Microhidráulica: ¿es adecuada para mi granja?

Por Leif Kindberg, especialista en energía agrícola de NCAT

Resumen

Los proyectos de microcentrales hidroeléctricas pueden aprovechar de forma sostenible la energía de los recursos hídricos de las explotaciones y producir energía mecánica y eléctrica. Los sistemas microhidroeléctricos, de bajo impacto, no consumibles y “a filo de agua”, pueden producir energía renovable durante 20 o más años. Esta introducción a la energía microhidráulica le guiará a través de las consideraciones básicas para desarrollar un proyecto microhidráulico.

Índice de contenidos

Introducción
Paso 1 – ¿Su recurso cubrirá sus necesidades?
Paso 2 – ¿Puede utilizar el recurso hídrico?
Paso 3 – Calcular los costes del sistema
Paso 4 – Comparar los costes de las alternativas
Paso 5 – Consideraciones sobre la financiación
Paso 6 – Iniciar el proceso de autorización
Paso 7 – Construir o comprar el equipo
Paso 8 – Instalar y comprobar el equipo
Referencias
Más recursos

Introducción

La microhidráulica es una de las fuentes de energía renovable más fiables y constantes que existen. Un buen recurso hídrico con un caudal durante todo el año y varios metros de desnivel puede proporcionar años de energía continua.

Esta publicación introductoria analiza los pasos necesarios para desarrollar la potencia potencial de un recurso hídrico. Sin embargo, no ofrece respuestas a las preguntas técnicas que pueda tener sobre el desarrollo de un proyecto de microelectricidad. Si está pensando en instalar su propio sistema microhidroeléctrico, consulte la publicación más técnica de ATTRA, Micro-Hydro Power: Guía de diseño e instalación para principiantes, si tiene previsto instalar su propio sistema microhidroeléctrico.

Paso 1 – ¿Su recurso satisfará sus necesidades?

Si no hay suficiente energía disponible en su corriente para acercarse a la satisfacción de sus necesidades energéticas, no tiene mucho sentido ir más allá. Por otro lado, puede que el arroyo contenga suficiente potencia urbanizable como para querer utilizar sólo una parte. Para determinar la potencia potencial de su corriente, tendrá que cuantificar la altura y el caudal.

La altura se suele definir como la distancia vertical entre el punto donde se recoge el agua (la toma) y el punto donde se instala la turbina. Por lo general, sólo hay unas pocas ubicaciones posibles cerca del recurso hídrico para la turbina y el generador, mientras que puede haber varias ubicaciones posibles aguas arriba para la toma.

El caudal es el volumen de agua que puede desviarse temporalmente a la turbina hidráulica. Se suele medir en galones por minuto (gpm) o en pies cúbicos por minuto (cfm). Tenga en cuenta que es mejor tomar la menor cantidad de agua posible de la fuente.

Si ya está familiarizado con el cálculo de la altura y el caudal, está listo para avanzar. Si no es así, consulte la publicación de ATTRA Micro-Hydro Power: Guía de diseño e instalación para principiantes.

La potencia está directamente relacionada con el caudal, la altura y la fuerza de gravedad. Tendrá que calcular la potencia potencial de su sistema para determinar si puede satisfacer sus necesidades energéticas. Puedes calcular aproximadamente la producción potencial con esta fórmula:

Vatios = Altura (en pies) x Caudal (en gpm)/12*

*Esta cifra, que es una medida de la eficiencia, puede oscilar entre 9 para los sistemas de CA más grandes y 13 para los sistemas más pequeños basados en baterías.

También es necesario conocer a fondo el tipo de energía que necesitas. Si está considerando la potencia mecánica del eje como su uso final (por ejemplo, aserrado o amolado), necesita conocer los requisitos de potencia de su maquinaria, probablemente medidos en caballos de fuerza. Si quieres utilizar la energía disponible en el agua para generar energía eléctrica para las luces, la tienda o los motores, tienes que determinar tus necesidades de energía eléctrica. La mejor manera de hacerlo es mirar sus facturas actuales de electricidad para hacerse una idea del número de kilovatios hora que consume cada mes. Recuerde que tendrá necesidades de potencia máxima que deberá tener en cuenta a la hora de dimensionar y diseñar su sistema.

Una vez que haya determinado su potencial de generación de energía y sus necesidades energéticas, compare ambos para saber si su recurso hídrico puede satisfacer sus necesidades energéticas. Si sus necesidades mensuales de energía son mayores que las que generaría el sistema hidroeléctrico en un mes, considere si puede reducir el consumo para tratar de igualar la energía disponible mediante el aumento de la eficiencia o el uso de equipos diferentes. Puede ser más rentable gastar algo de dinero en equipos que sean más eficientes que en una mayor capacidad de generación de energía. Por otro lado, si la producción de su sistema es mayor que su demanda, puede tener un excedente de energía para otros usos finales como la calefacción de espacios, el calentamiento de agua o la venta de energía al proveedor de electricidad de su zona.

Es importante tener en cuenta que hay alturas y caudales por debajo de los cuales es muy probable que no resulte económico explotar un recurso hídrico. Estas alturas y caudales mínimos son difíciles de especificar porque las combinaciones de mucho de uno y poco de otro pueden proporcionar mucha potencia útil. Sin embargo, a efectos prácticos, cualquier altura inferior a 3 metros será probablemente antieconómica para desarrollar sistemas hidroeléctricos a microescala. Del mismo modo, 10 galones por minuto puede considerarse el límite inferior del caudal. Sin embargo, 10 galones por minuto a 10 pies de altura no van a generar suficiente energía eléctrica utilizable. Los siguientes ejemplos le ayudarán a considerar algunas situaciones de energía mínima:

• Un caudal de 10 galones por minuto a 30 metros de altura producirá unos 83 vatios de potencia útil antes de las pérdidas de eficiencia, lo suficiente para encender una bombilla de 80 vatios de forma casi continua.
• Un caudal de 100 galones por minuto a 3 metros de altura también proporcionará unos 83 vatios de potencia útil.

Un buen recurso hídrico necesita un caudal mayor o una altura superior a los mínimos sugeridos anteriormente. Las combinaciones de altura y caudal por encima de los mínimos pueden proporcionar mucha energía utilizable, y hay una serie de turbinas desarrolladas específicamente para ser utilizadas en lugares con recursos muy limitados.

Paso 2 – ¿Puede utilizar el recurso hídrico?

¿Tiene usted derecho a utilizar el agua, o ese derecho reside en otra parte? Recuerde que en muchos estados, sobre todo en el oeste, los derechos de agua no se transfieren necesariamente con los títulos de propiedad, y los usuarios de aguas abajo también pueden tener un derecho legal sobre el agua. El proceso de obtención de permisos para el uso del agua puede ser largo y prolongado, así que por ahora sólo hay que investigar la viabilidad del uso del recurso hídrico en el lugar.

Otra consideración importante es el impacto medioambiental causado por el uso de agua para la energía hidroeléctrica. Los microproyectos hidroeléctricos suelen ser “no consuntivos”, es decir, desvían temporalmente el agua de la corriente y la devuelven después de pasar por la turbina hidráulica. Habrá un límite en el volumen de agua que se puede desviar temporalmente de muchos recursos hídricos de la explotación. Tomar demasiada agua o represar un arroyo puede causar daños ambientales duraderos, incluyendo la reducción del flujo en el arroyo, el aumento de la temperatura del agua, la alteración del hábitat de los peces y la ecología del arroyo, y las barreras para el paso de los peces. En muchas zonas, estos impactos ambientales impedirán que se desarrolle un recurso hídrico.

Paso 3 – Calcular los costes del sistema

Si tiene un recurso hídrico que merece la pena desarrollar, determine quiénes son los proveedores de equipos para ese tipo de recurso hídrico y evalúe los costes de sus equipos. (En el Directorio de Alternativas Energéticas de ATTRA hay una lista de distribuidores de equipos). La mayoría de los proveedores de equipos podrán darle una estimación aproximada de los costes si les facilita la siguiente información:

El caudal utilizable (por ejemplo, en galones por minuto o pies cúbicos por minuto)

• La cabeza (por ejemplo, en pies, metros o libras por pulgada cuadrada)
• La longitud de la tubería (tubería forzada) necesaria para ir desde la toma hasta la ubicación de la turbina
• La demanda de energía requerida en kilovatios hora y para qué se utiliza
• El tipo de energía que desea utilizar – AC o DC – y lo que quiere hacer con el excedente de energía
• La longitud del cable de transmisión desde el generador hasta el punto de uso

En su cálculo de costes, incluya la reparación o construcción de la presa (si es necesaria), las tuberías, el tendido de la tubería forzada, la instalación eléctrica y la construcción de una pequeña central eléctrica para la turbina, el generador y la electrónica. En la mayoría de los casos, estos componentes serán las partes más caras del proyecto.

Al considerar los costes del proyecto, también hay que tener en cuenta las ventajas periféricas de un sistema hidroeléctrico. Esto puede incluir el uso de la tubería forzada como fuente de agua doméstica, agua de riego o agua para la extinción de incendios. ¿Puede alguno de estos beneficios compensar otros costes que tiene o espera tener? ¿Cómo afecta esto a la cifra de costes asociada al sistema hidroeléctrico?

La siguiente pregunta que se plantea es la siguiente: ¿Son razonables los costes del sistema?

Esta pregunta sólo puede responderse conociendo sus propias razones para desarrollar un sistema microhidroeléctrico. Sus razones no económicas (por ejemplo, los efectos medioambientales y la independencia energética) pueden pesar más que cualquier otra consideración, pero si usted es como la mayoría de nosotros, la economía juega un papel decisivo.

Paso 4 – Comparar los costes de las alternativas

¿Su propiedad está actualmente conectada a las líneas eléctricas? ¿Cuánto pagas por la electricidad? ¿Sería ventajoso, desde el punto de vista económico, que te desconectaras de esas líneas y te suministraras toda la energía? Se puede determinar la ventaja económica, si la hay, comparando el coste de la instalación, el funcionamiento y el mantenimiento de un sistema microhidroeléctrico con el coste de las distintas alternativas. Su sistema microhidroeléctrico podría ser la opción más económica en las siguientes condiciones:

• Si su emplazamiento está aislado y las líneas de suministro más cercanas están a una milla o más de distancia, es posible que el coste de la instalación de un pequeño sistema hidroeléctrico sea muy competitivo con el coste que pagaría por la extensión de las líneas de suministro.
• Si su sitio tiene una cabeza alta y/o un flujo continuo.
• Si puedes vender la energía a la compañía eléctrica a un precio razonable.
• Si la central eléctrica está situada al lado o muy cerca del punto donde se necesita la energía.

Por otro lado, hay algunas situaciones que pueden hacer que no valga la pena desarrollar un sitio:

• Si tiene que utilizar algo de energía de la compañía eléctrica, de forma continua o estacional, el “cargo del contador” puede eliminar cualquier ahorro significativo de costes de su sistema hidroeléctrico.
• Si no puede vender la electricidad a la compañía eléctrica o no va a utilizar continuamente la energía generada por su sistema microhidroeléctrico.
• Si su proyecto requiere mucha excavación, construcción de presas o asesoramiento.
• Si los requisitos de emplazamiento y autorización son largos y complejos.

Paso 5 – Consideraciones sobre la financiación

Los costes de capital asociados a los sistemas microhidroeléctricos no suelen ser tan elevados como los de otras alternativas como la energía eólica o la solar. Normalmente, los costes de la microhidroeléctrica oscilan entre 1.500 y 4.000 dólares por kilovatio de capacidad instalada. Los costes variarán sustancialmente en función de su emplazamiento. El método de financiación del proyecto determinará lo que realmente pagará por kilovatio-hora de energía que utilice.

Puedes mantener los costes bajos haciendo gran parte del trabajo tú mismo. Puedes construir e instalar algunos de los componentes necesarios, o todos ellos si quieres y tienes tiempo. Sin embargo, tenga en cuenta que puede cerrar algunas opciones de financiación si construye su propio equipo y utiliza su propia mano de obra. Por ejemplo, los préstamos se hacen sobre la base de una garantía, y esta garantía a menudo se refiere al equipo. Por tanto, si el artículo no tiene un valor probado -es decir, si no puede ser embargado y tener un valor de reventa garantizado comparable al valor prorrateado del préstamo- puede no ser financiable. Además, algunos programas de subvenciones, como el Programa de Energía Rural para América (REAP), exigen que la tecnología esté probada y disponible comercialmente o que pase por un proceso de verificación técnica.

Paso 6 – Iniciar el proceso de autorización

Si ha llegado a este punto con éxito, está listo para obtener los permisos necesarios. Una vez más, hay numerosas consideraciones sobre los derechos del agua y el impacto ambiental que pueden aplicarse a su proyecto. Aunque muchas personas se han saltado el proceso de obtención de permisos cuando han desarrollado un microproyecto hidroeléctrico, existen riesgos al hacerlo. El lugar tradicional para empezar es la Comisión Federal Reguladora de la Energía (FERC), la agencia responsable de la autorización de los microproyectos hidroeléctricos. La FERC podrá proporcionarle los nombres de muchos, si no todos, los organismos locales con los que también deberá ponerse en contacto para autorizar adecuadamente su sistema. Por último, si tiene previsto interconectar su sistema microhidroeléctrico con la red de la compañía eléctrica – y este tipo de acuerdo está disponible en su zona – tendrá que obtener un acuerdo de interconexión con la compañía.

Paso 7 – Construir o comprar el equipo

Si ha llegado hasta aquí en su proceso de planificación y se siente seguro de que está preparado para comprar equipamiento, he aquí algunos consejos que debe tener en cuenta.

Es importante asegurarse de la calidad de los materiales y equipos que se compran. Si está buscando construir su sistema, es posible que le atraiga el equipo con el coste más bajo. Este puede ser o no el enfoque a seguir en su caso particular. Los sistemas microhidroeléctricos suelen requerir equipos capaces de soportar altas presiones y grandes caudales. La revista Homepower Magazine es una buena fuente para investigar sobre turbinas y equipos disponibles en el mercado, al igual que la línea de ayuda telefónica de ATTRA. Otra buena manera de asegurarse de que está recibiendo un producto de calidad es pedir al proveedor una lista de clientes anteriores en su zona. Ve a uno de los sitios y habla con las personas que utilizan el equipo para conocer su opinión al respecto.

Consiga tubos de buena calidad para su tubería forzada. No utilice segundos que no tengan la presión adecuada para sus necesidades. Utilice válvulas de compuerta en su sistema; no utilice válvulas de bola. A diferencia de las válvulas de bola, una buena válvula de compuerta tarda lo suficiente en cerrarse como para crear muy poco efecto de “golpe de ariete”. Una onda de presión -el golpe de ariete- provocada por el cierre demasiado rápido de una línea de alta presión puede causar graves daños a la tubería forzada y al equipo. Además, una buena configuración de la aspiración es vital para un funcionamiento sin problemas durante muchos años. Hay una serie de tomas muy buenas disponibles en los distribuidores de equipos.

Paso 8 – Instalar y comprobar el equipo

Durante la instalación de los equipos, es importante seguir todas las instrucciones del fabricante. No tome ningún atajo. Recuerde que los fabricantes de renombre llevan tiempo en el negocio y conocen sus equipos. Si tiene algún problema, póngase en contacto con el fabricante, que le ayudará. Al fabricante le interesa que el sistema se instale con éxito y funcione correctamente.

Si va a instalar un sistema de CC, instale el grupo turbina-generador lo más cerca posible del punto de uso. De este modo, se reducen al mínimo las pérdidas de energía en las líneas de transmisión. Si sus conocimientos de electricidad son básicos, considere la posibilidad de recurrir a un electricista experimentado.

Si has leído estos sencillos pasos, estás bien encaminado para desarrollar un proyecto de microhidroeléctrica. Una vez más, le recomendamos que lea la publicación de ATTRA Micro-Hydro Power: A Beginners Guide to Design and Installation y que haga muchas preguntas a sus proveedores de equipos. También puede ponerse en contacto con ATTRA para hablar de su proyecto particular de microhidroeléctrica.

Referencias

Alward, Ron, Sherry Eisenbart y John Vokman. 1979. La microhidráulica: La revisión de un viejo concepto. Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT), Butte, MT.

Kindberg, Leif. 2010. Energía microhidráulica: Guía de diseño e instalación para principiantes. Publicación de ATTRA. Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT), Butte, MT.

Recursos Naturales de Canadá. 2004. Sistemas de microelectricidad – Guía del comprador. Ottawa, ON, Canadá.

Woofenden, Ian y Ken Gardner. 2010. Formación en microhidráulica – Diseño e instalación de microhidráulica. Formación impartida en la isla de Guemes, WA. Solar Energy International, Carbondale, CO.

Más recursos

Revista Home Power
Esta revista de suscripción de bricolaje contiene artículos que tratan muchos aspectos del diseño de un sistema microhidroeléctrico.

Micro-Hydro Power
Practical Action ofrece varios buenos vídeos, hojas informativas, estudios de casos y publicaciones sobre sistemas hidroeléctricos a pequeña escala y microhidroeléctricos en zonas rurales de todo el mundo.

Sistemas de microelectricidad – Guía del comprador
Similar a Micro-Hydro Power de ATTRA : A Beginners Guide to Design and Installation, esta publicación de Natural Resources Canada ofrece consideraciones paso a paso para el desarrollo de microcentrales hidroeléctricas en Canadá, y muchas de las consideraciones son también pertinentes para los emplazamientos y sistemas situados en los Estados Unidos.

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Microhidráulica: ¿es adecuada para mi granja?
Por Leif Kindberg
Especialista en energía de NCAT
Publicado en enero de 2011
© NCAT
IP384
Versión 030311

Esta publicación es producida por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en virtud de un acuerdo de cooperación con el Desarrollo Rural del USDA. ATTRA.NCAT.ORG.

Esta publicación se desarrolló a partir de la publicación de NCAT de 1979 Micro-Hydro Power: Revisión de un viejo concepto. La publicación, escrita por Ron Alward, Sherry Eisenbart y John Vokman, ya no se publica.