Mini centrales Hidroeléctricas en sistemas de riego (VI de VIII)

Gabriela König
Directora Comercial Latam y Península Ibérica para turbinas CINK Hydro-Energy
Ciudad de México (Expertos / Energía Hoy).- En países con mucha agricultura y veranos de mucho sol y calor, el agua y la lluvia escasea en los meses cuando son más requeridos para el crecimiento de cereales, hortalizas o fruta. Por esta razón hace siglos se construye infraestructuras de riego para garantizar el crecimiento de los alimentos. Consisten principalmente en canales abiertos que transporten el agua por gravedad, donde esto es posible, desde un embalse o rio grande hacia los campos. Como la geografía no siempre es favorable, los canales se encuentran con tramos ascendentes por el camino, donde se necesitan bombas para superar estos desniveles para llegar a los cultivos. A cambio el relieve ofrece en otras zonas caídas mas pronunciadas de las que se necesitan para llegar a las zonas de riego, por lo que se pueden aprovechar estas presiones sobrantes con turbinas hidroeléctricos para transformar la energía potencial en energía eléctrica. Así es posible recuperar parte de los gastos altos de electricidad que causan las infraestructuras (bombas o sistemas de control de válvulas) a las comunidades de regantes.
En este tipo de proyectos hidroeléctricos se realiza el estudio de viabilidad con el precio de compra de energía eléctrica que suele ser mayor que él de venta, ya que se trata del dinero que los regantes se ahorran al producir ellos mismos parte de la electricidad que requieren, por no tener que comprarla. Hay poco riesgo en calcular la rentabilidad de este tipo de proyecto porque los caudales son conocidos y suelen ser garantizadas. La otra ventaja es que parte de la infraestructura necesaria para el proyecto hidroeléctrico ya existe, que son los conductos de agua, por lo que la inversión total se reduce en parte. 
Para garantizar la rentabilidad, es importante prever que la turbina pueda operar durante el año completo o por lo menos durante gran parte del año. La ubicación debe permitir que fluya agua también durante la parte del año cuando no hay riego, aunque sea un caudal menor. La disponibilidad de agua en otoño, invierno y parte de primavera suele ser mayor pero es importante que esta abundancia hidrológica pueda ser aprovechado por la turbina de alguna manera, adicionalmente a los caudales de riego que pasan por ella durante su temporada. Cada ubicación tendrá su situación particular que es importante de estudiar y definir, antes de diseñar el proyecto y la turbina.
Cuando se opera una turbina en un sistema de riego, donde la prioridad es el suministro del agua a los campos y no la generación, se debe tener en cuenta que la turbina esté equipada con una válvula regulada que dirige el caudal alrededor de la turbina, en el caso que ésta tiene que parar por alguna causa. El sistema de control automático y digital de la turbina abre este bypass para garantizar que el caudal de riego llega a sus destinatarios sin falta, independientemente si la turbina opera o no. 
Bypass por delante de la casa de maquinas

La turbina puede también regular la cantidad de caudal que otorga la administración para la zona donde opera. Una PLC y varios sensores, parte de un equipamiento hidroeléctrico moderno, garantizan una operación automática, eficiente y segura y controlan la apertura de la turbina y con ello el caudal que pasa. Además pueden ser programados según las necesidades especificas (horarios, caudales) de cada lugar.

También puede que sea necesario que el equipamiento opere en función a otras válvulas del sistema de riego, por lo que conviene que esté equipado con un control digital, donde se pueden integrar mas variables, y con la posibilidad de un mando a distancia para poder observar e intervenir en la operación con una mínima perdida de tiempo y esfuerzo.
En general nos encontramos en los sistemas de riego con caídas pequeñas y medianas, donde normalmente son útiles las turbinas de baja y media presión, como son las turbinas Kaplan, Francis y Crossflow, pero a veces puede que las características de una Pelton sean las idóneas. Aquí los rangos de operación (alturas – caudales) de cada tipo de turbina; las potencias son acorde a los rangos de fabricación de nuestra empresa:  

Dentro de este contexto técnico hay que tener en cuenta que los regantes son agricultores principalmente pendientes de sus cultivos y no expertos en operación de turbinas. Es importante que el equipamiento elegido sea lo más automático posible, que tenga SCADA para una observación, mando y diagnostico a distancia, tanto para la operación como para el mantenimiento y asistencia desde fabrica. 
Otro tema que puede perturbar una operación continuo y sin problemas, son los posibles atascos que pueden producir hojas u otros vegetales, o peor basura, que pueden flotar y acumularse en los largos recorridos de los canales abiertos. Algunas turbinas en su versión pequeña (potencias bajas), como las Kaplan y Francis, pueden llegar a ser una “relojería” por dentro con piezas móviles pendientes de conductos muy finos de lubricación. En cuanto mas pequeña, mas delicada es una turbina cara a atascos, tanto por parte del flujo del agua donde hojas o vegetales pueden atascar las alabes directrices o el rodete, como en la parte de los conductos hidráulicos, los cuales pueden tupirse y dejar de funcionar sino reciben un exhaustivo filtrado y limpieza durante el cambio de aceite.

Dado que el gasto en tiempo y dinero del mantenimiento se resta de los ingresos de la producción, interesa que sea lo mas sencillo y mas económico posible. Es preferible una turbina mas sencilla, produciendo sin problemas que otra mas “eficiente” parada por atasco o falta de mantenimiento. La turbina Crossflow es autolimpiadora, requiere un mínimo mantenimiento y carece de piezas móviles en su interior, por lo que en muchos casos es la solución “sin problemas”, pero en cada proyecto hay que evaluar cual es su mejor solución y diseño especifico, dependiendo su contexto.
Ejemplo 1: Canal de Riego, Tolima, Colombia 
En el 2016 se han puesto en marcha dos turbinas Crossflow en una caída de 14m en paralelo a un canal de riego en el Tolima, Colombia, una zona de cultivo de arroz. Se trabajan 2 x 6.000l/s, un total de 12.000l/s, con dos turbinas que están coordinados con un sistema de control masterizado de forma electrónica para optimizar su operación en conjunto, según la cantidad de agua disponible en cada momento. 

Las turbinas Crossflow, turbinas de acción como las Pelton, se equipan en saltos bajos con un tubo de aspiración que prolonga el salto hasta el agua inferior. Matemáticamente hace sentido ganar 1,5-2m de salto aunque se pierde un par de porcentajes de eficiencia, cuando el salto es menor a 35m, por lo que en esta central las turbinas también llevan este diseño:

Aquí, por la caída baja, la turbina experta y de mas rendimiento hubiera sido una turbina Kaplan de doble regulación que hubiera sido una alternativa a las dos Crossflow, pero en este lugar el agua arrastra muchas partículas, también abrasivas, lo que hubiera destruido la delicada geometría interior de una Kaplan de doble regulación en poco tiempo. Esta turbina de reacción que produce una velocidad muy alta en su aspiración, multiplica el efecto “chorro de arena” por 8 o 10 respecto a turbinas de acción como la Crossflow, que además con esta altura es de rotaciones muy lentas. Reparar y restaurar un rodete (incluyendo la falta de producción durante este tiempo) cada pocos años, es una perdida de dinero que no es económicamente viable en un proyecto de solo 1.350kW y con los precios de electricidad bajos. 

Ejemplo 2: Canal de Riego Castellón, España

En Castellón se aprovechó una caída de 74m para un caudal de 600l/s que puede bajar bastante en algunas épocas del año. Se colocó una tubería de carga en un canal abierto que después pasa en un túnel debajo de la población hasta llegar al rio. 

El inversor privado se ingenió un limparejas pequeño con cinta transportadora, alimentado por una placa fotovoltaica en la cámara de carga. Allí también se ve ubicado el sensor de nivel que envía una señal a la turbina según el agua que llega para que las alabes guías ajustan su apertura al caudal disponible en cada momento.
Ejemplo 3: Canal de Riego Murcia, España

Esta central es una reforma de una central antigua y abandonada, que en su nueva vida debe regular el caudal adjudicado para el riego de los agricultores. La confederación regional otorga a los regantes en la región por detrás de la turbina caudales entre 1.000 y 6.500l/s, según temporada y horario, que les llegan a través de la turbina que ajusta su apertura acorde a los requerimientos de cada momento. 
En su origen fue equipado con dos grupos Francis de bajas revoluciones, de 1 MVA y 2,6MVA y operaba un salto de 13,30m con un caudal total de diseño de 30.800l/s. En el diseño de la reforma se decidió aumentar el salto casi 9m (hb= 22m bruto, hn= 19m) colocando un tubo de presión hasta la presa, previendo una bifurcación (vean foto arriba) para una bypass controlado que asegura el caudal a los regantes en caso de cierre de la turbina por cualquier causa técnica.
Otra complicación era la adaptación de una nueva turbina a una casa de maquinas ya construida, con paredes y estructuras muy gruesas y difíciles de derivar: lograr instalar el nuevo equipamiento con mínimos costes de obra era otro punto económicamente clave para la viabilidad del proyecto. 

Finalmente, después de evaluar oferta técnica y económica de un equipamiento con turbina Kaplan de doble regulación y equipamiento con turbina Crossflow, de nuevo ganó la turbina Crossflow por poder integrarse con muy pocos ajustes a la casa de maquinas existente, en este caso adaptando un tubo de aspiración que prolonga el salto hasta el agua inferior por debajo de la turbina.
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