.com/ Data Hydraulics at Stanford - http://www-db.stanford.edu/hydrodata/ Dynamics Corporation - http://www.dynacorp.com/ Emerging Technologies Research - http://www.cyberdialogue.com/ Faulkner Sons - http://www.faulknersons.com/ Find/SQM - http://www.ndsqm.com/ Forrester Research Institute- http://www.forresins.org/ Fulton & Company, Inc. - http://www.fulton.com/ GarychGroup - http://www.garych.com/ International Research Corporation (IRC) - http://www.interresearch.com/ Microuidics Technology Institute - http://mti.org/ Mogul Research Associates - http://www.mogul.com/ NSTI Montague Institute - http://www.montague.com/ Society of Hydraulic Professionals - http://www.shyp.org/ SKAT*USA - http://www.skat-usa.gov/ UnDisCoverWeb! - http://undisweb.karl.org/ Washington Researchers Group - http://www.washresearchers.com/ Es evidente que al igual que sucede con los sitios en Internet relativos al tema, la lista de libros, 17

revistas y otros escritos que pueden consultarse es muy abundante. Aqu simplemente proporcionamos aquellos volmenes que fueron consultados para la elaboracin del presente documento. Consorsio CETISME, La Mini-Hidrulica en Accin. Comunidad Econmica Europea (con colaboracin de Meta Group), 2003. versin PDF. pp.42 Degoul Paul et al., AMIA Technological Innovation. Research Annual, 2001. versin PDF. pp.23 Drucker P., Pump to Turbine Conversion. Caltech University Library, 2002. versin PDF. pp.45 Gonzato Amado Jess., Mini-Hidrulica y Aplicaciones. Anales de Ciencia e Investigacin No.5. 2003. versin PDF. pp.19 Palop F. y Vicente J.M., Fundamentos de Hidrulica. Serie Estudios Universitarios, N o 13, 2002. versin PDF. pp.68 Shiba Shoji et al. Mini Hydraulics: Problems and Opportunities A New Perspective. Texas University. Mayo-Agosto 2003. versin PDF. pp.36

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