Mini centrales Hidroeléctricas a pie de presa (V de VIII)

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

Aprovechando eficientemente presas construidas para consumo humano y riego
Ciudad de México (Expertos / Energía Hoy).- En la opinión pública las Mini Centrales Hidroeléctricos se ven altamente afectadas por la mala fama que tienen sus versiones grandes. Cuando se menciona este tipo de energía todo el mundo tiene en mente las presas gigantes que cierran e inundan valles completos. No hay duda que la gran hidráulica tiene un fuerte impacto en la flora y fauna en su fase constructiva, pero en comparación con la termoeléctrica y nuclear, su “competencia” en altas potencias instaladas, la hidráulica no emite gases ni líquidos o sólidos nocivos, ni provoca basura altamente tóxica por décadas, durante y después de su operación. No estoy a favor de la gran hidráulica, pero donde ya está construida, hace una labor importantísima para la estabilidad eléctrica. Por el contrario opino que la pequeña, y en Latinoamérica también la mediana hidroeléctrica, tienen y deben tener un papel fundamental para asegurar nuestro suministro eléctrico en todos los horarios y a nivel de la estabilidad de las redes, ya que son energías limpias y sostenibles. Al no estar dispuestos de eliminar las comodidades y bienestar que nos da la electricidad, tendremos que buscar una solución (=compromiso) que nos ofrece la disponibilidad y potencia suficiente para cubrir nuestro consumo durante los 24h y 365 días al año con el mínimo daño e impacto posible. Acuérdense que otro problema de la producción eléctrica es que se debe producir cuando se necesita (sino se pierde), por lo que la gran hidráulica, o mejor dicho sus grandes almacenes de agua, son altamente necesarios para poder almacenar energía (potencial) y dosificar la producción según demanda. Son nuestras únicas baterías ecológicas que tenemos para compensar otras energías renovables menos estables, o producciones eléctricas difíciles y muy lentas (días) de arrancar, parar o dosificar, como la termoeléctrica y nuclear.
Sin entrar en más polémica, quiero mencionar que las pequeñas centrales a pie de presa suelen construirse en presas ya existente para otros usos, como los embalses que almacenan agua para consumo humano o riego. Además, funcionan y operan como elemento de control para los caudales administrados a cada uso, así como también pueden controlar el caudal que debe garantizar la continuidad del río al otro lado del muro (caudal ecológico). 
A pie de presa nos encontramos con un tema técnico añadido que es el cambio de nivel de la presa por su diferente relleno durante el año hidrológico que significa un cambio de presión y salto para las condiciones de operación de la turbina.
Turbinas que deben garantizar la continuidad del caudal del río detrás de la presa, según las directrices de la confederación hidrográfica, mantienen constante el caudal medido por nivel o por un caudalímetro, adaptándose a la altura o presión que presenta la presa en cada momento.
Otra aplicación de una turbina a pie de presa es la regulación de los caudales para una comunidad de regantes, donde el caudal puede cambiar según el volumen de agua que otorga la confederación en cada día, semana o mes, aunque normalmente solo durante los meses de la campaña de riego. Para sacar más provecho económico de la turbina conviene en estos proyectos que la turbina pueda trabajar durante el resto del año con otros caudales, por lo menos con el caudal ecológico de la presa, y así garantizar la viabilidad del proyecto. En este caso, tendríamos una variación grande de combinaciones de saltos y caudales a los que debería poder adaptarse la turbina en su operación, para cumplir con su fin de regulación y producción en cada circunstancia topográfica (columna de agua disponible) e hidrológica (caudal disponible) del año.
Por lo general, los dos tipos de turbinas utilizados a pie de presa por las relaciones salto-caudal que se presentan, suelen ser Francis y Crossflow, considerando que la Francis tiene un rango considerablemente menor para variaciones tanto de caudal como de salto.
Aquí una comparativa real de un proyecto a pie de presa de 25m neto y 4000l/s nominales:
Tabla arriba la Francis y abajo la alternativa Crossflow (amarillo donde no operan):

Para entender mejor estas tablas hay que saber que una turbina que se diseña para una relación salto caudal específica, admite más agua/flujo en el momento que sube la presión (mayor nivel del embalse) que a su vez sube la potencia de salida que exige un generador que lo soporte. Hacia el otro extremo, esta misma turbina admite menos agua en el momento que baja la presión disponible para ella (menor nivel del embalse).
Es muy importante para el diseño y el precio del equipamiento conocer exactamente las combinaciones de salto-caudal de operación que se presentarán o son deseados, si se puede aprovechar p.e. la potencia mayor a la nominal con las presiones causadas por mayor nivel de la presa, igualmente es importante saber si se necesita o desea que el caudal nominal sea admitido por la turbina cuando el embalse se está vaciando y su nivel baja (final de verano?). Un posible “sí” a esta última pregunta significa que la turbina tiene que diseñarse más grande para que con menos presión pueda admitir la misma cantidad de agua que a su salto nominal. En este caso, el valor de la turbina sube.
Ejemplo 1:
Requerimientos para la turbina y su operación:
Salto neto max: Hn= 97m Caudal requerido 8.000 l/s min. 800 l/s
Salto neto nom. Hn= 80m Caudal nominal 8.000 l/s min. 800 l/s
Salto neto min.: Hn= 51m Caudal resultante 5.500 l/s min. 550 l/s
Aquí una situación donde el caudal nominal es el máximo por lo que solo teníamos que asegurar una potencia resultante de 8000l/s con el salto máximo = máximo relleno del embalse. Por debajo de los valores nominales se puede trabajar con los caudales resultantes del diseño nominal de la turbina para las menores presiones que surgen durante el verano y épocas más secas.

Ejemplo 2:
En este proyecto a pie de una presa, ubicado en Teruel, España, se controla y suministra tanto agua potable como caudales de riego a diferentes zonas de regantes. En este lugar se requería una turbina que aprovechara y regulara el caudal ecológico de 500l/s durante los meses del año, cuando las turbinas Francis grandes ya existentes, dejan de trabajar y suministrar agua para el riego.

Se implantó una turbina Crossflow CINK Hydro-Energy para la regulación del caudal ecológico en el espacio disponible en la casa de maquinas existente. La turbina abre y cierra, según el nivel de la presa y su presión resultante, que puede variar entre 23m y 45m, con un valor nominal a los 34m, manteniendo constante el valor del caudalímetro a 500l/s.
Ejemplo 3:

En Costa Rica hay otra Crossflow CINK Hydro-Energy operando a pie de presa controlando el caudal ecológico de una central grande de 38MW.  En este caso, el control es a través del nivel del agua en el pozo de salida, donde se ha ajustado a un sensor de nivel a la salida de 2000l/s. De esta manera, se consigue un caudal constante, independientemente que la presa ofrece una presión de 17m o 26,5m neto. Este equipamiento está operando desde febrero de 2016, logrando una potencia instalada de 444kW en la turbina y 411kW en el generador.
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