Mini centrales Hidroeléctricas en sistemas de agua potables (VII de VIII)

Gabriela König
Directora Comercial Latam y Península Ibérica para turbinas CINK Hydro-Energy
Ciudad de México (Expertos / Energía Hoy).- En los países civilizados estamos acostumbrados de abrir el grifo a cualquier hora del día para disfrutar de agua de calidad potable. En general no pensamos en la infraestructura y regulación que hay detrás de nuestros sistemas de agua potables para obtener este servicio tan cotidiano. Para lograr un servicio adecuado al ciudadano, el agua potable debe salir del grifo de nuestras casas con la misma presión en un duodécimo piso como en una casa a nivel de calle, en una zona cerca de la playa como una zona montañas a 2000m de altura. Solo es posible con una captación y conducción inteligente y compleja.
Igual como en los sistemas de riego, en los sistemas de agua potable se intenta que el transporte sea por gravedad la mayor parte del recorrido para minimizar costes. Según la situación de cada lugar, la conducción pasa por embalses de almacenamiento y regulación, y tanques de equilibrio y/o distribución. Poca gente sabe que para controlar las presiones causadas por las diferentes caídas de más o menos desnivel durante el transporte del agua camino a sus casas, los suministradores de agua tienen que trabajar con válvulas reguladoras de presión en sus tanques de equilibrio; infraestructuras técnicamente necesarias porque “frenan” el agua a la entrada de los tanques para evitar turbulencias y bolsas de aire, pero en definitiva son destructores de energía, energía potencial que deberíamos utilizar y convertir en energía eléctrica en vez de destruirla sin más.
Hay empresas de agua que han emprendido estudios y realizado algunos proyectos pilotos, instalando turbinas en sus conductos de agua, con la idea de mejorar su eficiencia energética, pero aun queda mucho por hacer en este campo. El gasto energético que causa el suministro de agua potable se repercute en el precio que paga el consumidor final, por lo que nos interesa a todos que sea lo más bajo posible. En los sistemas de agua potable la prioridad es el suministro de agua para el consumo y no una posible generación eléctrica, pero es económicamente incoherente  no aprovechar las energías potenciales sobrantes del sistema: Gran parte de la infraestructura necesaria para una generación hidroeléctrica ya esta construida y los puntos adecuados son fáciles de identificar. La única inversión es una casa de maquinas en paralelo a la válvula reductora de presión existente, por lo que se reduce la inversión a la mitad o a una tercera parte respecto a un proyecto hidroeléctrico “normal”. 

Por tratarse de un sistema de tuberías cerrado, donde las presiones y los caudales son medidos y registrados, se puede calcular la producción prevista y la rentabilidad de una inversión de este tipo sin ninguna  falla, al contrario de los proyectos de paso, donde los caudales para la turbina dependen del año hidrológico natural que son menos previsibles. A la hora de diseñar un proyecto en un sistema de agua potable se debe analizar y tener en cuenta toda la gama de caudales que pasa por la tubería en el punto elegido, por lo que el caudal máximo, a la hora de máximo consumo, es el caudal de diseño, y el mínimo, normalmente en las horas nocturnas, también debería ser parte del rango de trabajo de la misma turbina.

Como ya he mencionado, el punto ideal para instalar una turbina es delante de un tanque de distribución donde generalmente el agua es frenado por una válvula reductora de presión que después sirve como bypass en caso de cierre de la turbina por algún corte de luz en la red a la que inyecta su producción. La turbina hidroeléctrica deja el agua sin presión ninguna, que es lo que se desea en estos puntos, porque el tanque se ubica siempre con desnivel hacia el siguiente punto o los consumidores. 

Otro tema a tener en cuenta son los largos conductos que pueden estar delante de la turbina que pueden ser delicados cara al golpe de ariete durante un cierre de emergencias de la turbina por corte de luz. En estas situaciones es esencial elegir turbinas con un golpe de ariete reducido como las turbinas Crossflow, porque la tubería de presión, el conducto de agua, ya está instalado y no podemos pasarnos de sus características de presión PN. 
Otro efecto técnico que causan los largos conductos es que la presión neta para el caudal máximo y mínimo son muy diferentes porque una tubería llena de agua produce unas perdidas por fricción importantes que reduce la presión neta en la entrada de la turbina considerablemente. En consecuencia tenemos una variación del salto neto entre caudal mínimo y caudal máximo tan importante como en las centrales operando a pie de presa, combinados con caudales variables por la diferencia en el consumo en hora punto, diurno y nocturno. Solo una turbina con un muy amplio espectro de rangos de caudales y presiones en un mismo diámetro y diseño es apta para este uso. Para dimensionar el equipamiento hidroeléctrico de forma optima, es importante conocer diámetro y longitud de la tubería por delante de la posible turbina, caudal máximo con su presión correspondiente, y caudal mínimo con su presión correspondiente en el punto de la futura central hidroeléctrica. También es interesante saber si hay un caudal medio que más ocurre porque todos estos datos sirven para optimizar el diseño del equipamiento.
Cuando el agua potable pasa por una turbina, su calidad y pureza no puede alterarse, por lo que la turbina no debería tener lubricación interior que podría estar en contacto con el agua y contaminarlo. En las turbinas Pelton y Crossflow que hemos instalado en más de 25 proyectos en sistema de agua potable no hay lubricación interior por las propias características de este tipo de turbinas, pero aun así se utiliza un lubricante con calidad alimenticia para los cojinetes del rodete en el exterior de la turbina y del flujo de agua.
Ejemplo 1: 85kW con 28km de tubería en Portugal
El primero proyecto instalado por nuestra empresa en la Península ibérica fue un proyecto en el sistema de agua de Aveiro, Portugal, donde 101m de desnivel y 28km de distancia separan dos tanques de distribución. Estos 28km de tubería cerrada delante de la turbina convierten los 101m de desnivel (hb) en solo 55m de presión neta (hn) en la entrada de la turbina cuando se opera con el caudal máximo y diseño de 200l/s a causa de las perdidas por rozamientos a lo largo del camino. En esta situación nominal se producen 85kW. Al contrario en horario nocturno y con consumos mínimos, el caudal mínimo del sistema, unos 30l/s, llega a la turbina con 77m de presión.
Condiciones de operación de la turbina Crossflow:
Hb= 101m
Longitud tubería: 28,000m
Hn= 55m con caudal nominal y máximo de 200l/s
Hn= 77m con caudal mínimo de 30l/s

Esta Minicentral, operando desde 2010, costó unos 250.000€, incluyendo obra civil y todo el equipamiento hidroeléctrico, produce unos 530,000kWh al año que es el equivalente al consumo medio de unas 150 familias y ahorra la emisión de 200 toneladas de CO2 al año.

El sistema de control abre y cierra la turbina de forma automática acorde a un sensor de nivel en uno de los tanques a los que descarga la turbina, que a su vez se vacía según el consumo de agua de la población conectada. El sistema SCADA, al cual integramos dos caudalimetros, uno delante de la turbina y otro delante del bypass controlado por el sistema de control de la turbina, permite una observación, control y mando a distancia en cada momento. También facilita que se puede dar apoyo técnico y de ajuste en línea desde fabrica de forma inmediata, en el momento que el operador lo necesite.
Ejemplo 2: 52kW Turbina entre dos depósitos España
Esta central operando en España desde mayo del 2013, utiliza una tubería existente entre dos tanques de 1,500m, con un desnivel de 27m que se convierte en 25m de presión neta con un caudal máximo de 278l/s de operación. La potencia instalada es de 56kW, la producción anual de 367.137kWh, la cual ahorra mas de 100 toneladas de CO2 al año a la atmosfera. En este proyecto se han integrado las señales del sistema de control digital de la turbina al sistema SCADA de la propia empresa de agua, que además controla varias válvulas adicionales que operan en función de la turbina.

Condiciones de operación de la turbina Crossflow:
Hb= 27m
Longitud tubería: 1.500m
Hn= 25 m con caudal nominal y máximo de 278l/s
Hn= 26,5 m con caudal mínimo de 17l/s

Ejemplo 3: Micro turbina en sistema de agua potable como transmisor de energía

El proyecto mas curioso es uno que pusimos en marcha en mayo del 2016 en un sistema de agua potable en Mallorca, España. Aquí la turbina está ubicada en un alto, suministrando electricidad a una potabilizadora de agua que no tiene acceso a una red eléctrica. El conducto de bombeo existente sirve de transmisor de energía: se aumenta el bombeo existente con 5m más de presión que se recupera por la turbina hidroeléctrica que la transforma en energía eléctrica. El sistema de control espera hasta que el bombeo alcanza la presión nominal de 5m para abrir y generar con 350l/s unos 14kWde potencia mecánica, unos 12kW eléctrica que inyecta en una red aislada que es creado por su mismo sistema eléctrico. Una resistencia amortigua las fluctuaciones en el consumo eléctrico, “quemando” el sobrante correspondiente.