microturbinas hidraulicas en redes de abastecimiento.pdf

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERÍA INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA ANÁLISIS DE VIABILIDAD PARA LA INSTALACIÓN DE MICROTURBINAS HIDRÁULICAS EN REDES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

MARÍA GÓMEZ MAYORAL MADRID, junio de 2006

Autorizada la entrega del proyecto al alumno:

María Gómez Mayoral

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Gonzalo Baíllo Moreno

Fdo:

Fecha:

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

José Ignacio Linares Hurtado

Fdo:

Fecha:

A mi padre

Resumen

iv

Resumen Introducción En la actualidad, las redes de suministro de agua del Canal de Isabel II poseen, en las tuberías de conexión entre los embalses, situados normalmente en zonas altas de montaña, y las redes urbanas y depósitos de los distintos municipios, situados habitualmente a una cota inferior, unas válvulas que reducen el exceso de presión debido a dicha diferencia de cotas. Dichas válvulas son responsables del continuo y correcto abastecimiento de agua a los depósitos y a las redes de consumo urbano, con el fin de suministrar un caudal y una presión adecuados a dicho efecto. La caída de presión que producen estas válvulas supone una disipación o de la energía de presión que contiene el agua que se traduce en desgaste de los elementos de la propia válvula, ruido y vibraciones y energía calorífica. Dicha energía de presión podría aprovecharse para la generación de energía eléctrica renovable. El propósito fundamental de este proyecto es llevar a cabo un estudio de viabilidad de la generación de energía eléctrica renovable, mediante la instalación de microturbinas, aprovechando la energía disipada en las válvulas reductoras presentes en el citado suministro de aguas del Canal de Isabel II de la Comunidad de Madrid. A su vez, la premisa fundamental que se debe satisfacer en todo momento es que la generación se lleve a cabo sin alterar las condiciones de calidad del suministro de agua a los consumidores, que son, en esencia: caudal, presión y fiabilidad. Objetivos
Aprovechamiento del recurso existente: La motivación principal para que se instalen estos equipos es, como se ha comentado, el aprovechar energéticamente los saltos de presión que se producen con válvulas reductoras, que adaptan las presiones al valor adecuado para el consumo mediante el estrangulamiento del paso del flujo que circula a través de ellas, y obtener con ellos la energía eléctrica deseada. Un beneficio adicional supone reducir el desgaste en las válvulas reductoras de presión cuya función se pretende sustituir y como consecuencia principal, reducir el mantenimiento de sus elementos constituyentes como, por ejemplo, el del asiento de

Resumen

v

la válvula, en el cual se producen localmente elevadas velocidades y, por tanto, cavitación.
Construcción de la central hidroeléctrica: La construcción de las instalaciones para la generación de energía eléctrica se basará en la colocación de microturbinas en los ejes de las tuberías y que estarán, a su vez, conectadas con alternadores eléctricos, responsables de la generación de la energía. Dicha energía eléctrica se obtendrá, por consiguiente, al transformar la energía de rotación de la turbina, debida al paso del agua, en una energía eléctrica, como consecuencia de la actuación del generador.
Mejora de factores actuales: La instalación de microturbinas debe estar enfocada al mayor aprovechamiento energético, pero también a mejorar en lo posible el rendimiento total de la instalación actual en lo referente a fiabilidad y a flexibilidad en el régimen de operación de la misma. Aplicaciones Las posibles aplicaciones de este proyecto son:
Autoabastecer de energía a equipos de control aislados (caudalímetros o registradores de presión) que no tendrían abastecimiento de energía eléctrica de otro modo por ausencia de red de distribución cercana
Vender la energía generada, mediante el sistema de estudio en este proyecto, a la compañía distribuidora de energía eléctrica correspondiente de la red nacional. Generación de potencia A modo de introducción orientativa, se puede definir la potencia que generará la turbina debida al salto de presión en la válvula como el resultado de la siguiente expresión:

P = µ ⋅ (ρ ⋅ g ⋅ ∆h ) ⋅ Q
P [kW] es la potencia
Q [m3/s] es el caudal de agua que atraviesa la tubería y por tanto la turbina
∆h [m.c.a.] es el salto de presión determinado por la válvula reductora de presión
µ es el rendimiento de la instalación
ρ [kg/m3] = 1000 es la densidad del agua y

Resumen

vi


g [m/s2] = 9,8 es la gravedad. Póngase por caso una válvula que efectúa una reducción de presión de 40 m.c.a., es decir, de 4 bar. Para un caudal ejemplo típico en la red de 300l/s, se producirían unos 100kW si el rendimiento alcanzara el 100%. Obtener dicha potencia mediante otras energías renovables como, por ejemplo, la energía fotovoltaica, es mucho más costoso y requeriría una superficie equivalente mucho mayor. En esto reside uno de los principales incentivos para realizar este proyecto. El dato de potencia generada, 100kW en este caso, revela que es posible obtener una cantidad interesante de energía, puesto que el número total de válvulas susceptibles a dicho cambio es relativamente elevado; se trata de unas 650 válvulas, localizadas a lo largo de toda la red de suministro de agua del Canal de Isabel II en distintos municipios de la Comunidad de Madrid. Además los rendimientos de este tipo de instalaciones son muy elevados, rozando valores del orden del 90%. Explotación novedosa Como motivación adicional, pero no por ello menos importante, debe destacarse que la instalación de estos generadores en redes de distribución de agua potable es algo novedoso en España, hecho que añade un rasgo de interés complementario a todos los citados hasta el momento. Nunca antes se intentó introducir una turbina en una tubería y desaprovisionarla de su habitáculo de descarga para adaptarla a una red de consumo. Es por esto por lo que el proyecto recibe el nombre de estudio o análisis de viabilidad, ya que en general se estudiará desde el punto de vista técnico, legal y económico si es o no posible la implantación de estas instalaciones en la red. Aspectos adicionales Como puntos de interés deben ser citados también aspectos medioambientales, y económicos:
Respecto por el medio ambiente al ser generación de energía renovable.
La motivación económica es un incentivo adicional importante, ya que, aunque los gastos de instalación y de puesta en marcha serán elevados, la venta de energía y el

Resumen

vii

autoabastecimiento son opciones económicamente provechosas. El número de válvulas reductoras susceptibles de ser sustituidas por turbinas es elevado, lo que supone una generación cuantiosa de energía. Conclusión En resumen: Este proyecto analizará la viabilidad legal, técnica y económica de la colocación de microturbinas hidráulicas conectadas de alguna forma a las válvulas ya existentes, con la finalidad de aprovechar los saltos de presión que absorben dichas válvulas en la actualidad para la obtención de energía eléctrica. Se trata, por tanto, de implantar pequeñas centrales hidroeléctricas a la entrada de las redes de suministro urbano o de los depósitos de la red de abastecimiento de agua, según sea el caso. El objetivo principal de este proyecto radica en la extracción de conclusiones, a nivel técnico y a nivel económico, sobre las distintas posibilidades de implantación de los equipos destinados a este objeto. El proyecto se encuadra dentro de la denominada microhidráulica o generación de energía eléctrica aprovechando saltos y generando potencia a pequeña escala.

Summary

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Summary Introduction Nowadays, the water supply system of the Canal de Isabel II in Madrid has a great number of pressure reduction valves within the pipes connecting either dams with water-tanks, that store the water in order to use it later, or dams with urban water nettings directly. Those valves are responsible for the correct and continuous water supply of the above mentioned locations, which means that the supply must achieve enough flow and pressure at the same time and at any time. These are the main conditionings of this project. The main objective, therefore, is to use the pressure drop absorbed by the valve to generate renewable electric energy, placing a microturbine instead of the valve, and to develop a viability study to see if this replacement and its energy generation are possible or not. The fundamental premise to respect is to generate energy without disturbing the quality of the water supply in terms of flow, pressure and reliability while operating. Purposes
Use of the available source: The most important reason to get under way this study and to install these equipments is that the pressure drops in those valves are currently being wasted. The resource is already available and, although it will not be easy to study, a good way to take advantage of this pressure drops is to place microturbines, connecting them to the valve in some way, so that the drop will be no more dismissed and, as an alternative, will be used to generate energy.
The construction of the new installation or hydroelectric plant will be based on the placement of a microturbine in the axis of the pipe which will be also connected to an electric alternator or generator, responsible, itself, for the energy generation. The electric energy will be obtained, consequently, by the transformation of the turbine rotary energy, due to the water flow across the machine, into electric energy, due to the action of the generator. This new plant should be focused on improving the

Summary

ix

global performance of the nowadays existing plant, by means of increasing its reliability and its flexibility on the water supply procedure. Applications There are two different possible applications for this generation:
Self supply of energy providing with energy diverse control isolated equipments, such as flow or pressure counters, which would not have any other energy feeding supply instead or
Selling of the electric energy produced by this system to the distributing company Power generation The power produced by the turbine, using the available pressure drop, can be easily determined by the next equation:

P = µ ⋅ (ρ ⋅ g ⋅ ∆h ) ⋅ Q
P [kW] for the power
Q [m3/s] for the water flow across the pipe
∆h [m.c.a.] for the currently dismissed pressure drop in the valve
µ for the performance of the new plant
ρ [kg/m3] = 1000 for the water density and
g [m/s2] = 9,8 for the gravity. Let us take, as an example, the next typical values: ∆h = 40 m.c.a. Q = 300l/s, typically used talking about this kind of supply η = 100%, The generated power will amount to 100kW. This quantity will be much more expensive and difficult to generate with other renewables, such as solar energy. This is one of the most important incentives to develop this study.

Summary

x

The number of pressure reduction valves that are working nowadays in the water supply system in Madrid is around 650. This means that if all of these valves were substituted by turbines, the total amount of energy produced would reach

650 ⋅ 100 = 65MW , of course only in the case that all of them were working together at the same time. The performances of this kind of turbines are really high, around 90% if the turbine works under certain conditions that are exactly those for which the turbine will be designed. New way of exploitation An additional motivation is that the installation of these microturbines into the pipes of a drinkable water supply system will be completely new in Spain, so it implies a real innovation in the electric energy generation in this country. This is the main reason to call this project a “viability study”, because it will show, under different points of view, if the construction of this kind of power stations is legally acceptable, technically possible and economically satisfactory. Although the initial inversion is presumably expensive, the power selling will make easy to recover it, since the total amount of energy produced will be indeed really high. Conclusion To sum up: This present document will analyse the legal, technical and economical viability of placing hydraulic - microturbines in some pipes that supply water in Madrid, connecting them to the already existing pressure reduction valves, with the purpose of using the pressure drops absorbed by those valves to yield energy to the electric mains. For that reason, the project deals with the implantation of small hydroelectric power stations located at the entrance of water tanks or of urban water supply systems, depending on the situation of the concrete valve. This project is aimed to obtain some technical and economical results and conclusions about the different possibilities to set the related equipments to produce energy in all the above referred terms.

Índice

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Índice CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 2 1 DEFINICIÓN TÉCNICA DEL PROBLEMA .................................................................................... 2 2 GENERACIÓN DE ENERGÍA........................................................................................................... 7 3 PROCEDIMIENTO GLOBAL DE DESARROLLO DEL PROYECTO .......................................... 8

3.1 Viabilidad legal................................................................................................... 8 3.2 Viabilidad técnica ............................................................................................... 8 3.3 Viabilidad económica ...................................................................................... 10 CAPÍTULO 2: VIABILIDAD ADMINISTRATIVA Y LEGAL ...................................................... 13 1 BREVE INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 13 2 CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................................... 14

2.1 Marco legal y jurídico ...................................................................................... 14 2.2 Régimen retributivo ......................................................................................... 15 2.3 Anexos................................................................................................................ 15 CAPÍTULO 3: VIABILIDAD TÉCNICA ............................................................................................ 18 1 TOPOLOGÍA DE LA INSTALACIÓN............................................................................................ 19

1.1 Instalación hidráulica....................................................................................... 19 1.1.1 Turbina hidráulica

21

1.1.1.1

Clasificación ....................................................................................................................22

1.1.1.2

Elección general del tipo de turbina ............................................................................26

1.1.1.3

Parámetros de selección ................................................................................................28

1.1.1.4

Curvas características de las turbinas..........................................................................31

1.1.1.5

Rendimientos en turbinas Francis................................................................................33

1.1.2 Válvula reductora de presión

36

1.1.2.1

Clasificación ....................................................................................................................36

1.1.2.2

Funcionamiento..............................................................................................................38

1.1.2.3

Pérdidas en abierto ........................................................................................................40

1.1.3 Válvula de mariposa

43

1.1.4 Electroválvulas

44

1.1.5 Válvula de llenado de depósito

46

1.1.5.1

Clasificación y funcionamiento ....................................................................................46

1.2 Instalación eléctrica .......................................................................................... 48 1.2.1 Generador asíncrono

50

Índice

xii

1.2.2 Batería de Condensadores

52

1.2.3 Centro de Transformación

53

1.2.3.1

Transformadores ............................................................................................................53

1.2.3.2

Celdas y cuadros eléctricos ...........................................................................................53

1.2.3.3

Línea eléctrica de interconexión ...................................................................................53

2 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN .................................................................................................... 54

2.1 Definición del problema .................................................................................. 54 2.1.1 Estudio concreto del abastecimiento a un depósito sito en Aranjuez

54

2.1.1.1

Hipótesis..........................................................................................................................56

2.1.1.2

Cálculos ...........................................................................................................................57

2.1.1.3

Elección de la turbina ....................................................................................................62

2.1.1.4

Criterios de dimensionamiento de la turbina.............................................................64

2.1.2 Notas sobre el diseño de la instalación en un abastecimiento a Red de suministro urbano

67

3 ESTUDIO DEL SISTEMA DE CONTROL DE LA INSTALACIÓN............................................ 69

3.1 Topología de la instalación ............................................................................. 69 3.2 Definición de variables .................................................................................... 70 3.3 Estudio concreto en un depósito .................................................................... 71 3.3.1 Estudio de los diferentes procesos

73

3.3.1.1

Proceso de apertura y estabilización de la válvula de llenado del depósito ..........73

3.3.1.2

Proceso de llenado del depósito a caudal pseudo constante....................................75

3.3.1.3

Proceso de cierre y estabilización de la válvula de llenado del depósito ...............80

3.3.1.4

Período en que la válvula de llenado permanece cerrada ........................................81

3.3.2 Estudio de posibles transitorios en la reductora y situaciones anómalas

82

3.3.3 Conclusiones

84

4 REGULACIÓN AUTOMÁTICA DE VELOCIDAD...................................................................... 85

4.1 Motivos para que exista la regulación........................................................... 85 4.2 Regulación en Microcentrales......................................................................... 85 4.3 Diferenciación según el abastecimiento que se desee regular ................... 86 4.3.1 Abastecimiento a Depósito

86

4.3.2 Abastecimiento a Red de Suministro Urbano

86

4.4 Velocidad constante ......................................................................................... 89 4.5 Velocidad variable............................................................................................ 91 4.5.1 Regulador de frecuencia

92

4.6 Consideración de efectos conjuntos............................................................... 94 4.6.1 Estudio del sistema de control del abastecimiento a Red urbana

94

Índice

xiii

CAPÍTULO 4: VIABILIDAD ECONÓMICA .................................................................................... 99 1 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ECONÓMICOS .......................................................................... 100

1.1 Plazo de recuperación de una inversión o Pay Back................................. 100 1.2 Valor Actual Neto: VAN ............................................................................... 101 1.3 Tasa Interna de Retorno o tipo de rendimiento interno: TIR................... 102 1.4 Equivalencias y relaciones entre los tres índices ....................................... 103 2 AYUDAS PERCIBIDAS POR LA INSTALACIÓN ..................................................................... 105 3 DEFINICIÓN DE BENEFICIOS: INGRESOS Y GASTOS .......................................................... 106

3.1 Ingresos............................................................................................................ 106 3.2 Gastos ............................................................................................................... 106 4 ESTUDIO CONCRETO DEL ABASTECIMIENTO DEL DEPÓSITO EN ARANJUEZ.......... 107

4.1 Estudio de sensibilidad.................................................................................. 114 4.1.1 Variación de la Tarifa eléctrica

114

4.1.2 Variación en el Tipo de interés

115

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES...................................................................................................... 117 1 CONCLUSIONES ADMINISTRATIVAS Y LEGALES............................................................... 117 2 CONCLUSIONES TÉCNICAS....................................................................................................... 117

2.1 Abastecimiento a Depósito ........................................................................... 118 2.2 Abastecimiento a Red de suministro urbano ............................................. 118 2.3 Generalidades ................................................................................................. 118 3 CONCLUSIONES ECONÓMICAS ............................................................................................... 118 ANEXOS ................................................................................................................................................ 120 A LEGISLACIÓN VIGENTE PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA EN RÉGIMEN ESPECIAL............................................................................................................................................... 121 B CLASIFICACIÓN DE INSTALACIONES ACOGIDAS AL RÉGIMEN ESPECIAL............... 123 C REQUISITOS ADMINISTRATIVOS PREVIOS A LA CONSTRUCCIÓN DE UNA INSTALACIÓN EN RÉGIMEN ESPECIAL:...................................................................................... 126 D CONTRATO TIPO ENTRE EMPRESA DISTRIBUIDORA Y EMPRESA QUE GENERA EN RÉGIMEN ESPECIAL .................................................................................................................... 129 E CONEXIÓN A LA RED .................................................................................................................. 130 F PRESUPUESTO................................................................................................................................ 132

Índice

xiv

G FABRICANTES DE MICROTURBINAS....................................................................................... 138

Índice de Figuras

xv

Índice de Figuras Figura 1: Ejemplo de red de abastecimiento de aguas en la Comunidad de Madrid ...................... 3 Figura 2: Variación del caudal abasteciendo a un depósito ................................................................ 4 Figura 3: Variación del caudal abasteciendo a una red de consumo urbano.................................... 5 Figura 4: Conexión en serie...................................................................................................................... 9 Figura 5: Conexión en paralelo.............................................................................................................. 10 Figura 6: Disposición de elementos en abastecimiento a red urbana .............................................. 19 Figura 7: Disposición de elementos en abastecimiento a depósito................................................... 20 Figura 1: Distribuidor Fink ……………………………………………………………….....................21 Figura 2: Rodete de una turbina Francis ……………………………………………………………...21 Figura 10: Turbina de reacción –izq.- y de acción –dch.- .................................................................. 23 Figura 11: Montaje de una turbina Francis (reacción) ........................................................................ 23 Figura 12: Ref.: "Guide pour le montage de projets de petite hydroeléctricité » ............................ 24 Figura 13: Valor máximo del salto Hn en función de la velocidad específica ns ............................ 25 Figura 14: Rango comercial de los distintos tipos de turbinas.......................................................... 27 Figura 15: Ábaco de selección del tipo de turbina .............................................................................. 27 Figura 16: Rango de acción de turbinas Francis.................................................................................. 30 Figura 17: Turbina Francis ..................................................................................................................... 31 Figura 18: Ref.: Empresa suministradora: TyEH Saltos del Pirineo S.L........................................... 31 Figura 19: Curva característica HQ....................................................................................................... 32 Figura 20: Curvas características de las turbinas ................................................................................ 33 Figura 21: Curva de rendimiento respecto al caudal de una turbina Francis ................................. 34 Figura 22: Dimensionamiento de la turbina atendiendo al caudal de llenado más frecuente..... 35 Figura 23: Válvula Reductora con circuito piloto ............................................................................... 37 Figura 24: Funcionamiento 1 ................................................................................................................. 38 Figura 25: Funcionamiento 2 ................................................................................................................. 39 Figura 26: Funcionamiento 3 ................................................................................................................. 40 Figura 27: Pérdidas en abierto para la válvula reductora.................................................................. 41 Figura 28: Configuración del grupo reductor ..................................................................................... 42 Figura 29: Válvula de mariposa............................................................................................................. 43 Figura 30: Colocación de las Electroválvulas en el circuito piloto de la reductora ........................ 45 Figura 31: Válvula de flotador............................................................................................................... 46 Figura 32: Válvula de altura................................................................................................................... 47 Figura 33: Disposición de elementos eléctricos para ambos abastecimientos................................. 48 Figura 34: Transformación de energías ................................................................................................ 50 Figura 35: Grupo Turbogenerador........................................................................................................ 51

Índice de Figuras

xvi

Figura 36: Batería de condensadores .................................................................................................... 52 Figura 37: Centro de Transformación. Transformador elevador BT / MT ..................................... 53 Figura 38: Diseño de la instalación ....................................................................................................... 56 Figura 39: Curva de pérdidas en la instalación con todos los elementos abiertos ......................... 59 Figura 40: Pérdidas en la válvula de llenado del depósito ................................................................ 60 Figura 41: En rojo, pérdidas locales totales en la instalación. ........................................................... 61 Figura 42: Salto neto aprovechable por la turbina para cada caudal. .............................................. 62 Figura 43: Número de horas en los que circula por la reductora un determinado caudal. .......... 63 Figura 44: Rendimientos para las turbinas Moda y Promedio.......................................................... 66 Figura 45: Comparación de la generación de energía ........................................................................ 67 Figura 46: Control de la instalación ...................................................................................................... 69 Figura 47: Variación diaria del caudal que abastece al depósito de Aranjuez................................ 72 Figura 48: Curva HQ de una turbina.................................................................................................... 73 Figura 49: Control de situaciones problemáticas ................................................................................ 76 Figura 50: Control de la turbina en rangos de caudales de diseño y distintos a los de diseño .... 77 Figura 51: Regulación del exceso de presión mediante la reductora ............................................... 78 Figura 52: Doble estacionalidad en abastecimiento a red urbana .................................................... 87 Figura 53: Variación del caudal y del salto .......................................................................................... 87 Figura 54: Regulación de velocidad...................................................................................................... 88 Figura 55: Mecanismo de apertura y cierre del distribuidor............................................................. 89 Figura 56: Distribuidor Fink .................................................................................................................. 89 Figura 57: Apertura y cierre del distribuidor ...................................................................................... 90 Figura 58: Curvas características para velocidad “n” constante y apertura variable ................... 90 Figura 59: A) Potencia y B) Caudales para distintas aperturas, “a”, en el distribuidor ............... 91 Figura 60: Optimización de la producción........................................................................................... 93 Figura 61: Cambio de punto de operación........................................................................................... 94 Figura 62: Control de la instalación para optimizar la producción.................................................. 95 Figura 63: Posibles opciones para un cambio de carga en la instalación......................................... 96 Figura 64: Jerarquización de inversiones ........................................................................................... 103 Figura 65: Producción de energía según las dos turbinas estudiadas............................................ 108 Figura 66: Comparación de horas de funcionamiento ..................................................................... 109 Figura 67: Comparativa entre turbinas 1 ........................................................................................... 110 Figura 68: Comparativa entre turbinas 2 ........................................................................................... 110 Figura 69: Comparación por VAN según el año ............................................................................... 112 Figura 70: Comparación por TIR según el año.................................................................................. 113 Figura 71: Valor de la explotación para distintos precios de venta de energía eléctrica ............. 114 Figura 72: Valor de la explotación para distintos tipos de interés.................................................. 115 Figura 73: Caudales en abastecimiento a Red ................................................................................... 119

Índice de Tablas

xvii

Índice de Tablas Tabla 1: Clasificación de pequeñas centrales hidroeléctricas ............................................................ 13 Tabla 2: Criterios de selección de turbinas. Ref. :Universidad de Cantabria .................................. 25 Tabla 3: Ref. "Mecánica de fluidos y máquinas" (C. Mataix, modificada)....................................... 28 Tabla 4: Variación del rendimiento en función del caudal ............................................................... 35 Tabla 5: Índices característicos............................................................................................................. 109 Tabla 6: Comparación entre Turbina Moda y Turbina Promedio .................................................. 111 Tabla 7: Comparación de caudales entre abastecimiento a red y a depósito. ............................... 119 Tabla 8: Fabricantes nacionales ........................................................................................................... 139 Tabla 9: Fabricantes extranjeros .......................................................................................................... 140

1 Introducción

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Capítulo 1: Introducción

CAPÍTULO 1

Introducción 1

Definición técnica del problema La red de abastecimiento de aguas de la Comunidad de Madrid consta de dos tipos

de depósitos que suministran agua a los usuarios:
Depósitos urbanos: Se encuentran en emplazamientos urbanos y se encargan de abastecer directamente a la red de suministro urbano de la zona o municipio en que están colocados.
Depósitos de regulación: De ellos se deriva el agua a tuberías que, circunvalando la capital, van vertiendo agua a las diferentes redes de suministro locales correspondientes a cada zona o municipio que va siendo atravesado por dicha tubería. Como se observa en la Figura 3, las válvulas reductoras que se estudian en este proyecto pueden tener dos ubicaciones diferentes dependiendo del tipo de abastecimiento al que viertan el agua:
A la entrada de depósitos que posteriormente abastecerán a su vez al municipio donde se encuentren localizados: Este emplazamiento da lugar al estudio del abastecimiento de agua a depósito urbano.
A la entrada de las redes de suministro urbano de agua potable: Este emplazamiento da lugar al estudio del abastecimiento de agua a red de consumo urbano.

3

Capítulo 1: Introducción

RED DE SUMINISTRO DE AGUA POTABLE CANAL DE ISABEL II

Figura 3: Ejemplo de red de abastecimiento de aguas en la Comunidad de Madrid

Esta primera distinción es importante, ya que los abastecimientos a red y a depósito son claramente diferenciables en cuanto a las distintas problemáticas que plantean con respecto a la colocación de las microturbinas, a su selección, al diseño de la instalación y a su control. Los condicionantes en cada caso serán muy diferentes y, por tanto, la implantación de una turbina tendrá que estudiarse bajo dos puntos de vista diferentes. Como puede deducirse de las gráficas que se muestran a continuación, es necesario considerar distintos grados de libertad para cada configuración o escenario, puesto que:
El abastecimiento a depósito se realiza de forma más periódica, controlable y estable (ver Figura 4) que el de red y, como consecuencia, es fácilmente regulable y más fijo y predecible que el de red. Cuando se procede al llenado del depósito, el caudal, que tiene un cierto grado de libertad de oscilación en torno a un valor medio, se puede considerar casi constante, y

4

Capítulo 1: Introducción

con él el salto a controlar por la válvula reductora y, en su caso por la turbina. Por tanto, la potencia que puede ser generada es constante. Una vez se llena el depósito se cierra la válvula de llenado y no se vuelve a abrir hasta que el nivel no ha disminuido por debajo de un umbral inferior. Debido a la regulación que supone el depósito, existe un grado de libertad en la elección del caudal nominal de la turbina siempre que éste sea superior al caudal medio de consumo del depósito para que no se vacíe el mismo. En los momentos en que el depósito está con la válvula de llenado cerrada la turbina se desconectaría de la red eléctrica. Es por ello que la velocidad de rotación de la turbina se puede considerar fija o constante sin que el acoplamiento a red - que podrá considerarse red infinita respecto a la instalación de estudio, porque la potencia generada será pequeña en comparación a la de aquélla - se vea gravemente alterado. ABASTECIMIENTO A DEPÓSITO 0,25

Q[m3/s]

0,2

0,15

0,1

0,05 31-dic

01-ene

02-ene

03-ene

04-ene

05-ene

06-ene

07-ene

Figura 4: Variación del caudal abasteciendo a un depósito. El nivel inferior debe ser cero; no lo es por una falta de adecuación de la escala de la salida analógica a control del instrumento de medida.

En resumen: en el abastecimiento a Depósito la función principal de la válvula reductora es mantener una presión lo más constante posible en la tubería de entrada al depósito independientemente de la presión que haya aguas arriba de la válvula. Mantener una presión constante en la entrada a un depósito implica mantener un caudal constante. El régimen de la válvula es, por consiguiente, pulsatorio, en función de los ciclos de llenado y vaciado del depósito. Estos ciclos de llenado y vaciado son controlados por

5

Capítulo 1: Introducción

unas válvulas automáticas de llenado de depósitos de las que se comentarán algunos aspectos posteriormente y que, como cabe esperar, ya están instaladas en la red actual. Éste es el funcionamiento que tiene que ser capaz de emular la turbina.
Sin embargo, en el caso de abastecimiento a red de suministro (ver Figura 5), el consumo urbano directo es variable e imprevisible, los ciudadanos requieren agua en buenas condiciones de caudal y de presión a cualquier hora del día y/o de la noche, con grandes variaciones en el consumo. Es decir, en estas circunstancias el caudal que circula por la válvula reductora no es constante, sino que viene siempre determinado por los consumidores y su demanda instantánea y variable. Por esta razón, en este caso se debe dotar al sistema de un grado de libertad adicional al sistema de generación de energía eléctrica, vinculado a la velocidad de rotación de la turbina, para que la adaptación a la gran variación de caudales susceptibles de generar energía sea factible, fiable y sobre todo aprovechable. ABASTECIMIENTO A RED

0,6

Q[m3/s]

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 01-ene 02-ene 03-ene 04-ene 05-ene 06-ene 07-ene 08-ene 09-ene

Figura 5: Variación del caudal abasteciendo a una red de consumo urbano.

Las válvulas reductotes que abastecen directamente la Red urbana tienen como función

principal

la

de

mantener

una

presión

lo

más

constante

posible

independientemente del caudal de consumo que demande la misma y de la presión que haya aguas arriba de la válvula. Su régimen es continuo, es decir, en todo momento ha de estar en servicio regulando, puesto que el abastecimiento al consumidor así lo requiere. Los caudales que circulan por ella presentan valores muy variables a lo largo del día que dependen, fundamentalmente, del consumo en cada momento. Este funcionamiento es el que tiene que conseguir igualar la turbina.

Capítulo 1: Introducción

6

Las dos gráficas anteriores han sido obtenidas mediante la representación de las lecturas de dos caudalímetros encargados de recoger a lo largo del tiempo los datos del caudal que atraviesan dos tuberías, una con entrada a depósito y otra con conexión directa a red de distribución. Los datos han sido facilitados por el Canal de Isabel II. Dichos valores serán los que se tendrán en cuenta para el desarrollo del proyecto junto con los datos de saltos de presión en las válvulas reductoras, que son, al fin y al cabo, los saltos que aprovecharán las microturbinas para generar la energía deseada. Como nota adicional, cabe destacar que la manipulación del salto existente es imposible. La red de aducción determina la presión a la entrada de la instalación. La presión de salida de la instalación en el caso de abastecimiento a red está fijada por la consigna de presión a mantener para los consumidores. Como conclusión general se deduce que la turbina tendrá que adaptarse continuamente al caudal solicitado, manteniendo la presión aguas abajo aún a pesar de las posibles oscilaciones de presión que pueda haber aguas arriba en la red de aducción, tal y como lo hace, hoy por hoy, la válvula reductora que desempeña esta función.

7

Capítulo 1: Introducción

2

Generación de energía De tal forma, y con estos condicionantes, la turbina que se instale en sustitución de

la válvula reductora podrá generar potencia de acuerdo con la siguiente expresión:

P =η ⋅Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H La Potencia [P (kW)] es, por tanto, función de:
Rendimiento [η]: Es una variable que depende del caudal que atraviesa la turbina. Cada fabricante facilita para cada turbina una curva con esta variación.
Caudal [Q (m3/s)]: Varía según la demanda de la red urbana o del depósito.
Densidad del agua [ρ (kg/m3)]: Se supone constante e igual a 1000 kg/m3
Aceleración de la gravedad [g (m/s2)]: Se supone constante e igual a 9,8 m/s2
Altura del salto de presión [H (m)]: Varía según el grado de apertura de la válvula reductora que controla la presión aguas abajo, fijando dicha presión constante, para abastecer a la red urbana o al depósito. La implantación de la microturbina se debe realizar sin ocasionar perjuicio alguno en las condiciones del suministro de agua, es decir, el caudal y las presiones suministrados actualmente deben ser iguales, o en todo caso mejoradas por las obtenidas tras la instalación de dichas microturbinas, ya que éstas vendrán a mejorar en lo posible las posibilidades de operación de la instalación en lo referente, por ejemplo, a la fiabilidad, al control del régimen de operación y a la flexibilidad de la misma.

Capítulo 1: Introducción

3

8

Procedimiento global de desarrollo del proyecto El proyecto desarrollará el estudio de viabilidad en tres aspectos:

3.1

Viabilidad legal Se estudiará el marco legal en que se engloba el proyecto para atenerse en todo

momento a la legislación y a la normativa vigente sobre producción y retribución, y así conocer los derechos y las obligaciones de la empresa productora de energía eléctrica en régimen especial, que es el tipo de régimen al cual pueden acogerse las microcentrales de generación de energía eléctrica objeto de este proyecto. Para ello habrán de tenerse en consideración las organizaciones, tanto públicas como privadas que tengan competencia en el proyecto, como por ejemplo, la Comunidad de Madrid, el Ayuntamiento del municipio donde se instale la microcentral y la empresa distribuidora de energía. 3.2

Viabilidad técnica En primer lugar, y con el fin de tener una idea general de lo que se persigue, es

preciso entender el funcionamiento de todos los elementos que constituyen la instalación actual con válvula reductora, así como de aquellos que van a componer la nueva instalación, destacándose las válvulas reductoras y la propia turbina hidráulica. El del resto de accesorios hidráulicos y eléctricos se tratarán en menor profundidad, ya que no son objeto directo del estudio de este proyecto. La sustitución de las válvulas reductoras de presión por turbinas no es literal ni evidente. Se estudiará, a su vez, la mejor forma de conexión relativa entre válvulas y microturbinas, pudiendo ser ésta en serie o en paralelo:
Para el primer caso, con una conexión en serie de ambos elementos, el salto total de presión se produciría entre la entrada a la turbina y la salida de la válvula, es decir, la instalación se diseñaría para que el mayor salto de presión tuviera lugar en la turbina y así obtener la mayor potencia constante posible y con ella generar una cantidad de energía interesante.

9

Capítulo 1: Introducción

Figura 6: Conexión en serie

En este caso la válvula reductora a la salida de la turbina seguiría desempeñando su función primitiva, es decir, controlaría y modularía la presión excedentaria y el caudal de entrada en el depósito de agua o en la red de abastecimiento urbana, según fuera el caso. Por lo tanto, el salto de presión en la válvula reductora después de la colocación de la turbina sería inferior o, en todo caso, igual (si la turbina no actúa) al que se producía anteriormente. Es decir, la turbina no aprovecharía la totalidad del salto en ningún caso porque la reductora introduce pérdidas incluso si está totalmente abierta. Esta primera configuración ha sido desestimada porque las pérdidas que ocasiona la reductora totalmente abierta son tan elevadas que el salto neto restante, es decir, el que podría aprovechar la turbina para generar, se ve ampliamente reducido. En concreto, una reductora instalada en una tubería de 300mm de diámetro ocasiona unas pérdidas de unos 12m en condiciones de total apertura, con lo que si en un principio el salto era de 40m, en realidad tan sólo se podrían aprovecha 28m, es decir, se desperdiciaría más del 25% del potencial aprovechamiento de la energía de la instalación.
Para una conexión en paralelo, la turbina se colocaría en paralelo a la reductora y desempeñaría la función de ésta última siempre que sus límites de funcionamiento lo permitieran.

10

Capítulo 1: Introducción

Figura 7: Conexión en paralelo

Esta configuración ha sido la seleccionada para realizar el estudio. Su control y su diseño son más complejos que en el caso de la configuración en serie, pero la cantidad de potencia generada es muy superior, por lo que económicamente resulta ser lo más rentable. En general y para concluir con esta breve introducción a la parte técnica del proyecto, basta añadir que se estudiará desde el punto de vista tecnológico si es o no posible la implantación de estas instalaciones en la red. Para ello se analizarán las tecnologías

comercialmente

disponibles

que

puedan

dar

flexibilidad

de

funcionamiento a la turbina y se observará su idoneidad para la obtención de energía eléctrica. Se desarrollará un proceso para la selección de la microturbina más adecuada a tal efecto. Asimismo, se describirá el control de la nueva instalación con el fin de desarrollar un algoritmo capaz de controlar todos sus elementos, todo ello sin ocasionar perjuicio alguno en el suministro de agua. A su vez se elegirá de entre todas las posibles turbinas, las que mejor se adapten a las exigencias impuestas de presión y caudal en la red y a sus variaciones. 3.3

Viabilidad económica Por último, se analizarán los costes parciales y totales del proyecto a todos los

niveles (inversión, operación, mantenimiento, estimación de ingresos y de periodos de recuperación, etc.) para saber si el objetivo del proyecto es rentable.

Capítulo 1: Introducción

11

Se estudiará cuál de las turbinas, tecnológicamente adecuada para la implantación y seleccionada mediante el método descrito en este proyecto, es la que mejor satisface ciertos requerimientos económicos de rentabilidad impuestos por la empresa inversora. Se identificarán, conjuntamente, posibles ayudas para la financiación del proyecto con la finalidad de poder llevarlo a cabo en un futuro de forma más desahogada. Dichas ayudas podrán ser de tres tipos:
Subvenciones para la inversión.
Primas e incentivos por venta de energía e incorporación al mercado eléctrico. Pese a la posible existencia de estas ayudas, los cálculos económicos que se llevarán a cabo no tendrán en cuenta dichas ayudas. El estudio se plantea en los términos más pesimistas para determinar si la instalación sería rentable por si sola que es, al fin y al cabo, lo que interesa medir y estudiar.

2 Viabilidad Administrativa - Legal

13

Capítulo 2: Viabilidad Administrativa y Legal

CAPÍTULO 2

Viabilidad Administrativa y Legal 1

Breve introducción La instalación de generadores hidráulicos de pequeño tamaño, con las

características y condicionantes que se especifican en este estudio, está considerada legalmente como generación acogida al “régimen especial” de producción de energía eléctrica. Este régimen, contemplado en la legislación energética en España, que tiene como finalidad el apoyo a los objetivos de mejora de eficiencia energética, la reducción del consumo y la protección del medio ambiente. En base a este régimen especial, se establece un sistema de primas para las instalaciones basadas en energías renovables, residuos y cogeneración, que les posibilite ser competitivas en precios de mercado para así poder situarse en posición de libre competencia en el mercado liberalizado de producción de energía eléctrica. La generación de energía renovable mediante centrales hidroeléctricas de pequeñas dimensiones se acoge a los siguientes rangos de generación, en cuanto a nomenclatura se refiere: MICRO CENTRALES

MINI CENTRALES

PEQUEÑAS CENTRALES

P ≤ 100 kW

100 kW < P ≤ 200 kW

200 Kw < P ≤ 10 MW

Tabla 1: Clasificación de pequeñas centrales hidroeléctricas

A continuación se explican los requisitos legales para construir un generador de energía eléctrica acogido al régimen especial y para operar como tal. Asimismo, se adjuntan anexos en los que se detallan las condiciones particulares que aplican al tipo de instalación que se desea analizar en este estudio y la serie de requisitos a que está sometida dicha instalación. De este modo, se describe el marco administrativo, legal y retributivo vigente al respecto en España en la actualidad y aplicable al ámbito de estudio de este proyecto.

Capítulo 2: Viabilidad Administrativa y Legal

2 2.1

14

Conclusiones generales Marco legal y jurídico El marco jurídico y legal vigente en la actualidad recoge lo siguiente:

•

Que el tipo de instalación que se estudia en este proyecto es considerada una instalación acogida al régimen especial de producción de energía eléctrica como nueva instalación hidráulica de potencia nominal instalada inferior a 10 MW. Estará en el límite entre lo que se considera micro y mini hidráulica.

•

Que, por tanto, goza de los siguientes derechos: 1. Incorporar su energía excedentaria al sistema, percibiendo la retribución correspondiente. El Gobierno puede autorizar que instalaciones en régimen especial que utilicen como energía primaria energías renovables incorporen al sistema la totalidad de la energía por ellas producida. 2. Conectar en paralelo sus instalaciones a la red de la correspondiente empresa distribuidora o de transporte. 3. Utilizar, conjunta o alternativamente en sus instalaciones, la energía que adquiera a través de otros sujetos. 4. Recibir de la empresa distribuidora el suministro de energía eléctrica que precisen en las condiciones que reglamentariamente se determinen entre compañía eléctrica y empresa productora.

•

Que, asimismo, debe cumplir las siguientes obligaciones:

•

Obligaciones técnicas y operativas: - Adoptar las normas de seguridad, reglamentos técnicos y de homologación o certificación de las instalaciones e instrumentos que establece la Comunidad de Madrid y la empresa distribuidora. - Cumplir con las normas técnicas de generación, así como con las normas de transporte y de gestión técnica del sistema.

Capítulo 2: Viabilidad Administrativa y Legal

15

- Mantener las instalaciones en un grado óptimo de operación, de forma que no puedan causar daños a las personas o instalaciones de terceros. 1. Obligaciones administrativas: - Facilitar a la Administración información sobre producción, consumo, venta de energía y otros extremos que se establezcan. 2. Obligaciones medioambientales: - Cumplir adecuadamente las condiciones establecidas de protección del medio ambiente establecidas en la Declaración de Impacto Medioambiental.

2.2 •

Régimen retributivo La instalación venderá su producción a la empresa distribuidora más cercana a razón de 7,3304 céntimos de euro/kWh, valor de la tarifa para 2005. (Este valor se estipula por ley anualmente y, por tanto, varía de año en año).

•

La tarifa en curso para la instalación que se estudia es del 90 por ciento del valor de referencia, arriba mencionado, durante los primeros 25 años desde su puesta en marcha y del 80 por ciento a partir de entonces.

•

Además la instalación recibirá una serie de incentivos y primas según el grupo de generadores en régimen especial al que pertenezca. En este caso el grupo es b.4 y recibe: 1. Incentivo por participación en el mercado: 10% de la tarifa media. 2. Prima por instalación de energía renovable: 40% de la tarifa media.

2.3

Anexos Incluidos al final del documento son: A

Legislación vigente para la generación de energía en régimen especial

B

Clasificación de instalaciones acogidas al régimen especial

C

Requisitos administrativos previos a la construcción de una instalación en

régimen especial

Capítulo 2: Viabilidad Administrativa y Legal

D

Contrato tipo entre empresa distribuidora y empresa que genera en régimen

especial E

Conexión a la red

16

3 Viabilidad Técnica

18

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

CAPÍTULO 3

Viabilidad Técnica Una vez definidos los conceptos básicos del proyecto, sobre los que se basará el desarrollo posterior, comienza aquí el estudio técnico del problema. Como se vio en la introducción, las dos grandes vertientes que abarca este estudio son, por tanto, el abastecimiento a depósito y el abastecimiento a red. Cada una plantea interrogantes y problemáticas por separado pero sus estudios no son independientes, tienen en efecto muchos puntos comunes. Al ser el abastecimiento a depósito el más sencillo a priori, se desarrollará su estudio íntegro para poder así sentar las bases para el estudio del abastecimiento a red, que es más complejo y que, por consiguiente, entraña cierta dificultad al añadir un grado de inestabilidad en los consumos, es decir, en los caudales y en las presiones, del que carece el abastecimiento a depósito. Entender bien el funcionamiento básico de la nueva instalación abasteciendo a un depósito es un pilar fundamental para proseguir con el estudio a red porque la base es común pero se han de añadir ciertas puntualizaciones para que el abastecimiento de una red urbana sea tan factible y rentable como el de un depósito.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1

19

Topología de la instalación En este primer apartado se definirán las características de funcionamiento y las

propiedades fundamentales de todos los elementos constituyentes de la nueva instalación con objeto de tener un buen entendimiento de los mismos, lo que facilitará el posterior diseño y control de la instalación. La instalación, por ser hidroeléctrica, consta de dos partes, una hidráulica y otra eléctrica, vinculadas mediante un eje de rotación que las unirá y por el cual se transmitirá el par que el generador transformará en energía eléctrica. 1.1

Instalación hidráulica La instalación hidráulica, una vez emplazada la turbina en paralelo a la reductora,

estará compuesta por una serie de elementos que variarán, como cabe esperar, según se trate de abastecimiento a red urbana o a depósito. En un futuro será la turbina la que regule dichos abastecimiento dentro de sus posibilidades y en colaboración con el efecto de la reductora en caso de que sea necesario según se verá más adelante en el apartado de Estudio del sistema de control de la instalación.
Abastecimiento a red de suministro urbano: En este caso, como puede observarse en la Figura 8, la reductora abastece directamente el municipio sin que exista ninguna mediación entre ambos. En la actualidad la reductora fija, pues, caudal y presión según la demanda instantánea de los consumidores de agua del municipio.

Figura 8: Disposición de elementos en abastecimiento a red urbana

20

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Los elementos de que consta la instalación con sus símbolos asociados son:  Turbina hidráulica [T]  Válvula reductora [R]  Válvula de mariposa [V]  Electroválvulas  Filtro colador [F]
Abastecimiento a depósito: En este caso tras la reductora se sitúa otra válvula, la válvula de llenado del depósito, encargada de dar paso al agua y llenar el depósito o, en su defecto, no dejar que atraviese caudal alguno por la instalación y, de esta manera, impedir que el depósito se desborde. Es decir, en este caso es la válvula de llenado la que regula el caudal que circula por la instalación. El resto de elementos coinciden con los del abastecimiento a red, enumerados anteriormente al que se añade tan sólo:  Válvula de llenado del depósito

Figura 9: Disposición de elementos en abastecimiento a depósito

El estudio prosigue, a continuación, mediante la breve explicación de cada uno de todos

estos

componentes.

Dicha

explicación

comprende

clasificaciones,

funcionamiento en general y asimismo criterios de selección en el caso de las turbinas.

21

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.1

Turbina hidráulica

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motriz, es decir, una máquina rotativa que absorbe la energía potencial del agua y permite transformarla en energía mecánica para cederla a otro elemento rotativo. Sus principios de funcionamiento están basados, por tanto, en la ecuación de Euler. La turbina se activa y gira gracias a la masa de agua que pasa por su interior. A su vez, la potencia mecánica en el eje de la turbina se puede utilizar directamente para realizar trabajo (como en los molinos de agua) o para producir energía eléctrica, conectando el eje de la turbina, a través de reductores adecuados, a un alternador eléctrico. En el caso de estudio en este proyecto, la turbina alimentará un alternador asíncrono trifásico que generará la energía eléctrica que se persigue producir, con el fin de venderla mediante su evacuación a través de la conexión a la red de distribución más próxima a la ubicación de la instalación. Toda turbina hidráulica consta de: a.

Distribuidor (parte fija), con la función

mecánica de dirigir y regular el caudal que llega al rodete, y la función hidráulica de transformación de la energía potencial del agua en energía cinética. Figura 10: Distribuidor Fink

b.

Rodete (parte móvil), que gira y se pone

en movimiento gracias al agua que sale del distribuidor y con la función de comunicar energía mecánica al eje en el que está montada la turbina.

Figura 11: Rodete de una turbina Francis

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

22

Para determinar el tipo de turbina a emplazar en la instalación de estudio en este proyecto, se debe atender a las siguientes clasificaciones de turbinas. El objetivo final de que la turbina seleccionada satisfaga los requerimientos de la red de aguas, que en la actualidad satisface la válvula reductora, y permita de esta forma una sustitución de la válvula reductora sin que se disminuyan las funcionalidades y operatividad de la misma. 1.1.1.1 1.

Clasificación

Atendiendo al grado de reacción de la máquina, definido como ε T =

H ro det e , H total

relación entre saltos de presión presentes en la turbina. Este grado expresa qué porcentaje de la altura del salto es el que produce la velocidad de entrada del agua en el rodete. Por ejemplo, si el salto valiera 40m y ε fuera de 0,45, la velocidad de entrada del agua en el rodete sería de 40· 0,45 = 18m y la presión del salto restante, 22m, se transformaría en eje interior del rodete. Por consiguiente, en relación a sus características dinámicas, las turbinas se pueden clasificar de la siguiente manera:
Turbinas de acción ( ε T = 0 ) en las que la energía del agua que sale del distribuidor es totalmente cinética (la transformación de energía potencial en cinética se produce al pasar a través de una aguja que provoca un estrechamiento del diámetro del conducto forzado). A lo largo de todo el recorrido a través del rodete, el fluido se encuentra a la presión atmosférica ( H ro det e = 0 ). Las turbinas de acción utilizadas en la práctica son las de Flujo tangencial o turbinas PELTON, aunque no son las únicas.
Turbinas de reacción en las que la energía del agua que sale del distribuidor es en parte cinética y en parte de presión (la transformación de potencial a cinética que se produce en el distribuidor no es completa: el agua sale con una velocidad inferior a la de las turbinas de acción, pero con una presión no nula). Las turbinas de reacción trabajan completamente sumergidas en el agua y tienen en su parte final un difusor, también llamado tubo de aspiración.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

23

De entre las turbinas a reacción existen numerosos tipos que se pueden resumir en dos: - Turbinas de Flujo diagonal o radial


De álabes fijos en el rodete o turbinas FRANCIS y




De álabes orientables en el rodete o turbinas DÉRIAZ

- Turbinas de Flujo axial


De álabes fijos en el rodete o turbinas de Hélice y




De álabes orientables en el rodete o turbinas KAPLAN.

Figura 12: Turbina de reacción –izq.- y de acción –dch.-. Ref.: VATECH HYDRO

Figura 13: Montaje de una turbina Francis (reacción). Ref.: VATECH HYDRO

24

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

La Figura 14 recoge algunos de los tipos de turbinas existentes y comercialmente disponibles en la actualidad:

TURBINA PELTON

TURBINA BANKI-MICHEL

TURBINA FRANCIS

TURBINA KAPLAN

Figura 14: Ref.: "Guide pour le montage de projets de petite hydroeléctricité »

2.

Otra clasificación se debe hacer atendiendo al número específico de revoluciones de la turbina, definido como n s = n ⋅

P , donde P [kW] es la potencia H 5/ 2

generada por la turbina, H [m] es el salto neto en la turbina, y n [rpm] es la velocidad nominal de giro del generador asíncrono conectado al rodete de la turbina por el eje mecánico. Esta clasificación se deriva de las leyes o relaciones de semejanza de las turbinas, que relacionan una turbina con parámetros: salto H, caudal Q, potencia P y revoluciones n, con otra en la que el salto varía y se convierte en H’:

25

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Q' = Q

H' H

n' = n

H' H

P' = P

H '3 H3

La velocidad específica de una turbina corresponde, por tanto, al número de revoluciones al que giraría una turbina dimensionada para P[kW], Q[l/s], H[m] y n[rpm] cuando H = 1m y P = 1kW. La Tabla 2 y la Figura 15 recogen lo rangos típicos y normales de velocidad específica para los distintos tipos de turbina:

Tabla 2: Criterios de selección de turbinas. Ref. :Universidad de Cantabria

Zona de velocidad específica aproximada para las turbinas a instalar en las tuberías del Canal de Isabel II, según valores especificados en páginas posteriores.

Figura 15: Valor máximo del salto Hn en función de la velocidad específica ns (Universidad de Cantabria)

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.1.2

26

Elección general del tipo de turbina

De las clasificaciones anteriores se desprende que las turbinas a implantar para sustituir las válvulas reductoras han de ser de reacción (Francis o Kaplan), ya que el rodete va a estar completamente sumergido, puesto que existe una contrapresión superior a la atmosférica en la aspiración, al encontrarse la turbina en el interior de una tubería. Para poder escoger entre una turbina Francis y otra Kaplan es preciso conocer los parámetros característicos de la misma, que son: salto neto, H[m], caudal circulante que la atraviesa, Q[l/s] y velocidad específica, ns [rpm]. De estos tres parámetros, H y Q, son los datos disponibles en el emplazamiento donde, hoy por hoy, actúa la reductora. Han sido facilitados por el Canal de Isabel II. Grosso modo se puede afirmar que las turbinas
FRANCIS operan para valores medios de salto y caudal y las
KAPLAN lo hacen cuando el salto es pequeño y el caudal es importante. Los dos gráficos siguientes presentan ejemplos de rangos de acción de distintos fabricantes y de los distintos tipos de microturbinas en cuanto a caudales y saltos se refiere, lo que deja patente la diversificación de la oferta disponible y la necesidad de hacer una buena elección para que los costes de inversión de la instalación sean aceptables y para que el aprovechamiento del recurso, agua en este caso, sea óptimo. Por tanto, la elección correcta del tipo de turbina es primordial para que la explotación de la instalación llegue a ser óptima. Se deberá elegir, por consiguiente, la turbina que mejor pueda aprovechar el salto y el caudal de cada emplazamiento en concreto y, por ende, la turbina que mejor se adapte a las variaciones de ambos parámetros. El hecho de amoldarse a dichas variaciones constituye el factor diferencial entre una buena o mala elección y selección de la turbina, entre una buena o mala explotación de la instalación y entre un buen o mal diseño y funcionamiento de la misma.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 16: Rango comercial de los distintos tipos de turbinas. Ref.:”Turbines hydrauliques”

Figura 17: Ábaco de selección del tipo de turbina. (Cortesía de VOEST-ALPINE).

27

28

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

De las dos figuras anteriores se deduce que un rango de acción de un tipo de turbina determinada es el área H-Q para la cual existen fabricantes en el mercado que sirven ese tipo de turbina. De este modo se observan los siguientes rangos: KAPLAN

FRANCIS

PELTON

(Reacción/Axial)

(Reacción/Diagonal)

(Acción)

Salto neto H [m]

2 a 30

2 a 150

20 a 500

Caudal Q [l/s]

500 a 25000

50 a 10000

20 a 2000

Diámetro exterior

1,0 a10,5

0,35 a 7,65

0,36 a 5,2

hasta 2000

hasta 2000

hasta 2000

TIPO DE TURBINA

del rodete [m] Potencia en el eje [kW] Tabla 3: Ref. "Mecánica de fluidos y máquinas" (C. Mataix, modificada)

Se adjunta como anexo (Anexo G) un listado con los principales fabricantes de turbinas, potenciales suministradores de la turbina objeto de estudio en este proyecto. Dentro de la oferta existente facilitada por los diferentes fabricantes, se debe optar por aquellas turbinas que soporten la variación de caudales y saltos actualmente existentes, teniendo en cuenta que la producción horaria de potencia es independiente de una hora a la siguiente, es decir, que no existen costes fijos de arranque y parada de la máquina, dado el tipo de instalación que se llevará a cabo. 1.1.1.3

Parámetros de selección

Las válvulas reductoras que se desea sustituir absorben saltos de hasta 70 mca y caudales de hasta 500 l/s, según los datos recogidos, in situ, por el Canal de Isabel II. Estos datos son los límites superiores de trabajo para las turbinas a instalar pero ello no quiero decir que todas las instalaciones vayan a trabajar con estos valores; lo más

29

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

corriente será que tanto el salto como el caudal sean algo inferiores, aunque puntualmente podrán llegar a superar dichos valores. A la vista de estos rangos y de las gráficas y tablas mostradas en el apartado anterior, las turbinas que deben ser empleadas en el proyecto son tipo Francis. Una turbina Francis típica consta de: un distribuidor, generalmente tipo Fink, un mecanismo de cierre, un rodete de álabes fijos y un tubo de aspiración a su salida. Unos parámetros que se repiten bastante a menudo y en promedio en los datos de válvulas reductoras facilitados por Canal de Isabel II son los siguientes: Q = 300 l/s = 0,3 m3/s H = 40 mca

⇒ P = η ⋅ Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ≈ 100kW

η = 85% Por tanto, con estos parámetros se podrían producir potencias de unos 100 kW: por ello se trata de microturbinas. A este efecto se buscarán fabricantes, de entre los listados en el anexo, que ofrezcan este tipo de turbinas para estos saltos de presión y estos caudales.

30

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 18: Rango de acción de turbinas Francis. El punto rojo refleja el orden de valor de los parámetros de las instalaciones objeto de estudio en este proyecto

Suponiendo, además, que el generador asíncrono tiene tres pares de polos, lo que implica una velocidad de giro en el eje de n = 1000 rpm, se obtiene una velocidad específica para la turbina de valor:

ns = n ⋅

P 100 = 1000 ⋅ ≈ 100rpm , velocidad que corresponde a una turbina 5/ 2 5 H 2 40

tipo Francis lenta o normal, según se observa en la Tabla 2. Nota: La elección de una velocidad nominal del generador ejemplo de 1000 rpm ha sido motivada por ser ésta precisamente la elegida por los fabricantes consultados.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

31

Figura 19: Turbina Francis. Ref.:”Layman Handbook” y “Turbines Hydrauliques”

Figura 20: Ref.: Empresa suministradora: TyEH Saltos del Pirineo S.L.

1.1.1.4

Curvas características de las turbinas

La curva característica más directa de una turbina es aquella que muestra la relación entre el caudal circulante y el salto que absorbe dicha turbina. Esta gráfica suele ser de tipo parabólico, como muestra la siguiente figura:

32

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 21: Curva característica HQ

En una turbina, por tanto, al aumentar el caudal, aumenta el salto y al disminuir el caudal, disminuye el salto. Una turbina debe, además, trabajar en torno a su punto de diseño óptimo, que como se expuso anteriormente es el punto al 80% de su caudal nominal. La Figura 22 muestra un compendio de todas las curvas características de las turbinas. El presente documento analiza en concreto la relación de las tres curvas señaladas en la figura, por ser éstas las que determinan la correcta explotación del recurso y cuya vinculación es indispensable para que la nueva instalación consiga ser rentable tanto técnica como económicamente. Se explicará más adelante y con mayor profundidad, en la sección dedicada a la regulación de velocidad en las turbinas, la relación existente entre estas dos gráficas y la idea de que su buena adaptación a los condicionantes de cada emplazamiento es determinante para optimizar la generación de energía eléctrica.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

33

Figura 22: Curvas características de las turbinas (Universidad de Cantabria, Dep. de Energía eléctrica y energética)

1.1.1.5

Rendimientos en turbinas Francis

El rendimiento de las turbinas Francis en el punto óptimo o punto de diseño, que es el de un 80% del caudal nominal, es aproximadamente del 90%. Este tipo de turbinas permite variaciones entre el 105% y el 40% del caudal nominal y entre un 120% y un 60% del salto neto nominal, lo cual amplía el rango de funcionamiento cuantitativamente pero los hace, claro está, en detrimento del rendimiento para valores de caudal y presión lejanos a los de diseño de la turbina. Es importante delimitar esta primera incursión en la idea del rendimiento de las turbinas. En principio se debe partir del estudio a velocidad constante de giro en el eje de rotación que une rodete con generador eléctrico. Las curvas de rendimiento del grupo turbogenerador Francis alcanzan su máximo, para este supuesto de revoluciones constantes en el eje, entre el 70% y el 80% de su caudal nominal; se fijará para cálculos en el 80% de dicho caudal. Este dato implica que

34

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

el rendimiento es el dato más relevante a la hora de dimensionar una turbina, puesto que para caudales y saltos prefijados e inalterables por la turbina, que se han de respetar, como es el caso para abastecer depósitos y redes urbanas, la optimización de la generación ocurre al diseñar la turbina conforme a su curva de rendimiento. La potencia será la óptima para cada punto de trabajo dentro del rango de funcionamiento de la turbina.

Figura 23: Curva de rendimiento respecto al caudal de una turbina Francis, para un régimen de vueltas (rpm) determinado y constante en la turbina (Layman’s Guidebook)

Por lo tanto, eligiendo correctamente una turbina con un caudal nominal determinado se consigue optimizar la producción de energía para un emplazamiento dado. Por ejemplo, bajo el criterio de caudal más frecuente de llenado de un depósito, si dicho caudal es de 220 l/s, la turbina que debe ser seleccionada es aquella cuyo caudal nominal sea:

Qn =

220 = 275 l s 0,80

De este modo, la turbina generará potencia con un rendimiento óptimo (del 90%) durante la mayor parte del tiempo, puesto que el llenado del depósito se produce casi siempre a 220 l/s.

35

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

La siguiente tabla recoge la variación del rendimiento de esta turbina en concreto a medida que varía el caudal que la atraviesa, dentro de los rangos de rendimiento aceptables:

%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

105%

l/s

110

137,5

165

192,5

220

247,5

275

288,75

%

75

80

85

90

92

90

87

85

Caudal

Rendimiento

Tabla 4: Variación del rendimiento en función del caudal

CAUDAL DE LLENADO MÁS FRECUENTE 0,3

220 l/s

Q [m3/s]

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 01-mar 03-mar 05-mar 07-mar 09-mar 11-mar 13-mar 15-mar 17-mar

Figura 24: Dimensionamiento de la turbina atendiendo al caudal de llenado más frecuente.

Para este caudal de 220 l/s el rendimiento es el máximo y por tanto la producción a lo largo del tiempo se optimiza.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.2

36

Válvula reductora de presión

Es importante entender la función y el funcionamiento de una válvula reductora para poder sustituirla con éxito por una microturbina. Ésta es la razón por la que se pasa a describir con detalle todo lo referente a las válvulas reductoras de presión: Las válvulas reductoras de presión son un tipo particular de válvulas de regulación de presión. Al regular el salto, estos dispositivos permiten, imposibilitan o modulan el paso del fluido en la conducción en que se hallan instalados, según sea la función prioritaria de su instalación. Las válvulas reguladoras pretenden, por tanto, mantener la instalación en unas condiciones de presión, caudal y capacidad predeterminadas. 1.1.2.1

Clasificación

Las válvulas reductoras pueden clasificarse en: a) Válvulas de reducción proporcional, que son aquellas en las que la presión a su salida es una proporción fija de la de su entrada. b) Válvulas reductoras de presión de salida constante, que son las que, independientemente de la presión a su entrada, del caudal circulante y de sus respectivas variaciones, fijan a su salida un valor absoluto de presión constante y lo estabilizan. Es importante señalar también, que, para ambos casos, la relación de presiones aguas arriba/aguas abajo debe estar controlada para evitar la cavitación del émbolo. Una característica poco alentadora de este tipo de válvulas es que son de acción relativamente lenta, lo que supone un problema en el diseño de la instalación que se estudia en este proyecto, ya que implica una respuesta lenta frente a la aparición de transitorios poco deseable para el correcto funcionamiento de la microcentral y para su óptimo aprovechamiento. Atendiendo al tipo de accionamiento, las válvulas reductoras pueden ser: a) Motorizadas y b) De acción hidráulica, y dentro de éstas:

37

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

- De acción directa, si la reducción se produce por la válvula sin ayuda de ningún tipo y debida a fenómenos puramente hidráulicos. - Accionada por muelles y diafragma, si la reducción surge con ayuda de elementos mecánicos. - Accionada por circuito piloto, que es un conjunto de válvulas exterior que controla a la principal.

Las válvulas que se pretende sustituir en este proyecto son válvulas reductoras de presión de salida constante, automáticas y accionadas por circuito piloto, que son algunas de las válvulas frecuentemente instaladas normalmente en las redes de distribución del Canal de Isabel II. El hecho de que sean éstas las válvulas instaladas y no otras se debe a que las demás válvulas no son aptas para los elevados caudales que se tratan durante este estudio.

Figura 25: Válvula Reductora con circuito piloto. Vista exterior del conjunto ( izq.) y sección longitudinal (dch.). Ref.: Empresa suministradora: Válvulas Ross

38

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.2.2

Funcionamiento

Dichas válvulas constan fundamentalmente de una válvula base encargada de todas las funciones de regulación, a través de la cual pasa el flujo de agua, y de un mecanismo de control, hidráulico o eléctrico, según sea el tipo de accionamiento. En el caso que ocupa, el mecanismo es hidráulico y el accionamiento se hace por medio de válvulas piloto, que comunican los diferentes circuitos o zonas de fluido en el interior de la válvula. Estos circuitos son: circuito de “aguas arriba”, circuito de “aguas abajo” y “cámara de válvula” o “válvula principal”. El circuito piloto se encarga de controlar gradualmente la presión aguas abajo. El diseño clásico de la válvula principal consiste en un eje que lleva un disco de asiento entre dos pistones, uno más grande que el otro y que se mueven libremente a lo largo del eje.

Figura 26: Funcionamiento 1. Ref.: Válvulas Ross.

Si la válvula base o principal permite el paso de más agua que el piloto, una presión elevada quedará “aprisionada” encima del pistón, iniciándose el cierre de la válvula. Ésta se abrirá sólo cuando el piloto permita mayor paso de agua que la válvula base, produciéndose una disminución de presión encima del pistón lo que ocasionará la apertura de la válvula. En concreto, las fases que atraviesa la reductora para completar un ciclo en su funcionamiento son:

39

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

El circuito piloto conecta la cámara superior

de

la

válvula

(operating

chamber) con la presión de entrada (inlet)

mediante

una

válvula

de

estrangulamiento y con la presión de salida (outlet) mediante una llave de paso, tal y como muestra la figura. CIERRE: El agua a alta presión se introduce a través de la válvula de estrangulamiento en la cámara superior y al cerrar la llave de paso, la presión sube y el eje del pistón baja, cerrando la válvula. APERTURA: Si al abrir la llave de paso, sale más agua de la cámara superior, atravesando dicha llave, que la

que

entra

por

la

válvula

de

estrangulamiento, la presión sobre el pistón superior se reduce, lo que obliga a éste a elevarse, abriendo la válvula principal. REDUCCIÓN DE PRESIÓN: Si se desea colocar el eje en una posición intermedia entre totalmente abierta y totalmente cerrada, simplemente se debe equilibrar el caudal que entra con Figura 27: Funcionamiento 2. Ref.: Válvulas Ross

el que sale de la cámara superior. Esto genera una presión que pone en equilibrio las fuerzas actuantes sobre el pistón y se consigue la reducción de presión

que

se

perseguía.

40

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

La siguiente ilustración (Figura 28) ilustra el proceso, de izquierda a derecha, desde el momento en que la válvula está cerrada hasta su máxima apertura.

Figura 28: Funcionamiento 3. Ref.: Válvulas Ross

1.1.2.3

Pérdidas en abierto

La válvula reductora completamente abierta supone unas pérdidas tabuladas en el gráfico adjunto. Estas pérdidas son superiores si circula mayor caudal por la instalación pero también crecen según decrece el diámetro de la propia válvula, lo que quiere decir, como cabía esperar, que si, por ejemplo, la tubería tiene un diámetro de 300mm y la válvula posee un diámetro inferior, las pérdidas crecerán no sólo por la propia válvula sino también por el cambio, en este caso reducción, de la sección en la tubería. Dado que la función primitiva de las válvulas era reducir grandes saltos de presión, el hecho es que todas ellas fueron dimensionadas a la baja para acentuar el efecto que perseguían y por tanto, las válvulas instaladas en las redes de abastecimiento generalmente poseen un diámetro algo inferior al de la tubería que regulan.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

41

Figura 29: Pérdidas en abierto para la válvula reductora modelo Ross 40WR basic-slide. Catálogo Válvulas Ross

Por último es preciso resaltar que la colocación de válvulas reductoras en las redes de distribución de agua no se lleva a cabo con la implantación de una única válvula, sino con la conexión de un grupo reductor formado por varias válvulas conectadas

42

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

entre sí, siguiendo diferentes configuraciones con el objetivo de dotar al sistema de la seguridad de que precisa. Las diferentes disposiciones permiten, de esta forma, por ejemplo, realizar el mantenimiento de cada válvula por separado sin que la instalación se vea privada de la reducción necesaria, que en este caso será realizada por las demás válvulas. Durante el estudio que se realizará a lo largo de este proyecto se adoptará la hipótesis de la existencia de una única válvula reductora, puesto que el hecho de que exista un grupo reductor no es determinante en el resultado a efectos de cálculo en el diseño de la instalación. Algunas configuraciones típicas son:

Figura 30: Configuración del grupo reductor. Ref.: Válvulas Ross y Normas para el abastecimiento de agua potable. Canal de Isabel II. 2004

43

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.3 Las

Válvula de mariposa válvulas

de

mariposa

son

elementos

hidromecánicos

destinados

al

seccionamiento de conducciones de fluidos a presión mediante un obturador en forma de disco a lenteja que gira diametralmente gracias a un eje o a muñones solidarios con el obturador. Constan fundamentalmente, por tanto, de un cuerpo, un obturador y un mecanismo de maniobra. Los requisitos de funcionamiento que deben cumplir estas válvulas figuran en la norma UNE-EN 1074-2:2000. Habitualmente su funcionamiento será de apertura o cierre total, de tal forma que las posiciones intermedias corresponden a situaciones provisionales y excepcionales, en cuyo caso el diseño de la tubería debe prever posibles cavitaciones y evitarlas en la medida de lo posible. Este tipo de válvulas siempre produce una pérdida de carga localizada, aún en su posición de máxima apertura. Esta pérdida, como las del resto de los elementos de la instalación, deberá ser tenida en cuenta a la hora de dimensionar la turbina.

Mecanismo de maniobra

Cuerpo

Lenteja - Obturador

Figura 31: Válvula de mariposa

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.4

44

Electroválvulas

Las electroválvulas son válvulas de alta precisión. Manipulan, en corto espacio de tiempo, variaciones de presión grandes, debidas a fallos en el sistema o a solicitaciones de presión bruscas e inesperadas, para que el caudal en la instalación no sufra cambios sustanciales y para que la presión vuelva a valores de consigna más fácil y rápidamente, es decir, aceleran el proceso de estabilización de una instalación. La utilización de electroválvulas en este estudio se justifica para casos en los que la válvula reductora, actuando conjuntamente con la turbina, detecte cambios bruscos de presión y/o caudal, situaciones ante las que el conjunto reductor reacciona lentamente debido a su histéresis propia, que ralentiza su acción, efecto que, según el caso, puede llegar a ser muy perjudicial para la instalación en general, puesto que puede ocasionar procesos de cavitación en distintos elementos o incluso golpes de ariete, positivos y negativos, que perjudicarían a toda la tubería, puesto que se trata de un fenómeno global, no local como es el caso de la cavitación. El golpe de ariete transporta la fuerza del agua a lo largo de la tubería y puede ocasionar graves problemas. Por ello, se utilizarán dos electroválvulas que, a su vez, se colocarán en el circuito piloto de la reductora, una a cada lado, conectada una aguas arriba y la otra aguas abajo, ambas para controlar la apertura y cierre de la válvula reductora en coordinación con la operación de la turbina. Como ejemplo ilustrativo, en el caso de que se produzca un embalamiento en la turbina, debido a una caída o a una falta de conexión con la red eléctrica, sería la reductora la que debería empezar a abrir para derivar caudal por ella hasta que pueda absorber el salto íntegro que hasta ese momento regulaba la turbina y que ésta, a su vez, quede fuera de servicio mediante el cierre de una de sus válvulas para evitar posibles daños estructurales en la máquina. Si la válvula de la turbina cerrara inmediatamente el golpe de presión que recibiría la reductora sería muy grande y, además, con el circuito automático pilotado, tardaría un tiempo “t” muy elevado en adaptarse a la nueva situación y reducir la presión a su valor estipulado. Con la acción de las electroválvulas el tiempo de reacción de la reductora frente a este incremento brusco de presión disminuiría (t* < t) y por ello la

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

45

regulación de presión y de caudal tendría lugar durante un intervalo de tiempo menor. Todo ello junto con la coordinación con el cierre de la válvula de entrada a la turbina, limitaría la magnitud del golpe de ariete anteriormente mencionado. Las electroválvulas son dispositivos electrónicos, accionados por señales eléctricas, que en ese caso recibirán del control monitorizado de la instalación (ver “Control de la Instalación”). La respuesta de las electroválvulas accionará el mecanismo de la reductora, mediante las instrucciones adecuadas, para acelerar o decelerar su apertura o cierre en cada caso.

Colocación de dos electroválvulas en el circuito piloto de la reductora para optimizar su reacción en el tiempo

Figura 32: Colocación de las Electroválvulas en el circuito piloto de la reductora. Ref.: Válvulas Ross

46

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.1.5 1.1.5.1

Válvula de llenado de depósito Clasificación y funcionamiento

Para controlar el llenado de los depósitos se utilizan, fundamentalmente, dos tipos de válvulas: 1. De acción directa o de flotador, que son válvulas que regulan el llenado de los depósitos estrangulando el paso del agua según el nivel del depósito se va acercando al máximo. El mecanismo de estrangulamiento suele estar accionado por un brazo en cuyo extremo se coloca un flotador. El cierre de la válvula es progresivo según sube el nivel del agua en el depósito, quedándose la posición de la misma estabilizada cuando se aporta el caudal de consumo necesario en cada instante. Cuando los consumos son elevados con respecto al aporte de la tubería de aducción la válvula abre completamente y de esta forma el depósito permanece lleno siempre y el caudal por la aducción no es nulo excepto cuando no existe consumo aguas debajo de la tubería.

Figura 33: Válvula de flotador. Ref.: Válvulas Ross

2. De cierre diferido o de altura, que son válvulas de pistón, cuyo cierre y apertura se controla con los niveles del depósito máximo y mínimo, respectivamente. Las maniobras se inician cuando la válvula detecta la condición de cierre (resp. de apertura), y el pistón realiza la carrera completa, es decir, abre (resp. cierra) del todo, sin quedarse en posiciones intermedias. Éste tipo de válvulas requiere una presión mínima de servicio de 0,5 bar para su funcionamiento.

47

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 34: Válvula de altura. Ref.: Válvulas Ross

La ventaja que presenta el tener una válvula de cierre diferido reside en que cuando circulan caudales intermedios se tiene disponible la máxima sección de paso, mientras que la válvula de acción directa estrangularía el flujo, con la consiguiente pérdida de carga adicional que ello supone y, por tanto, se desaprovecharía una mayor cantidad de energía. Por lo tanto, se debe resaltar como conclusión que, en el caso de instalar un sistema de aprovechamiento energético del salto hidráulico que se produce en una válvula reductora que alimenta a un depósito, la válvula de llenado de dicho depósito debe ser del tipo de cierre diferido, para lograr un óptimo aprovechamiento energético. Esta conclusión servirá para la realización de futuras instalaciones, puesto que en las actuales que no posean válvula de llenado de depósito de altura, y por no incurrir en gastos adicionales de sustitución de válvulas, la pérdida de energía debida a la válvula de llenado, de tipo flotador, es ya irrecuperable y deberá tenerse en cuenta para llevar a cabo el correcto diseño de la instalación.

48

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.2

Instalación eléctrica La instalación eléctrica se escapa del ámbito de estudio de este proyecto pero es

conveniente obtener ciertas informaciones sobre sus elementos para llevar a cabo el estudio de viabilidad económica con mayor precisión y para fijar las bases pertinentes que la instalación debe respetar en referencia a los condicionantes administrativos que pueda requerir la empresa distribuidora de energía eléctrica. Existen dos posibles configuraciones atendiendo al uso que se haga de la explotación:
Autoabastecimiento: Caso desestimado porque su rentabilidad a corto plazo sería baja y la inversión inicial muy alta, fundamentalmente porque el generador idóneo es, para este caso, síncrono y por tanto más caro.
Venta de la producción a la empresa distribuidora más cercana: Caso sobre el que se centra el proyecto y sobre el que se han realizado todos los cálculos técnicos y económicos y todas las gestiones administrativo - legales. La instalación eléctrica consta de los siguientes elementos, conectados aguas abajo del generador:

Figura 35: Disposición de elementos eléctricos para ambos abastecimientos. Ref. : “Guide pour le montage de projets de petite hydroélectricité »

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

 Generador asíncrono  Batería de condensadores  Centro de transformación: Transformador BT / MT

49

50

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.2.1

Generador asíncrono

Un generador asíncrono es una máquina rotativa con capacidad de arranque, cuyo estator está alimentado por la red trifásica. Con esta tensión se induce en el rotor un campo que lo hace girar y permite su arranque. El generador asíncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red eléctrica, de la que toma la energía necesaria para producir su magnetización. Se ha optado por colocar un generador asíncrono, porque los generadores síncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a 2.000 kW conectados a la red, o en centrales de pequeña potencia que funcionan en isla, que no es el caso de estudio en este proyecto. El generador está conectado mecánicamente, mediante un eje, a la turbina de la que recibe potencia mecánica y la transforma en eléctrica.

Figura 36: Transformación de energías

51

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Para centrales microhidráulicas, los fabricantes de turbinas ya venden en bloque el grupo turbogenerador, de tal forma que se abaratan los costes.

Figura 37: Grupo Turbogenerador

52

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.2.2

Batería de Condensadores

Las baterías de condensadores son equipos que, por su naturaleza capacitiva, permiten reducir considerablemente la demanda de energía reactiva de la red. Facilitan la estabilización y la calidad del suministro, optimizando el dimensionamiento y el rendimiento de la instalación y, por ende, eliminando los costos superfluos. Se colocan en paralelo a la salida del transformador antes de la conexión con la empresa distribuidora. La corrección del factor de potencia es una necesidad común a todas las actividades que utilizan energía eléctrica. De hecho, cada usuario requiere a red no sólo la energía activa para realizar su actividad sino también cierta cantidad de energía reactiva (dependiendo del tipo de equipo presente en la instalación), la cual, aún sin ser productiva, es facturada por la entidad suministradora bajo forma de penalización si supera los valores contractuales.

Figura 38: Batería de condensadores

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

1.2.3

53

Centro de Transformación

Un centro de transformación consta principalmente de los siguientes componentes: transformador, elevador en este caso, celdas y cuadros eléctricos y líneas de interconexión

Figura 39: Centro de Transformación. Transformador elevador BT / MT

1.2.3.1

Transformadores

Son máquinas destinadas a convertir una tensión de entrada en otra distinta a la salida. El objeto del transformador es elevar la tensión de generación eléctrica para poder conectar la instalación generadora en baja tensión a la distribuidora en media tensión. 1.2.3.2

Celdas y cuadros eléctricos

Suelen instalarse generalmente en el interior de la microcentral y están constituidos por diversos componentes eléctricos de regulación, control, protección y medida. 1.2.3.3

Línea eléctrica de interconexión

La línea eléctrica transporta la energía eléctrica desde la microcentral hasta el punto de conexión con la compañía eléctrica. Nota: La compra de todos estos componentes corre a cargo de la empresa generadora aunque sea la empresa distribuidora la que, en última instancia, controle y haga uso de estas instalaciones eléctricas.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

2

54

Diseño de la instalación En este segundo apartado dentro del estudio técnico del problema se expone el

diseño de la instalación que se realizará a partir del cálculo de pérdidas de carga en la misma, previo a la implantación de la turbina y con objeto de elegirla correctamente. Se desarrollará una metodología para seleccionar la turbina apropiada para cada emplazamiento. Los principales objetivos en este desarrollo son:
Realizar el cálculo de pérdidas en la tubería desde la entrada a la instalación hasta la salida a red o a depósito, según sea el caso.
Obtener la curva parabólica de pérdidas en función del caudal.
Determinar las pérdidas locales entre los valores de caudal máximo y de caudal mínimo circulante por la instalación.
Seleccionar la turbina más apropiada. Modo de selección: -

Determinar el caudal nominal de la turbina conforme a los datos de caudal de cada abastecimiento para optimizar el rendimiento de la turbina.

-

Determinar el salto neto que se absorberá en la turbina, una vez restadas las pérdidas ya calculadas.

2.1

Elegir una turbina apropiada para aprovechar al máximo dicho salto.

Definición del problema Como lo que se pretende es seleccionar y dimensionar la turbina más apropiada, el

estudio de pérdidas se hará para el caso en que todo el caudal atraviese la rama de la turbina, porque en tal caso se producirá en ella el salto más significativo de presión. Se trata de estudiar el caso más favorable para aprovechar los recursos y generar toda la energía posible. Por tanto y como la disposición es en paralelo, se supone la rama reductora cerrada y la de la turbina abierta. 2.1.1

Estudio concreto del abastecimiento a un depósito sito en Aranjuez

En el caso de una turbina destinada al llenado de un depósito el caudal de máximo de la turbina debe ser igual o superior al caudal máximo de consumo del depósito, de

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

55

tal manera que cuando abra totalmente la válvula de llenado, el punto de equilibrio al que llegue la instalación, fruto de la interacción de la turbina más las pérdidas de carga de la instalación, corresponda al deseado. Como los depósitos reguladores de abastecimiento de agua potable son infraestructuras que se dimensionan con previsiones de desarrollo urbanístico de medio y largo plazo, normalmente los caudales de llenado suelen ser muy superiores a los caudales de consumo, es decir, suelen estar sobredimensionados. Esto se traduce en que los tiempos de llenado son cortos con relación al ciclo diario continuo de consumo. Este sobredimensionamiento, dato particular para cada depósito, debe ser respetado por el diseño de la turbina que se vaya a instalar, permitiendo que los ciclos de llenado sean semejantes a los que se tienen previamente a la instalación de la turbina. La restricción que se impone a la turbina es que suministre el caudal máximo que se le requiere para las condiciones de instalación dadas y las presiones de la red y por lo tanto hay que tener en cuenta la presión de aducción con sus oscilaciones a lo largo del tiempo y las pérdidas de carga aguas abajo de la turbina. Para llevar a cabo el cálculo de pérdidas en la tubería en esas condiciones y obtener la curva de pérdidas de la misma se definen, a continuación, los elementos a tener en cuenta: o

Seis válvulas de mariposa, colocadas antes y después de cada elemento susceptible de mantenimiento, esto es; válvula de llenado, filtro y turbina

o

Un filtro a la entrada de la instalación, antes de la bifurcación en paralelo de reductora y turbina para evitar la penetración de cuerpos extraños, que en caso de que existan supondrán la inhabilitación momentánea de la instalación hasta ser extraídos. Se podrá usar el filtro que protege a la reductora en la instalación actual, para lo que habría que desmontarla y sacar el filtro.

o

Tres codos de 90º para la colocación de la turbina en paralelo con la reductora

o

Una válvula de llenado de tipo cierre diferido, es decir, de altura, colocada a la entrada del depósito

o

Un codo de 90º tras la válvula de llenado

o

Una salida abrupta a depósito

56

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

La configuración que se obtiene es:

Figura 40: Diseño de la instalación

Todos los elementos se encuentran abiertos al máximo, lo que implica que del cálculo de pérdidas se obtiene la curva de pérdidas secundarias mínimas de la instalación. Si algún elemento comenzara a cerrarse, las pérdidas empezarían a elevarse. Se obvia la turbina para llevar a cabo el cálculo de pérdidas en la instalación y para con él poder deducir el salto que podrá aprovechar la turbina y así dimensionarla correctamente. El salto neto que podrá aprovechar la turbina será la resta del salto total, o presión a la entrada de la reductora (Haducción), menos las pérdidas obtenidas de este estudio. 2.1.1.1

Hipótesis

Se consideran las siguientes hipótesis para delimitar el estudio y poder llegar a una primera aproximación: o

Las pérdidas primarias se desprecian frente a las locales, puesto que la longitud de la tubería en la zona de estudio es pequeña.

o

El diámetro interior de la tubería se considera constante y por tanto se verifica que el caudal varía únicamente con el tiempo. Por ello:

57

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Q = A1 ⋅ v1 = A2 ⋅ v 2 = A ⋅ v =

v=

[ s]

π ⋅ Di2 m 3 4

[ ]

4⋅Q m Q = A π ⋅ Di2 s

(I)

(II)

donde: -

Q [m3/s] es el caudal

-

A [m2] es el área interior de la tubería

-

v [m/s] es la velocidad del fluido que atraviesa la tubería

-

Di [m] es el diámetro interior de la tubería: Di = 300mm, valor constante.

Es importante señalar que las dos ramas en paralelo deben tener el mismo diámetro interior y que éste debe ser igual al diámetro de la tubería antes de la bifurcación, para que de este modo pudiera circular todo el caudal por cada una de las dos ramas por separado. Los distintos elementos se suponen con los siguientes datos y coeficientes: o

Válvulas de Mariposa: Las seis iguales con coeficiente de pérdidas k = 0,24 para el caso de máxima apertura en que el ángulo de la lenteja respecto a la horizontal (o vertical, según el giro de apertura) es de α = 5º.

o

Filtro: Equivalente a una válvula de pie con pichanca abierta cuyo coeficiente de pérdidas para el diámetro de 300mm tiene un valor de k = 3,5.

o

Cuatro Codos de 90º con coeficiente de pérdidas k = 1,15.

o

Válvula de Llenado: Modelo Ross 40 AWR-Slide.

o

Salida abrupta a depósito con coeficiente k =1.

Nota: Datos recogidos en el libro “Hidráulica General”, Ed. Sotelo. 2.1.1.2

Cálculos

Una vez definidas todos los valores y las hipótesis anteriores se puede proceder al cálculo de pérdidas locales en la tubería: o

En primer lugar y aplicando las hipótesis, se tiene que para esta tubería en particular:

58

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

∆Η pérdidas = ∆Η pérdidasprimarias + ∆Η pérdidas sec undarias = ∆Η pérdidas sec undarias

o

(III)

Las pérdidas secundarias tienen lugar en los elementos ajenos a la tubería y el salto de presión que se pierde en ellos satisface la siguiente expresión:

∆Η pérdidas sec undarias

v2 = ∑ ki ⋅ 2⋅ g i

(IV)

donde ki son los coeficientes de pérdidas de cada elemento. Para el caso de estudio:

∆Η ps

v2 v2 = ki ⋅ = (6 ⋅ k mariposa + k filtro + 4 ⋅ k codo90 º + k salida ) ⋅ 2⋅ g 2⋅ g

(V)

Introduciendo la expresión (II) en (V) y los valores de los coeficientes y de las constantes se obtiene: 2

∆Η ps = (6 ⋅ k mariposa + k filtro + 4 ⋅ k codo90º

∆Η ps

   4⋅Q =  ∑ k i  ⋅  2  i   π ⋅ Di

v2  1   4⋅Q   ⋅ + k salida ) ⋅ =  ∑ k i  ⋅  2  2 ⋅ g  i   π ⋅ Di  2 ⋅ g

2

 1 16 ⋅ Q 2 1  ⋅ = (6 ⋅ 0,24 + 3,5 + 4 ⋅ 1,15 + 1) 2 ⋅ = 107,517 ⋅ Q 2 4 2 ⋅ g 2 ⋅ 9 , 81 π ⋅ 0 , 3 

∆Η ps = 107,517 ⋅ Q 2 [m] Por lo tanto, las pérdidas debidas a las válvulas de mariposa, a los codos y a la salida a depósito quedan reflejadas en la siguiente gráfica:

59

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

PÉRDIDAS LOCALES DEBIDAS A ELEMENTOS 35 30

Hm[m]

25 20 15 10 5 0 0

100

200

300 Q[l/s]

400

500

600

Figura 41: Curva de pérdidas en la instalación con todos los elementos abiertos

En la instalación existente, tanto en el caso de la reductora como en el de la de llenado, se escogieron e instalaron válvulas de diámetro interior inferior al diámetro de la tubería, puesto que su función primitiva era la de generar un descenso importante de presión entre su entrada y su salida, hecho que se ve favorecido por la disminución del diámetro, ya que introduce nuevas y mayores pérdidas. Por tanto, se debe considerar el diámetro interior de la reductora y de la de llenado inferior a los 300mm de la tubería. En consecuencia se toma Di,válvulas = 254mm = 10”.

o

La válvula de llenado del depósito completamente abierta supone unas pérdidas tabuladas en el siguiente gráfico:

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

60

Figura 42: Pérdidas en la válvula de llenado del depósito. Catálogo Válvulas Ross, modelo Ross 40AWR-slide.

Para obtener las pérdidas totales en la instalación con todos sus elementos abiertos tan sólo resta añadir a las pérdidas de la instalación las ocasionadas por la válvula de llenado. Para un diámetro de 254mm y con un caudal de 300l/s se obtienen unas pérdidas de unos 12 m, como puede comprobarse en la gráfica de pérdidas de la válvula de llenado al realizar los cambios de unidades pertinentes.

61

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

En consecuencia, se debe sumar a la gráfica de pérdidas en la instalación, las pérdidas que genera la válvula de llenado para cada caudal. Realizando el cambio de unidades adecuado se observa que las pérdidas en la válvula de llenado coinciden con las calculadas para el resto de la instalación y por ello se puede afirmar que las pérdidas totales locales son, en buena aproximación, las que se representan en la siguiente gráfica: PÉRDIDAS LOCALES EN LA INSTALACIÓN 70 Pérdidas sin V. llenado 60 Pérdidas TOTALES

H [m]

50 40 30 20 10 0 0

100

200

300 Q [l/s]

400

500

600

Figura 43: En rojo, pérdidas locales totales en la instalación.

Una vez conocidas las pérdidas, ya se puede obtener el valor del salto neto que deberá aprovechar la turbina para generar energía. Dicho salto será la diferencia entre la presión a la entrada de la reductora, casi constante, y cuyo salto absorbe la reductora en la actualidad, es decir, Haducción, y el valor de pérdidas en la instalación para cada caudal.

∆H netoenturbina = H aducción − ∆H pérdidastotales Para el caso del depósito de Aranjuez, en que el salto disponible a la entrada de la reductora es de 70 m, el salto neto aprovechable en la turbina decrece conforme aumenta el caudal que por ella circula.

62

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

De esta forma:

SALTO NETO EN TURBINA 80 70 SALTO DISPONIBLE

65

60

H [m]

50 SALTO NETO

47

40 30 20

125

10

320

0 0

100

200

300 Q [l/s]

400

500

600

Figura 44: Salto neto aprovechable por la turbina para cada caudal.

De la gráfica anterior puede deducirse directamente que, para caudales entre 125 y 320 l/s, el salto que aprovechará la turbina comprende valores entre 65 y 47 m respectivamente. 2.1.1.3

Elección de la turbina

Como ya se explicó en la sección de Topología de la instalación, en el apartado de turbinas hidráulicas, el tipo de turbina que se debe instalar en paralelo con la reductora tiene que ser tipo Francis. Dentro de este sector y para proceder a la elección de una turbina Francis idónea para cada emplazamiento se deben estudiar los rangos de caudales típicos a lo largo del tiempo. Para ello se tienen que observar los datos facilitados por el Canal de Isabel II. En el abastecimiento del depósito en Aranjuez, los caudales de llenado se encuentran, típicamente, en el rango Q = [125 ; 320]l/s.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

63

Este hecho se debe, principalmente, a dos causas: o

Con caudales inferiores al rango anterior, la velocidad específica se escaparía por defecto del rango comercialmente disponible para turbinas Francis, es decir, sería inferior al menor valor de velocidad específica para una turbina Francis lenta, que es, como se explicó en Topología, ns = 50 rpm.

o

Los caudales superiores a 320 l/s, que son los menos en el caso de este abastecimiento, se desestiman; constituyen un 5% de los valores medidos. Además, los rendimientos para estos valores son relativamente bajos y en definitiva, estos valores dificultan los cálculos y enmascaran la realidad de los datos; se considerarán Out-Liers.

Nota: Se tomará también este rango para realizar todos los cálculos de rentabilidad y viabilidad económica. En el abastecimiento al depósito de Aranjuez, el caudal típico se obtiene del estudio estadístico de los datos facilitados por el Canal.

Figura 45: Número de horas en los que circula por la reductora un determinado caudal.

64

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

2.1.1.4

Criterios de dimensionamiento de la turbina

Según el criterio de selección por el que se opte, la generación de energía será más o menos cuantiosa, es decir, según el caudal nominal que se asigne a la turbina tras un estudio exhaustivo de los datos del Canal, se conseguirá producir más o menos energía. Por tanto, el estudio estadístico de los datos arrojará el resultado óptimo para dimensionar correctamente la turbina de tal forma que se optimice la generación de potencia. Los datos facilitados por el Canal de Isabel II son los caudales que atravesaron la reductora entre el 1 de enero de 2000 y el 15 de diciembre de 2005. El caudalímetro registró el valor del caudal cada hora, por lo que se dispone de:

N º Caudales = 6años ⋅ 8760

hr = 52560registros año

Como ejemplo, se estudiarán las generaciones de dos turbinas, basadas en el caudal “Moda” durante 6 años y en el caudal “Promedio” durante los mismos 6 años, respectivamente.

a. Turbina “Moda” Su caudal nominal será:

Qn =

QMODA 80%

QMODA representa el caudal de llenado que más se repite a lo largo de los 6 años. Este caudal es de 250 l/s lo que implica que para dimensionar bien la turbina el rendimiento ha de ser el máximo para el 80% del caudal nominal:

Qn =

250 = 312,5 ≈ 300 l s 0,80

Qn = 312 l/s y de la Figura 25: Hn = 49 m ηn = 75%

65

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

La potencia que generaría esta turbina, trabajando en condiciones nominales es:

Pn = η n ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Qn ⋅ H n = 0,75 ⋅ 1 ⋅ 9,8 ⋅ 0,312 ⋅ 49 = 112,36kW La velocidad específica de la turbina es:

ns = n ⋅

Pn Hn

5/ 2

= 1000 ⋅

112,36 = 81,76rpm ⇒ Lenta 49 5 / 2

La turbina en por tanto: TURBINA “MODA” FRANCIS LENTA CON QN = 312 l/s Y HN = 49 m

b. Turbina “Promedio” Su caudal nominal será:

Qn =

QPROMEDIO 80%

QPROMEDIO representa el caudal de llenado que más se repite a lo largo de los 6 años. Este caudal es aproximadamente de 220 l/s lo que implica que para dimensionar bien la turbina el rendimiento ha de ser el máximo para el 80% del caudal nominal:

Qn =

220 = 275 l s 0,80

Qn = 275 l/s y de la figura 25:

Hn = 53 m ηn = 75%

La potencia que generaría esta turbina, trabajando en condiciones nominales es:

Pn = η n ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Qn ⋅ H n = 0,75 ⋅ 1 ⋅ 9,8 ⋅ 0,275 ⋅ 53 = 107,12kW La velocidad específica de la turbina es:

66

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

ns = n ⋅

Pn Hn

5/ 2

= 1000 ⋅

107,12 = 72,37 rpm ⇒ Lenta 535 / 2

La turbina en por tanto: TURBINA “PROMEDIO” FRANCIS LENTA CON QN = 275 l/s Y HN = 53 m

Nota: Los rendimientos para los dos casos anteriores responden a la siguiente gráfica:

RENDIMIENTOS 90%

Turbina MODA

Rend (%)

85% 80% 75% 70%

Turbina PROMEDIO

65% 60% 75

125

175

225 Q (l/s)

275

325

375

Figura 46: Rendimientos para las turbinas Moda y Promedio con caudales comprendidos entre el 40% y el 100% del caudal nominal

Estas dos turbinas representan dos posibilidades apropiadas para aprovechar al máximo los condicionantes del abastecimiento a depósito en Aranjuez. Del estudio económico de la generación y los ingresos producidos por cada una de ellas podrá concluir cuál de las dos es la más adecuada y, por ende, la más rentable en términos económicos.

67

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Comparativa de Turbinas Turbina Promedio

700

Turbina Moda

600

P [MW]

500 400 300 200 100 0 2000

2001

2002

2003

2004

2005

Figura 47: Comparación de la generación de energía con cada una de las dos turbinas propuestas

2.1.2

Notas sobre el diseño de la instalación en un abastecimiento a Red de suministro urbano

Las variantes principales que presenta el cálculo del diseño más apropiado para un abastecimiento a red frente al abastecimiento a depósito son: o Las pérdidas en la instalación serán las mismas que en el caso anterior pero sin las pérdidas debidas a la válvula de llenado del depósito. o Por este motivo cabe esperar que del cálculo de la instalación se desprenda que las turbinas a instalar en este caso sean más grandes que las que deberían colocarse para abastecer un depósito. o Por lo demás, los cálculos se deben realizar como los expuestos previamente, estudiando de forma estadística los datos del caudal y del salto para un abastecimiento a red y, con este estudio, poder concluir qué turbina sería, a priori, sin regulación de velocidad alguna, la más apropiada para ser colocada en esta nueva ubicación. o Las frecuentes y considerables variaciones tanto del caudal como del salto en este caso hacen necesario el estudio en profundidad de la regulación de velocidad en el grupo turbogenerador para poder ampliar el rango de

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

68

producción de la turbina. Este hecho quedará explicado en el apartado de regulación de la velocidad de la turbina.

69

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

3

Estudio del sistema de control de la instalación En general se distinguirán los dos tipos de abastecimiento, a red y a depósito, y por

tanto, su control tendrá algunas diferencias pero a continuación se recoge el control del caso de abastecimiento a depósito de forma detallada. En el apartado de regulación de velocidad se mostrarán las principales diferencias entre los dos tipos de abastecimiento y sus controles y se propondrá una ampliación del control que aquí se desarrolla para poder cubrir todas las exigencias que plantea el abastecimiento a red y que, por supuesto, no supone el abastecimiento a depósito. 3.1

Topología de la instalación Los condicionantes de la red de aducción, así como las características del servicio de

llenado, establecen condiciones de contorno para las presiones y caudales en los distintos puntos de la instalación, que son las que determinan el control de la misma. La disposición de los elementos de la instalación que se desea controlar se refleja en el siguiente esquema:

Figura 48: Control de la instalación

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

o

70

V1 y V2 son las válvulas de aislamiento de la turbina. Su función principal radica en aislar la turbina para proceder a su posible reparación y a su mantenimiento y por lo tanto permanecerán siempre abiertas durante el funcionamiento de la turbina.

o

LL es la válvula de llenado del depósito. Su misión es abastecer de agua el depósito según sus niveles. Esta válvula actúa autónomamente; al percibir un nivel alto de agua en el depósito cierra y al percibir un nivel bajo abre. Su sistema de funcionamiento puede ser mecánico, o mecánico-hidráulico, con histéresis o sin ella, dependiendo del tipo de válvula.

o

R es la válvula reductora de presión. Este elemento ya está implantado en la red y su presión manométrica constituye, en sí, la base de estudio en este proyecto. Su funcionamiento es automático por control hidráulico, como ya quedó explicado con anterioridad.

o

F es el filtro de la instalación. Su función es evitar que elementos sólidos, que puedan dañar los diferentes equipos, puedan llegar a la turbina o a la reductora. La aparición de este tipo de elementos en las tuberías es relativamente frecuente por lo que la colocación de un filtro es fundamental.

3.2

Definición de variables Se tienen en cuenta las siguientes variables analógicas de entrada, cuyos valores

determinarán el sistema de control de la instalación: o

h1 [m.c.a] es la presión de entrada en la turbina.

o

h2 [m.c.a] es la presión de salida de la turbina.

o

Q [m3/s] es el caudal que atraviesa la instalación.

Las señales analógicas de presiones se recogen en campo mediante transductores de presión, que habrá que instalar, y el caudal de la instalación mediante un caudalímetro, a instalar igualmente. El primer objetivo al diseñar la instalación es que la explotación de la turbina se realice para obtener la máxima producción, es decir, que siempre que sea posible, la turbina debe funcionar con caudales y saltos óptimos para conseguir la máxima

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

71

producción de energía hidráulica, que posteriormente se convertirá en energía eléctrica. Es igualmente importante reseñar que tanto el caudal como las presiones en la instalación están determinados previamente y son independientes puesto que los marca el propio consumo de abastecimiento: son los necesarios para satisfacer el ciclo de llenado y vaciado del depósito. Es por ello que constituyen las variables analógicas de entrada, como se expuso anteriormente, y por tanto, no pueden ser manipulados directamente. Será la turbina la que se adaptará a ellos para optimizar su producción al máximo. Tanto la conexión de la turbina con la red eléctrica, como el resto del control de la instalación, se realizarán con órdenes destinadas a tales efectos mediante un autómata programable. 3.3

Estudio concreto en un depósito A modo de ejemplo se estudiará el caso de un depósito en Aranjuez: En este caso la presión a la entrada de la reductora se considera casi constante e

igual a 70mca (dato facilitado por Válvulas Ross, empresa instaladora de la reductora). La pequeña variación del salto permite elegir un tipo determinado de turbinas, como se explica en el apartado de selección de las mismas. El caudal, cuyos valores son conocidos y facilitados por un caudalímetro del Canal de Isabel II, varía en el tiempo. Dado que durante las horas del día el depósito se vacía, el caudalímetro situado a su entrada observa caudal pseudo constante y distinto de cero porque la válvula de llenado nota que el nivel del depósito baja y se abre dejando pasar caudal. Durante las horas de la noche el depósito, ya lleno, no necesita más aporte de caudal y por tanto no circula caudal alguno por la instalación. Por todo ello y como regla general, en un día se observa la siguiente variación de caudal en la tubería:

72

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

ABASTECIMIENTO DEL DEPÓSITO 0,25

Q [m3/s]

0,2

2

0,15

1

0,1

3 4

0,05 0 19:12

0:00

4:48

9:36

14:24

19:12

0:00

4:48

9:36

Figura 49: Variación diaria del caudal que abastece al depósito de Aranjuez

En esta figura se observa que el caudal diario que abastece el depósito atraviesa cuatro fases o períodos distintos a lo largo del día: 1. Proceso de apertura y estabilización de la válvula de llenado del depósito. 2. Proceso de llenado del depósito a caudal pseudo constante. 3. Proceso de cerrado y estabilización de la válvula de llenado del depósito. 4. Período en que la válvula de llenado permanece cerrada (Q = 0 l/s). Se estudiará cada intervalo del período para delimitar el funcionamiento del control de la instalación en cada caso. A la vista del consumo de caudal anterior y para comenzar a desarrollar el control de la instalación se plantean las siguientes hipótesis con el fin de acotar la solución dentro de unos límites factibles para el buen funcionamiento de la turbina y del resto de los elementos: El rango de acción para la turbina viene determinado por las especificaciones de la misma, proporcionadas por el fabricante. De esta forma se acotan los límites de funcionamiento de la turbina, tanto en caudal como en altura.

73

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 50: Curva HQ de una turbina

La válvula de llenado del depósito es la que determina la presión a la salida de la reductora y/o de la turbina. Esta presión, h2 [m], es el punto de partida para el análisis del comportamiento de los elementos de la instalación, ya que es ella la que fija el consumo de caudal que atravesará la instalación en cada momento. El caudal que circula por la instalación atiende a la siguiente ley dado que abastece a un depósito:

Q = A ρ ⋅ g ⋅ h2 3.3.1 3.3.1.1

Estudio de los diferentes procesos Proceso de apertura y estabilización de la válvula de llenado del depósito

Se produce cuando la válvula de llenado del depósito comienza a abrirse y hasta que el caudal circulante alcanza el valor de régimen. Cuando dicho caudal sobrepase el valor mínimo para que la turbina comience a generar energía, ésta se pondrá en funcionamiento. En la gráfica de consumo, este proceso corresponde a la línea ascendente marcada con el número 1. Las condiciones iniciales antes del comienzo de este proceso son: o

Caudal nulo atravesando la instalación.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

o

Válvula de llenado cerrada por completo.

o

Válvula reductora abierta por completo.

o

Válvulas de aislamiento de la turbina abiertas por completo.

o

Turbina parada (al no circular por ella caudal alguno).

74

Durante este primer período la instalación sufre las siguientes modificaciones: o

En primer lugar y al detectar un nivel en el depósito inferior al estipulado por defecto se abre la válvula de llenado del mismo. Como consecuencia cae la presión h2, que salvo pérdidas tenderá al valor atmosférico.

o

A continuación comienza a atravesar la instalación un caudal que se bifurcará por las dos ramas en proporción inversa a las pérdidas por cada una de ellas.

o

En este caso y debido a que la válvula reductora se encuentra inicialmente abierta, ésta comenzará a regular el salto de presión.

o

A su vez la turbina empieza a moverse porque comienza a existir un caudal que la atraviesa. En el momento en que el caudal alcance el valor necesario para que la turbina comience a generar energía se conectará eléctricamente a la red y la reductora dejará de regular el salto, puesto que se ordenará su cierre al completo.

Las órdenes que el autómata debe mandar al control de la instalación en este caso y por este orden son: o

Abrir la válvula de llenado, al detectar un nivel deficiente en el depósito. Este control normalmente se hace porque así se diseñan las válvulas de llenado.

o

Regular presión en la reductora con el control de las electroválvulas.

o

Conexión de la turbina a red en el momento en que el caudal alcance el mínimo necesario para que se genere energía.

o

Cerrar por completo la reductora.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

75

En el caso excepcional de que el caudal no alcanzara el mínimo para que la turbina comenzara su producción de energía - a consecuencia, por ejemplo, de una apertura insuficiente de la válvula de llenado debido a un fallo en su sistema -, por la instalación circularía un pequeño caudal que podría mover la turbina pero ésta no se conectaría a la red para evitar su posible funcionamiento como bomba y su consiguiente consumo de energía de la red. En esta situación sería la reductora la que controlaría el salto en todo momento. Es importante señalar que el proceso de apertura ocasiona un transitorio de depresión en la tubería que será compensado con la instalación de electroválvulas que controlarán el funcionamiento de la reductora como se explicará posteriormente. Proceso de llenado del depósito a caudal pseudo constante

3.3.1.2

En este caso la válvula de llenado del depósito se encuentra ya abierta, dejando pasar el caudal que abastece y llena el depósito. Este caudal será el nominal de la turbina, ya que al cerrar la válvula reductora al máximo, como es el caso, siempre se tiene aproximadamente el mismo caudal y la turbina fue escogida, como se muestra en el apartado de elección de la misma, para que dicho caudal fuera su caudal nominal, con el objeto de optimizar su producción. 3.3.1.2.1

Tratado de situaciones problemáticas

En esta situación, la de llenado del depósito a caudal pseudo constante, cabe definir el modo de actuación frente a cualquier tipo de imprevisto y consecuentemente el control de la instalación, en caso de detectar algún tipo de contingencia en la turbina, como puede ser una falta de evacuación de energía, una obstrucción, etc., ésta debe, por este orden: o

Desconectarse de la red para evitar embalamientos y/o intensidades de corriente muy elevadas en el caso de tener una obstrucción. Esta acción sirve también para evitar un arranque incontrolado si se trata de una falta de red.

o

Como la presión h1 aumenta mucho de golpe al desconectar la turbina de red, el control tiene que actuar sobre las electroválvulas de la válvula reductora para abrirla y controlar esta subida al tiempo que contiene h2 por medio de pérdidas adicionales.

76

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

o

Simultáneamente se debe aislar la turbina cerrando la válvula de entrada a la misma, que estará motorizada para automatizar este proceso. Por tanto, no es preciso que la válvula de salida de la turbina esté también motorizada, con lo que no habría que incurrir en este gasto adicional.

o

Este proceso de debe realizar de manera lenta para evitar a su vez golpes de ariete.

El objetivo es que el caudal se quede en valores parecidos a los de consigna, pero esta vez por medio de la utilización de la válvula reductora. Este procedimiento se llevará igualmente a cabo si se presenta cualquier problema, como los citados anteriormente, en cualquiera de los periodos estudiados en este tipo de explotación.

Figura 51: Control de situaciones problemáticas

El llenado del depósito puede desenvolverse atendiendo a los tres casos siguientes y realizarse en cualquiera de estas circunstancias: 3.3.1.2.2

Funcionamiento en intervalos de diseño de la turbina

El caso más simple, y el que debe ser el normal, es aquel en que tanto el caudal que atraviesa la instalación como el salto de presiones que existe en la turbina están dentro de los límites de funcionamiento facilitados por el fabricante y en torno al punto de diseño de la máquina. En este caso la turbina funciona según los valores de presión y caudal que le marca la instalación sin ningún tipo de restricción, y genera potencia hidráulica atendiendo a la siguiente ley:

77

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

P = η ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H man ⋅ Q[kW ] Como se ha dicho anteriormente, la reductora estará cerrada para que todo el caudal circule por la turbina de tal modo que sea ella la que aproveche todo el salto de presión para generar energía. En esta situación, las oscilaciones de presión en la aducción, h1, son lo suficientemente reducidas como para que las amortigüe el sistema, suma de turbina y pérdidas de carga (casi todas secundarias) en la tubería, de tal forma que el caudal resultante se encuentre en los intervalos admisibles por la turbina. A continuación se estudian con detenimiento las situaciones que se dan cuando la turbina abandona sus intervalos de diseño de presión y caudal. Esto debe constituir un conjunto de excepciones en el funcionamiento de la misma. Al exceder los límites de diseño de la turbina, el control de la instalación debe actuar para evitar fallos y optimizar en la posible la generación.

Figura 52: Control de la turbina en rangos de caudales de diseño y distintos a los de diseño

3.3.1.2.3

Ascenso extraordinario de la presión de entrada h1

El salto de presión en la turbina, Hman = h1 - h2 [m], puede crecer debido a un ascenso en la presión de entrada h1, impuesta por la red y sobre la que no se puede actuar directamente. Con este incremento de la presión de entrada, el caudal que atraviesa la turbina se ve incrementado por la propia ley de equilibrio de la instalación, entendida como la suma de la altura de la turbina más las pérdidas de carga en la tubería. La presión h2

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

78

crece en consecuencia, mitigando parte del aumento de presión manométrica en la turbina, como se veía en el caso anterior. Pero, si ese aumento de presión de h1 prosigue y el caudal crece por encima del valor máximo admisible por la turbina, el control debe actuar sobre las electroválvulas de la reductora para que ésta abra lo suficiente y la manométrica de la turbina vuelva a los valores predeterminados, con lo que a partir de ese momento la reductora comenzará a desempeñar su función. Con todo ello se consigue que baje la manométrica de la turbina y que el caudal se estabilice en el valor máximo admisible por la misma, lo que supondrá la máxima producción de energía posible. En ese caso, por la reductora circula un excedente de caudal que permite el control de las presiones. La idea fundamental es que, en este caso concreto dentro del abastecimiento a depósito, lo que se persigue en fijar la manométrica máxima en la turbina y mantenerla constante, regulándola por medio de la válvula reductora, permitiendo que se derive cierto caudal por ésta, ya que existen recursos de altura superiores a los máximos admisibles por la turbina seleccionada.

Figura 53: Regulación del exceso de presión mediante la reductora

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

79

En este caso el salto de presión total entre la entrada en la turbina y la salida al depósito es superior al que puede soportar la turbina por diseño y, por lo tanto, la reductora debe absorber la diferencia, para que el llenado del depósito se haga en los términos estipulados, es decir, a la presión adecuada para evitar su deterioro. Este funcionamiento es viable ya que en el abastecimiento a depósito se ha elegido la turbina de tal forma que el caudal máximo admisible por la misma esté por encima del caudal máximo de llenado del depósito, dato facilitado por el Canal. La regulación en caso de anomalías corre enteramente a cargo de la reductora. 3.3.1.2.4

Descenso extraordinario de la presión de entrada h1

Al descender la presión de la red de aducción a la entrada de la turbina h1 -altura sobre la cual no se puede ejercer ningún tipo de control-, el caudal resultante del equilibrio de la instalación desciende, lo que equivale a decir que el salto de presión en la turbina, Hman = h1 - h2 [m], cae, y si lo hace por debajo del mínimo necesario para que la turbina produzca energía (valor mínimo de diseño de la misma), el control de la instalación debe actuar de la siguiente forma: o

Abrir la reductora lentamente para controlar el golpe de ariete de tal forma que se derive por ella el caudal para que no atraviese la turbina.

o

Cerrar la válvula de entrada a la turbina y desconectarla de la red.

o

Controlar las electroválvulas de la válvula reductora para que desempeñe correctamente su función y conseguir un valor de caudal nominal si ello es posible.

En caso de que no se eleve la presión de red hasta su valor nominal de nuevo, la turbina permanecerá parada y la reductora controlará todo el funcionamiento de la instalación Como consecuencia, el control, asimismo, debe detectar automáticamente cuando las condiciones de presión de la instalación son aptas para que la turbina pueda empezar a generar de nuevo. La evaluación de la viabilidad de generación se realiza mediante la comprobación combinada de los valores de h1 y del caudal, Q. Se evaluará

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

80

si se encuentran en los rangos admisibles por la turbina y en caso de que la evaluación sea positiva, el control debe, por este orden: o

Abrir la válvula de entrada a la turbina.

o

Cerrar progresivamente la reductora mediante el control de sus electroválvulas y conseguir así una presión h2 adecuada para la turbina.

o 3.3.1.3

Conectar eléctricamente la turbina para comenzar a generar energía. Proceso de cierre y estabilización de la válvula de llenado del depósito

Este proceso constituye el caso límite del apartado anterior pero como consecuencia de que la válvula de llenado detecta un nivel suficiente en el depósito, lo que hace innecesario el hecho de que éste continúe llenándose. Las condiciones iniciales, a priori, antes del comienzo de este proceso son: o

Caudal no nulo atravesando la instalación.

o

Válvula de llenado abierta pero en proceso de cierre.

o

Válvula reductora cerrada.

o

Válvulas de aislamiento de la turbina abiertas por completo (h1 = h2).

o

Turbina en funcionamiento.

Durante este período la instalación sufre las siguientes modificaciones: En primer lugar y al detectar un nivel en el depósito suficiente e igual al que se buscaba se cierra la válvula de llenado del mismo. Este proceso de cierre dura mucho más que el proceso de apertura, como puede observarse en la gráfica del caudal a lo largo del tiempo. La primera consecuencia al cerrar la válvula de llenado es que deja de existir caudal circulante por la instalación y se deben seguir los siguientes pasos con el objeto de desconectar la turbina, esto es: o

Abrir la reductora lentamente.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

o

81

Cuando el caudal sea igual al mínimo requerido por la turbina para generar, desconectarla de la red.

o

Cerrar la válvula de aislamiento de la turbina.

o

La válvula reductora continuará fijando la presión a su salida.

o

Turbina parada.

Es importante señalar que el proceso de cierre ocasiona un transitorio en la tubería que será compensado con la instalación de las electroválvulas citadas anteriormente y su control. 3.3.1.4

Período en que la válvula de llenado permanece cerrada

Durante este período la instalación permanece parada, la turbina no funciona y por tanto no existe producción de energía. Se llega a este estado al cerrar la válvula de llenado del depósito de la forma expuesta en el apartado anterior y se mantiene hasta la apertura de dicha válvula, momento en que comienza el proceso de nuevo. Nota: El caudal que se mide durante estos periodos no es exactamente nulo por la escala de la señal analógica correspondiente (4-20 mA). Una señal de 0 mA sería indicadora de una falta de señal como causa de rotura o desconexión de cable, mal funcionamiento del transductor, etc. El hecho de que no se recoja el 0 absoluto es un método de control del buen funcionamiento del caudalímetro y en consecuencia el valor real del caudal en estos casos es nulo.

82

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

ABASTECIMIENTO DEL DEPÓSITO 0,25

Q [m3/s]

0,2 0,15 0,1 0,05 0 19:12

0:00

4:48

9:36

14:24

19:12

0:00

4:48

9:36

El error de escala muestra que al caudalímetro funciona correctamente. 3.3.2

Estudio de posibles transitorios en la reductora y situaciones anómalas

La posible existencia de transitorios constituye la principal justificación para la instalación de electroválvulas para el control de la apertura y del cierre de la válvula reductora: Existe la posibilidad de que se produzcan transitorios de presión aguas abajo de la válvula reductora que puedan perjudicar a los consumidores u ocasionar desperfectos en algunas instalaciones debido a las elevadas presiones, pudiendo ser originados dichos transitorios por las siguientes causas: o

Corte de corriente y posterior embalamiento de la turbina

o

Caídas bruscas de presión por debajo del umbral límite de producción de la turbina y consiguiente desconexión de la misma

o

Incrementos positivos bruscos de presión por encima del umbral máximo de presión manométrica soportable por la turbina y posterior reducción de dicho salto por la acción de cierre de la válvula reductora para compensar dicho salto.

Por todo esto, y debido a que el control automático que poseen las válvulas reductoras por diseño es lento, ya que están diseñadas para evitar generar saltos bruscos de velocidad de flujo en la tubería que produzcan elevados golpes de ariete, se contempla como necesario el controlar la apertura y el cierre de dichas válvulas de

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

83

manera externa, de forma que se puedan conseguir respuestas más rápidas para compensar los efectos de las causas antes citadas, sin menoscabo del control necesario sobre los golpes de ariete. Como se dijo anteriormente, este control se puede realizar mediante el uso de electroválvulas para dirigir el llenado y vaciado de la cámara superior de la válvula reductora, que es, en definitiva lo que hace moverse al pistón. Contando con la configuración en paralelo, otro hecho interesante es que de los dos modos de funcionamiento descritos, es el del abastecimiento a depósito el que presenta menores problemas a priori para la instalación de una microturbina, porque la respuesta que presenta frente al transitorio de presión, que se produciría tras un problema en la turbina (aceleramiento de la turbina motivado por la ausencia o disminución de par resistente debido a la incapacidad en la evacuación de la energía eléctrica producida), es muy poco preocupante o determinante para el suministro. Cuando ocurre este problema la presión de la entrada de la turbina se transmite casi inmediatamente a la salida de la misma. El control de la instalación cerrará la turbina y como la válvula reductora tiene una inercia elevada no será capaz de amortiguar la sobrepresión instantáneamente que se le ocasionará y a su vez la transmitirá a su salida. El tiempo que se tardaría en eliminar esta sobrepresión transitoria viene determinado por lo que tardaría la válvula en regular. En el caso del depósito la aparición de dicho transitorio no comportaría problemas especiales puesto que un aumento de presión sólo conllevaría un aumento de caudal de entrada al depósito durante el tiempo que dure el mismo (aumento cuantificable por conocerse las curvas de pérdidas de carga de los elementos en serie hasta la salida del depósito). Sin embargo, en el caso de las redes de distribución urbano el comportamiento no se inferencia con tanta facilidad ya que para ello se necesitaría una caracterización de la respuesta de la red de distribución frente a cambios de presión de suministro. De hecho, debido a la gran variabilidad de los consumos no es posible una caracterización de todos los estados posibles (infinitos) de una red. En este caso se deben identificar cualitativamente los casos más desfavorables en cuanto al comportamiento de la red frente a un aumento en la presión, siendo el peor caso peor para caudales bajos, en los que las pérdidas de carga no amortiguan el aumento de presión en la red La peor hipótesis será la de caudal circulante casi nulo.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

3.3.3

84

Conclusiones

La instalación de una turbina en paralelo con la válvula reductora de presión y lleva consigo las siguientes consideraciones: o

En régimen permanente la presión aguas abajo de la válvula reductora se mantiene en los valores de diseño previos a la instalación de la turbina. La válvula detecta que la presión en su entrada ha aumentado por el efecto de la turbina y con el control descrito anteriormente comienza a cerrarse.

o

La situación contraria tendrá lugar cuando la reductora regule por completo el salto debido a alguna incidencia en la turbina o a falta de caudal para que comience la generación de energía.

o

La reductora quedará flotando en su posición de apertura máxima cuando por la instalación no circule caudal alguno. En esta posición la válvula presenta unas pérdidas de carga que no se pueden evitar y que dependen del caudal que esté circulando por ella y de la presión del conjunto, lo que repercute cuando comienza de nuevo el flujo de caudal por la instalación, como se explicó en el apartado correspondiente.

o

El paralelo de la instalación permite a su vez, por una parte, derivar todo el caudal por la reductora cuando la turbina esté fuera de servicio (por ejemplo por incapacidad para evacuar la energía eléctrica producida) y, por otra parte, regular la presión manométrica a la que está sometida la turbina y, por tanto, el caudal que circula por ella.

o

La turbina debe tener válvulas de aislamiento aguas arriba y aguas abajo para permitir el mantenimiento o sustitución de la misma.

o

Se deben disponer de transductores de presión en la entrada y en la salida de la turbina para permitir el control de la misma. También se debe disponer un caudalímetro en serie con el conjunto. El control de la instalación se realizará con un autómata programable (a desarrollar en proyectos futuros).

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

4

85

Regulación automática de velocidad La regulación de velocidad en los grupos turbogeneradores acoplados a la red

eléctrica es indispensable. El regulador de velocidad de las turbinas tiene como misión conseguir el equilibrio, en todo momento, entre los trabajos motor y resistente en la turbina para mantener sensiblemente igual y para todas las cargas el número de revoluciones de la misma que mejor convenga a su funcionamiento. 4.1

Motivos para que exista la regulación 1. En centrales grandes la regulación de velocidad en la turbina es muy importante porque la variación de la carga puede ser tan grande que llegue a afectar a la red eléctrica general. Es, por tanto, necesario controlar dichas variaciones para que el suministro de energía a la red con estas turbinas no perturbe la frecuencia normal de la misma. 2. En el caso de centrales pequeñas, como es el caso de estudio del presente documento, la central, por aportar poca potencia a la red eléctrica de distribución en comparación con la potencia total que dicha red mueve, se adaptará permanentemente y sin esfuerzo alguno a la frecuencia de la red de distribución que la arrastrará sin problemas y tirará de ella. Por consiguiente, la frecuencia de giro del alternador será por defecto constante y la turbina tendrá que adaptarse a ella de la mejor manera posible.

4.2

Regulación en Microcentrales La regulación en Microcentrales es por tanto necesaria para mejorar el rendimiento

de las mismas. Una turbina que no posea sistema de regulación producirá potencia dentro de sus límites de funcionamiento pero con rendimientos peores, y por ello menor potencia, a alejarse del punto óptimo de trabajo.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

86

Una turbina con regulación de velocidad permite optimizar la producción de energía, puesto que la regulación en este caso actúa directamente sobre el rendimiento de la instalación. La regulación de velocidad en Microcentrales supone la optimización de la generación energética, ya que, como se dijo anteriormente, la velocidad ya está impuesta por la red de distribución eléctrica. 4.3

Diferenciación según el abastecimiento que se desee regular

4.3.1

Abastecimiento a Depósito

No se trata del caso más preocupante para la regulación de velocidad en la turbina pero también se tiene que contemplar que la explotación de los depósitos es variable a lo largo del año, con arreglo a la estacionalidad que presentan los consumos. En ese sentido, en épocas de bajos consumos se suele prescindir de uno o varios compartimentos de los depósitos (si consta de ellos) con el fin de que los tiempos de retención y estancamiento del agua sean más reducidos y, por tanto, exista menos riesgo de contaminación del agua. Esto se traduce en que la entrada se reduce de sección, las pérdidas aumentan y, el caudal de entrada es menor. El diseño de la turbina debe permitir adaptarse a esta circunstancia. En este caso, y teniendo en cuenta la restricción anterior, lo más probable es que, si no se introduce una pérdida de carga adicional, el caudal de equilibrio sea algo superior al caso estudiado, aunque esta circunstancia es menos problemática y, por tanto más flexible y admisible. Esta variación de caudal no es tan acusada como en el caso de abastecimiento a red y, por regla general, el salto en este tipo de abastecimiento permanece casi constante. Por todo ello la regulación de velocidad que comportar las turbinas actuales, mediante su distribuidor Fink, es más que suficiente para que la generación de potencia se produzca, en este caso, en términos aceptables en cuanto a rendimientos de la instalación se refiere. 4.3.2

Abastecimiento a Red de Suministro Urbano

En el caso de abastecimiento directo a red de consumo urbano, la situación plantea una serie de diferencias significativas con respecto al abastecimiento a depósito, que hacen de la regulación de velocidad algo esencial.

87

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

o

En primer lugar, los caudales presentan una variación considerable tanto a lo largo de un día como a lo largo del año. Este comportamiento se conoce como doble estacionalidad y puede observarse claramente en la siguiente gráfica:

CAUDALES BOMBEADOS ESTACION ELEVADORA DE HORTALEZA

ESTACIONALIDAD

700

600

500

Q l/s

19/7/2004

400 20/1/2004

300

200

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

hora

Figura 54: Doble estacionalidad en abastecimiento a red urbana. Ref.: Válvulas Ross

o

La presión en la reductora también puede variar considerablemente:

ABASTECIMIENTO A RED SALTO

CAUDAL

19:12

00:00

04:48

09:36

14:24

19:12

00:00

04:48

Figura 55: Variación del caudal y del salto

Estas dos variaciones tan acusadas se deben a que en el abastecimiento a red de consumo son los clientes de los distintos municipios los que marcan y dictan los caudales y presiones que precisan en cada momento. Los consumidores reclaman agua con caudal y presión aceptables para el consumo humano en cualquier instante, como ya se expuso en la introducción de este documento.

88

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

En consecuencia, la turbina debe adaptarse perfectamente a estas variaciones para que el agua llegue a los usuarios en las condiciones en que la demandan. Es entonces importante intentar optimizar la producción de la turbina no sólo dimensionándola correctamente mediante el método expuesto en el Diseño de la instalación, si no que en este caso hace falta conseguir además que la turbina trabaje con buenos rendimientos en un rango más amplio de caudales y de saltos. Para conseguir este objetivo existen dos posibilidades, trabajar con un distribuidor Fink, como en el caso de abastecimiento a depósito o trabajar con un regulador de frecuencia. Una tercera posibilidad sería aunar esfuerzos e intentar superponer los dos efectos. De esta manera se podría optimizar el rendimiento con mucha más exactitud y para mayores rangos de caudal y de salto.

Figura 56: Regulación de velocidad

89

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

4.4

Velocidad constante Hoy en día todas las turbinas comercialmente disponibles, excepto si se pide lo contrario, están dotadas de un distribuidor Fink, encargado de regular el caudal que entra en la turbina con el fin de actuar sobre la velocidad de la misma. El Distribuidor Fink es un mecanismo que, independientemente del caudal y del salto en la turbina, permite mantener la velocidad de la misma constante para respetar la frecuencia de la corriente eléctrica de red, igual a la generada en el alternador, lo que se consigue con un regulador de velocidad que actúa sobre las directrices móviles del distribuidor. Las antedirectrices son fijas y las directrices orientables del distribuidor se accionan mediante un anillo de maniobra que se puede mover mediante un servomotor dependiente del regulador de la turbina.

Figura 57: Mecanismo de apertura y cierre del distribuidor

Figura 58: Distribuidor Fink

90

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 59: Apertura y cierre del distribuidor. A la derecha el distribuidor abierto favorece la entrada de caudal en el rodete de la turbina, mientras que a la izquierda la impide

Con el distribuidor se amplían los rangos de caudales admisibles por la turbina en detrimento del rendimiento de la misma, que disminuye para caudales distintos al 80% del caudal nominal, como ya se explicó anteriormente. El control de la velocidad de la turbina se realiza mediante la acción de un servo motor que gradúa el ángulo de las directrices para favorecer o desfavorecer la entrada del caudal en el rodete de la turbina.

Figura 60: Curvas características para velocidad “n” constante y apertura del distribuidor variable

Supóngase un régimen en la turbina de altura y caudal constantes (Punto A), que coincide con el punto de diseño de la turbina - según se expuso en el apartado de Diseño de la instalación - y obsérvese la Figura 58.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

91

En dicha figura las curvas elípticas representan las elipses iso-rendimiento de la turbina. Si de repente el salto varía, la turbina abandona el punto de funcionamiento y el caudal también cambia, siguiendo la ley de la propia turbina (Curva H2). En ese momento debe entrar en funcionamiento el mecanismo o distribuidor Fink, que abrirá (Curva H3) o cerrará (Curva H1) el ángulo de las directrices, según exista incremento o decremento del salto (o del caudal) respectivamente, para que la turbina pueda seguir operando al mismo número de revoluciones pero con un rendimiento distinto al del anterior punto de funcionamiento. Este es el caso del abastecimiento a depósito, donde el salto permanece constante y los incrementos y decrementos del caudal imponen la apertura o el cierre del distribuidor para que la turbina se adapte al nuevo caudal pero girando al mismo ritmo.

Figura 61: A) Potencia y B) Caudales para distintas aperturas, “a”, en el distribuidor. Ref.: Layman’s Handbook

La Figura 59 A muestra cómo se ve afectada la generación de potencia, que disminuye cuando, para un salto determinado, el distribuidor se va cerrando para que la velocidad permanezca constante. El motivo principal es que el caudal disminuye al cerrarse el distribuidor, como puede observarse el la Figura 6159 B. 4.5

Velocidad variable El mecanismo anterior se queda corto a la hora de satisfacer la demanda de la red de

consumo dadas sus grandes variaciones en caudal y en salto, que pueden observarse

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

92

en la Figura 52 y en la Figura 53. De esta forma, una posible solución sería implantar un regulador de frecuencia que permitiera que la turbina pudiera trabajar a velocidad no constante para adaptarse a una gama más amplia en cuanto a caudales y a saltos se refiere y sin que el rendimiento se viera perjudicado drásticamente. Esto se puede conseguir acoplando un regulador de frecuencia a la salida del generador. Esta opción constituiría un añadido al control actual que supone el distribuidor Fink, de manera que sus efectos se superpondrían en busca del mejor rendimiento posible en la instalación. 4.5.1

Regulador de frecuencia

Su función principal es adaptar las distintas velocidades de giro que una máquina rotativa pueda desempeñar a la velocidad fija de red o a cualquier otra que se le imponga. En concreto, la turbina podrá girar a distintas velocidades, dentro de un rango, al cambiar el caudal o el salto en ella, pero buscando siempre el punto de mejor rendimiento. El hecho de que la turbina pudiera adaptarse a las variaciones del salto, lo que no se conseguía con la acción única del distribuidor, es lo que hace interesante la utilización de este regulador para el control del abastecimiento a red. La desventaja más importante que supone la instalación de un regulador de frecuencia, además de su elevado precio, es que por regla general introduce una disminución en el rendimiento global de la instalación del orden de un 3%. En su favor puede añadirse que el rango de aprovechamiento de caudales y saltos, que queda reflejado en la siguiente gráfica, es mayor que con el uso exclusivo del distribuidor Fink. En la figura se observa que el control a velocidad variable permite una adaptación de la turbina a variaciones más grandes de caudal y de salto que el control a velocidad constante.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

93

Figura 62: Optimización de la producción. Ref.:École Polytechnique Federale de Lausanne

Como consideración adicional, la regulación de frecuencia supone la posibilidad de cambiar el punto de operación de la turbina sin variar el rendimiento en caso de que el nuevo punto de trabajo así lo permita. Es decir, si la turbina nota un cambio de carga, en forma de variación en el caudal y en el salto, mediante la actuación del regulador de frecuencia, la turbina podría trabajar en ese nuevo punto de operación recorriendo la parábola de regímenes semejantes, en la que se conserva el rendimiento, siempre y cuando los dos puntos de operación pertenezca a dicha parábola. Este desplazamiento puede verse en la Figura 6361, donde el paso de M1 a M2, puntos de igual rendimiento, podría hacerse elevando las revoluciones de la turbina de n 1 a n 2. Nota: n2 es mayor en este caso que n1 porque responde a las leyes o relaciones de semejanza de las turbinas (páginas 25 del presente documento).

94

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

Figura 63: Cambio de punto de operación

4.6

Consideración de efectos conjuntos La unión de ambos esfuerzos para lograr que la producción sea siempre la mayor

posible supone que el control de la instalación pueda optar por tres alternativas diferentes. 4.6.1

Estudio del sistema de control del abastecimiento a Red urbana

Como datos de entrada se deben introducir en la unidad de control, además de los datos instantáneos del salto y del caudal, las gráficas y los valores correspondientes de las variaciones de los rendimientos según se actúe por separado sobre o con el distribuidor y sobre o con el regulador de frecuencia. Con estos datos la unidad de control podrá optar por utilizar un dispositivo, el otro o la superposición de ambos. 1. El control usará solamente el distribuidor Fink cuando el salto no se vea muy alterado y si el rendimiento que se obtuviera al cambiar de punto de trabajo fuera superior al que se obtendría realizando una regulación en frecuencia.

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

95

2. El control optará por el uso exclusivo del regulador de frecuencia cuando exista un cambio considerable del salto y si el rendimiento que se obtuviera fuera superior al que se obtendría de la superposición de los dos reguladores. 3. Por último, el control deberá utilizar el distribuidor Fink y el regulador de frecuencia simultáneamente cuando no se dé ninguno de los dos casos anteriores, es decir, cuando existiendo un cambio considerable en el salto, el regulador de frecuencia por si sólo no situara a la turbina en el punto de máximo rendimiento posible.

Figura 64: Control de la instalación para optimizar la producción

El control deberá ser capaz de distinguir el camino mejor, considerando las tres posibilidades anteriormente citadas, para cambiar el punto de trabajo de la turbina. De esta forma, lo expuesto en el Estudio del sistema de control de la instalación se ve ahora reforzado con esta idea. Supóngase un régimen de trabajo 1 (H1, Q1). Por motivos ajenos a la turbina, es decir, por demandas en el depósito o en la red urbana, la instalación pasa a un nuevo punto de trabajo 2 (H2, Q2). El control deberá distinguir la mejor forma de pasar de un punto a otro, siempre buscando el camino que mejor rendimiento suponga para la turbina (ver Figura 63):

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

96


ITINERARIO A: -

Primero actúa el regulador de frecuencia elevando el salto hasta la altura final, H2.

-

Después actúa el distribuidor Fink que regula el caudal hasta llegar a Q2.


ITINERARIO B: -

Primero actúa el distribuidor Fink para conseguir elevar el caudal hasta un punto intermedio antes del caudal final Q2.

-

Después actúa el regulador de frecuencia, que eleva el salto, recorriendo la parábola de regímenes semejantes, hasta el valor final, H2.

Figura 65: Posibles opciones para un cambio de carga en la instalación


ITINERARIO C: -

Otra posibilidad es que ninguna de las opciones anteriores suponga la máxima producción de energía. En tal caso, el control deberá optar por regular la situación de cambio de carga en la instalación utilizando conjuntamente la válvula reductora.

-

De este modo la turbina elevaría el caudal hasta el punto en que su rendimiento fuera máximo y con él la potencia generada, manteniendo

Capítulo 3: Viabilidad Técnica

97

el salto constante. La reductora sería la que, regulando con su circuito piloto, fijaría Q2 y H2 en la instalación. El nivel de compromiso que se obtenga entre las distintas formas de regular determinará la calidad y la cantidad de la generación de potencia eléctrica.

4 Viabilidad Económica

99

Capítulo 4: Viabilidad Económica

CAPÍTULO 4

Viabilidad Económica Una vez seleccionada una turbina en cuestión, como se explicó en la sección de Elección de la turbina, es decir, con el criterio de máxima producción de energía, se procederá a realizar el estudio de rentabilidad económica, cuyas conclusiones supondrán la viabilidad para la implantación de dicha turbina o, en su defecto, la desestimación del proyecto. Para ello se respetarán los siguientes pasos: o

Determinación de las horas de funcionamiento y la producción de la turbina seleccionada.

o

Comparación de la inversión realizada con los flujos de caja que se obtendrían con la generación de la turbina y

o

Determinación, con estos datos, de los índices económicos más significativos (Pay- Back, VAN y TIR) para finalizar con el estudio de rentabilidad objeto de la viabilidad económica del proyecto.

100

Capítulo 4: Viabilidad Económica

1

Definición de términos económicos Como el estudio económico se basará en el análisis de ciertos índices, es conveniente

tener claro el significado de los mismos. Los métodos clásicos de valoración y selección de proyectos de inversión se fundamentan en los siguientes conceptos. 1.1

Plazo de recuperación de una inversión o Pay Back Es el tiempo que tarda en recuperarse, es decir, en amortizarse, el desembolso o

inversión inicial. Se basa, por tanto, en criterios de liquidez más que de rentabilidad. Se calcula dividiendo la inversión inicial entre la media de los beneficios netos obtenidos durante un número determinado de años, meses o períodos cualquiera de tiempo, es decir:

Payback =

Inversión[€ ]

[ año]

Beneficiomedioanual €

Este índice no tiene en cuenta los vencimientos de los beneficios de cada período y tampoco contempla la acción de tipos de interés que modificarían su valor. Como conclusión puede decirse que se trata del índice más sencillo pero arroja una importante información. Una empresa puede valorar el hacer o no una inversión según su valor de retorno de la inversión. Las empresas privadas arriesgan menos en este sentido y suelen apostar por inversiones con períodos de recuperación relativamente cortos de entre 2 y 3 años, por ejemplo. En cambio, el sector público es mucho más flexible en este sentido. Un pay back aceptable puede rondar, en este caso, los 8 o 9 años, siendo la vida útil de la instalación muy superior a estos plazos en cualquier caso. Como Canal de Isabel II es una entidad pública, el período de recuperación de la inversión puede alcanzar los 9 años si que se llegue a desestimar el proyecto. Si el realizar el estudio de rentabilidad, la generación de energía bajo las condiciones de este

101

Capítulo 4: Viabilidad Económica

proyecto arroja un pay back inferior a 9 años, el proyecto puede considerarse rentable en primera instancia. 1.2

Valor Actual Neto: VAN Es el valor actualizado de todos los rendimientos o beneficios esperados durante un

período de tiempo (6 meses, 1 año, 5, 10, 20 o el que se desee considerar). Calcula, por tanto, el valor neto presente de una inversión a partir de una tasa de descuento o tipo de interés y de una serie de pagos futuros, valores negativos, e ingresos futuros, valores positivos. La fórmula que permite calcular este índice es la siguiente:

(I − G )i i i =1 (1 + t ) n

VAN = ∑

(B )i i i =1 (1 + t ) n

−D=∑

−D

Los beneficios (B) en cada año “i” son la resta de los ingresos menos los gastos que hayan existido durante ese año. La inversión o desembolso inicial viene representado por la letra “D” y “t” representa el tipo de interés anual según Euribor. El VAN es la resta de los beneficios actualizados al momento de la inversión menos la propia inversión. El VAN proporciona una medida de la rentabilidad esperada de una inversión en valor absoluto y actual y es, por tanto, un método de valoración de inversiones: o

VAN > 0: La inversión puede realizarse porque incrementa la riqueza de la empresa.

o

VAN ≤ 0: La inversión no puede realizarse porque disminuiría la riqueza de la empresa o la dejaría igual.

El inconveniente que muestra este índice es la dificultad de fijar el tipo de interés “t” que varía con las fluctuaciones del mercado. Mantener “t” constante es una aproximación para realizar el cálculo, ya que, por regla general, los tipos de interés tienen carácter creciente.

102

Capítulo 4: Viabilidad Económica

Como conclusión puede decirse que se deben realizar las inversiones cuyo VAN resulte positivo y que cuanto mayor sea respecto al de otra inversión, más provechoso resultará invertir en ese determinado producto. 1.3

Tasa Interna de Retorno o tipo de rendimiento interno: TIR Es la rentabilidad propia o específica de una inversión. Se expresa en tanto por

ciento. Se define como aquel tipo de interés, actualización o descuento que iguala el valor actualizado de los ingresos con el valor también actualizado de los gastos. Todo ello equivale a decir que la TIR es el tipo de interés que hace cero el VAN. Es decir: n

VAN = ∑ i =1

(B )i i

(1 + r )

n

(B )i

i =1

(1 + r )i

−D=0⇒ D=∑

⇒ TIR = r [%]

Este método proporciona una medida de la rentabilidad de la inversión en valor relativo y actual y es, por tanto, un criterio para la valoración de la inversión ya para la toma de decisiones sobre su realización: o TIR > “t”: La inversión debe realizarse porque incrementa la riqueza de la empresa al ser su rentabilidad superior a la rentabilidad de la inversión financiera o de comparación a riesgo cero (obligaciones des Estado, por ejemplo). Es decir, los tipos de interés del mercado (Euribor) estarían por debajo del que conseguiría la empresa con dicha inversión. Otra comparación habitual es la que podría realizar la empresa con el rendimiento interno que obtiene de su capital en su negocio propio, siempre superior a la tasa de riesgo cero. o TIR ≤ “t”: No interesa realizar la inversión porque no añade riqueza a la empresa o porque se la resta. Como conclusión puede asegurarse que las inversiones con TIR superior al tipo de interés anual del mercado son las inversiones dignas de tener en cuenta.

103

Capítulo 4: Viabilidad Económica

1.4 •

Equivalencias y relaciones entre los tres índices Relación entre Pay Back y TIR: Por regla general se puede afirmar que dando preferencia a inversiones con Pay

Back cortos, se está dando prioridad a inversiones con mayor TIR. En realidad es esta situación la que siempre se busca. •

Relación entre VAN y TIR: En principio puede parecer que estos dos índices arrojan el mismo resultado, el

VAN de forma absoluta y la TIR de forma relativa. En realidad es así pero además los valores de estos índices pueden ayudar a jerarquizar las inversiones. Al representar el VAN en función de los tipos de interés de dos inversiones a considerar, si sus gráficas no se cruzan, la mejor inversión será siempre la que mayor VAN ofrezca para mayor tipo de interés pero si las gráficas se cruzan, como ocurre en la Figura 66, ya no se verifica la afirmación anterior. En tal caso, la inversión con mayor VAN para valores previos al valor del tipo de interés en el cruce (F) será más rentable que la otra y al contrario para valores del tipo de interés posteriores al cruce.

Figura 66: Jerarquización de inversiones

Capítulo 4: Viabilidad Económica

104

En resumen, el documento presente, y en su momento, el Canal de Isabel II, valorarán positivamente la instalación de las microturbinas si: o El Pay Back resulta inferior a 9 años. o El VAN resulta positivo y o La TIR resulta superior al 3%, que es el valor del tipo de interés actual.

Capítulo 4: Viabilidad Económica

2

105

Ayudas percibidas por la instalación Como ya se expuso en el capítulo de viabilidad legal, la instalación, por el hecho de

acogerse a la legislación vigente como generador en régimen especial, goza de una serie de privilegios a nivel económico: •

En la inversión inicial: La empresa generadora, es decir, el Canal de Isabel II, podría recibir, por parte de la Comunidad de Madrid y previa solicitud, una subvención por valor del 30% de la inversión inicial.

•

En la venta de energía: El Canal de Isabel II percibirá un incentivo del 10% de la tarifa media por participación en el mercado eléctrico y una prima del 40% de la tarifa media por tratarse de una instalación de energía renovable. Estos porcentajes se realizan sobre la venta anual de energía que realice la entidad.

106

Capítulo 4: Viabilidad Económica

3

Definición de Beneficios: Ingresos y Gastos Los beneficios netos anuales que obtendrá la empresa, en este caso el Canal de

Isabel II, al explotar la instalación mediante se derivarán de la venta de la energía generada por la turbina y serán la resta de los ingresos anuales por venta de energía menos los gastos anuales en que incurra la propia instalación.

Beneficios netos = Ingresos − Gastos 3.1

Ingresos Se considera ingreso toda venta de potencia generada por la turbina a razón de

7,3304 céntimos de euro por kWh (Tarifa eléctrica 2005). 3.2

Gastos Se distinguen dos tipos de gastos:
Gastos de inversión: Se producirán únicamente en el momento de la compra de los equipos y de la construcción de la instalación. En concepto de: -

Equipo electromecánico: Turbina, generador, equipos auxiliares, sistema de control, cables...

-

Obra civil

-

Elementos de maniobra hidráulicos: válvulas de mariposa, filtro, calderería (tubos, codos…)

-

Instalación eléctrica: Elementos de potencia y de control (C.T., sistemas de tarificación…), conexión a red…

-

Regulador de frecuencia en abastecimiento a red de suministro urbano.


Mantenimiento: En concepto de: -

Inspecciones rutinarias de todos los elementos de la instalación

-

Mantenimiento alineación…)

de

piezas

mecánicas

(cojinetes,

cierres

mecánicos,

Capítulo 4: Viabilidad Económica

4

107

Estudio concreto del abastecimiento del depósito en Aranjuez Los gastos por inversión inicial dependen del tipo de turbina y del fabricante que la

suministre. En el Anexo B puede observarse el presupuesto de una turbina, facilitado por Saltos del Pirineo S.L., que se instalaría en el abastecimiento a depósito de Aranjuez, estudiado durante el transcurso de este documento. Se ha tomado de referencia el precio presupuestado en el anexo A y conjuntamente hay que añadirle el precio de los demás componentes para obtener un valor aproximado de la inversión inicial. En el caso del depósito de Aranjuez, se ha estimado que los gastos totales de la inversión ascienden a 230000€. Esta inversión responde al siguiente ratio, conocido como índice de energía de la instalación. Es el coste del kilovatio hora generado, expresado como el cociente entre la inversión inicial y la potencia media generada anualmente por la turbina:

I=

InversiónInicial [€ ] Generación Pr omedioAnual [kWh ]

El mantenimiento anual asciende a 5000€, lo que responde al siguiente ratio:

Mantenimiento =

MantenimientoAnual [€ ] Generación Pr omedioAnual [kWh ]

El Canal de Isabel II ha facilitado datos referentes a los caudales que atravesaron la válvula reductora localizada en Aranjuez. El salto pseudoconstante que reduce en la actualidad dicha válvula es de 70mca. El caudalímetro recogió los datos de caudal cada hora desde el 1 de enero de 2000 hasta el 11 de noviembre de 2005. Por tanto, para realizar el estudio de viabilidad económica se dispone de los datos de 6 años. Durante el desarrollo de este estudio se facilitarán gráficos y datos sobre las dos turbinas propuestas en el apartado de Criterios de dimensionamiento de la turbina, esto es, sobre la turbina “Promedio” y sobre la turbina “Moda” y de ellos se obtendrá la conclusión sobre la rentabilidad de la inversión.

108

Capítulo 4: Viabilidad Económica

Se ha realizado una extrapolación con los datos facilitados por el Canal, suponiendo que la turbina instalada generará a partir del sexto año a razón del promedio obtenido durante esos seis primeros años. En realidad, parece factible que la generación aumente con el paso de los años, puesto que durante esos seis años en los que se dispone de datos, el consumo del depósito ha ido aumentando paulatinamente y con él la producción de energía de la turbina. En el siguiente gráfico se muestra dicho aumento. En 2005 existe una disminución en la producción debido a que los datos facilitados por el Canal acaban el 11 de noviembre de dicho año: Producción de energía 700 600

Turbina MODA Turbina PROMEDIO

MWh

500 400 300 200 100 0 2000

2001

2002

2003

2004

2005

Figura 67: Producción de energía según las dos turbinas estudiadas

La producción de energía es tanto mayor, cuanto mayores sean los caudales y los saltos que aproveche la turbina dentro de sus límites de funcionamiento. Por lo tanto, los índices de gasto por kilovatio generado anualmente son más elevados en la turbina que menos tiempo está generando. en este caso es la turbina “Moda”. El factor de disponibilidad de cada turbina representa la cantidad de horas al año, es decir, de un total de 8760 h , en que la turbina está generando y viene recogido en la siguiente figura:

109

Capítulo 4: Viabilidad Económica

Turbina Moda ( 5900 h ; 125 l/s ) Turbina Promedio ( 6100 h ; 110 l/s )

Figura 68: Comparación de horas de funcionamiento

[€/kWh]

Inversión Inicial

Mantenimiento

Turbina Promedio

0,39

0,0086

Turbina Moda

0,41

0,0089

Tabla 5: Índices característicos

Para llevar a cabo el estudio de rentabilidad, se supondrá una vida útil de la turbina de 20 años, dato bastante pesimista, puesto que en condiciones normales una turbina puede operar durante muchos más años. Se han obtenido los índices de rentabilidad para el precio del kilovatio hora de 2005, según tarifa vigente aquel año, es decir, para 7,3304 céntimos de €. El tipo de interés para los cálculos es del 3%, también vigente en 2005. Con todos estos datos se extraen las siguientes conclusiones:
Las dos turbinas son económicamente rentables.
La turbina “Promedio” tiene unos índices superiores a la turbina “Moda”, luego, de instalar alguna, debería ser la Turbina “Promedio”.

110

Capítulo 4: Viabilidad Económica




El período de retorno de la inversión de la turbina “Promedio” es algunos meses inferior al de la turbina “Moda”, es decir, la inversión inicial se recupera antes en el caso de la turbina “Promedio” que en el de la turbina “Moda”.




La tasa interna de retorno es de más de 1 punto porcentual superior en la turbina “Promedio” que en la turbina “Moda” a los siete años de la inversión.

Figura 69: Comparativa entre turbinas 1


El Beneficio Neto anual de la turbina “Promedio” es 1.500€ superior al de la turbina “Moda”.
El valor actual neto de la turbina “Promedio” a los 20 años de haber llevado a cabo la instalación de la turbina es 60.000€ superior al de la turbina “Moda”.

Figura 70: Comparativa entre turbinas 2

111

Capítulo 4: Viabilidad Económica

Del estudio comparativo de las dos turbinas se obtienen los siguientes índices: Turbina PROMEDIO

Turbina MODA

Caudal Nominal

[l/s]

275

312

Inversión inicial

[€]

230000

230000

Generación Promedio Anual

[kWh]

579.583,66

559.904,65

Beneficio Neto Anual

[€]

37.485,80

36.043,25

Pay Back

[años]

6,14

6,38

VAN a los 20 años

[€]

337.645,34

277.440,28

TIR a los 7 años

[%]

3,4%

2,36%

Tabla 6: Comparación entre Turbina Moda y Turbina Promedio

La inversión inicial se ha supuesto igual para ambos casos aunque debería ser algo inferior en la turbina “Promedio” por ser ésta más pequeña de la otra. Este hecho no vendría sino a ratificar los resultados obtenidos porque al ser la inversión menor, los índices económicos se recuperan antes y la rentabilidad comienza a notarse en un tiempo menor al caso estudiado. Como puede observarse en la tabla anterior y redondeando los valores, si una turbina genera un beneficio neto anual en torno a 40.000€ y si de las 650 válvulas reductoras existentes, se realiza la instalación en 300 de ellas porque el estudio pertinente así lo permitiera, el beneficio neto anual ascendería a:

B º anual = 40.000 €

turbina

⋅ 300turbinas = 12.000.000 €

año

El beneficio sería de 12 millones de euros al año, suma muy interesante para la empresa generadora.

112

Capítulo 4: Viabilidad Económica

La evolución de los índices en el tiempo queda reflejada en los siguientes gráficos:

EVOLUCIÓN COMPARATIVA DEL VAN al 3% 400 € Turbina PROMEDIO Turbina MODA 300 €

[€]*1000

200 €

-100 €

00/20

00/18

00/16

00/14

00/12

00/10

00/08

00/06

00/04

00/02

0€

1999/2000

100 €

-200 €

Figura 71: Comparación por VAN según el año

Como puede observarse, basándose en el VAN, la turbina “Promedio” comienza a ser rentable durante el sexto año de funcionamiento, mientras que la turbina “Moda“ comienza a serlo durante el séptimo año. Basándose en este índice, en todo momento la turbina “Promedio” en más rentable que la turbina “Moda” y a medida que pasan los años la diferencia se hace más visible.

113

Capítulo 4: Viabilidad Económica

EVOLUCIÓN COMPARATIVA DE LA TIR 20%

Turbina PROMEDIO 15% Turbina MODA 10% 5%

00/19

00/18

00/17

00/16

00/15

00/14

00/13

00/12

00/11

00/10

00/09

00/08

00/07

00/06

00/05

-5%

00/04

0%

-10% Figura 72: Comparación por TIR según el año

Si el índice de referencia para el estudio económico es la TIR, en este caso la turbina “Promedio” supera el 3% actual durante el sexto año y la turbina “Moda” durante el séptimo. Sin embargo, atendiendo a este criterio, existirían unos años (2012, 2013 y 2014) en los que la turbina “Moda” superaría a la turbina “Promedio”. A pesar de ello, al pasar el tiempo el crecimiento de la TIR de la turbina “Promedio” vuelve a superar los valores de la turbina “Moda” y se estabiliza por encima de éste última. Como ya se calculó anteriormente de la turbina “Promedio” resulta:

I .E . =

Inversión[€ ] 230000 = ≈ 0,4 € kWh Potenciagenerada[kWh ] 580000

[

]

Este dato revela que la generación de energía mediante el sistema descrito en este proyecto es barata inicialmente en comparación con otro tipo de instalaciones de energías renovables.

114

Capítulo 4: Viabilidad Económica

4.1

Estudio de sensibilidad Una vez seleccionada la turbina “Promedio”, se realiza a continuación el estudio de

sensibilidad frente a cambios, aumentos y disminuciones, en: 4.1.1

Variación de la Tarifa eléctrica

El precio del kW hora, según tarifa eléctrica, durante el año 2005 fue de 7,3304 céntimos de €, como ya se dijo anteriormente. Si se mantiene constante, e igual al 3%, el tipo de interés, se obtiene: VAN vs Tarifa eléctrica

800

V A N /1 0 0 0

600 400 200 0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

-200 céntimos de €

Figura 73: Valor de la explotación para distintos precios de venta de energía eléctrica

Si el precio de la electricidad cae por debajo de los 3 céntimos de € -valor poco realista en el sector eléctrico debido a que la demanda sigue aumentando y con ella el precio del kWh- la explotación de la instalación dejaría de ser rentable.

115

Capítulo 4: Viabilidad Económica

4.1.2

Variación en el Tipo de interés

V AN

M illa re s

VAN vs Tipo de Interés 600 € 500 € 400 € 300 € 200 € 100 € 0€ 0%

2%

4%

6% t[%]

8%

10%

12%

Figura 74: Valor de la explotación para distintos tipos de interés

Conforme crece el tipo de interés, el valor actual neto de la explotación de la turbina “Promedio” cae, pero es interesante observar que, incluso para valores altos del tipo de interés poco previsibles, la instalación es rentable, puesto que su VAN es siempre superior a cero. De la comparación de las dos turbinas puede afirmarse que la turbina “Promedio” en más rentable que la turbina “Moda”, como ya se ha concluido anteriormente, porque sus gráficas “VAN vs. Tipo de interés” nunca se cruzan y la de la primera supera en todo momento a la de la segunda.

5 Conclusiones

117

Capítulo 5: Conclusiones

CAPÍTULO 5

Conclusiones Tras haber realizado el estudio legal, técnico y económico sobre la implantación de microturbinas en las redes de abastecimiento de agua potable en la Comunidad de Madrid y en los emplazamientos de que dispone el Canal de Isabel II, se pueden plasmar las siguientes conclusiones:

1

Conclusiones Administrativas y Legales 1. La instalación de microcentrales hidroeléctricas está recogida en la legislación vigente en España. Por lo tanto, la implantación de una turbina bajo las exigencias y los requerimientos planteados en este proyecto, es legalmente posible. 2. Y no sólo eso, sino que además se trata de generación de energía eléctrica premiada e incentivada por los organismos competentes (Régimen Especial).

2

Conclusiones Técnicas 1. Se ha de distinguir entre abastecimiento a depósito y abastecimiento a red de suministro urbano para proceder tanto a la selección de la turbina, como al diseño y al control de la instalación, porque se trata de medios diferentes. 2. Las turbinas se han de seleccionar atendiendo al los parámetros de caudal y salto disponibles en cada emplazamiento y de forma acorde a los expuesto en el apartado de Diseño de la instalación. 3. El control de la instalación debe realizase mediante el algoritmo enunciado en este proyecto. La programación de dicho algoritmo en lenguaje avanzado (C++ o similar) constituye un reto a desarrollar en proyectos futuros.

Capítulo 5: Conclusiones

2.1

118

Abastecimiento a Depósito Ha quedado reflejado a lo largo del desarrollo del proyecto y ha supuesto:


Diseño en función de unos condicionantes de caudal y salto pseudo constantes.
Control con la actuación única del distribuidor Fink con que vienen dotadas las turbinas en la actualidad. 2.2

Abastecimiento a Red de suministro urbano Sus características principales deberán ser:


Diseño en función de caudales y salto variables. El método descrito en el Diseño de la instalación será igualmente aplicable para este tipo de abastecimiento pero,
El Control de la instalación deberá llevarse a cabo con la actuación conjunta del distribuidor Fink y del regulador de frecuencia para conseguir que la turbina se adapte a las variaciones anteriormente citadas de forma óptima. 2.3

Generalidades


Una vez alcanzado el punto de máxima producción en la turbina, siempre existe la posibilidad de trabajar en ese punto y derivar el resto del caudal por la reductora.
Como la demanda crece con los años, en un futuro será necesaria la sustitución de la turbina que se instale ahora por una mayor o, en su defecto, la conexión en paralelo de varias turbinas capaces de satisfacer la creciente demanda.

3

Conclusiones Económicas


La instalación de grupos turbogeneradores en los emplazamientos estudiados es económicamente rentable.
Un beneficio adicional que supone esta nueva instalación es el de reducir el desgaste en las válvulas reductoras de presión que se pretende sustituir y como consecuencia principal, reducir el mantenimiento de sus elementos constituyentes como, por ejemplo, el de sus circuitos piloto, encargados de controlar la presión aguas debajo de la reductora.

119

Capítulo 5: Conclusiones


El abastecimiento a depósito quedó estudiado en el Capítulo 4 y del abastecimiento a red tan sólo resta decir que, pese a que la inversión en tal caso es superior, debido al elevado precio del regulador de frecuencia y a que las turbinas serán en principio más grandes, la generación de potencia será elevada y la rentabilidad de la instalación será igualmente atractiva.

Figura 75: Caudales en abastecimiento a Red. Ubicación del caudalímetro en Covimar.

La Figura 753 muestra que las turbinas a emplazar en abastecimiento a red de suministro urbano serán, por regla general, más grandes que en el caso de abastecimiento a depósito porque el caudal promedio que abastece a la red es superior que el que abastece a un depósito y, por tanto, la turbina deberá dimensionarse para poder absorber mayores caudales. La siguiente tabla muestra, en términos numéricos, la diferencia entre los caudales nominales de las turbinas para ambos abastecimientos: CAUDAL NOMINALES [l/s] Abastecimiento a Red: COVIMAR

485

Abastecimiento a Depósito: ARANJUEZ

275

Tabla 7: Comparación de caudales entre abastecimiento a red y a depósito.


Queda para un posible estudio posterior, probablemente con un equipo piloto sobre el que realizar pruebas en un laboratorio, el estudio de la regulación simultánea con variación de frecuencia y con ajuste de apertura de paso del distribuidor Fink.

ANEXOS

121

Anexos

A Legislación vigente para la generación de energía en régimen especial Dicha legislación está recogida en las siguientes Leyes y en los siguientes Reales Decretos: A.1

Legislación estatal

Recogida en el Boletín Oficial del Estado (BOE): •

Ley 54/1997, de 27 noviembre, del sector eléctrico.

•

REAL DECRETO 2818/1998, de 23 de diciembre, sobre producción de energía eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energía renovables, residuos y cogeneración. REAL DECRETO 1433/2002, de 27 de diciembre, por el que se establecen los

•

requisitos de medida en baja tensión de consumidores y centrales de producción en Régimen Especial. REAL DECRETO 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología

•

para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. CORRECCIÓN de errores del Real Decreto 436/2004, de 12 de marzo, por el que se

•

establece la metodología para la sistematización y actualización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. A.2

Legislación autonómica

Recogida en el Boletín Oficial de la Comunidad de Madrid (BOCM): •

ORDEN 98/2005, de 13 de enero, de la Consejería de Economía e Innovación Tecnológica, por la que se regula la concesión de ayudas para la promoción de las energías renovables y del ahorro y la eficiencia energética para el período 20052007.

Anexos

•

122

Ley 2/2002 sobre estudios de impacto medioambiental y certificados de viabilidad urbanística.

123

Anexos

B Clasificación de instalaciones acogidas al régimen especial Dichas instalaciones se clasifican en las siguientes categorías, grupos y subgrupos, en función de las energías primarias utilizadas, de las tecnologías de producción empleadas y de los rendimientos energéticos obtenidos: •

Categoría a): Autoproductores que utilicen la cogeneración u otras formas de producción de electricidad asociadas a actividades no eléctricas, siempre que supongan un alto rendimiento energético. Tienen la consideración de autoproductor de energía eléctrica aquellas personas físicas o jurídicas que generen electricidad fundamentalmente para su propio uso, es decir, cuando se autoconsuma, al menos, el 30 por ciento de la energía eléctrica producida, si su potencia instalada es inferior a 25 MW, y, al menos, el 50 por ciento si su potencia instalada es igual o superior a 25MW. A estos efectos, tiene la consideración de cogenerador aquella persona física o jurídica que combina la producción de energía eléctrica con la producción de calor útil para su posterior aprovechamiento energético. Esta categoría a) se clasifica a su vez en dos grupos:
Grupo a.1 Instalaciones que incluyan una central de cogeneración. Dicho grupo se divide en dos subgrupos:


Subgrupo a.1.1: Cogeneraciones que utilicen como combustible el gas natural.




Subgrupo a.1.2: Resto de cogeneraciones.


Grupo a.2 Instalaciones que incluyan una central que utilice energías residuales procedentes de cualquier instalación, máquina o proceso industrial cuya finalidad no sea la producción de energía eléctrica. •

Categoría b): Instalaciones que utilicen como energía primaria alguna de las energías renovables no consumibles, biomasa, o cualquier tipo de biocarburante, siempre y cuando su titular no realice actividades de producción en el régimen ordinario.

124

Anexos


Grupo b.1 Instalaciones que utilicen como energía primaria la energía solar. Dicho grupo se divide en dos subgrupos:


Subgrupo b.1.1 Instalaciones que únicamente utilicen como energía primaria la solar fotovoltaica.




Subgrupo b.1.2 Instalaciones que utilicen como energía primaria para la generación eléctrica la solar térmica.


Grupo b.2 Instalaciones que únicamente utilicen como energía primaria la energía eólica. Dicho grupo se divide en dos subgrupos:


Subgrupo b.2.1 Instalaciones eólicas ubicadas en tierra.




Subgrupo b.2.2 Instalaciones eólicas ubicadas en el mar.


Grupo b.3 Instalaciones que únicamente utilicen como energía primaria la geotérmica, la de las olas, la de las mareas, la de las rocas calientes y secas, la oceanotérmica y la energía de las corrientes marinas.
Grupo b.4 Centrales hidroeléctricas cuya potencia instalada no sea superior a 10 MW.
Grupo b.5 Centrales hidroeléctricas cuya potencia instalada sea superior a 10 MW y no sea superior a 50MW.
Grupo b.6 Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de cultivos energéticos, de residuos de las actividades agrícolas o de jardinerías, o residuos de aprovechamientos forestales y otras operaciones selvícolas en las masas forestales y espacios verdes.
Grupo b.7 Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estiércoles, biocombustibles o biogas procedente de la digestión anaerobia de residuos agrícolas y ganaderos, de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de depuración de aguas residuales, así como el recuperado en los vertederos controlados.
Grupo b.8 Centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de instalaciones industriales del sector agrícola y forestal, o mezcla de los combustibles principales anteriores.

125

Anexos

•

Categoría c): Instalaciones que utilicen como energía primaria residuos con valorización energética no contemplados en la categoría b). Dicha categoría se divide en tres grupos:
Grupo c.1 Centrales que utilicen como combustible principal residuos sólidos urbanos.
Grupo c.2 Centrales que utilicen como combustible principal otros residuos no contemplados anteriormente.
Grupo c.3 Centrales que utilicen como combustible residuos, siempre que éstos no supongan menos del 50 por ciento de la energía primaria utilizada, medida por el poder calorífico inferior.

•

Categoría d): Instalaciones que utilizan la cogeneración para el tratamiento y reducción de residuos de los sectores agrícola, ganadero y de servicios, siempre que supongan un alto rendimiento energético. Todas las instalaciones pertenecientes a esta categoría tendrán una potencia instalada máxima de 25 MW. Dicha categoría se divide en tres grupos:
Grupo d.1 Instalaciones de tratamiento y reducción de purines de explotaciones de porcino de zonas excedentarias.
Grupo d.2 Instalaciones de tratamiento y reducción de lodos.
Grupo d.3 Instalaciones de tratamiento y reducción de otros residuos, distintos de los enumerados en los dos grupos anteriores.

126

Anexos

C Requisitos administrativos previos a la construcción de una instalación en régimen especial: •

Estudio de Impacto Ambiental: La empresa debe realizar dicho estudio y presentarlo en las oficinas de la Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad Autónoma de Madrid (c/ Cardenal Marcelo Spínola 14, Edificio F4).

•

Certificado de Viabilidad Urbanística: La empresa debe obtener dicho certificado en el Ayuntamiento del Municipio donde vaya a ser llevada a cabo la instalación en régimen especial. Este certificado debe ser presentado junto con el documento anterior en las mismas oficinas

•

Autorización Administrativa: Tras la presentación de los documentos anteriores se debe obtener esta autorización administrativa en la que se reflejan el reconocimiento de la condición de instalación de producción acogida al régimen especial y los derechos para su construcción y explotación. Dicha autorización será otorgada por la Comunidad Autónoma de Madrid, y para ello es necesario presentar una solicitud en la que deben figurar los siguientes datos y documentaciones adicionales:
Formulario de solicitud para la inclusión de la instalación en una categoría de productor en régimen especial, definiendo el tipo de instalación y la potencia que generaría para poder llevar a cabo dicha clasificación.
Nombre o razón social y domicilio del peticionario.
Capital social y accionistas con participación superior al 5%. Relación de empresas filiales en las que el titular tenga participación mayoritaria.
Descripción de las condiciones de eficiencia energética, técnicas y de seguridad de la instalación para la que se solicita la inclusión en el régimen especial.
Acreditación de las características técnicas y de funcionamiento de la instalación.
Relación de otras instalaciones acogidas al régimen especial de las que sea titular.
Realización de una evaluación cuantificada de la energía eléctrica que va a ser transferida a la red.

127

Anexos


Copia del balance y cuenta de resultados correspondiente al último ejercicio fiscal. El procedimiento a seguir consta de los siguientes pasos:
Presentación de la solicitud en las oficinas de la Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid, sección de Electricidad (c/ Cardenal Marcelo Spínola 14, Edificio F4, 4ª planta).
Dicho organismo tramitará la solicitud y la remitirá a la autoridad competente a nivel estatal, que será la encargada de autorizar la instalación en última instancia.
La resolución sobre la solicitud será notificada a la Comunidad Autónoma por la Dirección General de Política Energética y Minas en el plazo máximo de tres meses. La falta de notificación en plazo tendrá efecto desestimatorio aunque podrá interponerse, entonces, recurso de alzada ante la Comunidad de Madrid. •

Registro administrativo obligatorio: (según artículo 21.4 de la Ley 54/1997 dependiente del Ministerio de Economía) de este tipo de instalaciones y comunicación de la inscripción a la Comisión Nacional de la Energía, al operador del sistema y al operador del mercado a través de la Dirección General de Política Energética y Minas del Ministerio de Economía.

•

Tras obtener la autorización administrativa se deben seguir dos trámites adicionales para registrar la instalación:
Inscripción Previa: Se producirá de oficio al obtener la instalación la condición de instalación de producción acogida al régimen especial. Es la Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad Autónoma de Madrid la que da traslado, en un plazo máximo de un mes, a la Dirección General de Política Energética y Minas y a la Comisión Nacional de Energía de la inscripción de la instalación en el registro autonómico. La formalización de la inscripción previa dará lugar a la asignación de un número de identificación en el registro, que será comunicado a la Comunidad Autónoma para que ésta informe al interesado.
Inscripción Definitiva: Su solicitud se dirigirá al órgano competente de la Comunidad Autónoma (sección de Energías Renovables, c/ Cardenal Marcelo Spínola 14, edificio F4, 6ª planta) y debe incluir lo siguiente:


Contrato con la empresa distribuidora.

128

Anexos




Documento de opción de venta de la energía producida.




Certificado emitido por el encargado de la lectura de la compañía eléctrica, que acredite el cumplimiento de lo dispuesto en el Reglamento de puntos de medida de los consumos y tránsitos de energía eléctrica (aprobado en el RD 2018/1997).

Esta solicitud de inscripción definitiva puede ser presentada junto con la solicitud de acta de puesta en marcha de la instalación. Deben entregarse por tanto, modelo de inscripción del Anexo III del RD436/2004 acompañado del acta de puesta en marcha definitiva definida en el artículo 132 del RD 1955/2000. El plazo para la inscripción definitiva expira a los dos años de la presentación de inscripción previa, salvo acuerdo en contra. Dicho período de tiempo puede aprovecharse para la construcción, puesta en marcha y prueba de los equipos. La resolución de la inscripción previa se dará en el plazo de un mes y los titulares o explotadores de las instalaciones inscritas en este registro deberán enviar al órgano que autorizó la instalación, durante el primer trimestre de cada año, una memoria-resumen del año inmediatamente anterior. El funcionamiento en pruebas no debe exceder más de tres meses y será retribuido al 50% de la tarifa eléctrica media o de referencia de cada año.

Anexos

129

D Contrato tipo entre empresa distribuidora y empresa que genera en régimen especial El contrato debe incluir los siguientes datos: •

Punto de conexión y medida, indicando las características de los equipos de control, conexión, seguridad y medida.

•

Características cualitativas y cuantitativas de la energía cedida y consumida, especificando potencia y previsiones de producción, consumo, venta y compra.

•

Causas de rescisión o modificación del contrato.

•

Condiciones económicas.

•

Condiciones de explotación de la interconexión y circunstancias en las que se considere la imposibilidad técnica de absorción de los excedentes de energía.

•

Cobro de la tarifa regulada, incentivo y prima, si los hubiere, así como el complemento por energía reactiva por la energía entregada por el titular a la distribuidora.

130

Anexos

E Conexión a la red •

Mientras el Ministerio de Economía no establezca nuevas normas técnicas para la conexión a la red eléctrica de estas instalaciones, continúa en vigor la Orden del Ministerio de Industria y Energía, de 5 de septiembre de 1985. Asimismo, hasta entonces, deberán observarse los criterios siguientes: 1. Los titulares que no tengan interconectados en paralelo sus grupos con la red tendrán todas sus instalaciones receptoras o sólo parte de ellas conectables por un sistema de conmutación, bien a la red de la empresa distribuidora bien a sus grupos generadores, que asegurará que en ningún caso puedan quedar sus grupos generadores conectados a dicha red. 2. Los titulares que tengan interconectados en paralelo sus grupos con la red general lo estarán en un solo punto, salvo circunstancias especiales debidamente justificadas y autorizadas por la Administración competente, y podrán emplear generadores síncronos o asíncronos. 3. La energía suministrada a la red deberá tener un cos Ø lo más próximo posible a la unidad. Los titulares conectados en paralelo con la red deberán tomar las medidas necesarias para ello o llegar a acuerdos con las empresas distribuidoras sobre este punto. Para el cálculo del cos Ø, se tomará la energía reactiva demandada cuando se entrega energía activa a la red. 4. En relación con la potencia máxima admisible en la interconexión de una instalación de producción en régimen especial, se tendrán en cuenta los siguientes criterios, según se realice la conexión con la distribuidora a una línea o directamente a una subestación: a) Líneas: la potencia total de la instalación conectada a la línea no superará el 50 por ciento de la capacidad de la línea en el punto de conexión, definida como la capacidad térmica de diseño de la línea en dicho punto. b) Subestaciones y centros de transformación (AT/BT): la potencia total de la instalación conectada a una subestación o centro de transformación no superará el 50 por ciento de la capacidad de transformación instalada para ese nivel de tensión.

Anexos

•

131

El punto de conexión de las instalaciones que entreguen energía a la red general se establecerá de acuerdo entre el titular y la empresa distribuidora o transportista. El titular solicitará a dicha empresa el punto y condiciones de conexión que, a su juicio, sean los más apropiados. En el plazo de un mes, la empresa notificará al titular la aceptación o justificará otras alternativas. El titular, en caso de no aceptar la propuesta alternativa, solicitará al órgano competente de la Administración General del Estado o de las comunidades autónomas la resolución de la discrepancia, que deberá dictarse y notificarse al interesado en el plazo máximo de tres meses a contar desde la fecha de la solicitud.

•

Los gastos de las instalaciones necesarios para la conexión serán, con carácter general, a cargo del titular de la central de producción.

•

Si el órgano competente apreciase circunstancias en la red de la empresa adquirente que impidieran técnicamente la absorción de la energía producida, fijará un plazo para subsanarlas. Los gastos de las modificaciones en la red de la empresa adquirente serán a cargo del titular de la instalación de producción, salvo que no fueran exclusivamente para su servicio; en tal caso, correrán a cargo de ambas partes de mutuo acuerdo, teniendo en cuenta el uso que se prevé que van a hacer de dichas modificaciones cada una de las partes. En caso de discrepancia resolverá el órgano correspondiente de la Administración competente.

•

Siempre que sea posible, se procurará que varias instalaciones productoras utilicen las mismas instalaciones de evacuación de la energía eléctrica, aun cuando se trate de titulares distintos. Los órganos de la Administración competente, cuando autoricen esta utilización, fijarán las condiciones que deben cumplir los titulares a fin de no desvirtuarse las medidas de energía eléctrica excedentaria de cada una de las instalaciones de producción que utilicen dichas instalaciones de evacuación.

Bibliografía

132

F Presupuesto El presupuesto que se adjunta a continuación es el correspondiente a la turbina que se instalará en el abastecimiento a depósito sito en Aranjuez. Se comunicó al fabricante la necesidad de una turbina de 300l/s y 40mca y dicho fabricante facilitó el siguiente presupuesto:

Bibliografía

133

Bibliografía

134

Bibliografía

135

Bibliografía

136

Bibliografía

137

Bibliografía

138

G Fabricantes de microturbinas Se adjunta a continuación una relación de empresas suministradoras de microturbinas que hoy en día fabrican y distribuyen los equipos hidráulicos, eléctricos y de control necesarios para la construcción de la central. Asimismo estas empresas facilitan una serie de servicios imprescindibles para la puesta en marcha de la central. La oferta existente es muy amplia y las empresas dedicadas a la construcción de turbinas hidráulicas ya incluyen la posibilidad de distribuir la turbina acompañada del generador eléctrico y de todos los accesorios pertinentes para llevar a cabo el control de la instalación. Esto quiere decir que se obtiene directamente la unidad completa, lo que abarata los costes generales y reduce los tiempos de instalación. El estudio de mercado se ha realizado dividiendo la oferta existente en Nacional e Internacional. o

Oferta nacional: En la actualidad existen fundamentalmente las empresas españolas recogidas en la Tabla 8, que son capaces de diseñar y fabricar el tipo de turbina que se pretende instalar.

o

Oferta en el resto de la Europa: Se ha reducido la oferta internacional a la Unión Europea con el fin de reducir costes ya que, aunque existen numerosos posibles fabricantes en América y Asia, los precios de éstos son más elevados que los europeos, debido al plus por distribución y transporte. Los países europeos con más oferta en instalaciones del tipo buscado son Francia, Austria y Alemania. La Tabla 9 recoge los fabricantes extranjeros más relevantes.

139

Bibliografía


TyEH SALTOS DEL PIRINEO S.L.


MECÁNICA DE LA PEÑA, S.A.

Dr. Fleming, 2

Aita Gotzon, 37

25006 - Lleida

48610 Urduliz (Bizkaia)

Teléfono: 973 222636

Teléfono: 94 676 10 11


AVERLY, S.A.


NEYRPIC ESPAÑOLA, S.A.

Paseo Mª Agustín 57 - 59

Ctra. D´Esplugues, 191 - 217

50004 Zaragoza

08940 Cornella de Llobregat (Barcelona)

Teléfono: 976 44 50 72

Teléfono: 93 376 10 00


BALIÑO, S.A.


SERVO SHIP, S.L.

La Gándara - Corujo

Avda. Cataluña 35 - 37 bloque 4, 1º Izda.

36280 Vigo (Pontevedra)

50014 Zaragoza

Teléfono: 986 29 60 00

Teléfono: 976 29 80 39


BABCOCK HYDRO


TALLERES MERCIER, S.A.

Parque Tecnológico, Pabellón 105

Argualas, s/n

48016 Zamudio (Bizkaia)

50012 Zaragoza

Teléfono: 94 420 94 26

Teléfono: 976 56 10 17


KÖSSLER IBÉRICA, S.A.


VOITH HYDRO TOLOSA, S.L.

Madaripe Bidea, 2

Padre Larramendi, 8

48950 Erandio (Bizkaia)

20400 Tolosa (Gipuzkoa)

Teléfono: 94 467 60 12

Teléfono: 943 67 37 99 Tabla 8: Fabricantes nacionales

140

Bibliografía


VA TECH ESCHER WYSS S.L.




WASSERKRAFT VOLK AG

Paseo de la Castellana, 163

Am Stollen 13, 79261 Gutach, Alemania.

28046 Madrid, España

Tel: 0049 7685 91060

Tel: 0034 91 4251000

www.wkv-ag.com

www.vatech-hydro.com
GUGLER HYDRO ENERGY GMBH




MHyLab

4085 Niederranna 41, Austria.

CH - 1354 Montcherand

Tel: 0043 7285 514

Tel: 0041 24 442 87 87

www.hydro-energy.com
VIRY (ETS G.)


ALSTOM POWER HYDRO

88201 Remiremont Cedex

38041 Grenoble Cedex,9

Tel: 0329232782

Tel: 0476393000


CERGYDIS


EMTH

95801 Cergy Pontoise Cedex

27500 Tourville Sur Pont Audemer

Tel: 0134201340

Tel: 0232420093


ESAC ENERGIE


EKOWATT.CZ

70320 Cobenay

www.ekowatt.cz

Tel: 0384490484

Tabla 9: Fabricantes extranjeros

141

Bibliografía

Bibliografía o

Guía Técnica sobre tuberías para el transporte de agua a presión. Editorial CEDEX, Ministerio de Fomento y Ministerio de Medio Ambiente.

o

Cameron Hydraulic Data. Editorial Ingersoll - Rand. C. C. Heald.

o

Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Claudio Mataix. Editorial del Castillo, S.A.

o

Hidráulica General. Volumen 1 - Fundamentos. Gilberto Sotelo. Limusa Noriega Editores.

o

Centrales Hidroeléctricas. Gaudencio Zoppetti. Editorial Gustavo Gili S.A.

o

Válvulas Automáticas Ross.

o

Layman's handbook on how to develop a small hydro site (Second Edition) Comission of the European Communities.

o

Curso de Economía de la empresa. Andrés S. Suárez Suárez. Editorial Pirámide.

o

Petites centrales hydrauliques. Sylvain Perrin.

o

Turbines hydrauliques. Énergies renouvelables. Editorial Pacer.

o

Minihidráulica en el País Vasco. Editor: Ente Vasco de Energía. División de investigación y recursos.

o

Departamento de ingeniería eléctrica y energética universidad de Cantabria http://www.termica.webhop.info/

o

http://www.fi.uba.ar/materias/6720/unidad5c.PDF