Diseño de una mini central hidroeléctrica

Abstract

Abstract: In the present work, a proposal for the design of a mini hydroelectric power plant is made to supply the demand of the electricity consumption of the Flower Growing Company "Plantaciones Malima Cía. Once with this information, the sizing calculation of several constituent parts of the generation system is done, to mention some such as the sand trap, the loading chamber, the pressure pipe, the turbine and other necessary subsystems. [...]the estimated cost of the installation is analyzed and the internal rate of return for the period of useful life of the hydroelectric plant is calculated. The results obtained determine the feasibility of the project and the benefits that the company could have when implementing a hydroelectric power generation plant.

Headnote

Resumen: En el presente trabajo se realiza una propuesta de diseño de una mini central hidroeléctrica para abastecer la demanda del consumo eléctrico de la Empresa Floricultora "Plantaciones Malima Cía. Ltda." como caso de estudio. Se procede en primera instancia a determinar el rango del caudal disponible del río Paute, se estudia los consumos específicos de cada uno de los sistemas, equipos y dispositivos electromecánicos con los que cuenta la compañía. Una vez con esta información se realiza el cálculo de dimensionamiento de varias partes constitutivas del sistema de generación, por mencionar algunos como el desarenador, la cámara de carga, la tubería de presión, la turbina y otros subsistemas necesarios. Por último, se analiza el costo estimado de la instalación y se calcula la tasa interna de retorno para el periodo de vida útil de la central hidroeléctrica. Con los resultados obtenidos se determina la viabilidad del proyecto y los beneficios que la empresa podría tener al implementar una planta de generación de energía hidroeléctrica.

Palabras-clave: Consumo eléctrico; proyecto hidroeléctrico; tubería de presión; turbina Michel-Banki.

Abstract: In the present work, a proposal for the design of a mini hydroelectric power plant is made to supply the demand of the electricity consumption of the Flower Growing Company "Plantaciones Malima Cía. Ltda." As a case study. The first step is to determine the range of available flow of the Paute River, the specific consumption of each of the systems, equipment and electromechanical devices that the company has is studied. Once with this information, the sizing calculation of several constituent parts of the generation system is done, to mention some such as the sand trap, the loading chamber, the pressure pipe, the turbine and other necessary subsystems. Finally, the estimated cost of the installation is analyzed and the internal rate of return for the period of useful life of the hydroelectric plant is calculated. The results obtained determine the feasibility of the project and the benefits that the company could have when implementing a hydroelectric power generation plant.

Keywords: Electricity consumption; hydroelectric project; pressure pipe; MichelBanki turbine.

(ProQuest: ... denotes formulae omitted.)

1.Introducción

El aprovechamiento eficiente de la energía eléctrica ha sido desde hace muchos años el eje principal en el desarrollo económico y social de la humanidad. Conforme la población crece, la energía demandada para cubrir necesidades básicas de consumo y bienestar también aumenta (Jara, 2018). Las estadísticas del consumo total de energía mundial indican que desde 1965 a 2006, el consumo se ha incrementado de 46,52 a 127,93 millones de gigavatios-hora (GWh), es decir que el consumo en el 2006 era aproximadamente el triple del consumo en 1965 (Ahmadian, Falconer, & Lejeune, 2014). Esta gran demanda energética ha ocasionado que se desarrollen diferentes maneras de obtener energía, particularmente, electricidad. Además, existe una concienciación cada vez mayor sobre los efectos medioambientales que conlleva el uso de energías no renovables (Castro, 2005).

En el área de la generación de electricidad se cuenta con varias alternativas tecnológicas desarrolladas que posibilitan la obtención de energía desde diversas fuentes sean estas renovables y no-renovables. En el contexto mundial actual, los proyectos de generación en su mayoría se enfocan en fuentes de generación limpia y renovable. En este sentido las hidroeléctricas han sido pioneras en la producción eléctrica sostenible. En el 2006, la electricidad mundial generada por hidroeléctricas representaba cerca del 90% del total de generación de electricidad renovable (Ahmadian, Falconer, & Lejeune, 2014).

La Organización Latinoamericana de Energía - OLADE considera que, en muchos casos, la generación eléctrica a través de mini centrales hidroeléctricas es una solución a las necesidades eléctricas de una comunidad o una pequeña industria (Benavides, 2011). Para el presente trabajo, se ha seleccionado un caso de estudio puntual de generación de electricidad en el que se pueda analizar la factibilidad de implementación de un proyecto hidroeléctrico que cubra la demanda energética de una empresa mediana como Plantaciones Malima (con un número de trabajadores inferior a 500).

El estudio se desarrolla en varias fases de análisis, empezando por una revisión general de conceptos acerca de la generación hidroeléctrica y las diferentes alternativas renovables y no renovables disponibles hoy en día. Luego, se desarrolla un estudio de la demanda energética de la empresa, para establecer el tamaño del proyecto y compararlo con la energía potencial y cinética que se puede conseguir en el río Paute, que constituye la fuente de energía. La siguiente fase consiste en la selección de la mejor turbina de generación en términos hidráulicos para cumplir con lo especificado. Por último, se hace un análisis económico que compruebe la viabilidad del proyecto en términos de inversión y costo de la electricidad. Los resultados son presentados y analizados para obtener las conclusiones del caso de estudio propuesto.

1.1.Centrales hidroeléctricas

La característica principal de estas centrales es aprovechar la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como un salto geodésico (Ahmadian, Falconer, & Lejeune, 2014).

El cauce de un río es fundamental, ya que el fluido pasa por una turbina hidráulica, que se encarga de transmitir la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica. Por lo tanto, se trata de una instalación con un diseño que utiliza la energía del movimiento del agua para transformarla en energía eléctrica (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019).

Estas instalaciones se clasifican según distintos criterios, dos de ellos son la altura del salto y el tipo de utilización del agua.

Según la altura del salto o desnivel se clasifican como:

- Centrales de alta presión

- Centrales de media presión

- Centrales de baja presión

Según el tipo de utilización del agua se clasifican en:

- Centrales de agua fluente o centrales de pasada o de filo de agua

- Centrales de embalse o regulación

- Centrales de regulación

- Centrales de bombeo

1.2.Componentes principales de la hidroeléctrica

Para las, micro y mini centrales hidroeléctricas en general la OLADE hace algunas recomendaciones acerca de los elementos que debe poseer y la forma de determinar los costos (Indacochea, 1981). La Tabla 1 muestra los componentes necesarios de una hidroeléctrica, su descripción y materiales sugeridos para la construcción.

2.Métodos

Para diseñar un sistema hidráulico de generación eléctrica que posibilite cubrir la demanda energética de la empresa Plantaciones Malima es indispensable en primera instancia analizar la demanda eléctrica de la empresa a fin de poder establecer la capacidad neta del sistema a diseñar.

Luego de esto, a través de un estudio hidrológico del sitio permitirá plantear las condiciones con las que se cuenta a fin de seleccionar la mejor tecnología a utilizar; con estos detalles se podrán desarrollar los cálculos correspondientes.

2.1. Estudio de la demanda

El estudio de la demanda energética se lo realiza en dos partes. Primero se estima la cantidad de potencia utilizada en la empresa. Este cálculo se realiza suponiendo que todos los equipos están en funcionamiento al mismo tiempo (ver Tabla 2).

Como se puede observar en la Tabla 2, la suma de las potencias de todos los equipos instalados en plantaciones Malima es de 283,0324 kW. Es decir que usando un factor de disponibilidad del 10% se puede establecer que la capacidad para demanda está en el orden de los 300 kW (Bazo, 1985).

En la Figura 1 se muestra el consumo eléctrico de la empresa desde enero de 2014 a julio de 2018.

Con la muestra de datos obtenida, se ha calculado un promedio aritmético de consumo de 95.817 kWh/mes, una desviación estándar de 22.780 kWh/mes, lo que indica una variación de los consumos energéticos con respecto a la media, obteniendo un límite máximo de 118.597 kWh/mes y un mínimo de 73.037 kWh/mes.

Considerando un aproximado de 24 horas de consumo eléctrico por 31 días al mes, se puede calcular su equivalente en potencia de acuerdo a la ecuación 1 (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019).

... (1)

2.2.Estudio hidrológico del sitio

Consiste en la determinación de dos parámetros principales: el salto neto existente de acuerdo con la topografía del sitio y el caudal disponible.

Salto neto existente. - El cálculo del salto neto se ha desarrollado utilizando el software Google Earth. Para esto se debe especificar las ubicaciones y los tramos de tubería desde el lugar de captación hasta la casa de máquinas como lo muestra la Figura 2. Aquí también se puede apreciar la ubicación de plantaciones Malima con respecto a los lugares elegidos.

A partir de la Figura 2 se puede determinar el salto neto hidrológico como la resta entre la altura de captación y la altura de central hidráulica como se muestra en la ecuación 2 (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019).

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Caudal hidrológico. - La OLADE propone como procedimiento para la determinación del caudal en zonas con ausencia de datos, que consiste en recoger datos de estaciones meteorológicas cercanas y estimar el caudal hidrológico de las sub-cuencas en las que se plantea colocar el proyecto. En este estudio se utilizan los datos entregados por la central hidrológica H0894 instalada en el río Paute (Figura 3). Esta estación resulta ser la más cercana al sitio de estudio (Pozo, 2018).

Los datos de los caudales diarios en la estación hidrológica H0894 se presentan en la Figura 4, en donde se puede observar que el caudal medio durante el año 2018 fue de 34 m3/s; en este sentido como el afluente para el proyecto será el río Cuenca el cual de acuerdo a las mediciones del ancho realizadas se considera entonces un caudal del 50% del caudal medio del río Paute, esto es 17 m3/s.

El caudal de equipamiento se define como el caudal necesario para que el volumen turbinado sea máximo, ver ecuación 3 (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019).

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El caudal ecológico es el mínimo caudal necesario para preservar el ecosistema en el cauce ecológico [ (Castro, 2005); (Benavides, 2011) (Indacochea, 1981); (Bazo, 1985); (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019)], ver ecuación 4.

... (4)

El caudal disponible final para la producción eléctrica es lo establecido en la ecuación 5 (Palomeque, Valdez, & Jara, 2019).

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2.3.Diseño

Preselección del tipo de turbina. - basándose en criterios de rendimiento, costo y mantenimiento, se procede con la preselección del tipo de turbina. Los datos de caudal disponible y altura neta calculados sirven como entrada (ver Figura 5). En este caso las turbinas preseleccionadas corresponden a turbinas de flujo cruzado Michelle-Banki/ Ossberger, Francis, y Kaplan [7].

Para efectuar la selección definitiva se utilizó el método de matrices cuadradas en donde se establecieron criterios de ponderación tomando en cuenta parámetros como la facilidad de construcción, el costo de implementación y la facilidad de mantenimiento. Al respecto de los criterios de costo, construcción y mantenimiento se los evaluó tomando en cuenta las recomendaciones hechas por la OLADE (Villablanca, 2011). El criterio de rendimiento fue evaluado al comparar las eficiencias de las 3 turbinas preseleccionadas.

En vista de que se preseleccionaron 3 turbinas, se estableció un proceso de selección utilizando algunos factores como: costos, facilidad de emplazamiento, mantenibilidad, operación y otros, los cuales luego de ponderarlos y someter cada una de las 3 tecnologías preseleccionadas a estos factores, resultó con mayor puntaje la Turbina Michelle-Banki/Ossberger.

Selección del diámetro de tubería. - El diámetro de la tubería depende de varios parámetros relacionados con el diseño, es por esto que se realiza una selección preliminar utilizando el diagrama de la Figura 6, para un caudal de diseño de 1,5854 m3/s, nos da un diámetro de 0,9 m, valor que luego de verificar la velocidad del fluido y las pérdidas, se realizará los ajustes necesarios para seleccionar el diámetro adecuado.

Luego de la determinación de las pérdidas del sistema mediante el uso del software Pipe Flow Expert, se obtuvieron los resultados exactos de los cálculos hidráulicos correspondientes al caudal de diseño y altura aprovechable, con los cuales se confirmó la selección de la turbina y fueron insumos fundamentales para determinar las geometrías de construcción del rodete y del inyector de la turbina Banki (Indacochea, 1981).

Al respecto del desarenador, cámara de carga y captación, se utilizó el procedimiento establecido principalmente en el Manual de Mini y Microcentrales Hidráulicas de Coz et al (1995) y algunas recomendaciones hechas por la OLADE.

En la figura 7 y 8 se presentan esquemas generales con algunas de las características del desarenador y la cámara de carga del sistema diseñado.

3.Resultados y discusión

En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos para la puesta en marcha del proyecto satisfaciendo las necesidades planteadas. En resumen, los resultados indican que el caudal y el salto presentes en el río Cuenca pueden cubrir las necesidades energéticas de la empresa Malima en su totalidad, teniendo una potencia extra estimada de 92 kW operando con caudal medio. Esta potencia extra asegura la operatividad en época de estiaje.

En la Figura 9, se muestra el esquema final de la hidroeléctrica con algunos de los resultados principales del análisis hidrológico.

En la Figura 10 se puede observar de manera general la ubicación de los diferentes componentes de la instalación, entre ellos un desarenador que tiene 13,3 metros de longitud y un volumen de 15,8 metros cúbicos de capacidad, una cámara de carga desde donde sale la tubería de presión que tiene una longitud total de 915 m y un diámetro de 1000 mm.

La tubería de presión tiene un diámetro interior de 1 metro y un espesor de 110 mm, construido en hormigón armado en sus tres tramos.

4.Conclusiones

Se ha verificado de manera general, que el consumo energético de la empresa Floricultora Plantaciones Malima Cía. Ltda., mensualmente asciende a 62.100 kWh, lo que significaría una capacidad instalada de aproximadamente unos 100 kW. En base a la desviación estándar del consumo mensual histórico se obtiene un consumo máximo esperado de 118.597 kWh y un mínimo de 73.037 kWh.

Al realizar el estudio del emplazamiento se determinó que se puede tener un salto neto hídrico de 27 m, que pueden ser aprovechados para la generación eléctrica.

Conociendo el caudal del río Paute que es de 34 m3/s, y mediante una relación del tamaño de sus afluentes, se estima que el río Cuenca tiene un caudal de 17 m3/s, de los cuales al considerar el caudal de equipamiento y el caudal ecológico únicamente se dispone para la generación eléctrica con 8,93 m3/s.

El caudal de diseño calculado en base a la demanda energética es de 1,585 m3/s, valor que es inferior al caudal disponible, con lo que se concluye que se puede cubrir con la demanda eléctrica y su proyección de crecimiento a largo plazo.

Bajo las consideraciones ya establecidas en base a factores de diseño como: la factibilidad de construcción y mantenimiento, el costo de implementación, la eficiencia para caudales variables se selecciona como mejor alternativa la turbina Michelle-Banki.

Se determina la trayectoria de la tubería de presión, su diámetro interior en función del caudal de 1 m y el espesor de la tubería de 110 mm, además según la trayectoria de la tubería esta tiene una longitud de 915 m.

Las dimensiones para que el desarenador cumpla su función es de 13,3 metros de longitud, un ancho de 7,93 metros y una altura de la cámara de la arena de 0,3 metros.

De acuerdo a los parámetros considerados para la selección de la turbina, se determinó que la turbina hidráulica tipo Michelle-Banki. Modelo R389, es la más apropiada para el sistema de generación hidroeléctrico motivo de este proyecto.

References

Referencias

Ahmadian, R., Falconer, R., & Lejeune, A. (2014). Hydro Power-Introduction. Elsevier.

Bazo, C. (1985). Manual de diseño, estandarización y fabricación de equipos para pequeñas centrales hidroeléctricas. Quito, Ecuador: OLADE.

Benavides, J. (2011). Observatorio de Energía Renovable para América Latina y el Caribe.

Castro, A. (2005). Minicentrales hidroeléctricas. Madrid: Inst. Para Diversif. Ahorro Energ.

Coz et al. (1995). Manual de mini y microcentrales hidráulicas; una guía para el desarrollo de proyectos. Lima, Perú: Intermediate Technology Development Group.

Indacochea, E. (1981). Minicentrales hidroeléctricas: manual para toma de decisiones. Quito, Ecuador: OLADE.

Jara, N. (2018). Impacto de las políticas energéticas en la industria de lafabricación de refrigeradores domésticos en Latinoamérica: caso México, Colombia y Ecuador. Medellin, Colombia: Universidad Pontificia Bolivariana de Medellin.

Palomeque, M., Valdez, I., & Jara, N. (2019). Diseño de una central hidroeléctrica para abastecer la demanda del consumo eléctrico de plantaciones Malima CIA. LTDA. Cuenca, Ecuador: Universidad Politécnica Salesiana.

Pozo, A. (2018). Análisis de la vulnerabilidad al cambio climático de la cuenca del río Paute (Ecuador). Cantabria: UNICAN.

Villablanca, G. (2011). Estudio de prefactibilidad para la construcción y operación de una mini central hidroeléctrica (MCH) en la sub cuenca del río Palora. Quito, Ecuador: Universidad San Francisco de Quito.