Tecnologías avanzadas de generación de energía hidroeléctrica

La generación distribuida pasa por integrar diferentes soluciones que trabajando en conjunto contribuyan a solucionar las carencias energéticas de un país, región o incluso de una planta industrial de gran consumo. En cursos de agua permanente de regiones montañosas la energía hidroeléctrica mini/micro es una solución altamente viable y amiga del medio ambiente que genera una energía constante que puede utilizarse "in-situ" y a la vez se integra con mucha mayor facilidad en las redes de distribución sin originar perturbaciones. En el caso de la energía hidroeléctrica mini/micro, el rango de capacidad de la energía hidroeléctrica mini/micro, abarca desde varias docenas a 500 kW aproximadamente hasta varios Mw, su potencial no necesariamente corresponderá al potencial de la energía hidroeléctrica de mediana y gran escala. Esto es debido a que el potencial hidroeléctrico mini/micro es factible con un salto que varía de varios metros a varias docenas de metros y es necesario que las centrales eléctricas estén cerca de los lugares de consumo, pudiéndose construir mini-redes aisladas y en consecuencia se evita también el gran coste de la construcción de las las líneas de distribución.

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En nuestras revisiones de las últimas tecnologías de eficiencia energética se produce un patrón común, y es que un cuidadoso examen del diseño y una rigurosa planificación de ingeniería permite en todos los casos sensibles mejoras en el rendimiento de las instalaciones. Como hemos dicho muchas veces, lo fácil es diseñar, y lo difícil es que el diseño sea realmente eficiente. En este artículo revisamos los últimos avances en turbinas de generación de energía hidroeléctrica y la aplicación de conceptos avanzados de diseño que permiten optimizar sustancialmente el rendimiento de cualquier planta. También hablaremos de las últimas tendencias en gestión ambiental de este tipo de instalaciones, un requisito imprescindible para la obtención de las autorizaciones administrativas pertinentes. .

En primer lugar es importante decir que la energía hidroeléctrica es el recurso renovable más importante actualmente. En Estados Unidos, por ejemplo, la energía hidroeléctrica genera el 7 % de toda la energía del país, y un 75 % de la energía eléctrica generada a partir de fuentes renovables. En Todoproductividad abordamos el uso de la energía hidroeléctrica a pequeña escala, un recurso fácilmente integrable en muchos cursos fluviales.

• Mejoras en el rendimiento: Las nuevas turbinas para generación de energía hidroeléctrica han avanzado mucho en los últimos años en eficiencia energética (comparadas con la eficiencia de las máquinas antiguas), compatibilidad con requerimientos ambientales (ej. concentraciones de oxígeno disuelto y supervivencia de los peces), viabilidad comercial, y éxito en equilibrio ambiental, técnico, operacional y consideraciones de coste. Las nuevas turbinas se ensayan para cumplir protocolos de ensayos de campo y analizar y comparar los datos relacionados con los objetivos de rendimiento.
• Mejoras en el oxígeno disuelto: Otra mejora son las técnicas para retroajustar la aereación de forma efectiva en costes en las turbinas Francis existentes y mitigar así las concentraciones de bajo oxígeno disuelto en el agua de cola bajo las instalaciones hidroeléctricas. El retrofit aereation system (RAS) es un método efectivo en costes de realzar el oxígeno disuelto. Los beneficios de realzar el oxígeno disuelto deben valorarse respecto al impacto adverso potencial de supersaturación de TDG en peces y otros organismos aguas abajo del proyecto.
• Supervivencia de peces atravesando las turbinas: Otro de los avances de los últimos años ha sido el estudio de los diseños de turbinas con el objetivo de incrementar la supervivencia de peces que las atraviesan. Un programa destacado que merece mencionar es The Corps of Engineers´ Turbine Survival Program (TSP), mediante el cual se estudiaron cambios operacionales y mecánicos que deben hacerse en las turbinas para incrementar la supervivencia de los peces. Modificaciones básicas en el diseño de las turbinas mejoran las características del flujo y disminuyen el impacto en los oganismos acuáticos locales.
• Optimización del uso del agua: La generación de energía hidroeléctrica puede incrementarse sensiblemente optimizando diferentes aspectos de la operación de planta. Entre otros aspectos deben considerarse la ubicación de las unidades individuales, la coordinación de operaciones de unidades múltiples, y los modelos de liberación desde múltiples depósitos. Los conceptos de optimización del uso del agua pueden aplicarse tanto a plantas existentes como a nuevos planeamientos y el potencial de incremento de energía que conseguiremos será del 5-10 %. Los estudios sobre optimización del uso del agua en centrales hidroeléctricas apuntan todos a la importancia que tiene la formulación de modelos que comuniquen óptimamente información ambiental, hidráulica y energía a lo largo de gradientes de escalas temporales y espaciales separando componentes individuales. En especial es importante medir de forma continua la eficiencia del generador y de las turbinas específicas. Pueden conseguirse mejoras significativas actuando sobre controles de variables y operacionales y hacerlo de forma iterativa.
• Gestión de derrames: En las centrales que utilizan presas es importante gestionar los derrames de agua de forma que se proteja el movimiento de los peces. Es factible actualmente automatizar los derrames de forma que puedan hacerse coincidir con la migración natural de los peces y habilitar en esos momentos rutas alternativas que faciliten su conservación. El derrame es una estrategia más natural que otras estrategias artificiales y los peces lo toleran con más facilidad.
• Control del caudal: Las fluctuaciones excesivas de caudal deben también evitarse pues se conoce que tienen impacto negativo en los peces. Por ello, la integración de pequeñas centrales tiene un efecto mucho más positivo cuando no se aprovecha todo el caudal del río. Muchas acciones pueden llevarse a cabo sobre el caudal, y ello puede conseguirse de forma sencilla automatizando la operación de la central. Es posible por ejemplo aumentar el caudal fuera de la demanda pico, o aumentarlo durante los fines de semana.
• Efectividad de pasos para peces. La efectividad de los pasos de peces ha sido una preocupación desde hace años, y en los últimos 50 años muchos estudios se han realizado, especialmente analizando el impacto en los salmones juveniles.
• Modelización física y dinámica de fluidos computacional: Los modelos físicos y computacionales son herramientas valiosas que ayudan a estimar la métrica del rendimiento que es difícil medir directamente. Algunos de los últimos métodos utilizados en el diseño de turbinas son la modelización del golpe del álabe, análisis integrado de datos de peces, CFD biomecánico.

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Bibliografía: DOE Hydropower Program. Biennial report for FY 2005-2006.
Palabras clave: Advanced Hydropower Technology, Retrofit aereation system (RAS), Total disolved gas (TDG), Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling of turbulent flows, computational fluid dynamics (CFD) model, blade-strike model.