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Rubén Miranda, Alejandro Montalvo y Cristian Noriega

DISEÑO Y POSIBILIDAD DE CONSTRUCCIÓNDE MICRO CENTRALES HIDROÉLÉCTRICASEN ZONAS DE BAJO POTENCIALENERGÉTICO

INTRODUCCIÓN

La generación de energía eléctrica utilizando fuentesrenovables como el agua para las zonas no interconectadas,representa una de las soluciones de mayor viabilidad técnicay ambiental en la solución de la problemática del suministrode energía confiable y estable en la región. El uso de estaopción presenta características especiales como:

• Utilización de un recurso natural permanente.• Aprovechamiento de fuentes locales de energía.• No requieren combustibles fósiles ni minerales.• No emiten a la atmósfera mono y bióxido de carbono.• Vida útil por encima de 25 años.

Colombia cuenta con muchas instalaciones hidroeléctricasque generan cerca de las tres cuartas partes de suproducción eléctrica, por lo cual se ha estimado un potencialde hidroenergía (PCH) entre 25 y 30 GW, ubicándose en una

posición privilegiada desde el punto de vista hidrológico,dentro de los 5 países con más abundancia en este recurso.

JUSTIFICACIÓN

La zona del Caribe posee fuentes hídricas que puedenutilizarse más intensamente en la generación limpia deenergía, a muy bajo costo y con un recurso inagotable.Las Micro Centrales Hidroeléctricas, a diferencia de lasgrandes centrales, no requieren inundar extensiones deterreno para crear embalses; en muchas ocasiones, el causede un río es suficiente para la generación de energía.

PANORAMA NACIONAL

En la actualidad, el sector eléctrico soporta su peor crisiscomo consecuencia de su participación en el servicio de ladeuda externa, por lo que sólo se están finalizando losproyectos iniciados, no existiendo recursos para emprender

RESUMEN

Los recursos energéticos tienen relación directa con el desarrollo de las comunidades1. En el caso de asentamientoshumanos aislados de las redes de interconexión nacional, juegan un papel importante fuentes alternativas de energías- que según las condiciones - harán más favorable el uso de una fuente u otra.

La energía hidráulica es una energía renovable, limpia y usada para el desarrollo y reducción de la declinación rural,originándose así una necesidad creciente de proveer de electricidad a zonas rurales, en parte para promover laindustrialización y por otro lado para satisfacer sus necesidades energéticas. Sin embargo, los costos de inversión inicialde los equipos para la generación y explotación de estas fuentes hidráulicas son relativamente altos, restringiendoconsiderablemente su aplicación masiva; razón por la cual en el pasado se han realizado estudios teóricos yexperimentales, evaluando costos de fabricación entre turbinas de diferentes tipos2 o utilizando BUTUs3. Este artículopresenta un análisis del diseño, comparación de costos, tecnologías de aplicación y posibilidades de construcción deMCHs en zonas localizadas geográficamente en las riveras de ríos4 con bajo potencial energético a explotar. Laviabilidad técnico - económica de este emplazamiento, se evaluará con respecto de los costos por KW instalado de PCHconstruidas en Colombia5.

1 ORTIZ FLORES, Ramiro. Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, McGraw – Hill Interamericana S.A., Bogotá - Colombia, 2001. Pág. 357.2 BONIFETTI, Carlos y URIBE, Alfonso. Comparación de costos de fabricación entre turbinas axial y de flujo transversal para bajas caídas, Red

Latinoamericana de Micro Hidroenergía, HIDRORED 1/99, ITDG, Perú, 1999. Pág. 5 – 6.3 AUDISIO, Orlando A. Bombas utilizadas como turbinas, Pequeñas Centrales Hidráulicas, Universidad Nacional de Comahue, Neuquén -Argentina, 1992. Pág. 19.4 MIRANDA, Rubén y MONTALVO, Alejandro. Diseño de una Micro Central Hidroeléctrica de 30 KW para el Zoocriadero Crocodilia Ltda. Tesisde Grado de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, 2005. Pág. 159.5 Revisar nomenclatura en Pág. 28.

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nuevos planes; razón por la cual el país ha volcado susiniciativas hacia la generación de hidroelectricidad a pequeñaescala, para suplir las necesidades del sector rural, donde noes necesario el componente de moneda externa para lafinanciación de nuevos proyectos. Sin embargo, se requiereavanzar en los estudios hidrológicos y balances hídricos delas regiones.

A continuación, se procederá a exponer el caso: “MicroCentral Hidroeléctrica de 30 KW par el ZoocriaderoCorocodilia Ltda.”, el cual se encuentra ubicado a orillas delRío Magdalena, característica ésta que lo hace atractivo parael diseño e implementación de un sistema de generación deenergía eléctrica a partir de energía hidráulica.

1. Condiciones de diseño

Dadas las condiciones ambientales y topográficas de laregión Caribe, se utilizó como punto de partida lacaracterización hidráulica, sedimentológica y geométrica delRío Magdalena, obteniéndose como parámetros1 de diseñopara la Micro Central Hidroeléctrica:

• S= 6.15 x 10-4• H= 0.75m• hst= 0.25m• HU= 0.5m• Q= 12.2 m3/s• P= 30 KW

2. Especificaciones técnicas de la Micro CentralHidroeléctrica

2.1. Potencial energético actual:

La grafica de demanda de potencial actual (Figura 1) muestraque la potencia máxima es de 37.28 KW, la cual se presentaen el horario de 10-12 horas; mientras que en el resto del díamantiene un promedio entre 24.7 KW y 20.25 KW en su puntomás bajo, observándose una fluctuación aproximada de 17KW en horarios específicos (10 -12 horas), lo cual conllevaríaal montaje de un sistema hidroeléctrico, con un margenelevado de potencia subutilizada. Es así como se planteó lareorganización del proceso productivo (Figura 2), a fin deoptimizar la curva de potencial eléctrico y reducir el tiempo derecuperación de la inversión.

2.2. Potencial energético futuro:

Se estimó a partir de las expectativas del propietario, conrespecto del crecimiento de la entidad, quien expresó queproyecta la implementación de una nueva unidad deincubación, con las características de la actual, lo cual traeconsigo un incremento en la potencia de 9.4% durante estetiempo; sumado a la potencia actual un 28.4 KW (Figura 2). Afin de aproximar este valor a uno estándar, se utilizó P = 30KW.

3. Equipos electromecánicos

Las condiciones del diseño que permitieron realizar loscálculos y seleccionar los equipos a utilizar con losrespectivos accesorios para la Microcentral Hidroeléctricason:

• S = 6.15 x 10-4• hst = 0.25m• HU = 0.5m• QC = 14.5 m3/s• P = 30 KW

3.1. Turbina hidráulica:

La turbina hidráulica utilizada para la generación de energíaes de flujo axial, del tipo Kaplan, con álabes fijos, = 70%,Pn= 29.76 KW, H= 0.5m, QT= 6.1 m3/s, 200 rpm y NS = 830.

3.2. Métodos de selección:

• Diseño hidráulico: La turbina hidráulica consta de álabesfijos con un sistema de distribución ajustable, lo que permiterealizar pequeños ajustes en el ingreso de caudal deacuerdo a las condiciones del lugar, por lo cual se colocorelevancia a la posible presencia del fenómeno decavitación, es por ello que se optó por una máquina cuyavelocidad específica es de 830:

(1)

• Diseño mecánico: Se consideró la resistencia de lasdiversas partes de la turbina, en especial las que seencuentran en rotación y en contacto con el agua, las

1 El significado de las abreviaturas presentes en este artículo, sedetalla en el acápite final, denominado “Nomenclaturas”.

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tolerancias dimensionales y las rugosidades superficiales,debido a que los errores relativos crecen con lasdimensiones de la máquina.

La selección de piezas como el eje, los rodamientos y elespesor de la lámina para la carcasa, se realizó consideradolos siguientes parámetros:

• Bajo costo de fabricación: Que permita ser una opcióncompetitiva frente a otras tecnologías.

• Fácil fabricación: Debe ser posible poder fabricarla enpequeños talleres con las herramientas, equipos ymateriales locales.

• Bajo mantenimiento: Utilización de elementos de largaduración.

Rodete: Consta de 4álabes diseñados conperfiles aerodinámicos ydiámetro exterior de 600mm, siendo el proceso defabricación por fundiciónen una sola pieza (Figura3).

Álabes directrices:Cuenta con 24 álabesdirectrices ajustables, deacuerdo con losrequerimientos defuncionamiento y 7 álabesfijos que permiten mejorarel alineamiento del flujo deagua y contribuir al buenrendimiento de la máquina.Son fabricados porfundición y luego sonensamblados en unacorona cilíndrica (Figura 4).

Distribuidor: Se fabricaen planchas de acero de 4mm de espesor, cortadas,roladas y soldadas a tope,procurando una salidalaminar del flujo. Eldistribuidor / carcasa estásoldado sólidamente en unposte estructural metálico,el cual sirve como soportey elemento de anclaje a lacimentación (Figura 5).

3.2. Generador eléctrico:

El generador utilizado es del tipo asíncrono, autoexcitado,autorregulado, monofásico, n = 1800 rpm, Pn = 15 KW, f = 60Hz, = 80%, el cual genera 120/240 V a 70 Amperios,fabricado por la Cummins Power Generation, de bajo costo,fácil accesibilidad y un sistema de transmisión por engranajescompacto de 200 a 1800 rpm, con disposición de ejesparalelos y = 80%, el cual será ventilado por aire en circuitoabierto con expulsión al exterior.

3.3. Regulador de carga:

Se seleccionó un regulador que funciona con caudal ydisipación de energía eléctrica constante - con el objeto deminimizar las pérdidas secundarias en la MCH - el cual seconstituye en un regulador electrónico de carga utilizadocomo regulador de frecuencia, basándose en el principio deabsorción de carga mediante resistencias eléctricas. Tienecomo base de funcionamiento el microcontrolador 68HC11 deMotorola, el cual mide la frecuencia de línea y adecua el valorde la carga secundaria (Banco de 3 resistencias eléctricas de2KW cada una enfriadas con agua) para mantener lafrecuencia constante. Para diseños de esta capacidad, talescontroladores tienen las ventajas de bajo costo,mantenimiento, alta confiabilidad y gran versatilidad.

4. Obras civiles

4.1. Bocatoma:

Se optó por una bocatoma lateral con espigón (Figura 6) enconcreto reforzado de 3000 Psi - por su sencillez deconstrucción - la cual consta con dos compuertas para sumantenimiento y el acceso para la toma de agua.

Figura 6. Bocatoma con espigón

4.2. Desarenador:

Se diseñó con concreto reforzado de 3000 Psi, con Le = 3,2 m,W = 11 m, Ad = 872,64 m2, Ld = 79,330 m, Cts= 781.602 m3,dr= 1m y LS = 4,72 m, (Figura 7).

Figura 7. Desarenador

Figura 3

Figura 4

Figura 5

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4.3. Tubería Forzada:

La tubería forzada es de acero al carbono con Dt = 1.232m, T= 13.632mm, LT = 7m, unión con bridas, codos a 15º, reductorconcéntrico, acople tubería forzada - turbina hidráulica(Figura 8) y hST = 0.25m.

Figura 8. Tubería forzada y accesorios

4.4. Casa de Máquinas:

La sala del grupo turbina - generador consistió en unahabitación de 7,2 m de alto y de dimensiones de 6 m x 7,8 mcon dos ventanas de circulación de refrigeración y en caso decambiar o reparar la turbina, existe una abertura en el techolo suficientemente grande para que ésta pase. En este lugarse alojarán todos los equipos asociados al generador, la parteeléctrica, así como las medidas y la operación de la MicroCentral Hidroeléctrica.

4.5. Canal de conducción, descarga y bifurcación:

El canal de conducción seleccionado para la MCH es del tipotrapezoidal (Figura 9), con Q = 12.2 m3/s - a fin reducir laspérdidas de carga en el mismo – para una conducción de QC= 14.5 m3/s. La MCH tiene una Ltotal = 1300 m, con el objetode conseguir H= 0.75 m. Dado que la potencia total fuedividida para ser trabajada a partir de dos turbinas, se tieneque el caudal en cada uno de estos equipos es la mitad delcaudal total. Esto conlleva al dimensionamiento de doscanales de conducción, descarga y bifurcación, con áreastransversales diferentes; por lo cual se planteo la utilizacióndel método de fabricación con cerchas, debido a que reducela cantidad de madera a utilizar en un 75%, eliminando latarea de encofrar y desencofrar, presentando mayorflexibilidad en el revestimiento de tramos curvos y unaimportante reducción de costos, ya que permite laconstrucción de canales de espesores menores sin mayorescomplicaciones, permitiendo importantes ahorros en losmateriales.

Figura 9. Canal trapezoidal: (a) Sección transversal, (b)Geometría y (c) Método por cerchas

4.6. Almenara:

Se diseñó a partir de la longitud y el diámetro de la tuberíaforzada (Figura 10) y tiene dimensiones de AA = 26.176 m2,DA = 5.773m y hA= 5m.

Figura 10. Almenara

4.7. Cámara de carga:

Dado P = 30 KW, se utilizarán dos cámaras de carga, esdecir, una para cada turbina hidráulica de 15 KW, la cual tienedimensiones b2 = 2m, L2 = 20.7m y h2c = 3.733m. Con elobjeto de conseguir la velocidad de diseño de la tuberíaforzada de 3 m/s, se realizó el diseño del dispositivoencargado (Figura 11), el cual es una adaptación rectánguloa círculo de largo = 1.9 m, ancho = 2.9 m y alto = 1.9 m.

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5. Costos

Tabla 3. Inversiones en la Micro Central Hidroeléctricade 30 KW

Tomando como referencia los proyectos ejecutados sobre laPequeña Central Hidroeléctrica en Colombia, con rangos depotencia entre 30 – 1600 KW, se estimó el Costo/KWinstalado de la siguiente manera:

Tabla 4. Costos/KW

Se observa de este análisis, que los costos de inversióninicial en estos proyectos disminuyen a medida que lapotencia instalada aumenta. El Costo/KW de la PequeñaCentral Hidroeléctrica de 30 KW, diseñada para elZoocriadero Crocodilia, es de $us.13.000/KW, con unadesviación de $us. 5.000 del valor máximo, de acuerdo con elrango de potencia en el cual se encuentra, debido al bajosalto hidráulico con el que se cuenta en la zona.

6. Impacto ambiental

• No se contempló la construcción de embalses,descartándose la construcción de presas y pérdidas desuelo por inundaciones.

• El caudal utilizado para la hidrogeneración no supera el0.22% de la estación más baja del río (5421 m3/s),garantizándose que no se presentarán alteraciones ensus niveles de sedimentos e imposibilidad para el trasladode peces migratorios.

• Se planteó colocar recubrimientos de lana de vidrio en lasparedes de la casa de máquinas, con el fin de disminuir elposible ruido en el interior de la misma a niveles casiimperceptibles.

Figura 11. Cámara de carga

a) Vista isométrica.

b) Vista frontal.

INVERSIONESTotal,

enMP*($)

Año 1,MP*($)

Año2,MP*($)

Obras civiles 800 800 -Maquinaria y equipos 90 - 90electromecánicosMontaje e instalación de 50 - 50maquinaria y equiposelectromecánicosEstudios de pre-inversión, 30 - 30asesoría técnica, supervisióny gastos generalesCostos de operación 4 - 4Costos de mantenimiento 5 - 5TOTALES 979 800 179MP*($): Millones de pesos.

Potencia instalada (KW) US$/KW

< 500 KW 5000 – 8000500 – 1000 KW 2000 – 45001000 – 1600 KW 1300 – 1500

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CONCLUSIONES

• El Río Magdalena se encuentra en capacidad de entregarla energía eléctrica necesaria para suplir las necesidadesdel proceso productivo en el Zoocriadero Crocodilia Ltda.

• La hidrogeneración a pequeña escala en el aprovechamiento de baja caída, como el planteado para elZoocriadero Crocodilia Ltda., conlleva a la utilización detecnologías cada vez mejores, a fin de minimizar laspérdidas de energías hidráulicas y eléctricas.

• La evaluación ambiental mostró resultados positivos, debido a que el caudal utilizado para la hidrogeneración,no sobrepasa el de la estación más baja del Río Magdalena, lo cual garantiza la no alteración de suecosistema.

• El dimensionamiento fue técnicamente factible, por la constitución del sistema electromecánico, como las turbinas y generadores, aunque, las obras civiles comobocatoma, canal de conducción, desarenador, bifurcación,cámara de carga y canal de descarga requieren un altocosto de inversión inicial.

• Los costos de montaje son excesivamente elevados,comparados con otros proyectos de similar capacidad.

• El elevado costo de instalación por KW está relacionadocon la topografía del lugar, siendo el salto hidráulico uno delos factores primordiales al momento de determinar lainversión inicial del proyecto.

RECOMENDACIONES

Reorganización del proceso productivo:

• Cambiar el horario de uso del sistema de distribución deagua, de los reflectores del sistema de iluminaciónnocturna y las horas de molienda de alimento.

• Realizar racionamientos eléctricos al restaurante en lashoras de llenado del canal.

Impacto ambiental:

• Planificación de desplazamientos de los vehículos, paradisminuir las emisiones de CO2 al ambiente.

• Construcción de la MCH en época de poca pluviosidad.

NOMENCLATURAS

BUTUs: Bombas Utilizadas como Turbinas.MCHs: Micro Centrales Hidroeléctricas.PCH: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.Ad: Área de desarenación (m2).AA: Área sección transversal de la almenara (m2).AT: Área sección transversal tubería forzada (m2).b2: Ancho tanque de la cámara de carga (m).Cts: Capacidad tanque de desarenación (m3).DA: Diámetro de la almenara (m).Dt: Diámetro interior de la tubería forzada (m).dr: Profundidad de desarenación (m).

FS: Factor de seguridad.f: Frecuencia (Hz).H: Cabeza neta (m).HU: Cabeza útil (m).hA: Altura de la almenara (m).hST: Pérdidas hidráulicas totales (m).h2C: Altura total de la cámara de carga (m).Ld: Longitud de desarenación (m).Ltotal: Longitud total de la MCH (m).Le: Longitud de entrada de desarenación (m).LS: Longitud de salida de desarenación (m).L2: Longitud de la cámara de carga (m).LT: Longitud de la tubería forzada (m).NS: Número específico de revoluciones

(Adimensional).n: Velocidad de giro (rpm).P: Potencia de diseño (KW).Pn: Potencia nominal (KW).Q: Caudal de diseño (m3/s).QC: Caudal de circulación (m3/s).QT: Caudal de trabajo (m3/s).S: Pendiente lámina de agua.T: Espesor de la pared de la tubería forzada (mm).VT: Velocidad del flujo en la tubería forzada

(m/s).W: Ancho de desarenación (m).y: Sobrepresión debida al golpe de ariete.h: Eficiencia (%).

REFERENCIAS

• MIRANDA, Rubén y FONTALVO, Alejandro. Diseño de unaMicro Central Hidroeléctrica de 30 KW para el ZoocriaderoCrocodilia Ltda., Tesis de Grado de Ingeniería Mecánica,Universidad del Atlántico, 2005. Pág. 159.

• FLÓREZ ORTIZ, Ramiro. Pequeñas Centrales Hidráulicas,McGraw-Hill Interamericana S.A., Bogotá - Colombia. 2001.

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• MACHADO, Eduardo. Manual de diseño, cálculo y dimensionamiento de centrales hidroeléctricas. ICEL,Ministerio de Minas y Energías, 1997.

• Ministerio de Minas y Energía. Los programas de PequeñasCentrales Hidroeléctricas: PCH en Colombia. ICEL.

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• SMITH, Nigel, Gestión inteligente de la carga de unaMicrocentral hidroeléctrica, Red Latinoamericana deMicroenergía, HIDRORED 1/2003, ITDG, Perú. Pág. 2 – 4.2003.

• SÁNCHEZ, Teodoro, RAMÍREZ, Saúl y DÁVILA, Celso, Turbina axial: Bajas caídas, bajo mantenimiento, bajo costo,Red Latinoamericana de Microenergía, HIDRORED 1/2003,TDG, Perú. Pág. 5-8. 2003.

Para mayor información sobre este artículo, contactarse con:

Ing. Rubén Miranda Carrillo.Ing. Alejandro Montalvo Romero.

Ing. Cristian Noriega Saltarín.

Investigadores.Grupo de Gestión Eficiente de la Energía, KAI.

Universidad del Atlántico – Colombia.

E – mails: rubenmiranda@educ.aralejandro.fontalvo@concrecem.com.cocr_noriega@yahoo.com