Turbinas hidroeléctricas y sus aplicaciones (II de VIII)

Gabriela König

Directora Comercial Latam y Península Ibérica para turbinas CINK Hydro-Energy

 Componentes de una Central Hidroeléctrica

Una mini central hidroeléctrica se compone generalmente de una toma de agua, un tubo o canal de transporte, una cámara de carga y un tubo de presión que llega a una casa de máquinas que contiene su “corazón”, el equipamiento electromecánico, compuesto por turbina, generador, sistema de control de turbina y equipos eléctricos. Una vez generada la energía eléctrica con el giro del rodete de la turbina transmitido al generador, los equipos eléctricos se sincronizan con una red de distribución, transformándola a la tensión especifica de la misma para reducir perdidas en su transporte. En lugares sin red de distribución eléctrica, se puede crear una red eléctrica propia con un equipamiento hidroeléctrico específico para una operación aislada. Observo en general que a mucha gente les hace ilusión de ser autosuficiente eléctricamente, pero solo hace sentido económico y técnicamente cuando no existe la alternativa de conectarse. Siempre es mas estable y eficiente tener la red de apoyo para el arranque y deshacerse y suministrarse con energía faltante o sobrante. La electricidad requerida para el autoconsumo se desvía antes de pasar lo producido por el contador y transformador. Hablamos de ello con mas detalle en un capitulo mas tarde, donde trataremos en especial proyectos hidroeléctricos operando en isla.

Gestión y Diseño de proyectos Hidroeléctricos

Los inversores privados de Mini centrales Hidroeléctricos tienen que asumir todos los gastos y tiempos de estudios, ingeniería básica y de detalle, permisos y gastos de concesión, obra y medioambientales antes que se les otorgan las autorizaciones para poder empezar las obras. De allí dependen de que una entidad financiera aprueba la viabilidad y otorga el financiamiento para la obra civil de caminos, canales, casa de maquinas, equipamiento hidráulicos y eléctricos y la tubería con su instalación. En estos proyectos de pequeñas potencias, desde el momento de obtener todos los permisos y financiación hasta poder realizar la puesta en marcha y empezar a ver los primeros ingresos de la producción eléctrica, trascurren otros 12 a 18 meses. Viendo la complejidad de estas gestiones es muy importante realizar una planificación realista y optimizada, que tiene como base un estudio hidrológico y topográfico exhaustivo y profesional, y un diseño muy eficiente, optimizando la obra civil (movimientos de tierra y caminos de acceso) y las conducciones hidráulicos y eléctricos (canales, tuberías, accesos, conexión al punto de inyección a la red eléctrica). La ingeniería y el diseño conceptual del proyecto debe garantizar una producción anual buena que cubre tanto la inversión y sus gastos, como los gastos de mantenimiento y operación, recuperando la inversión idealmente en unos 6 a 10 años y garantizando beneficios.

Cuando parte de la infraestructura ya existe, en caso de reformas de antiguas centrales, turbinas que aprovechan presiones sobrantes dentro de sistemas de riego o agua potable, repotenciaciones, etc., el diseño y un dimensionamiento eficiente debería permitir recuperar la inversión en 2 a 6 años.

Solo una rentabilidad con un riesgo calculado de forma sensata, asegura la operación de una central hidroeléctrica a medio y largo plazo, y muchas veces un factor de planta algo mayor evita un fracaso económico en caso de fluctuación de tarifas o de eventos hidrológicos y políticos inesperados.

Las turbinas hidráulicas son el corazón de la central, y siempre diseñadas y fabricadas a medida para garantizar su optimo rendimiento y eficiencia. Por lo tanto, los datos de la ingeniería básica y de detalle son la base para su diseño, y tienen que corresponder a las condiciones exactas que se presentaran en el lugar, una vez realizada la obra e instalación, y ser estudiados y analizados por profesionales expertos en proyectos hidroeléctricos. Las formulas físicas de potencia y perdidas de rozamientos, igual como los cálculos eléctricos son fáciles de realizar para cualquier buen ingeniero, pero para extraer de todos los datos y cálculos un compromiso eficiente en el diseño final, con una definición relación salto caudal adecuada que garantiza una buena producción anual, con un punto de conexión cercano y conducciones cortas, con una buena gestión de todos los permisos y tiempos, es un trabajo que solo expertos con experiencia real en el diseño de Mini céntrales hidroeléctricas pueden realizar con éxito.

En comparación con las grandes centrales, las pequeñas tienen bastante menos margen de error para decisiones equivocadas a nivel técnico y económico, por lo que aconsejo invertir en buenos profesionales y estudios y NO ahorrar en esta parte, ya que los errores se pagarán muy caro mas adelante, como he podido observar en varios casos.

Tipos de turbinas

Las turbinas se distinguen en primer lugar por sus rangos de operación, ya que cada una es especialista en ciertas relaciones salto caudal: algunos son especialistas de mucha altura y poca agua y otras de poca altura y mucha agua y otras en los rangos medios. Como se fabrican a medida en cada caso, hay que saber evaluar la situación especifica de cada lugar para poder elegir con criterios adecuados, no solo hidrológicos, sino también a nivel de condiciones de operación, accesos, calidad de agua etc., cual es la turbina mas optima, sobre todo en rangos donde dos o tres tipos de turbinas son aptas.

En segundo lugar, las turbinas se dividen en turbinas de acción (Pelton, Crossflow) y reacción (Francis, Kaplan), es decir que unas reciben su principal empuje de la presión desde arriba, y otras por la succión en su tubo de aspiración en la salida al agua inferior.

Turbinas Pelton para presiones altas

Esta turbina fue inventada por Lester Allan Pelton, un ingenioso minero de la segunda parte del siglo 19, quien, trabajando varios años en el desarrollo de rodetes hidroeléctricos, descubrió que el chorro, en vez de dejarlo golpear en el centro de las paletas, lo hacía en su borde, el flujo de agua salía de nuevo en dirección inversa. Con esta configuración hidráulica el rodete Pelton adquiere mayor velocidad, por lo cual toda la energía cinética producida por el chorro se conserva para la generación de electricidad.

Esta turbina es especialista en grandes saltos, de entre 100 y 600m aproximadamente, con poco caudal en comparación (aprox. 50-3.000 l/seg en los rangos de potencia de Mini hidráulica), ya que en la formula la altura/presión es la presión que “da” la potencia. Está formada por un rodete con álabes de doble cuenco y el chorro de agua entra en la turbina al rodete, dirigido y regulado por uno o varios (hasta 6) inyectores. Su construcción puede ser horizontal en el caso 1 o dos inyectores, o vertical, en el caso de tres y mas inyectores.

Su diseño y la aplicación de varios chorros permite una alta eficiencia del 10% al 100% del caudal de diseño y se puede iniciar la operación con sólo 6% del caudal de diseño. Como todos los equipamientos son una fabricación a medida para cada relación salto-caudal y la instalación es bastante sencilla y la obra civil relativamente reducida. Turbinas Pelton de alta calidad disponen de inyectores coaxiales que optimizan aun más el flujo del agua dentro del mecanismo de cierre del inyector y reduce y facilita el mantenimiento.

Turbinas Francis para presiones medias

Las turbinas Francis son seguramente las más conocidas y muy eficientes, ya que su rodete es fijo y solo unas alabes guías en la entrada permiten cierta variación de caudal. James B. Francis en 1848 mejoró los diseños de Benoît Fourneyron y Jean-Víctor Poncelet de turbinas con flujo tangencial hacia un rodete y logró esta turbina con un 90% de eficiencia (hoy hasta 92% en rangos de Mini hidráulica). La alta eficiencia, es hasta el día de hoy el punto clave para su éxito, pero solo la consigue en un rango de caudales muy limitado del 70 al 100% del caudal de diseño. Después la eficiencia cae rápidamente y a partir del 40% es aconsejable parar su operación para evitar la cavitación del rodete.

Las turbinas Francis se aplican idealmente en saltos de 30 hasta 300 m y hasta muy altas potencias por turbina, y son ideales en caudales estables y aguas perfectamente limpias, ya que en su versión pequeña se pueden atascar con facilidad si el agua cuenta con mucho arrastre, y la abrasividad es alta por su alta velocidades del agua dentro de su tubo de aspiración.

Turbinas Crossflow o Flujo Cruzado para presiones medias

La turbina de flujo cruzado fue desarrollada por el australiano Anthony Michell (1903), el húngaro Donát Bánki y el alemán Fritz Ossberger al principio del siglo pasado, con la idea de un sistema sencillo para la producción de energía eléctrica en zonas rurales con un mínimo de mantención y obra civil. Más tarde el Sr. Ossberger desarrolló el sistema de las dos cámaras que le da esta importante capacidad de adaptarse a flujos y saltos variables, y optimizó su eficiencia en general llegando a un 87%. Con ello tiene una eficiencia ligeramente menor que las demás turbinas, pero una curva de eficiencias prácticamente plana para caudales parciales, comenzando su operación con solamente 6%. Este comportamiento garantiza una producción anual muy alta, ya que aprovecha cualquier situación hidrológica a lo largo del año.

Por su geometría y forma de producción, no permite del momento mayores potencia que 8,000 kW, pero se sigue trabajando en el desarrollo de modelos de mayores tamaños. Es apta para saltos entre 5 y 200m, con caudales entre 30l/s y 16.000l/s y potencias desde 10Kw hasta 8MW. Es la turbina optima para centrales de pasada con caudales variables durante el año, y proyectos a pie de presa con variación de presión a causa del cambio de nivel del relleno del embalse y variación de caudal por las diferentes demandas de regulación de cada lugar.

Es especialmente apta también para su integración en sistemas de agua como redes de agua potable y residuales, redes de riego u otros usos productivos con caídas como pisciculturas, etc., ya que puede trabajar con tuberías muy largas y exige poco tiempo y dinero para su mantención.

Para la electrificación de zonas aisladas también es importante que la turbina sea lo mas sencilla y fiable, ya que recursos técnicos suelen estar lejos y y los recursos económicos reducidos.

A pesar que es la turbina menos conocida hay mas que 10,000 instalaciones en el mundo operando con éxito, y presentaré algunos de estos proyectos en mis siguientes capítulos con más detalle.

Turbinas Kaplan para presiones bajas

Las turbinas Kaplan son turbinas de reacción de flujo axial muy eficentes, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice del motor de un barco, y debe su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Son especialistas en saltos bajos de 2 a 30m con caudales abundantes, a partir de 2000l/s en su versión mas pequeña y hasta varios miles de litros en sus versiones grandes. Los álabes del rodete (habitualmente de 3 a 5) y los distribuidores son regulables por lo que tiene un buen rango de operación con lata eficiencia de unos 20% al 100% del caudal de diseño.

En las “Semi-Kaplan” solo son regulables los álabes del rodete y se reduce su capacidad de adaptación a caudales parciales. Las turbinas de hélice es su versión mas sencilla, ya que tanto los álabes del rodete como los del distribuidor son fijos y solo son utiles cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes.

La decisión sobre la elección del tipo de la turbina se debería tomar evaluando la producción anual en base a los datos hidrológicos y topográficos reales del proyecto definido, versus los gastos de inversión y gastos anuales de operación del mismo. Veremos esto con mas detalles en ejemplos específicos más adelante.

Aplicaciones para turbinas de pequeñas potencias

En primer lugar, tenemos los aprovechamientos de paso con caudales variables estacionarios bypasseando un rio en un tramo de su recorrido, donde se utiliza una buena caída para usar esta presión en una turbina generando electricidad, devolviendo después el agua íntegramente al rio. Otros proyectos muy fáciles de realizar y sin grandes impactos e inversiones, son reformas de antiguas fabricas de luz u otras antiguas centrales, donde muchas veces se pueden reutilizar parte de la infraestructura y que suelen estar ubicados en emplazamientos hidrológicamente muy buenos. También se colocan Mini centrales hidroeléctricas a pie de presa pero normalmente se utiliza presas que ya existen y están construidos por otras causas, como deposito de agua potable y/o riego para ciertas regiones. En estos casos la turbina regula este tipo de suministros, produciendo electricidad como “efecto secundario”, igual como en el caso cuando se instala una turbina para regular el caudal ecológico. Otra aplicación es complementar turbinas mas grandes con una mas pequeña para optimizar sus eficiencias en caudales parciales (épocas secas). En sistemas de riego las turbinas pueden producir electricidad usando sus mismas infraestructuras (canales o tubos) para producir electricidad para el bombeo, y en sistemas de agua potables o aguas negras sirven para generar electricidad con presiones sobrantes y no deseados del sistema (sustituir válvulas reductoras de presión). Otras empresas que utilizan ciertas cantidades de agua y presiones en conductos para su proceso productivo, como pisciculturas p.e., pueden aprovechar estas presiones sobrantes para la generación de energía eléctrica, produciendo así parte de sus gastos energéticos.

Por último pero no menos importante, las Mini centrales Hidroeléctricas modernas pueden suministrar de forma económica, estable, automática y segura electricidad y bienestar a poblaciones o industrias que se encuentran lejos de una red eléctrica (electrificación de zonas o empresas aisladas), idealmente en un sistema prefabricado como nuestro POWERBOX (plug and play).

Combinación de Centrales Mini hidráulicas con otras renovables

En ciertas regiones es técnicamente deseable y posible combinar otras renovables menos estables con la Mini hidráulica, ya que puede producir electricidad por la noche o cuando no haya viento, y la solar y eólica pueden compensar posibles épocas mas secas. También es muy eficiente combinar la eólica y/o solar con bombeos a embalses existentes para generar energía punta con Mini centrales hidroeléctricas.

La clave es el control electrónico y remoto de todas estas instalaciones para optimizar la producción, reducir costes y riesgos de daños.

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