Preguntas frecuentemente formuladas (FAQ) sobre los aprovechamientos de pequeĂąa hidrĂĄulica
Este documento ha sido elaborado, en el marco del 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) en el marco del Proyecto 02/0007 por:
1. ESHA, European Small Hydropower Association 2. MHyLab, Fondation du laboratoire de mini-hydraulique de Montcherand, Switzerland 3. ÖVFK, Österreicher Verein zur Förderung von Kleinkraftwerken, Austria 4. SERO, Sverige Energiföreningars RiksOrganisation, Sweden 5. EPFL-LCH, Laboratoire de constructions hydrauliques of the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland 6. Traducido y adaptado al español por Celso Penche
GENERALIDADES............................................................................................................... 5 ¿Que es una PCH? .............................................................................................................. 5 Cual es la potencia máxima para que una central hidroeléctrica pueda ser considerada como una PCH? .................................................................................................................. 5 Que diferencia hay entre una PCH y una central hidroeléctrica convencional? ................ 5 Que ventajas ofrecen las PCH? ......................................................................................... 5 ¿Hay una larga experiencia de PCH? ................................................................................. 6 ¿Cual es el potencial de las PCH? ...................................................................................... 7 Puede el suministro de agua potable constituir un potencial para las PCH?...................... 7 ¿Continúa siendo potable el agua, una vez turbinada?....................................................... 7 ¿Como puede utilizarse una red de aguas residuales para generar energía? ...................... 8 ¿Hay ejemplos concretos de una buena integración PCH en el medio ambiente? ............. 8 Que cifras de potencia se manejan para las PCH en Europa? ............................................ 8 ¿Cuales son las barreras que dificultan un mayor desarrollo de las PCH en Europa? ..... 10 ¿Interesan las PCH a los países en desarrollo?................................................................. 10 ¿Cual es el potencial aun no utilizado? ............................................................................ 11 ¿En Europa?.................................................................................................................. 11 ¿En el mundo? .............................................................................................................. 12 MEDIO AMBIENTE ........................................................................................................... 14 ¿La energía producida por las PCH es una energía limpia? ............................................. 14 ¿Como pueden mitigarse el impacto ambiental de una PCH?.......................................... 14 ¿ En que medida la generación de un Gwh hidroeléctrico reduce la emisión de CO2?... 14 ¿Que le ocurre al agua una vez turbinada? ....................................................................... 14 ¿Como afecta a los peces la puesta en marcha de una PCH? ........................................... 15 ¿Que es el caudal residual o ecológico? ........................................................................... 15 ¿Como se fija el volumen del caudal ecológico? ............................................................. 15 ¿Que efectos económicos tiene la adopción de un caudal residual? ................................ 16 ¿Que es un paso de peces?................................................................................................ 16 ¿Hay muchos tipos de pasos de peces? ............................................................................ 16 ¿Cuanta agua es necesaria para mantener operativo un paso de peces?........................... 17 ¿Cuanto cuesta construir y operar un paso de peces?....................................................... 17 TECNOLOGÍA .................................................................................................................... 18 ¿Como genera electricidad una PCH? .............................................................................. 18 Cual es la diferencia entre salto bruto y salto neto? ......................................................... 18 Como se mide el salto bruto? ........................................................................................... 18 ¿Que eficiencia energética puede alcanzar una PCH?...................................................... 18 ¿Como se estima la energía eléctrica generada en una PCH? .......................................... 19 ¿Cuales son las dimensiones medias de una PCH? .......................................................... 19 ¿Cual es la potencia media de una pequeña turbina? ....................................................... 19 Como se calcula la potencia hidráulica? .......................................................................... 19 Puede una PCH producir electricidad de punta? .............................................................. 19 Hay muchos tipos de pequeñas turbinas? ......................................................................... 20 Cuales son sus principales características?................................................................... 21 De una Francis .............................................................................................................. 22 Que diferencia hay entre una turbina de acción y otra de reacción? ................................ 23 Que materiales suelen utilizarse para fabricar un rodete? ................................................ 23
Como se define la energía específica de una turbina?...................................................... 23 Que es una curva de caudales clasificados? ..................................................................... 23 Como se mide el caudal? .................................................................................................. 24 Que son y como se evalúan las perdidas de carga? .......................................................... 24 Como influye la tubería forzada en la perdida de carga? ............................................. 25 Que es la cavitación.......................................................................................................... 25 Como evitar el fenómeno de cavitación? ..................................................................... 26 ASPECTOS POLÍTICOS..................................................................................................... 28 Cuales son los objetivos del Libro Blanco respecto a las PCH? ...................................... 28 Cual es el objetivo de la Directiva 2001/77/EC "Promoción de la electricidad producida con recursos renovables" (Directiva RES-e)? .................................................................. 28 Como está estructurado el sector europeo de las PCH? ................................................... 28 Cuales son los principales instrumentos de ayuda a las energías renovables en general y a las PCH en particular? ...................................................................................................... 29 Que otros instrumentos de apoyo podrían implementarse para las energías renovables en general y las PCH en particular? ...................................................................................... 30 Donde pueden obtenerse los datos hidrológicos?............................................................. 30 ASPECTOS ECONOMICOS............................................................................................... 31 Que beneficios puede generar una PCH? ......................................................................... 31 Cual puede ser el coste de un aprovechamiento de PCH?................................................ 31 Que plazo de recuperación de la inversión puede considerarse como razonable? ........... 32 Cuantos fabricantes de turbinas para PCH hay en Europa? ............................................. 32 Cuanta gente trabaja actualmente en el sector y cuales son las perspectivas para el futuro?............................................................................................................................... 32 GLOSARIO. ......................................................................................................................... 33 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 33
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 en el punto 1.4, 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: o convencionales o integradas en suministro de agua potable o integradas en canales de regadío o alimentadas por aguas residuales Las PCH integradas en las redes de agua, hasta ahora poco explotadas, presentan ventajas adicionales con respecto a las convencionales: o presentan menos problemas administrativos o son generalmente mas baratas o 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. Para mas información, véase, el párrafo § 1.3 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii.
¿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. Otras cifras de interés: El 65% de las PCH localizadas en Europa Occidental y más del 40% de las instaladas en Europa Oriental y Turquía, tienen más de 40 años. La potencia instalada que merece la pena rehabilitar puede estimarse en 20 372 MW • 19'600 GWh /year: EU-15 potential for new plants • la electricidad producida en la EU-15 por PCH. ha subido en un 8% desde 1995 (en el que la producción fue de 37 TWh/año) y, de acuerdo con el Libro Blanco de la Comisión (97 599), se espera crezca un 38% en el horizonte 2010 (55 TWh).
¿Cuales son las barreras que dificultan un mayor desarrollo de las PCH en Europa? Las principales barreras son del tipo administrativo y regulatorio: • dificultades para obtener el derecho al uso del agua (concesión administrativa); • oposición de los organismos medioambientales y las asociaciones de pescadores aduciendo que afecta adversamente al desarrollo de los peces y a su captura; • problemas con la obtención del permiso de conexión a la red; • oposición de los pequeños grupos medioambientales ante el impacto visual de las instalaciones. Sin embargo en una PCH bien proyectada el impacto visual es mínimo, la vida de los peces está asegurada con la construcción de adecuados pasos de peces y con el establecimiento de un razonable caudal ecológico, y complementado, si es necesario, con medidas correctoras en el cauce del tramo de río cortocircuitado. Los problemas se reducen incorporando desde el principio al proyecto, la municipalidad y los grupos medio ambientalistas.
Para mas información, véase el párrafo § A.3 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii. ¿Interesan las PCH a los países en desarrollo? La energía generada por las CPH tienen importantes ventajas para los países en desarrollo: • El recurso (agua fluyente) es autóctono por lo que reducen la dependencia energético del país
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Los sitios se encuentran muy dispersos por lo que el agua constituye un recurso descentralizado, que puede ser utilizado par suministrar electricidad a pueblos aislados a los que no llegan las redes de transporte Por regla general no necesitan embalse -aunque si este ya existe para otros usos podría y debería aprovecharse. Dados su tamaño y simplicidad pueden ser operadas y mantenidas por la población local No dan lugar a emisiones atmosféricas lo que contribuye a reducir los efectos del cambio climático. La vida de una PCH supera los 25 años lo que facilita la recuperación de la inversión Las grandes instituciones mundiales -Banco Mundial, Banco Central Europeo, Banco Interamericano de Desarrollo, etc. -tienen programas de ayuda al desarrollo de esta actividad en los países en desarrollo
¿Cual es el potencial aun no utilizado? ¿En Europa?
El potencial de las PCH en la EU-15 es aun considerable, aunque a partir de 1950 se hayan cerrado gran número de centrales, en parte por su antigüedad, pero sobre todo por la dura competencia creada por las grandes centrales. La rehabilitación de esas centrales obsoletas daría lugar a una producción estimada en 4 500 GWh anuales. De acuerdo con los datos suministrados por los países miembros, el potencial para nuevas PCH, teniendo en cuenta las dificultades planteadas por los organismos medioambientales, se estima en 2 700 MW, con una producción anual de 11,5 TWh, que sumados a los 40 TWh en que se evalúa la producción actual, daría una cifra bastante inferior a los objetivos del Libro Blanco para el 2010 - 55 TWh con 14 000 MW instalados, o los 60 TWh para el horizonte 2020.
¿En el mundo?
El potencial, en regiones como China y América Latina es extraordinario. China aparece como el gran líder con un potencial del orden de los 83.000 MW. En actualidad , el IN-SHP (La Red Internacional de la Pequeña Hidráulica) con base en Hangzhou (china) evalúa en 42 221, con una potencia global de 28 489 MW, las PCH que están operativas en China,. Recientemente se ha evaluado en 238 las PCH que se podrían instalar en las remotas regiones de China Occidental con un aumento del orden de los 4.000 MW en potencia instalada América Latina, aunque actualmente está volcada en la construcción de grandes centrales hidroeléctricas ofrece un enorme potencial en PCH.
Potencial hidrรกulico por continente
MEDIO AMBIENTE Para mas información, véase el capitulo § 7 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii, y el informe sobre integración Medioambiental de Pequeñas centrales Hidráulicas.. ESHA, Environmental integration of Small hydropower plants, 2005, v
¿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. ¿Como se fija el volumen del caudal ecológico? Institucionalmente lo arbitra la Administración utilizando la legislación en vigor. Todas las metodologías para la determinación del caudal ecológico, vigentes en Europa y EE.UU., pueden clasificarse en dos grupos: • métodos hidrológicos, basados en el análisis de los datos históricos de caudales y plasmados en fórmulas empíricas generalizables, de fácil y rápida aplicación u obtenidos por aplicación directa de porcentajes fijos. • Métodos hidrobiológicos: basados en la obtención de datos de campo para cada río en particular, considerando tanto los parámetros hidráulicos como los bióticos Entre los primeros se pueden diferenciar • los que utilizan un porcentaje ( 10%, 15%, etc.) del caudal medio anual • los que utilizan la formula Matthey (basada en el Q347 y el Q330 que representan los caudales superados 347 y 330 días al año respectivamente). Entre los segundos cabria destacar • el método de análisis de hábitat, • el método del perímetro mojado (Randolph y White, 1984) • la metodología PHABSIM; Bovee, 1986). Para mas información, véanse los párrafos § 7.4.3.2 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii, el informe sobre integración Medioambiental de Pequeñas centrales Hidráulicas.. ESHA, Environmental integration of Small hydropower plants, 2005, v
¿Que efectos económicos tiene la adopción de un caudal residual? El caudal residual se detrae del caudal turbinable disminuyendo por tanto los ingresos. El coste puede estimarse en el precio de los Kwh. que podrían producirse con ese caudal, aminorado por el hecho de que, al prescindir de el en el proyecto, se disminuye el coste de las estructuras y los equipos hidráulicos. En todo caso, un caudal residual elevado puede hacer inviable un aprovechamiento que de otro modo sería rentable. ¿Que es un paso de peces? Una estructura hidráulica destinada a romper la discontinuidad que introduce en el río, la presa o azud empleados para la toma de agua, que hace posible que los peces puedan circular, en ambos sentidos, ascendente y descendente, a través de la misma. Estas estructuras consumen un volumen de agua, que naturalmente contribuyen al caudal residual. ¿Hay muchos tipos de pasos de peces? Hay una multitud de sistemas. Los mas comúnmente empleados en las PCH son los conocidas como escalas de peces; las más utilizadas son las que dividen la altura a salvar mediante una serie de estanques comunicados entre sí por tabiques con vertederos, orificios o escotaduras verticales. Los estanques juegan un doble papel: crear zonas de descanso para los peces y disipar la energía cinética del agua que desciende por el paso .Estos pasos se clasifican según estén estructurados los tabiques que separan los estanques También se utilizan los pasos con retardadores, ideados por Denil y Lachadende, que admiten pendientes de hasta 1:5, y están equipados con diafragmas para disipar la energía cinética del agua.
¿Cuanta agua es necesaria para mantener operativo un paso de peces? Las escalas de peces tienen que tener un caudal de salida al río, con velocidad suficiente para atraerlos. El caudal necesario varía con el tipo de paso, y aunque existen formulas empíricas para su determinación, siempre es necesario experimentar "in situ" para fijar su valor, que puede oscilar entre el 1% y el 5% del caudal medio del río. En cualquier caso este caudal contribuye a formar parte del caudal reservado. ¿Cuanto cuesta construir y operar un paso de peces? Su costo varía mucho con el tipo de paso utilizado. El más económico es el Denill porque, dadas las pendientes admitidas, es el mas corto. El mejor, con mucha diferencia, es el canal seminatural, pero solo es aplicable en ríos de valle y nunca en saltos de montaña. Para mas información, véanse los párrafos § 7.4.3.2.6 & § 7.4.3.2.7 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii.
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 Para mas información, véase el párrafo § 3.6 de "Guide on how to develop a small hydro site"viii. ¿Cuales son las dimensiones medias de una PCH? No tiene sentido ya que las dimensiones varían con la potencia y tipo de turbina utilizada, así como el número de turbinas empleadas para obtener una determinada potencia global y aprovechar mejor el caudal fluyente. ¿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 = ρQ gH 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
[W] [kg/m3] [m3/s] [J/kg] [m/s2] [m]
Puede una PCH producir electricidad de punta? 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.. La figura siguiente nos muestra las zonas operativas, en lo referente a altura y caudal, de los diferentes tipos
Zonas de utilización de las turbinas con respecto al salto y al caudal
Cuales son sus principales características? De una Pelton:
Como ilustra la siguiente figura, es una turbina de acción, lo que infiere que la energía disponible en el rotor es cinética. El rendimiento característico de una buena Pelton pequeña es el 90%. El rotor es impulsado por uno o más chorros de agua que salen de las correspondientes toberas para golpear las cazoletas. Las Pelton con varias toberas se adaptan mejor a las variaciones de caudal. El rotor está ubicado en una carcasa a presión atmosférica.
Sección transversal de una Pelton de dos toberas
De una turbina de reacción axial:
Las turbinas axiales son todas de reacción. En PCHs con grandes caudales y baja altura de salto (de 2 a 40 m) se utiliza la Kaplan. El rendimiento mecánico, en la Kaplan de doble regulación, que admite variaciones notables de caudal, es del orden del 92%. La turbina de hélice, que exige caudales y salto constantes no suele emplearse en PCHs. .
Sección transversal de una tubina Kaplan de doble regulación
De una Francis
Al igual que la Kaplan , la turbina Francis es una turbina de reacción, generalmente con entrada radial y salida axial. Su campo de operación se extiende entre 25 y 350 m. Las Francis antiguas son turbinas lentas de bajo rendimiento mecánico, pero en la actualidad existen turbinas Francis de alta velocidad con rendimientos del orden del 92%.
Vista en perspectiva de una turbina Francis
Para mas información, véase el párrafo § 6.2.1 de Guide on how to develop a small hydro siteviii.
Que diferencia hay entre una turbina de acción y otra de reacción? En una turbina de acción la presión del agua se convierte primero en energía cinética. El prototipo de estas turbinas es la Pelton, aunque en algunos casos se utilize una variante conocida como Turgo. En una turbina de reacción la presión del agua actúa como una fuerza sobre la superficie de los alabes y decrece a medida que avanza hacia la salida. Los ejemplos típicos son la Kaplan y la Francis. En PCHs suele emplearse también una turbina mixta – acción reacción – conocida como de doble flujo o Banki.
Que materiales suelen utilizarse para fabricar un rodete? Actualmente la mayoría de los rodetes se fabrican en acero inoxidable, aunque todavía pueden verse rodetes fabricados en bronce. Como se define la energía específica de una turbina? La energía hidráulica específica de una turbina se calcula con la formula: E = gH = 1 ⋅ (p1−p2 ) + 1 ⋅ (c12 −c22 ) + g ⋅ (z1−z2 ) 2 ρ En la que: gH = energía hidráulica específica de la maquina g = gravedad = 9.81 H = salto neto ρ = densidad del agua = 1000 px = presión en la sección x cx = velocidad del agua en la sección x zx = altura de la sección x
[J/kg] [m/s2] [m.] [kg/m3] [Pa] [m/s] [m]
Que es una curva de caudales clasificados? La curva de caudales clasificados (CCC) muestra, para un tramo de río, el porcentaje de tiempo en el que se alcanza o se supera un cierto valor del caudal. Es el resultado de ordenar una serie temporal de caudales por orden de magnitud; si se clasifican por orden cronológico se obtiene un hidrograma. .
Ejemplo de una curva de caudales clasificados Para mas información, véase el párrafo § 3.4.2 de Guide on how to develop a small hydro siteviii. Como se mide el caudal? Existen una gran variedad de métodos para medir el caudal. Entre ellos los más utilizados son: Medidas directas del caudal (estaciones de aforo) Método de medida del área transversal y de la velocidad media Calculo del área de la sección transversal. Calculo de la velocidad media en la sección transversal Medida directa del caudal por dilución de un soluto en la corriente Medida del caudal mediante el uso de un aliviadero Medida del caudal por la pendiente de la lámina de agua Para mayor información consulte la sección 3.2 del Manual de la Pequeña Hidráulica Para mas información, véase el párrafo § 3.3. de Guide on how to develop a small hydro siteviii. Que son y como se evalúan las perdidas de carga? Las perdidas de carga se miden como perdidas de presión –o altura de salto- y son consecuencia de las perdidas por fricción del agua contra las paredes del canal y sobre todo contra las paredes de la tubería forzada, pero también las perdidas ocasionadas por turbulencia, al cambiar de dirección el flujo, cuando pasa a través de una rejilla o de una válvula, cuando el flujo sufre una contracción o una expansión, etc. Todas estas perdidas pueden ser calculadas mediante formulas derivadas de la dinámica de fluidos.
Como influye la tubería forzada en la perdida de carga?
De todas las pérdidas de carga, la más importante es la ocasionada por el roce contra las paredes de la tubería forzada, que es función de la velocidad del flujo. Por eso al aumentar el diámetro de la tubería las perdidas disminuyen, aunque el coste de la tubería aumente. Por eso el calculo del diámetro de la tubería es un compromiso entre disminución de perdidas y aumento del coste. Para mas información, véanse los párrafos § 2.2 & § 5.5.3 de Guide on how to develop a small hydro siteviii. Que es la cavitación Cuando la presión ejercida sobre un líquido en movimiento, desciende por debajo de su presión de vaporización, éste se evapora formando gran número de pequeñas burbujas, que al ser arrastradas a zonas de mayor presión, terminan por estallar. La formación de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que constituye la cavitación. La experiencia demuestra que el estallido de esas burbujas genera impulsos de presión muy elevados, y que la acción repetitiva de esos impulsos produce una especie de corrosión difusa, formando picaduras en el metal. Con el tiempo esas picaduras, degeneran en verdaderas grietas con arrancamiento de metal. Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la presencia frecuente de gases ricos en oxígeno, agravan la corrosión. Un alabe sometido a cavitación aparece al cabo de cierto tiempo lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si aún se está a tiempo, a repararlo recargándolo por soldadura.
Como evitar el fenómeno de cavitación?
La experiencia demuestra que existe un coeficiente, llamado óT de Thoma, que define con bastante precisión, bajo que parámetros tiene lugar la cavitación. El
sigma de una turbina es una función de su velocidad específica y el proyectista deberá solicitarla del fabricante. Para que no haya cavitación, la turbina deberá instalarse, como mínimo, a una altura, sobre la lamina de agua en el canal de descarga, función de la altura de la central, la presión de vaporización y el sigma de la máquina. Para mas información, véase el párrafo § 6.2.4 de Guide on how to develop a small hydro siteviii.
ASPECTOS POLÍTICOS Para mas información, véase el capitulo § 9 y el anexo § A de Guide on how to develop a small hydro siteviii. Cuales son los objetivos del Libro Blanco respecto a las PCH? En 1997 la electricidad generada en Europa, con recursos renovables, representaba el 5,4% del consumo; en el 2001 ese porcentaje alcanzaba el 6%. El objetivo del Libro Blanco es alcanzar, en el horizonte 2010, el 12%. Este objetivo afecta también a las CPH, cuya potencia global habrá de aumentar en 4.500 MW, lo que significará incrementar la producción anual desde los 37 TWh actuales a los 55 TWh. Para mas información, véase el capitulo véase la pregunta. Cual es la situación en Europa Para mas información, véase el capitulo § A.1 de Guide on how to develop a small hydro siteviii.
Cual es el objetivo de la Directiva 2001/77/EC "Promoción de la electricidad producida con recursos renovables" (Directiva RES-e)? La Directiva fija como objetivo, para el año 2010, generar el 12% de electricidad con recursos renovables. La Directiva propone las siguientes medidas: • Objetivos nacionales cuantificables para el consumo de electricidad generada con renovables • Esquemas de promoción de la electricidad verde. (Posibilidad de un sistema armonizado en la UE) • Simplificación de los procedimientos administrativos de autorización • Acceso garantizado para la transmisión y distribución de dicha electricidad Como está estructurado el sector europeo de las PCH? El sector está estructurado alrededor de una Asociación sin ánimo de lucro, ESHA, que es en realidad una federación de asociaciones nacionales de PCH, en la que se integran fabricantes de equipos, oficinas técnicas, investigadores, estudiantes y otros. La Asociación se gobierna por un Presidente, un Comité Ejecutivo, un Consejo de Dirección y una Asamblea Nacional. La Asociación celebra un congreso bianual –Hidroenergia- verdadero punto de reunión de los interesados en PCH, para intercambiar información y promover nuevas actividades. La Asociación participa y, en muchos casos, coordina diferentes proyectos de orden técnico, medioambiental y de marketing.
Cuales son los principales instrumentos de ayuda a las energías renovables en general y a las PCH en particular? La UE ha dejado en libertad, en una primera etapa, a los estados miembros para que escojan el esquema que les parezca más satisfactorio. La Directiva prevé que en el futuro se encuentre un sistema armonizado válido para el conjunto de la UE. Los instrumentos básicos utilizados hasta el momento son tres: • Tarifas específicas • Obligación de compra combinada con un sistema de certificados verdes • Licitación y puja Estos instrumentos afectan a la oferta o a la demanda de electricidad renovable y en general promueven la inversión en centrales de ese tipo.
1. Tarifas privilegiadas En vigor en varios estados miembro (fundamentalmente Alemania y España), el sistema se caracteriza por un precio especifico para la electricidad renovable (RES-e ), que las compañías de electricidad, o los distribuidores, deben pagar a los productores de RES-e. Ese precio es fijado periódicamente por los gobiernos y tiene en cuenta el grado de desarrollo y competitividad de la tecnología empleada para ello. 2. Obligación de cuota y certificados verdes Sistema que impone una producción o consumo de electricidad RES-e. El gobierno fija el marco en el que el mercado tiene que producir, vender o distribuir una cierta cantidad de RES-e. Para que funcione hay que poner en marcha un mercado de certificados verdes ( un TGC o Tradable Green Certificate). El sistema funciona en Irlanda y Holanda y se trata de introducir en Dinamarca, que hasta el presente había funcionado con el sistema anterior de tarifas privilegiadas, y en Flandes. Los Productores venden su electricidad en el mercado libre y reciben, por cada MWh vendido, un “Certificado Verde” que se negocia independientemente de la producción de electricidad. El valor del TGC es consecuencia de la obligación de cuota de RES-e impuesta por el gobierno. Aquellas compañías de electricidad, o distribuidores, que no producen RES-e tendrán que comprar los TGC equivalentes, creándose un mercado financiero en el que se fija, como en Bolsa, su valor. 3. Licitación y puja Funcionó mucho tiempo en el Reino Unido, bajo los acuerdos NFFO (Non Fosil Fuel Obligation) que hoy se han abolido. De acuerdo con el sistema, los productores de RES-e presentan ofertas (pujas) para concursos, a precio fijo, emitidos por las autoridades. El sistema funciona en combinación con TGCs. En el Reino Unido, donde el sistema funciona con algunas tecnologías de renovables, los TGCs son conocidos como ROC (Renewable Obligation Certificates). Con los concursos se pretende promocionar una cierta tecnología, facilitando la inversión o la generación de electricidad RES-e con ella. El gobierno decide así las tecnologías que pretende desarrollar, y la cantidad de RES-e generada con cada una de ellas. Los concursos comportan la obligación por parte de las compañías
de electricidad, de comprar una cierta cantidad de RES-e a un precio primado. La diferencia entre el precio primado y el de mercado es rembolsado a la compañía. Para mas información, véase Anexo § A de Guide on how to develop a small hydro siteviii. Que otros instrumentos de apoyo podrían implementarse para las energías renovables en general y las PCH en particular? Aunque los instrumentos principales de promoción son los señalados en el punto anterior, algunos países tratan de favorecer la inversión acudiendo a otros dos mecanismos fundamentales: Subvención a la inversión: Los subsidios suelen representar un tanto por ciento de la parte de inversión calificada por las autoridades. Con este sistema se trata de promocionar la inversión en tecnologías RES poco competitivas en el momento actual. Medidas fiscales: Algunos países como Austria, Bélgica, Dinamarca y Portugal apoyan la RES-e con medidas fiscales, que pueden ser de muy diversos tipos: devolución de ciertos impuestos energéticos, propuestas para valores más bajos del IVA, siempre que estén dentro de las directrices de la Comunidad sobre ayudas del estado para la protección del medio ambiente. Donde pueden obtenerse los datos hidrológicos? Los datos hidrológicos suelen ser suministrados por agencias gubernamentales especializadas, encargadas de recoger y pre-procesar las series temporales obtenidas en las estaciones de aforo. Estos datos deberán ser procesados por el proyectista encargado del estudio del aprovechamiento.
ASPECTOS ECONOMICOS Para mas información, véase el capitulo § 8 de Guide on how to develop a small hydro sitev
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.
GLOSARIO. ESHA: European Small Hydropower Association EU: Union Europea RES-e: Directiva 2001/77/EC, “Promoción de Electricidad Producida con Recursos Renovables” ROCS: Renewable Obligation Certificates PCH: Pequeñas Centrales Hidráulicas TGC: Tradable Green Certificate (Certificados Verdes comerciales)
BIBLIOGRAFIA i Small hydropower in New Member States and candidate countries, TNSHP, 2004 ii Small hydropower in New Member States and candidate countries, TNSHP, 2004 iii Check list, Thematic Network on Small Hydropower, ESHA, (www.esha.be), 2005 iv Reserved Flow - Effects of additional parameters on depleted Stretch, ESHA, (www.esha.be) v Reserved Flow - Short critical review of the methods of calculation, ESHA, (www.esha.be) vi Reserved Flow - Effects of additional parameters on depleted Stretch, ESHA, (www.esha.be) vii Reserved Flow - Short critical review of the methods of calculation, ESHA, (www.esha.be) viiiCost Curve, Thematic Network on Small Hydropower, 2005, Thematic Network on Small Hydropower, ESHA (www.esha be)