La microhidráulica es un tipo de energía hidroeléctrica que normalmente produce de 5 kW a 100 kW de electricidad utilizando el flujo natural de agua. Las instalaciones inferiores a 5 kW se denominan pico hidro . [1] Estas instalaciones pueden proporcionar energía a una casa aislada o a una pequeña comunidad, o en ocasiones están conectadas a redes de energía eléctrica, particularmente donde se ofrece medición neta . Hay muchas de estas instalaciones en todo el mundo, particularmente en los países en desarrollo, ya que pueden proporcionar una fuente económica de energía sin la compra de combustible. [2] Los sistemas microhidráulicos complementan los sistemas de energía solar fotovoltaica porque en muchas áreas el flujo de agua, y por lo tanto la energía hidroeléctrica disponible, es mayor en el invierno, cuando la energía solar es mínima. La micro hidráulica se logra frecuentemente con una rueda Pelton para suministro de agua de alto caudal y bajo flujo. La instalación suele ser [ ¿cuándo? ] [ ¿ dónde? ] solo una pequeña piscina represada , en lo alto de una cascada, con varios cientos de pies de tubería que conducen a una pequeña carcasa de generador. En sitios de baja caída, [ se necesita ejemplo ] generalmente se utilizan ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes . [ cita necesaria ]
Los detalles de construcción de una planta microhidráulica son específicos del sitio. A veces se dispone de un estanque de molino u otro depósito artificial que puede adaptarse para la producción de energía. En general, los sistemas microhidro se componen de varios componentes. [3] Los más importantes incluyen la toma donde el agua se desvía del arroyo natural, río o quizás de una cascada. Se requiere una estructura de entrada, como una caja de captura, para filtrar los desechos flotantes y los peces, utilizando una pantalla o una serie de barras para mantener alejados los objetos grandes. En climas templados, esta estructura también debe resistir el hielo. La toma puede tener una compuerta para permitir que el sistema sea deshidratado para su inspección y mantenimiento.
Luego, la toma pasa a través de un canal y luego de una cámara de carga. La cámara de carga se utiliza para la retención de sedimentos. En la parte inferior del sistema, el agua pasa por un túnel a través de una tubería ( compuerta forzada ) hasta el edificio de la central eléctrica que contiene una turbina . La tubería forzada genera presión debido al agua que ha descendido. En zonas montañosas, el acceso al trazado de la tubería forzada puede plantear dificultades considerables. Si la fuente de agua y la turbina están muy separadas, la construcción de la tubería forzada puede representar la mayor parte de los costos de construcción. En la turbina, se instala una válvula de control para regular el flujo y la velocidad de la turbina. La turbina convierte el flujo y la presión del agua en energía mecánica; el agua que sale de la turbina regresa al curso natural a través de un canal de descarga. La turbina hace girar un generador , que luego se conecta a cargas eléctricas ; Este puede estar conectado directamente al sistema eléctrico de un solo edificio en instalaciones muy pequeñas, o puede estar conectado a un sistema de distribución comunitario para varias viviendas o edificios. [3]
Por lo general, las instalaciones microhidráulicas no tienen presa ni embalse, como las grandes centrales hidroeléctricas , y dependen de un flujo mínimo de agua disponible durante todo el año.
Los sistemas microhidráulicos suelen instalarse en áreas capaces de producir hasta 100 kilovatios de electricidad. [4] Esto puede ser suficiente para alimentar una casa o una pequeña empresa. Este rango de producción se calcula en términos de "altura" y "caudal". Cuanto más altos sean cada uno de ellos, más potencia estará disponible. La altura hidráulica es la medida de la presión del agua que cae en una tubería expresada en función de la distancia vertical a la que cae el agua. [4] Este cambio de elevación generalmente se mide en pies o metros. Se requiere una caída de al menos 2 pies o el sistema puede no ser factible. [5] Al cuantificar la altura, se deben considerar tanto la altura bruta como la neta. [5] La altura bruta se aproxima a la accesibilidad a la energía a través de la medición de la distancia vertical únicamente, mientras que la altura neta resta la presión perdida debido a la fricción en las tuberías de la altura bruta. [5] "Flujo" es la cantidad real de agua que cae de un sitio y generalmente se mide en galones por minuto, pies cúbicos por segundo o litros por segundo. [6] Las instalaciones de bajo flujo y alta caída en terrenos empinados tienen costos de tubería significativos. Una tubería forzada larga comienza con una tubería de baja presión en la parte superior y una tubería de presión progresivamente más alta más cerca de la turbina para reducir los costos de la tubería.
La potencia disponible, en kilovatios, de dicho sistema se puede calcular mediante la ecuación P=Q*H/k, donde Q es el caudal en galones por minuto, H es la altura estática y k es una constante de 5,310 gal. *pies/min*kW. [7] Por ejemplo, para un sistema con un flujo de 500 galones por minuto y una altura estática de 60 pies, la potencia de salida máxima teórica es 5,65 kW. El sistema no puede alcanzar una eficiencia del 100% (obtener los 5,65 kW) debido al mundo real, como: la eficiencia de la turbina, la fricción en la tubería y la conversión de energía potencial a cinética. La eficiencia de la turbina generalmente está entre 50 y 80% y la fricción de la tubería se tiene en cuenta mediante la ecuación de Hazen-Williams . [8]
Normalmente, un controlador automático opera la válvula de entrada de la turbina para mantener una velocidad (y frecuencia) constante cuando cambia la carga en el generador. En un sistema conectado a una red con múltiples fuentes, el control de la turbina garantiza que la energía siempre fluya desde el generador al sistema. La frecuencia de la corriente alterna generada debe coincidir con la frecuencia estándar local del servicio público . En algunos sistemas, si la carga útil del generador no es lo suficientemente alta, se puede conectar automáticamente un banco de carga al generador para disipar la energía que no requiere la carga; Si bien esto desperdicia energía, puede ser necesario si no es posible controlar el flujo de agua a través de la turbina.
Un generador de inducción siempre funciona a la frecuencia de la red, independientemente de su velocidad de rotación; todo lo que es necesario es asegurarse de que la turbina lo impulse más rápido que la velocidad síncrona para que genere energía en lugar de consumirla. Otros tipos de generadores pueden utilizar sistemas de control de velocidad para igualar la frecuencia.
Con la disponibilidad de electrónica de potencia moderna, a menudo es más fácil operar el generador a una frecuencia arbitraria y alimentar su salida a través de un inversor que produce salida a la frecuencia de la red. La electrónica de potencia ahora permite estabilizar el uso de alternadores de imanes permanentes que producen CA salvaje. Este enfoque permite que las turbinas hidráulicas de baja velocidad y baja altura sean competitivas; pueden funcionar a la mejor velocidad para extraer energía y la frecuencia de alimentación está controlada por la electrónica en lugar del generador.
Instalaciones muy pequeñas ( pico hidro ), de unos pocos kilovatios o menos, pueden generar corriente continua y cargar baterías para las horas pico de uso. [ cita necesaria ]
Se pueden utilizar varios tipos de turbinas hidráulicas en instalaciones microhidráulicas, cuya selección depende de la cabeza de agua, el volumen de flujo y factores tales como la disponibilidad de mantenimiento local y el transporte de equipos al sitio. Para regiones montañosas donde puede haber una cascada de 50 metros o más, se puede utilizar una rueda Pelton . Para instalaciones de baja altura se utilizan turbinas Francis o de tipo hélice . Instalaciones de muy baja altura, de sólo unos pocos metros, pueden utilizar turbinas de tipo hélice en foso, o ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes. Las pequeñas instalaciones microhidráulicas pueden utilizar con éxito bombas centrífugas industriales, que funcionan en reversa como motores primarios; Si bien la eficiencia puede no ser tan alta como la de un corredor especialmente diseñado, el costo relativamente bajo hace que los proyectos sean económicamente viables.
En instalaciones de baja altura, los costos de mantenimiento y mecanismos pueden ser relativamente altos. Un sistema de baja presión mueve mayores cantidades de agua y es más probable que encuentre desechos en la superficie. Por esta razón, a menudo se prefiere una turbina Banki , también llamada turbina Ossberger , una rueda hidráulica de flujo cruzado autolimpiante y presurizada, para sistemas microhidráulicos de baja altura. Aunque menos eficiente, su estructura más simple es menos costosa que otras turbinas de baja altura de la misma capacidad. Dado que el agua entra y sale, se limpia solo y es menos propenso a atascarse con escombros.
Los sistemas microhidro son muy flexibles y pueden implementarse en varios entornos diferentes. Dependen de la cantidad de flujo de agua que tenga la fuente (arroyo, río, arroyo) y de la velocidad del flujo de agua. La energía se puede almacenar en bancos de baterías en sitios que están lejos de una instalación o usarse además de un sistema que esté conectado directamente para que en momentos de alta demanda haya energía de reserva adicional disponible. Estos sistemas pueden diseñarse para minimizar el impacto comunitario y ambiental causado regularmente por grandes represas u otros sitios de generación hidroeléctrica masiva. [15]
En relación con el desarrollo rural , la simplicidad y el bajo costo relativo de los sistemas microhidráulicos abren nuevas oportunidades para algunas comunidades aisladas que necesitan electricidad. Con solo un pequeño flujo necesario, las áreas remotas pueden acceder a iluminación y comunicaciones para hogares, clínicas médicas, escuelas y otras instalaciones. [16] Microhidro puede incluso ejecutar un cierto nivel de maquinaria que apoye a las pequeñas empresas. Las regiones a lo largo de las montañas de los Andes y en Sri Lanka y China ya cuentan con programas activos similares. [16] Un uso aparentemente inesperado de tales sistemas en algunas áreas es evitar que los miembros jóvenes de la comunidad se muden a regiones más urbanas para estimular el crecimiento económico. [16] Además, a medida que crece la posibilidad de incentivos financieros para procesos con menor uso intensivo de carbono , el futuro de los sistemas microhidráulicos puede volverse más atractivo.
Las instalaciones microhidráulicas también pueden proporcionar múltiples usos. Por ejemplo, los proyectos microhidráulicos en las zonas rurales de Asia han incorporado en el diseño del proyecto instalaciones de procesamiento de productos agrícolas, como molinos de arroz, además de electrificación estándar.
El costo de una microcentral hidroeléctrica puede oscilar entre 1.000 y 5.000 dólares estadounidenses por kW instalado [ cita necesaria ]
La energía microhidráulica se genera mediante un proceso que utiliza el flujo natural de agua. [17] Esta energía se convierte más comúnmente en electricidad. Sin emisiones directas resultantes de este proceso de conversión, hay pocos o ningún efecto nocivo para el medio ambiente, si se planifica bien, suministrando así energía a partir de una fuente renovable y de manera sostenible . Microhidro se considera un sistema de " paso de agua ", lo que significa que el agua desviada del arroyo o río se redirige nuevamente al mismo curso de agua. [18] A los posibles beneficios económicos de la microhidroeléctrica se suman la eficiencia, la confiabilidad y la rentabilidad. [18]
Los sistemas microhidro están limitados principalmente por las características del sitio. La limitación más directa proviene de fuentes pequeñas con un flujo minúsculo. Asimismo, el flujo puede fluctuar estacionalmente en algunas áreas. Por último, aunque quizás la principal desventaja sea la distancia desde la fuente de energía hasta el lugar que necesita energía. Esta cuestión de distribución, así como otras, son clave a la hora de considerar el uso de un sistema microhidráulico.
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