universidad pontificia comillas proyecto fin de carrera

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
viii
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
xi
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
2
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
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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