Energía Minihidráulica

GENERALIDADES

¿Que es una PCH?
PCH es el acrónimo de “Pequeña Central Hidroeléctrica”. El objetivo de una PCH, como el de cualquier otro aprovechamiento hidroeléctrico, es convertir en electricidad, o eventualmente en energía mecánica, la energía potencial de una masa de agua, que discurre por un río, un arroyo o un canal, con una cierta caída, conocida como salto. La potencia de la central es proporcional al salto y al caudal.

¿Cual es la potencia máxima para que una central hidroeléctrica pueda ser considerada como una PCH?
Aunque no hay consenso respecto a la potencia máxima instalada que puede tener una central para ser calificada como una PCH, aquí consideraremos como tales a las que no sobrepasen los 10 MW, que es el limite aceptado por la Comisión Europea, la UNIPEDE (Unión de Productores de Electricidad), y por al menos seis de los países miembros de la Europa de los 15. Hay países sin embargo, en los que el limite puede ser tan bajo como 1,5 MW, mientras que en otros, como en China o en los países de América Latina, el limite llega a los 30 MW.

¿Que diferencia hay entre una PCH y una central hidroeléctrica convencional?
La potencia instalada no constituye el criterio básico para diferenciar una PCH y una central hidroeléctrica convencional. Una PCH no es una central convencional a escala reducida. Una turbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseño completamente distinto del de otra de unos cientos de megavatios. Desde el punto de vista de obra civil, una PCH obedece a unos principios completamente distintos a las grandes centrales alimentadas por enormes embalses.
Para mas información véanse los párrafos § 1.2 de “Guide on how to develop a small hydro site”viii.

¿Que ventajas ofrecen las PCH?
Las PCH contribuyen al desarrollo sostenible por ser económicamente factibles, no dar lugar a emisiones de gases de invernadero y hacer posible la generación descentralizada de electricidad. Independientemente de lo anterior, las PCH ofrecen ventajas concretas con respecto a los siguientes criterios:

Medio ambiente:

• Las PCH utilizan un recurso limpio y renovable –el agua- que no se consume en el proceso de generación de energía.
• Las PCH si están equipadas con pasos de peces bien diseñados no constituyen obstáculo al paso de los peces migratorios.
• Las PCH mantienen, en el curso del río cortocircuitado, un caudal de agua suficiente para asegurar la supervivencia y perpetuación de la fauna

Economía:

• La tecnología actual permite rehabilitar con éxito pequeñas centrales abandonadas.
• Las PCH movilizan los recursos financieros contribuyendo al desarrollo de la población ribereña..
• Las PCH crean puestos de trabajo para su operación y mantenimiento.
• Las PCH garantizan un plazo relativamente corto de recuperación de la energía (relación entre la energía empleada en su construcción y
  mantenimiento y la energía producida a lo largo de su vida).

Suministro de electricidad:

• Las PCH contribuyen a crear un sistema eléctrico mas diversificado.
• Las PCH, al estar situadas cerca de los centros de consumo, dan lugar a una disminución de las perdidas por transmisión y descargan las líneas de transporte.

Logística:

• Las PCH contribuyen a mejorar el conocimiento de los indicadores hidrológicos.

¿Hay una larga experiencia de PCH?
La historia de las PCH se caracteriza por dos grandes periodos:

• En el primer periodo el potencial hidráulico se empleaba solo en generar energía
  mecánica.
• En el segundo periodo el potencial hidráulico se emplea fundamentalmente en generar electricidad.

Las primeras maquinas hidráulicas aparecieron hace unos 2.200 años, probablemente en China y en el Mediterráneo. En Europa antes de que se creara la gran red eléctrica actual, había mas de diez mil pequeños aprovechamientos hidráulicos que hacían funcionar las serrarías, las tenerías, las herrerías, las fabricas de pulpa y de papel, los talleres mecánicos etc. Al popularizarse la energía eléctrica, que permitía la instalación de talleres lejos de los ríos, hubo que rediseñar las maquinas hidráulicas. Las turbinas actuales no tienen, en efecto, ningún parecido con las antiguas ruedas hidráulicas y son el resultado de un arduo trabajo de investigación encaminado a alcanzar:

• un elevado rendimiento energético y una gran resistencia a la cavitación.
• una geometría simplificada.
• soluciones técnicas de una gran fiabilidad

¿Existe un interés renovado por las PCH?
Aunque gran número de las PCH existentes a mediados del siglo pasado han desaparecido, actualmente se observa un importante renovado interés por esta tecnología. Además de las razones que se explicitaron anteriormente, aparecen otras mas recientes:

• la crisis del petróleo y el fuerte aumento de su precio;
• la posibilidad de realizar instalaciones más fiables y eficientes que aumentan la producción de energía y requieren un menor trabajo de mantenimiento;
• la creciente sensibilidad ecológica, cada vez mas favorable a las energías renovables, así como los incentivos legales puestos en marcha por los gobiernos, como instrumento que contribuye a los acuerdos del Tratado de Kyoto.

¿Cual es el potencial de las PCH?
El potencial puede dividirse en dos categorías:

• Rehabilitación de viejas centrales obsoletas
• Construcción de nuevas PCH:
  • convencionales
  • integradas en suministro de agua potable
  • integradas en canales de regadío
  • alimentadas por aguas residuales

Las PCH integradas en las redes de agua, hasta ahora poco explotadas, presentan ventajas adicionales con respecto a las convencionales:

• presentan menos problemas administrativos
• son generalmente mas baratas
• valorizan una energía desaprovechada

¿Puede el suministro de agua potable constituir un potencial para las PCH?
En las regiones montañosas existe generalmente un desnivel considerable entre la captura del agua y sus consumidores por lo que la presión a la llegada es muy alta. Para reducirla se emplean normalmente válvulas reductoras de presión y en general resulta rentable reducir esa presión en una pequeña turbina Pelton que genera energía eléctrica. La generación de esa energía no produce un impacto ambiental adicional, ya que las obras de captación, el embalse y la tubería forzada tendrían que construirse de todas formas para suministrar agua a la población. Por añadidura no es necesario solicitar la concesión del agua, que ya que esta habría sido previamente concedida a la empresa suministradora del agua.

¿Continúa siendo potable el agua, una vez turbinada?

En principio no parece recomendable el intercalar una turbina en la red de agua potable.

Sin embargo los equipos necesarios en una red de agua potable con turbina intercalada son los mismos que los que existen en otra sin turbina -. un dispositivo para regular el caudal y un bypass automático – mas la turbina. Los materiales con los que entra en contacto el agua son esencialmente los mismos en ambos casos: fundamentalmente
acero al carbono (para la tubería) y acero inoxidable para los equipos. Las modernas turbinas pueden trabajar con cojinetes sin aceite, evitando así todo riesgo de contacto de este con el agua.. La turbina no eleva la temperatura del agua ya que la energía recuperada se transforma en energía cinética y finalmente en electricidad. En todo caso el turbinado aumenta la oxigenación del agua.

¿Como puede utilizarse una red de aguas residuales para generar energía?
Existen dos posibilidades:

• la turbina se intercala aguas arriba de la planta de tratamiento y es este agua la que se turbina aprovechando el desnivel existente entre la red y la planta depuradora.
• la turbina se intercala a la salida del agua depurada, supuesto que exista un desnivel entre la planta depuradora y el río o lago en la que se descargue.

¿Hay ejemplos concretos de una buena integración PCH en el medio ambiente?
Existen multitud de ejemplos. Entre ellos podemos mencionar los siguientes: PCH en Farebout, Francia: la utilización de turbinas de aspiración y la inyección de aire en las turbinas dan lugar a una oxigenación del agua del río, mejorando su calidad aguas abajo de la central. PCH en Steinen, Alemania: la construcción de un aprovechamiento totalmente sumergido bajo el agua, en una zona residencial, genera electricidad en optimas condiciones medioambientales y económicas. PCH en el río Louros, Grecia: gracias a la combinación de soluciones arquitectónicas y técnicas se han creado biotopos. PCH de 19 MW, en un parque natural en los Picos de Europa. La utilización de canales recubiertos con tierra vegetal y la salida de la electricidad generada a través de la tubería forzada y posteriormente bajo tierra, garantizan la subsistencia del urogallo, pájaro autóctono, que estaba en vías de extinción

¿Que cifras de potencia se manejan para las PCH en Europa?
Las cifras que manejamos, salvo indicación en contrario, son las que figuran en el documento 2000 Blue Age Study , elaborado por ESHA:

• 16’200 SHP PCH en Europa (Austria, Bélgica, Republica Checa, Finlandia, Alemania, Grecia, Hungría , Irlanda, Italia, Latvia, Lituania, Noruega, Polonia, Portugal, Eslovaquia, Eslovenia, España, Suecia, Suiza, UK) y Turquía;
• 10.3 GW: de capacidad instalada (Austria, Germany, Sweden, Switzerland and Norway, France, Spain and Italy are the SHP leaders).

Esto equivale a:

• 2 % de la producción total de electricidad.
• 9 % de la producción hidroeléctrica.

MEDIO AMBIENTE

¿La energía producida por las PCH es una energía limpia?
En tanto en cuanto la producción de hidroelectricidad no da lugar a emisiones contaminantes, esta energía, en principio, puede considerarse limpia. Sin embargo para serlo, es necesario que el proyecto y desarrollo del aprovechamiento garantice la mitigación de los impactos ambientales, respete los caudales ecológicos y permita el paso de los peces. En la actualidad no es posible, al menos en Europa, construir una PCH sin que sean respetados todas las exigencias ambientales citadas

¿Como pueden mitigarse el impacto ambiental de una PCH?
Hay una serie de medidas a tomar para mitigar el impacto, pero las principales son:

• crear pasos de peces ascendentes y descendentes.
• exigir que el caudal que circula por el tramo cortocircuitado nunca sea inferior al caudal ecológico estipulado en la concesión.
• corregir las riberas del tramo cortocircuitado para favorecer el desovado de los peces
• no vaciar el azud en periodos de escasez de agua
• creación de espacios vitales en tanques, decantadores etc.

¿ En que medida la generación de un Gwh hidroeléctrico reduce la emisión de CO2?
La sustitución de 1 GWh de electricidad generado con el “mix” europeo, por otro de origen hidroeléctrico supone una reducción de 481 toneladas de CO2.

¿Que le ocurre al agua una vez turbinada?
El agua que abandona la turbina no está mas sucia que cuando entró en la misma, y en todo caso, en general tiene un contenido en oxigeno más elevado. El agua, una vez turbinada, es devuelta al río por el canal de retorno, aguas abajo de la toma de agua, aunque eventualmente podría descargar en otro río. Entre la toma de agua y el canal de retorno, lo que se conoce como tramo cortocircuitado, es necesario mantener constantemente un determinado caudal que garantiza la supervivencia de la biota. Este caudal, que no puede ser turbinado, es conocido como caudal residual o canal ecológico,

¿Como afecta a los peces la puesta en marcha de una PCH?
Una PCH correctamente diseñada incorpora una serie de medidas destinadas a proteger a los peces:

• rejillas a la entrada de la toma de agua para evitar que los peces lleguen a las turbinas vía toma de agua, canales, cámara de agua y tubería forzada.
• sistemas de pasos de peces y mas particularmente escalas de peces.
• la existencia de un caudal mínimo, estipulado en la licencia de uso del agua, en el tramo cortocircuitado, así como la corrección de sus riberas cuando se considere necesario para garantizar la supervivencia de los peces y su desove.

¿Que es el caudal residual o ecológico?
El caudal residual, también denominado ecológico, es el caudal mínimo que debe existir en el tramo cortocircuitado del río, entre la toma de agua y el canal de retorno. El caudal residual debe:

• asegurar la supervivencia de los peces
• favorecer la diversidad de las especies
• valorizar el paisaje
• mejorar la limpieza de los cauces.

TECNOLOGÍA

¿Como genera electricidad una PCH?
El principio básico de la hidroelectricidad es transformar. en una turbina, la energía potencial del agua en energía mecánica y, mediante un generador, convertir esta en electricidad. La energía potencial del agua es directamente proporcional a la diferencia de nivel entre la entrada y la salida del agua. A esa diferencia de nivel se la denomina salto. El agua, captada de un río o arroyo, es conducido vía un canal y o una tubería a presión a una turbina, y devuelta al mismo una vez turbinada.

¿Cual es la diferencia entre salto bruto y salto neto?
El salto bruto es la distancia vertical H, entre los niveles de la lámina de agua, medidos en la toma de agua y en el canal de descarga. El salto neto es el resultado de restar al salto bruto las perdidas de carga debidas al rozamiento del agua con las paredes de las estructuras por las que circula y a las turbulencias a que las mismas dan lugar. Su calculo obedece a los principios de la dinámica de fluidos, en general fáciles de aplicar con el uso de ordenadores.

¿Como se mide el salto bruto?
Para medir con exactitud el salto bruto se recomienda emplear un nivel y una mira de agrimensor, aunque hoy en día se suele medir con teodolitos electrónicos, que resultan de extremada precisión y gran facilidad de manejo. Para saltos importantes, mayores por ejemplo de 100 metros, se puede obtener un valor aceptable del salto bruto mediante un altímetro topográfico, cuidadosamente corregido en función de la temperatura y presión atmosférica, locales. Como la potencia del salto es proporcional a H3/2, un error del 5% en la medida del salto resultará en un error del 7,6%
en la potencia estimada de la central, de forma que, salvo para una primera estimación, se recomienda emplear siempre el nivel de agrimensor o los aparatos topográficos electrónicos.
Para mas información, véase el párrafo § 3.4.5 de “Guide on how to develop a small hydro site”viii.

¿Que eficiencia energética puede alcanzar una PCH?
La eficiencia de una turbina pequeña (relación entre la electricidad producida y la energía hidráulica) puede alcanzar, o incluso superar, el 90%. El proyectista debe siempre exigir al fabricante de la turbina, el rendimiento garantizado por pruebas en laboratorio.

¿Como se estima la energía eléctrica generada en una PCH?
La energía eléctrica generada se calcula mediante la siguiente ecuación E= η ·ρV·g·H.η en la que: E= energía eléctrica anual generada por la turbina [J/año]
ρ = densidad del agua = 1000 [kg/m3] V= volumen medio anual turbinado en m3/año, de acuerdo con la curva de caudales clasificados g = gravedad = 9.81 [m/s2] H = salto neto η = rendimiento global, producto de los rendimientos medios de la, turbina, eventualmente del reductor si es que existe, del generador y del transformador de salida

¿Cual es la potencia media de una pequeña turbina?
De acuerdo con lo expuesto al principio, la potencia de la turbina puede variar entre unos pocos KW y 10 MW, potencia máxima instalada para ser considerada una PCH. En Europa esa potencia media se estima en 750 KW.

¿Como se calcula la potencia hidráulica?
La potencia hidráulica se calcula mediante la formula: Ph =ρQgH
P = potencia hidráulica suministrada por la turbina ρ = densidad del agua = 1000 Q = caudal gH = energía hidráulica específica de la maquina g = gravedad = 9.81
H = salto neto Puede una PCH producir electricidad de punta?
[W] [kg/m3] [m3/s] [J/kg] [m/s2] [m]
La mayoría de las PCH no tienen embalse; son por lo tanto de agua fluyente y en consecuencia no pueden producir electricidad de punta. No obstante hay algunas, sobre todo de montaña en las que dada la altura de salto se produce mucha energía con poco
caudal, en las que es posible ubicar un pequeño almacenaje en la cámara de carga, de forma que se pueda turbinar solo en horas de punta.

¿Hay muchos tipos de pequeñas turbinas?

Como en la hidroeléctrica convencional existen tres tipos fundamentales de turbinas:

• Turbinas Pelton: utilizadas en salto de gran altura (entre 60 y más de 1000 m) equipadas con un rodete compuesto de cazoletas.
• Turbinas de reacción axiales: adaptadas para saltos entre 2 y 40 metros con rodetes formados por alabes, entre las que se encuentran las Kaplan, las bulbo y las hélices.
• Turbinas Francis, también de reacción, utilizadas en saltos de 25 a 350 metros..

ASPECTOS ECONÓMICOS

¿Que beneficios puede generar una PCH?
Los beneficios de un aprovechamiento hidroeléctrico resultan de la diferencia entre la facturación –KWh producidos por el precio del KWh – y los gatos de explotación y mantenimiento y la amortización de la inversión. La producción varía mucho de país a país, e incluso en cada país, de región a región. En Europa se considera que un aprovechamiento turbina a plena potencia entre 4000 y 5000 horas anuales. En España una cifra más realista se sitúa entre 3500 y 4000 horas. La producción equivaldrá a la potencia de diseño por las horas previstas de turbinado.

¿Cual puede ser el coste de un aprovechamiento de PCH?
Un aprovechamiento de pequeña hidráulica tiene un periodo de maduración durante el cual se está invirtiendo dinero: obtención de licencias, coste de proyectos, gestiones administrativas, inversiones en equipos, obra civil etc. Y otro de explotación durante el que periódicamente se obtienen unos ingresos –la facturación- y unos gastos –de explotación y mantenimiento. Los beneficios esperados de una inversión realizada en un cierto momento y conservada a lo largo de su vida, radican esencialmente en la corriente de rendimientos futuros que se espera que la inversión propicie. La diferencia entre los ingresos y los gastos, descontados ambos, al año cero en el que el promotor comienza la inversión, es lo que se conoce como valor actualizado neto (VAN).
La grafica muestra el coste de inversión en kWh/año en relación con la potencia anual generada en KWh/año, entre 500 MWh/año y 10 GWh/año. Asumiendo 5 000 horas de funcionamiento, este rango es igual a una capacidad instalada de 100 kW a 2 MW. Por ejemplo considerando 200 horas al año la inversión para 100 kW varia entre 0.95 y 1.80 euros por kWh/año o entre 475000 y 9000000 euros. Para 2 MW el coste varia entre 0.55 a 0.75 kWh/año o entre 5.5 y 7.5 Millones de euros.

¿Que plazo de recuperación de la inversión puede considerarse como razonable?
La vida de una PCH puede estimarse en más de 40 años. El limite superior está definido por la concesión de agua, lapso de tiempo que varía de país a país. En las circunstancias actuales, los inversores buscan un periodo de retorno de la inversión no superior a diez años.

¿Cuantos fabricantes de turbinas para PCH hay en Europa?
Cuatro grandes grupos copan el mercado de turbinas para las grandes centrales hidroeléctricas. En cambio existe un gran número de fabricantes de turbinas con potencias entre 0,5 y 5 MW.

¿Cuanta gente trabaja actualmente en el sector y cuales son las perspectivas para el futuro?
Las cifras de empleo referentes al año 2002, indicaban que, en el sector industrial de las PCH en Europa, trabajaban unas 2.200 personas. De estas unas 1.200 trabajaban en la fabricación de equipos y unas 1.000 en investigación e ingeniería. A estas
habría que añadir otras 4.000 directa o indirectamente ligadas a la explotación y el mantenimiento, lo que arrojaría un total cercano a las 6.000 personas.

Fuente: Proyecto FP5 Red Temática sobre Aprovechamientos Mini-hidroeléctricos, con la ayuda de la Dirección General de Transportes y Energía (DGTREN) de la Comisión Europea y del Office fédéral de l’éducation et de la science” (OFES).