Proyecto

RES & RUE Dissemination

Energía Mini-Hidráulica

 

 

I. INTRODUCCIÓN

II. DEL AGUA A LA ENERGÍA ELÉCTRICA

III. EL HIDROELÉCTRICO EN ESPAÑA

A. El potencial hidroeléctrico

B. Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamaño

C. El papel de las Administraciones Públicas

IV. LAS MÁQUINAS MICRO HIDRÁULICAS

V. LAS APLICACIONES DE INSTALACIONES MICROHIDRÁULICAS

VI. SISTEMAS HÍBRIDOS

VII. QUÉ HACER PARA INSTALAR UN SISTEMA MICROHIDRÁULICO

VIII. INCENTIVOS

 

I. INTRODUCCIÓN

La Conferencia de Kyoto obliga a todos los Países a desarrollar el uso de fuentes energéticas renovables, para reducir el consumo de combustibles fósiles y reducir las emisiones contaminantes en la atmósfera, que provocan el peligroso efecto invernadero.

Ya desde la Revolución Industrial, la utilización de la fuerza del agua para producir energía ha sido considerada un medio seguro y fiable. Piénsese en los molinos de agua utilizados para moler los cereales, para mover serrerías o bastidores, o para exprimir el aceite, etc.

Actualmente la fuerza hidráulica se utiliza sobre todo para la producción de energía eléctrica. Desde hace casi un siglo y medio las presas y las centrales hidroeléctricas son parte del paisaje de nuestras montañas, contribuyendo a consolidar en nuestra mente la idea de que el hidroeléctrico es un recurso energético limpio, disponible y renovable.

Pero las instalaciones de grandes dimensiones con embalses para millones de metros cúbicos de agua, aunque utilicen una fuente de energía renovable, tienen también un efecto negativo sobre el medio ambiente. Pueden provocar trastornos en los ecosistemas preexistentes, modificando los flujos de los cursos de agua, dejando secos los ríos en largos tramos y por muchos meses al año, con graves daños para el patrimonio. Pueden modificar las capas acuíferas, empeorar la calidad de las aguas por el menor poder de dilución de los contaminantes y, a veces, pueden llegar a causar catástrofes geológicas.

 

Las consideraciones medio ambientales sobre las grandes instalaciones hidroeléctricas cambian radicalmente para las instalaciones hidroeléctricas de tamaño pequeño (micro-hidro), por debajo de los 100 Kw. de potencia.

Los beneficios medioambientales derivados de las instalaciones micro-hidráulicas son considerables: pueden proporcionar energía eléctrica a zonas que de otra manera estarían aisladas o alcanzables solo con obras de mayor impacto medioambiental; permiten realizar una política de distribución sobre el  territorio de la producción de energía eléctrica; utilizan el recurso agua de manera equilibrada y controlada por las comunidades interesadas; ayudan a reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles y además no producen emisiones de gas con efecto invernadero, ni otras sustancias contaminantes.

Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamaño representan por lo tanto una importante fuente energética renovable y pueden contribuir activamente al desarrollo sostenible del territorio en el que se implantan.

Esta Guía ha sido realizada en el contexto del proyecto RES & RUE Dissemination aprobado por la Comisión Europea (DG TREN) Programa ALTENER, para dar a conocer a los ciudadanos y a los otros sujetos interesados las potencialidades de las pequeñas instalaciones hídricas para producir energía eléctrica.

 

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II. DEL AGUA A LA ENERGÍA ELÉCTRICA

La energía que desarrolla el agua en el momento del salto entre su nivel superior (canal a cielo abierto superior) e inferior (canal a cielo abierto  inferior), la aprovechan las turbinas hidráulicas, activadas por la masa de agua que pasa en su interior, y que transforman la energía potencial del agua en energía mecánica.

La potencia mecánica de la turbina normalmente se utiliza para producir energía eléctrica, conectando el eje de la turbina con un generador de electricidad (alternador), que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

En una central hidroeléctrica el agua se canaliza a la cámara de carga colocada en el nivel  superior: desde este punto, a través de conductos forzados, el agua se canaliza a la turbina que se encuentra más abajo. La energía del agua, pasando a través de la turbina, determina la rotación del rotor de la turbina misma.

El eje del rotor que gira está conectado al alternador que produce la energía eléctrica. La potencia eléctrica que se puede obtener de una central hidroeléctrica depende de la cantidad de agua canalizada en la turbina, de la altitud del salto, y además del rendimiento eléctrico del generador.

El agua que sale de la turbina es devuelta a su curso original a un nivel más bajo respecto al que fue recogida.

Esquema detallado

 

 III. EL HIDROELÉCTRICO EN ESPAÑA

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A. El potencial hidroeléctrico

 

La producción de energía hidroeléctrica depende en gran medida de la pluviometría. En  España, la pluviometría puede cifrarse en unos 350 km3/año (700 mm de precipitación media anual para una superficie de 500.000 km2) para un año medio, siendo la distribución de estos recursos muy desigual en el tiempo y en el espacio. La desigualdad en el tiempo es consecuencia del carácter torrencial de sus ríos, con grandes fluctuaciones de sus caudales a lo largo de las diferentes épocas del año. La irregularidad en el espacio resulta bien patente si se considera que el recurso potencial (aproximadamente el 30% de la pluviometría) varía de unas cuencas a otras de 1 a 13: las cuencas del Norte producen más de la tercera parte de la aportación de los ríos en el 10% de la superficie del país, mientras que el 90% restante no presenta una situación tan favorable en cuanto a recursos hidráulicos y ya entra dentro de la categoría de región semiárida.

El Plan de Fomento de las Energías Renovables estimaba que el potencial hidroeléctrico pendiente de desarrollar en España a principios del año 1999 con centrales hidroeléctricas mayores de 10 MW, equivalía a una potencia nueva a instalar del orden de 10.387 MW. Considerando todo el potencial, es decir, incluyendo como parte del recurso desarrollable las futuras concesiones que no habían solicitado permiso hasta 1999, la estimación total del recurso ascendía a 20.774 GWh/año.

Para la obtención del potencial técnicamente desarrollable, la potencia instalada que sería necesaria sería de 2.419 MW. Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), la industria española tiene capacidad suficiente para desarrollar hasta 2010, año horizonte del Plan, 1.200 MW. Las previsiones del IDAE según los recursos existentes y teniendo en cuenta las expectativas de crecimiento a lo largo del período 1999-2010, se situaban en el intervalo de 600-800 MW.  La previsión de la Asociación de Pequeños Productores y Autogeneradores de Electricidad con Fuentes de Energías Renovables, era algo mayor, situándose en los 1.000 MW. 

En estos datos se contempla únicamente el desarrollo de centrales con potencia entre 10 y 50 MW, ya que para las centrales hidroeléctricas de potencia mayor a 50 MW, el Plan de Fomento prevé únicamente la automatización de las antiguas centrales. Los datos relativos a las centrales de potencia menor a 10 MW (minihidraúlica), se ofrecen en el apartado 5.3.

 
 

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     B. Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamaño.

Las instalaciones de pequeño tamaño (micro hidráulicas), de potencia inferior a 100 Kw., son más versátiles y no tienen efectos negativos sobre el medioambiente.

Son numerosos los lugares aptos para el desarrollo de la energía hidráulica, teniendo también en cuenta que la tipología de los posibles usuarios es muy variada: entes locales, parques naturales, usuarios aislados, núcleos familiares, aldeas, empresas agrícolas y establecimientos de turismo rural, artesanos, empresas industriales, etc.

Aunque sea difícil cuantificar el potencial micro hidráulico disponible (harían falta estudios muy detallados del territorio), es presumible que el residuo potencial pueda ser utilizado por las centrales hidroeléctricas de pequeño tamaño.

De todos modos la ventaja de las micro centrales hidroeléctricas distribuidas sobre el territorio no es tanto la aportación energética que puede darse a la necesidad eléctrica nacional, cuanto el valor de la utilización del recurso hídrico a nivel local.  

El hidroeléctrico en pequeña escala bien proporcionado y ubicado, resulta económicamente competitivo respecto a las otras fuentes energéticas renovables y, considerando los costes globales reales, también respecto a las fuentes energéticas tradicionales.

Las instalaciones micro hidráulicas representan por lo tanto una forma de energía valiosa, porque con un impacto medioambiental muy bajo utilizan una fuente energética renovable, que de otra manera se perdería.

 

LAS VENTAJAS DE LAS MICRO-INSTALACIONES HIDROELÉCTRICAS
  • Aprovechan al máximo todos los recursos hídricos disponibles, ya que los lugares de instalación son muy variados y su central es muy sencilla.
  • Necesitan un limitado recurso hídrico para producir energía eléctrica.
  • Producen energía eléctrica cerca del usuario.
  • Ocupan poco sitio y, gracias a su estructura compacta, son relativamente fáciles de transportar incluso en lugares inaccesibles.

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    C. El papel de las Administraciones Públicas

Las Administraciones Publicas locales, los profesionales y los responsables de energía y medioambiente tienen un papel fundamental para el desarrollo de las instalaciones micro hidráulicas para la producción de energía eléctrica.

Por una parte, los responsables de la Administración Local en materia de energía y medioambiente tienen la posibilidad de favorecer la difusión en su territorio de pequeñas instalaciones hidroeléctricas, a través de los instrumentos de la programación, de la simplificación de los trámites de autorización, de los incentivos y de la adhesión a proyectos e iniciativas locales.

Por otra, los profesionales tienen la tarea de identificar las potencialidades del territorio, estudiar como integrar estos sistemas en el entorno típico local, definir proyectos piloto que ayuden a determinar y difundir un estándar aplicable localmente, con el objetivo de contribuir a mitigar los efectos producidos por la utilización incontrolada de los combustibles fósiles.

                      
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IV. LAS MÁQUINAS MICRO HIDRÁULICAS

Según la terminología utilizada en el ámbito internacional, se llaman micro centrales (micro-hidro) las centrales eléctricas de potencia inferior a 100 Kw., que normalmente utilizan caudales y saltos reducidos.

Algunas tipologías de turbinas adecuadas para las centrales micro hidráulicas

Micro turbina Pelton o de flujo cruzado

Muy parecida a las turbinas utilizadas en centrales más grandes, la Pelton puede ser de eje horizontal o vertical y, por el número de giros relativamente bajo, es adecuada para instalaciones con saltos de agua de unos centenares de metros.

De fácil y sólida construcción, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento óptimo, funciona a la presión atmosférica y no genera problemas de estanqueidad. Tiene palas de doble cuchara, con un numero de chorros hasta 6.

Generalmente todas las principales partes mecánicas están hechas de acero inoxidable. Las turbinas Pelton son las más utilizadas en las micro centrales, porque son las más adecuadas para aprovechar el potencial de caudales reducidos.

The WKV Pelton Turbine

 

Micro turbina Turgo

 Es una turbina con una acción parecida a la Pelton y es apta para saltos de 30 a 300 m. 

Los constructores la aconsejan para enclaves con importantes variaciones de flujo de agua y aguas turbias.  

The WKV Turgo Turbine

 

Micro turbina de flujo radial o cruzado

Es una maquina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequeña; es apta para saltos de unos pocos metros hasta 100, y para caudales de 20 a 1000 litros / segundo. 

Se trata de una maquina de entrada radial del agua, caracterizada por una doble acción del fluido sobre las palas. La transmisión del movimiento al generador se debe a una correa dentada. Generalmente los componentes metálicos están hechos de acero inoxidable. 

El rendimiento de las turbinas de flujo cruzado es menor que el de las turbinas Pelton, pero tienen una mayor facilidad constructiva y una mejor adaptabilidad a los pequeños saltos.

The WKV Crossflow Turbine

 

 Mini turbina Francis

La mini turbina Francis es una turbina de reacción valida para centrales de tamaño medio, con potencia aproximada de 100 Kw. El concepto constructivo es muy parecido a él de las turbinas para centrales más grandes.

La ventaja de esta maquina consiste en el aprovechamiento de todo el salto disponible, hasta el canal de desagüe.

La construcción compleja, la alta velocidad de rotación que provoca fricción y desgaste, y algunos problemas de estanqueidad, hacen problemática la instalación de estas turbinas en las centrales pequeñas.

The WKV Francis Turbine
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V. LAS APLICACIONES DE INSTALACIONES MICRO HIDRÁULICAS

Los sistemas micro hidráulicos encuentran su aplicación allá donde haya un suministro de energía que satisfacer y esté disponible un curso de agua, aunque limitado, con un salto incluso de pocos metros. En estas circunstancias las centrales micro hidráulicas tienen un impacto reducido y no modifican el curso de agua.

La mayor difusión de las centrales de tamaño muy pequeño se encuentra en áreas montañosas no servidas por la red nacional. En estas zonas se pueden realizar micro centrales en cursos de agua de régimen torrencial o permanente para el suministro de pequeñas comunidades locales o granjas y hoteles aislados.

Cuando hacen falta solo algunos Kw. para alimentar una nevera, una radio o la iluminación de un refugio o de una cabaña alpina, se puede insertar directamente en el cauce de un pequeño curso de agua una turbina y un alternador estancos, con el cable de la energía eléctrica que llega directamente al refugio o a la cabaña.

Otro sector de aplicación cada vez más desarrollado es el llamado recuperación energética. En los sistemas hídricos que, para regular y controlar el caudal, dispersan en salida una parte del agua, es posible instalar una turbina para recuperar energía. Los sistemas hídricos en los que existe esta posibilidad son muchos, por ejemplo:

Pero en realidad la realización de una micro instalación en sistemas hídricos de este tipo es conveniente desde el punto de vista económico si los conductos ya existen y cuando los saltos y los caudales son significativos. 

Otras aplicaciones son posibles, finalmente, en las centrales hidroeléctricas de producción con bombeo donde el generador funciona como un motor y permite durante la noche, cuando la disponibilidad energética es mayor, bombear el agua de un embalse inferior al superior. 

 

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VI. SISTEMAS HÍBRIDOS

Los sistemas híbridos nacen de la unión de dos o más sistemas de generación, en parte convencionales (diesel, por ejemplo), para garantizar una base de continuidad del servicio eléctrico, y en parte de fuentes renovables (eólico, fotovoltaico, hidroeléctrico, etc.), completados con sistemas de almacenaje (baterías), de condicionamiento de la potencia (inverter, rectificadores, reguladores de carga) y de regulación y control.

Los sistemas híbridos representan actualmente una solución valida a las exigencias de energía eléctrica en áreas aisladas no electrificadas, donde en el pasado se utilizaban solo generadores diesel, que muestran una eficiencia reducida en el funcionamiento, altos costes de mantenimiento y una breve vida de la instalación. Los sistemas híbridos en cambio permiten aprovechar los recursos renovables existentes en el territorio, constituyendo una concreta opción compatible a nivel medio ambiental y social.

Actualmente se proyectan sistemas híbridos en los que las fuentes renovables y el almacenaje proporcionan hasta el 80–90% de las necesidades energéticas, dejando al diesel sólo una función auxiliar.

 

VII. QUÉ HACER PARA INSTALAR UN SISTEMA MICRO HIDRÁULICO

Los trámites que hay que llevar a cabo para instalar una micro central hidroeléctrica son diferentes para las instalaciones de potencia inferior a 20 Kw., respecto a los de las centrales eléctricas de tamaño superior.

Además del tamaño, debe tenerse en cuenta la función y la forma de trabajar de la central: aplicaciones por debajo de los 20 Kw. están más orientadas para usuarios stand-alone, esto es, sin conexión a la red; las de tamaño mayor en cambio se consideran centrales eléctricas, sujeto a imposición fiscal y generalmente unidos en red (grid connected), con la posibilidad de vender la energía sobrante respecto al autoconsumo.

En esta publicación explicaremos sólo el trámite estándar que debe seguirse para la construcción de un sistema de potencia inferior a 20 Kw., considerando que las centrales de potencia superior interesan sólo a sujetos con propósitos industriales y que por lo tanto se dirigirán a finalidades distintas del autoconsumo.

 Aunque consideremos que quien desea instalar una central de potencia inferior a los 20 Kw. está movido más por razones de tipo medio ambiental o de ahorro energético que por intereses comerciales, es conveniente determinar la viabilidad del proyecto siguiendo los siguientes pasos:

  1. Elección del lugar: disponibilidad de los terrenos, verificación de la propiedad, de los vínculos, etc.
  2. Estudio de los parámetros útiles: caudal y salto disponibles, calculo de la potencia de la instalación.
  3. Análisis de las licencias necesarias, pidiendo información a los constructores o a los profesionales de la  zona, por conocer la situación local.
  4. Estudio de viabilidad de la central y verificación de los costes, para asegurarse que la instalación tenga una relación costes / beneficios adecuada a las expectativas.
  5. Elección del proyectista y del constructor.
  6. Gestión y mantenimiento de la instalación.

Componentes para la micro central hidroeléctrica

generatori ad acqua
  1. Grupo Turbina-Generador
  2. Cuadro Eléctrico de Distribución
  3. Utilizadores
  4. Dispersión en el aire
  5. Sistema Electrónico de Regulación de Carga Constante Resistiva
    Dispersión en el agua
Energía Eléctrica
Energía Térmica

Decidida la realización de una micro instalación hidroeléctrica es conveniente contactar con los fabricantes de las turbinas y generadores (aconsejable más de uno). A través de su experiencia y mediante la comparación directa entre las posibles soluciones relativas al lugar especifico, se podrán realizar las elecciones técnicas más oportunas.

A menudo los constructores de turbinas pueden también ofrecer un asesoramiento en la fase de diseño de las obras hidráulicas o de infraestructuras. 

Según las características estimadas del salto y del caudal, es posible identificar la tipología de turbina y el tamaño más adecuado, teniendo en cuenta que la turbina misma tiene que dimensionarse en base no solo al caudal medio del año sino también en base al caudal de pico de los periodos con mayor disponibilidad de agua.

Considerada la simplicidad constructiva de una micro instalación, el mantenimiento y la gestión resultan mucho menos complicadas que las de instalaciones más grandes. No es necesaria la presencia permanente de un operario, sino que se hará un simple control de vez en cuando para verificar el correcto funcionamiento de las instalaciones hidráulicas (de toma y de filtración) y de las electromecánicas (turbina-alternador). La gestión se realiza normalmente a distancia, a través de  sistemas de mando y telecontrol que permiten recibir datos y enviar ordenes a la instalación.

 

CONCESIÓN HIDROELÉCTRICA

 En la gran mayoría de los casos las aguas son públicas: si se quiere llevar adelante la construcción de una instalación hidroeléctrica, incluso de pequeño tamaño, hace falta pedir previamente la autorización para la utilización de las aguas y pagar los correspondientes impuestos.

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VIII. INCENTIVOS

 

La principal norma que resulta de aplicación es el Real Decreto 2818/1998, de 23 de diciembre, sobre producción eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energía renovables, residuos y cogeneración.

Este reglamento parte de la frontera de los 50 MW de producción eléctrica, en cuyo caso el titular de la instalación disfrutará de los siguientes derechos:

           

1.      Conectar en paralelo su grupo o grupos generadores a la red de la compañía eléctrica distribuidora.

2.     Transferir al sistema a través de la compañía distribuidora de electricidad su producción o excedentes de energía eléctrica, siempre que técnicamente sea posible su absorción por la red y percibir por ello el precio de mercado mayorista más los incentivos previstos para el régimen económico.

3.     Recibir en todo momento de la compañía distribuidora, siempre que se trate de un cliente sometido a tarifa regulada, la energía eléctrica que sea necesaria para el completo desenvolvimiento de su actividad, abonando la tarifa que le corresponda.

4.     Acceder al mercado de producción de energía eléctrica, siempre que se trate de un consumidor cualificado, para efectuar las compras de electricidad que precisen para el desenvolvimiento de sus actividades, abonando los precios, peajes y costes de acceso que corresponda en cada caso.

5.     Acceder al sistema de ofertas en el mercado de producción de energía eléctrica o formalizar contratos bilaterales físicos, en ambos casos por períodos anuales y previa comunicación a la Dirección General de la Energía, Comunidad Autónoma donde esté ubicada la instalación y a los operadores del sistema y del mercado.

6.     Transferir energía eléctrica a las unidades consumidoras.

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Indice guía