¿Cómo se hace el diseño de un aprovechamiento hidroeléctrico?

Determinación del caudal de equipamiento.

La elección de un caudal de diseño adecuado para definir el equipamiento a instalar, de forma que se optimice la energía producida en función de la hidrología, es fundamental en este tipo de proyectos. Por tanto, el conocimiento del régimen de caudales del río en la zona de la toma de agua es fundamental para la determinación del caudal de diseño del aprovechamiento, además de la idoneidad de los equipos instalados.

El registro de los caudales del río se realiza en todas las estaciones del año mediante estaciones de medida (ROEA), recopilando los caudales instantáneos que circulan por el tramo del río donde estará ubicada la instalación.

Para ello, se utilizan:

1. Aforos directos (con molinetes o químicos).
2. Aforos indirectos (con limnígrafos o aforadores de vertedero).

A partir de estos valores se determinan los caudales máximos, medios y mínimos diarios correspondientes para un número de años, con los que se elaboran series temporales agrupadas por años hidrológicos.

Para la obtención de los datos hidrológicos se puede acudir a través de los organismos de cuenca o del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), organismo autónomo adscrito orgánicamente al Ministerio de Fomento y funcionalmente a los Ministerios de Fomento y Agricultura, Alimentación y Medioambiente.

Es necesario recopilar las series hidrológicas (durante más de 25 años) de las estaciones de aforo existentes en la zona donde se quiere instalar la central a través de los datos de caudales medios diarios, para realizar el correspondiente estudio hidrológico. En el caso de que no haya estaciones de medición en la cuenca y en la zona próxima a la instalación de la minicentral, se debe calcular el caudal de forma teórica. Este estudio hidrológico teórico se basa en los datos de las mediciones de las precipitaciones de la zona y en realizadas en cuencas semejantes.

Se deben, por tanto, recopilar y analizar las series de datos pluviométricos disponibles, en el caso de que no se dispongan de datos de determinados periodos, se realizan correlaciones estadísticas con otras cuencas en las que haya más datos.

A modo de ejemplo, si se quiere calcular de forma teórica el caudal medio para valorar el recurso hídrico de un río gallego y no se dispone de una estación de aforos, primero se buscarán los datos de pluviometría de la región; en este caso, se suponen 2.000 mm anuales, es decir, 2.000 l/m2.

Lo siguiente es definir cuánta de esa lluvia se canaliza por la superficie hasta el río objeto. Existen modelos para el cálculo de la escorrentía y valores de la península, como los realizados por MOPU 1990 o FERRER 1993, normalmente el dato varía entre 0,1 y 0,7. En este caso se toma un valor de 0,5. Por lo tanto, la precipitación neta = 2.000 mm * 0,5 = 1.000 mm.

En este caso es necesario determinar las analogías entre las diferentes cuencas en cuanto a las características físicas, principalmente la superficie y los índices que definen la forma y el relieve de esa superficie. Después, se relacionan las aportaciones que reciben las cuencas que se comparan con datos como las precipitaciones, superficies y coeficientes de escorrentía, incluyendo índices como el correspondiente al de la pendiente. Con esta relación se obtiene un factor corrector que permite relacionar los afluentes, las aportaciones y caudales de la cuenca estudiada, obtenidas a partir de los datos de una cuenca determinada como semejante. Es fundamental completar los datos analíticos obtenidos con medidas realizadas de forma directa en el caudal del río durante, al menos, un año.

El objetivo final del estudio hidrológico, ya sea teórico o con datos reales, es obtener una serie anual con los datos suficientes como para realizar una distribución estadística que nos tipifique los años en años muy secos, secos, medios, húmedos y muy húmedos. Además, hay que tener en cuenta la calidad de los datos, ya que, si existe un sesgo en ellos, obtendremos unos caudales medios artificiales.

Con la distribución de caudales obtenida del estudio hidrológico, se determina un año medio representativo, representándolo a través de una curva de caudales clasificados. Esta curva nos dará el caudal en la toma en función del día del año en el que esperamos dicho valor. Esta curva debe ser representativa del régimen hidrológico de un cauce para su aprovechamiento hidroeléctrico.

La curva de caudales clasificados proporciona una valiosa información gráfica sobre:

1. El volumen de agua existente
2. El volumen a llevar a la turbina
3. El volumen vertido por servidumbre, mínimo técnico o caudal ecológico

La elaboración de esta curva exige el cálculo previo de los siguientes parámetros:

1. QM: caudal máximo alcanzado en el año o caudal de crecida.
2. Qm: caudal mínimo del año o estiaje.
3. Qsr: caudal de servidumbre que es necesario dejar en el río por su cauce normal. Incluye el caudal ecológico y el necesario para otros usos. El caudal ecológico lo fija el organismo de cuenca, si no se conociera, una primera estimación es considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual.
4. Qmt: caudal mínimo técnico; aquel directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad k que depende del tipo de turbina.

Como primera aproximación se tomarán los siguientes valores de k en las principales clases de turbinas:

1. Para turbinas Pelton: k= 0,10.
2. Para turbinas Kaplan: k= 0,25.
3. Para turbinas Francis: k= 0,40.

Para dimensionar el caudal de equipamiento Qe o caudal de diseño hay que tener en cuenta las aportaciones del río, su distribución a lo largo del año y su variabilidad de unos años a otros. En España debido a su clima mediterráneo existe una gran variabilidad de caudales entre verano e invierno y también entre años. Además, el agua requerida aguas abajo ya sea en forma de caudal ecológico o de riego delimitará el Qe.

Otra forma de determinarlo es descontar el caudal de servidumbre a la curva de caudales del estudio hidrológico. Posteriormente, se elige el caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100, siendo el Q80 el caudal que circula por el río durante 80 días al año y el Q100 el que circula durante 100 días al año. Al dimensionar el caudal de diseño con estas premisas, obtendremos unas horas de funcionamiento anuales entre 2.000-3.500.

Además del cálculo del caudal óptimo para la producción, hay que hacer un análisis de la inversión necesaria y los ingresos que se van a generar teniendo en cuenta las instalaciones ya existentes.

Determinación del salto neto.

La otra variable fundamental es la altura. Deberá ser el máximo permitido por la topografía del terreno, teniendo en cuenta los límites que marcan la afección al medioambiente y la viabilidad económica de la inversión.

Los saltos a considerar son:

1. Salto bruto (Hb): altura existente entre el nivel de agua en el aliviadero del azud o presa y el nivel del río en la restitución o descarga del caudal turbinado en la central.
2. Salto útil (Hu): en el caso de centrales de derivación con canal y cámara de carga, es el desnivel existente entre la superficie del agua en la cámara de carga y el nivel de restitución.
3. Salto neto (Hn): diferencia entre el salto bruto y las pérdidas de carga (∆h), que se producen desde la toma a lo largo de todas las conducciones y elementos del aprovechamiento, hasta la restitución
4. Pérdidas de carga primarias (Hp): pérdidas por fricción del agua contra las paredes del canal y, sobre todo, en la tubería forzada.
5. Pérdidas de carga secundarias (Hs): pérdidas que se producen por cambios en la dirección de flujo, al pasar a través de una rejilla o de una válvula. Se miden como pérdidas de presión y se calculan mediante fórmulas y coeficientes derivados de la mecánica de fluidos.

Como las pérdidas primarias y secundarias son proporcionales al cuadrado del caudal circulante, puede expresarse de la siguiente manera: Hn = Hb – pérdidas = Hb – K * Q2

Donde Q es el caudal en m3/s. Siendo K una constante propia del aprovechamiento en cuestión, que depende de las características de los elementos, materiales, rugosidades, trazado, longitudes y geometría de las conducciones.

En caso de desconocer la constante del emplazamiento K, se calcularán las pérdidas:

1. Las pérdidas secundarias o localizadas vienen dadas por el emplazamiento y los elementos utilizados; así, de manera orientativa, podemos decir que las pérdidas secundarias de la toma y las rejas son de 1 m y las pérdidas secundarias del cambio de sección de la tubería y válvulas son de 2 m.
2. Las pérdidas primarias o continuas dependen del tipo de conducción; en canal o en tubería forzada y la forma de calcularlas.

El salto bruto se puede obtener mediante un plano topográfico. No obstante, para una determinación más correcta y exacta, se realiza un estudio topográfico de la zona. Las pérdidas de cargas primarias y secundarias suponen entre un 5 y un 10 % del salto bruto calculado.

Potencia a instalar y producción.

Una central hidroeléctrica cuenta con una potencia disponible que varía en función del caudal de agua que está disponible para ser llevado a la turbina y el salto existente en cada instante.

La expresión que nos proporciona la potencia instalada es: P = Q · p · g · Hn · e

Donde:

1. P: potencia en kW.
2. Q: caudal de equipamiento en m3/s.
3. ρ: densidad absoluta [kg/m3].
4. Hn: salto neto existente en m.
5. g: gravedad, considerada 9.81 m/s2.
6. e: nturbina · ngenerador · ntransformador de salida

A partir de la potencia bruta calculada, se debe de contar con un factor de eficiencia que incluye el rendimiento de la turbina, el rendimiento del generador encargado de transformar la energía mecánica en eléctrica.

Una vez generada la energía eléctrica, se alimentan los auxiliares de la instalación y la energía se conduce al transformador donde se aumentará la tensión disminuyendo la intensidad para el transporte de la energía eléctrica con menos pérdidas.

Los rendimientos asociados al transformador deben tenerse en cuenta a la hora de estimar la energía exportada a la red, ya que el porcentaje del consumo de auxiliares puede suponer un 5 % de la energía generada y esta no se puede incluir en el cálculo de la cifra de negocios asociada a la viabilidad del proyecto.

Según el tipo de equipo y el fabricante, el rendimiento de la maquinaria varía; para una primera aproximación, se puede tomar como factor de eficiencia para una central hidroeléctrica moderna el valor del 85 %, incluyendo como las pérdidas mecánicas, volumétricas e hidráulicas.

Una vez determinada la potencia, es posible calcular la energía producida de la central como producto de la potencia neta por las horas de funcionamiento.

Para calcular la energía real producida tendríamos que integrar la potencia instantánea en el tiempo.