ANÁLISIS DE VIABILIDAD PARA LA INSTALACIÓN DE MICROTURBINAS HIDRÁULICAS EN REDES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

Autor: Gómez Mayoral, María.

Director: Baíllo Moreno, Gonzalo.

Entidad Colaboradora: Canal de Isabel II.

RESUMEN DEL PROYECTO

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, las redes de suministro de agua del Canal de Isabel II poseen, en las

tuberías de conexión entre los embalses, situados normalmente en zonas altas de

montaña, y las redes urbanas y depósitos de los distintos municipios, situados

habitualmente a una cota inferior, unas válvulas que reducen el exceso de presión

debido a dicha diferencia de cotas. Dichas válvulas son responsables del continuo y

correcto abastecimiento de agua a los depósitos y a las redes de consumo urbano, con el

fin de suministrar un caudal y una presión adecuados a dicho efecto.

La caída de presión que producen estas válvulas supone una disipación o de la

energía de presión que contiene el agua que se traduce en desgaste de los elementos de

la propia válvula, ruido y vibraciones y energía calorífica. Dicha energía de presión

podría aprovecharse para la generación de energía eléctrica renovable.

El propósito fundamental de este proyecto es llevar a cabo un estudio de viabilidad

de la generación de energía eléctrica renovable, mediante la instalación de

microturbinas, aprovechando la energía disipada en las válvulas reductoras presentes en

el citado suministro de aguas del Canal de Isabel II de la Comunidad de Madrid.

A su vez, la premisa fundamental que se debe satisfacer en todo momento es que la

generación se lleve a cabo sin alterar las condiciones de calidad del suministro de agua a

los consumidores, que son, en esencia: caudal, presión y fiabilidad.

OBJETIVOS

� Aprovechamiento del recurso existente: La motivación principal para que se instalen

estos equipos es, como se ha comentado, el aprovechar energéticamente los saltos de

presión que se producen con válvulas reductoras, que adaptan las presiones al valor

adecuado para el consumo mediante el estrangulamiento del paso del flujo que

circula a través de ellas, y obtener con ellos la energía eléctrica deseada.

Un beneficio adicional supone reducir el desgaste en las válvulas reductoras de

presión cuya función se pretende sustituir y como consecuencia principal, reducir el

mantenimiento de sus elementos constituyentes como, por ejemplo, el del asiento de

la válvula, en el cual se producen localmente elevadas velocidades y, por tanto,

cavitación.

� Construcción de la central hidroeléctrica: La construcción de las instalaciones para

la generación de energía eléctrica se basará en la colocación de microturbinas en los

ejes de las tuberías y que estarán, a su vez, conectadas con alternadores eléctricos,

responsables de la generación de la energía. Dicha energía eléctrica se obtendrá, por

consiguiente, al transformar la energía de rotación de la turbina, debida al paso del

agua, en una energía eléctrica, como consecuencia de la actuación del generador.

� Mejora de factores actuales: La instalación de microturbinas debe estar enfocada al

mayor aprovechamiento energético, pero también a mejorar en lo posible el

rendimiento total de la instalación actual en lo referente a fiabilidad y a flexibilidad

en el régimen de operación de la misma.

APLICACIONES

Las posibles aplicaciones de este proyecto son:

� Autoabastecer de energía a equipos de control aislados (caudalímetros o

registradores de presión) que no tendrían abastecimiento de energía eléctrica de otro

modo por ausencia de red de distribución cercana

� Vender la energía generada, mediante el sistema de estudio en este proyecto, a la

compañía distribuidora de energía eléctrica correspondiente de la red nacional.

GENERACIÓN DE POTENCIA

A modo de introducción orientativa, se puede definir la potencia que generará la

turbina debida al salto de presión en la válvula como el resultado de la siguiente

expresión:

( ) QhgP ⋅∆⋅⋅⋅= ρµ

� P [kW] es la potencia

� Q [m3/s] es el caudal de agua que atraviesa la tubería y por tanto la turbina

� ∆h [m.c.a.] es el salto de presión determinado por la válvula reductora de presión

� µ es el rendimiento de la instalación

� ρ [kg/m3] = 1000 es la densidad del agua y

� g [m/s2] = 9,8 es la gravedad.

Póngase por caso una válvula que efectúa una reducción de presión de 40 m.c.a., es

decir, de 4 bar. Para un caudal ejemplo típico en la red de 300l/s, se producirían unos

100kW si el rendimiento alcanzara el 100%. Obtener dicha potencia mediante otras

energías renovables como, por ejemplo, la energía fotovoltaica, es mucho más costoso y

requeriría una superficie equivalente mucho mayor. En esto reside uno de los

principales incentivos para realizar este proyecto.

El dato de potencia generada, 100kW en este caso, revela que es posible obtener una

cantidad interesante de energía, puesto que el número total de válvulas susceptibles a

dicho cambio es relativamente elevado; se trata de unas 650 válvulas, localizadas a lo

largo de toda la red de suministro de agua del Canal de Isabel II en distintos municipios

de la Comunidad de Madrid.

Además los rendimientos de este tipo de instalaciones son muy elevados, rozando

valores del orden del 90%.

EXPLOTACIÓN NOVEDOSA

Como motivación adicional, pero no por ello menos importante, debe destacarse que

la instalación de estos generadores en redes de distribución de agua potable es algo

novedoso en España, hecho que añade un rasgo de interés complementario a todos los

citados hasta el momento. Nunca antes se intentó introducir una turbina en una tubería y

desaprovisionarla de su habitáculo de descarga para adaptarla a una red de consumo.

Es por esto por lo que el proyecto recibe el nombre de estudio o análisis de

viabilidad, ya que en general se estudiará desde el punto de vista técnico, legal y

económico si es o no posible la implantación de estas instalaciones en la red.

ASPECTOS ADICIONALES

Como puntos de interés deben ser citados también aspectos medioambientales, y

económicos:

� Respecto por el medio ambiente al ser generación de energía renovable.

� La motivación económica es un incentivo adicional importante, ya que, aunque los

gastos de instalación y de puesta en marcha serán elevados, la venta de energía y el

autoabastecimiento son opciones económicamente provechosas. El número de

válvulas reductoras susceptibles de ser sustituidas por turbinas es elevado, lo que

supone una generación cuantiosa de energía.

CONCLUSIÓN

En resumen:

Este proyecto analizará la viabilidad legal, técnica y económica de la colocación de

microturbinas hidráulicas conectadas de alguna forma a las válvulas ya existentes, con

la finalidad de aprovechar los saltos de presión que absorben dichas válvulas en la

actualidad para la obtención de energía eléctrica.

Se trata, por tanto, de implantar pequeñas centrales hidroeléctricas a la entrada de las

redes de suministro urbano o de los depósitos de la red de abastecimiento de agua,

según sea el caso.

El objetivo principal de este proyecto radica en la extracción de conclusiones, a nivel

técnico y a nivel económico, sobre las distintas posibilidades de implantación de los

equipos destinados a este objeto.

El proyecto se encuadra dentro de la denominada microhidráulica o generación de

energía eléctrica aprovechando saltos y generando potencia a pequeña escala.

VIABILITY STUDY ON THE INSTALLATION OF HYDRAULIC

MICROTURBINES INTO THE PIPES OF A POTABLE WATER

SUPPLY SYSTEM

INTRODUCTION

Nowadays, the water supply system of the Canal de Isabel II in Madrid has a great

number of pressure reduction valves within the pipes connecting either dams with

water-tanks, that store the water in order to use it later, or dams with urban water

nettings directly.

Those valves are responsible for the correct and continuous water supply of the

above mentioned locations, which means that the supply must achieve enough flow and

pressure at the same time and at any time. These are the main conditionings of this

project.

The main objective, therefore, is to use the pressure drop absorbed by the valve to

generate renewable electric energy, placing a microturbine instead of the valve, and to

develop a viability study to see if this replacement and its energy generation are

possible or not.

The fundamental premise to respect is to generate energy without disturbing the

quality of the water supply in terms of flow, pressure and reliability while operating.

PURPOSES

� Use of the available source: The most important reason to get under way this study

and to install these equipments is that the pressure drops in those valves are currently

being wasted. The resource is already available and, although it will not be easy to

study, a good way to take advantage of this pressure drops is to place microturbines,

connecting them to the valve in some way, so that the drop will be no more

dismissed and, as an alternative, will be used to generate energy.

� The construction of the new installation or hydroelectric plant will be based on the

placement of a microturbine in the axis of the pipe which will be also connected to

an electric alternator or generator, responsible, itself, for the energy generation. The

electric energy will be obtained, consequently, by the transformation of the turbine

rotary energy, due to the water flow across the machine, into electric energy, due to

the action of the generator. This new plant should be focused on improving the

global performance of the nowadays existing plant, by means of increasing its

reliability and its flexibility on the water supply procedure.

APPLICATIONS

There are two different possible applications for this generation:

� Self supply of energy providing with energy diverse control isolated equipments,

such as flow or pressure counters, which would not have any other energy feeding

supply instead or

� Selling of the electric energy produced by this system to the distributing company.

POWER GENERATION

The power produced by the turbine, using the available pressure drop, can be easily

determined by the next equation:

( ) QhgP ⋅∆⋅⋅⋅= ρµ

� P [kW] for the power

� Q [m3/s] for the water flow across the pipe

� ∆h [m.c.a.] for the currently dismissed pressure drop in the valve

� µ for the performance of the new plant

� ρ [kg/m3] = 1000 for the water density and

� g [m/s2] = 9,8 for the gravity.

Let us take, as an example, the next typical values:

∆h = 40 m.c.a.

Q = 300l/s, typically used, talking about this kind of supply

η = 100%,

The generated power will amount to 100kW. This quantity will be much more

expensive and difficult to generate with other renewables, such as solar energy. This is

one of the most important incentives to develop this study.

The number of pressure reduction valves that are working nowadays in the water

supply system in Madrid is around 650. This means that if all of these valves were

substituted by turbines, the total amount of energy produced would reach

MW65100650 =⋅ , of course only in the case that all of them were working together at

the same time.

The performances of this kind of turbines are really high, around 90% if the turbine

works under certain conditions that are exactly those for which the turbine will be

designed.

NEW WAY OF EXPLOITATION

An additional motivation is that the installation of these microturbines into the pipes

of a drinkable water supply system will be completely new in Spain, so it implies a real

innovation in the electric energy generation in this country.

This is the main reason to call this project a “viability study”, because it will show,

under different points of view, if the construction of this kind of power stations is

legally acceptable, technically possible and economically satisfactory.

Although the initial inversion is presumably expensive, the power selling will make

easy to recover it, since the total amount of energy produced will be indeed really high.

CONCLUSION

To sum up:

This present document will analyse the legal, technical and economical viability of

placing hydraulic - microturbines in some pipes that supply water in Madrid, connecting

them to the already existing pressure reduction valves, with the purpose of using the

pressure drops absorbed by those valves to yield energy to the electric mains.

For that reason, the project deals with the implantation of small hydroelectric power

stations located at the entrance of water tanks or of urban water supply systems,

depending on the situation of the concrete valve.

This project is aimed to obtain some technical and economical results and

conclusions about the different possibilities to set the related equipments to produce

energy in all the above referred terms.