Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Managua, enero de 2014 1 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Créditos La “Sistematización de Lecciones Aprendidas por tipo de Tecnología, y Evaluación de Resultados e Impactos de Proyectos Pilotos y Estudios finalizados de la AEA”, fue realizada por la Empresa de Consultoría e Inversiones CABAL, S.A., a solicitud de la Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica (AEA). Las opiniones y los argumentos que figuran en esta publicación, no representan el punto de vista oficial de la AEA o de los gobiernos de sus países miembros, sino más bien, del equipo consultor. Cualquier consulta, o aclaración puede ser dirigida a Desirée Elizondo, Coordinadora de Equipo de Consultores. Correo Electrónico: [email protected] Los derechos de autor vinculado con los materiales producidos por este contrato, son propiedad exclusiva de la Secretaría General del Sistema de la Integración Centroamericana (SG-SICA). 2 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Contenido 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................................... 6 2. FACTORES CLAVES PARA LA GESTIÓN DE LOS PROYECTOS ............................................................................... 7 2.1. Contexto de políticas públicas ........................................................................................................................................ 7 2.2. Definición y objetivos del proyecto .................................................................................................................................. 9 2.3. Consideraciones económicas y culturales del sector social a intervenir ....................................................................... 10 2.4. Definición de un modelo de negocio para la implementación de la tecnología ............................................................. 11 2.5. Plan de mercadeo del proyecto..................................................................................................................................... 12 2.6. Sensibilización y participación de los beneficiarios en el alcance del proyecto ............................................................ 13 2.7.Incorporar el aprendizaje de errores y fracasos de otros proyectos implementados en la región ................................ 14 3. ASPECTOS TECNOLÓGICOS DE LAS MINICENTRALES ELÉCTRICAS PARA SISTEMAS AISLADOS ................ 15 3.1 Mini y microcentrales hidroeléctricas ............................................................................................................................. 15 3.2. Evaluación del recurso hidroenergético ....................................................................................................................... 17 3.3. Medición del caudal ...................................................................................................................................................... 26 3.4. Obras civiles.................................................................................................................................................................. 33 3.5. Equipos electromecánicos ............................................................................................................................................ 39 3.6. Regulación de velocidad ............................................................................................................................................... 50 3.7. Sistema de transmisión de potencia mecánica ............................................................................................................. 56 3.8. Redes eléctricas............................................................................................................................................................ 58 4. FACTORES CLAVES EN LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS PROYECTOS ................................................................... 60 4.1. Selección adecuada de los usuarios y decisión voluntaria de participación ................................................................. 60 4.2. Coparticipación de los usuarios en los costos de implementación de la tecnología ..................................................... 61 4.3. Usuarios participan en la construcción y/o montaje del sistema ................................................................................... 61 4.4. Control de calidad en la construcción y montaje del proyecto micro hidroeléctrico ...................................................... 62 4.5. Capacitación para la adopción de la tecnología, uso y mantenimiento......................................................................... 62 5. FACTORES CLAVES EN EL MONITOREO (OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO) Y SOSTENIBILIDAD ..................... 63 5.1. Monitoreo y soporte técnico en el largo plazo ............................................................................................................... 63 5.2. Capacitación para el uso del sistema eléctrico ............................................................................................................. 63 5.3. Reforzamiento de capacitación en la operación y mantenimiento ................................................................................ 64 6. ANÁLISIS DE FACTORES FACILITADORES Y LIMITANTES EN EL DESARROLLO DE LAS PCH.......................... 65 6.1. Factores facilitadores en la gestión de las minicentrales evaluadas ............................................................................. 65 6.2. Análisis de factores que inciden en la eficacia de la PCH en la generación de servicios de electricidad ..................... 68 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 70 8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................................... 71 3 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Índice de Imágenes Figura 1. Transformación de energía hidráulica en energía eléctrica………………………………………………. 15 Figura 2. Componentes de una PCH…………………………………………………………………………………... 16 Figura 3. El concepto de salto o caída.………………………………………………………………………………… 17 Figura 4a. Medida del salto con una manguera de nivel usando la altura de una persona……………………… 20 Figura 4b. Medida del salto con una manguera de nivel usando una varilla graduada………………………….. 20 Figura 4c. Ejemplo de hoja para toma de medidas y suma para la altura bruta………………………………….. 21 Figura 5. Medición del salto usando una manguera y un manómetro…………………………………………….. 21 Figura 6. Calibración del manómetro…………………………………………………………………………………... 22 Figura 7. Uso de un nivel de carpintero para medir el salto………………………………………………………... 23 Figura 8. Uso del altímetro para medir el salto………………………………………………………...................... 24 Figura 9. Uso del eclímetro.…………………………………………………………………………………………… 25 Figura 10. Uso del nivel de ingeniero.………………………………………………………………………………… 25 Figura 11. Método de la solución de la sal.………………………………………………………………………….. 26 Figura 12. Conductivímetro portátil.…………………………………………………………………………………… 28 Figura 13. Curva de conductividad vs. concentración de sal.……………………………………………………... 28 Figura 14. Utilización del método del recipiente.……………………………………………………....................... 29 Figura 15. Dibujando el área de la sección transversal de la corriente.………………………………………….. 30 Figura 16. Regla graduada en una sección de control.……………………………………………………........... 31 Figura 17. Lectura del caudal para diversos tipos de vertederos de pared delgada……………………............ 32 Figura 18. Desarenador.……………………………………………………………………………………………….. 35 Figura 19. Tipos de canales.…………………………………………………………………………………………… 36 Figura 20. Cámara de carga.…………………………………………………………………………………………… 37 Figura 21. Descargador, vertedero y rejilla…………………………………………………………………………… 37 Figura 22. Elementos de la tubería de presión……………………………………………………………………….. 38 Figura 23. Casa de máquinas…………………………………………………………………………………………... 39 Figura 24. Turbina Kaplan (reacción), izquierda y Pelton (acción) derecha………………………………………. 40 Figura 25. Turbina Pelton…………………………………………………………………………………………......... 40 Figura 26. Turbina Turgo…………………………………………………………………………………………........... 41 Figura 27. Turbina Francis…………………………………………………………………………………………........ 42 Figura 28. Turbina Michell–Banki………………………………………………………………………………………. 43 Figura 29. Uso de bombas como turbinas……………………………………………………………………………... 43 4 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 30. Turbina Kaplan……………………………………………………………………………………………….. 44 Figura 31. Generador síncrono…………………………………………………………………………………………. 45 Figura 32. Generador asíncrono o de inducción……………………………………………………………………… 45 Figura 33. Tablero de control y regulador……………………………………………………………………………... 46 Figura 34. Esquema básico de tablero de control de generación…………………………………………………... 47 Figura 35. Diagrama de bloques de un AVR electrónico…………………………………………………................ 50 Figura 36. Sistema de regulación manual del caudal de agua…………………………………………………....... 52 Figura 37. Válvula de regulación de caudal automática…………………………………………………................. 53 Figura 38. Diagrama general de un regulador de velocidad………………………………………………….......... 53 Figura 39. Regulador electrónico de carga…………………………………………………………………………... 55 Figura 40. Diseño de un regulador de velocidad electrónico………………………………………………………. 55 Figura 41. Sistema de transmisión de una etapa……………………………………………………………………. 57 Figura 42. Conexión desde la casa de máquinas hasta el centro de distribución……………………………….. 58 Figura 43. Esquema eléctrico de líneas de transporte y redes de distribución…………………………………... 59 Figura 44. Familias de causas de anomalías identificadas en la generación de energía de las PCH …………... 69 Índice de Tablas Tabla 1. Comparación de técnicas…………………………………………………………………………………….. 18 Tabla 2. Lecturas en casa de fuerza y cámara de carga……………………………………………………….. 24 Tabla 3. Efectos negativos debido a una operación en baja frecuencia………………………………………….. 50 Tabla 4. Efectos negativos debido a operación en alta frecuencia………………………………………………... 51 Tabla 5. Tensión de generación recomendada para algunas potencias………………………………………... 59 Tabla 6. Temario básico para la inducción del personal de mantenimiento……………………………….......... 64 5 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 1. INTRODUCCIÓN De acuerdo con estadísticas del Sistema de Integración Centroamericana (SICA), el 58 por ciento de la producción eléctrica en Centroamérica proviene de energías renovables. La misma fuente indica que casi veinte millones de personas no tienen acceso a la electricidad en esta región, lo que implica que uno de cada cinco centroamericanos carece de electricidad, por lo que el istmo tiene potencial para el uso de las energías renovables. De acuerdo con la Comisión Económica para América Latina y el Caribe (CEPAL), la producción de electricidad en los seis países centroamericanos ascendió a 44 mil 298 gigavatios por hora, lo que es 4,7 por ciento superior a la registrada en 2011. En el año 2012, la energía se generó a partir de fuentes hidráulicas, combustibles fósiles, geotermia, bagazo de caña de ingenios azucareros y viento. Aunque es necesario establecer un clima adecuado para las inversiones relativamente caras que se necesitan, con el fin de impulsar la producción de energías renovables, también se puede dar otra gran lucha contra la falta de electrificación, mediante los pequeños sistemas aislados, que además descentralizan el sistema de los grandes operadores y distribuidoras, que tienen intereses más económicos que sociales. Los patrones actuales de suministro de energía van a tener muchos problemas para abastecer de electricidad a dichas comunidades y así incrementar los indicadores de tasas de electrificación. Si se ve desde un punto de vista económico, no es rentable llevar energía a muchos de los poblados sin electrificación por el bajo volumen de demanda de energía y el limitado poder de compra de estas poblaciones, con lo que esta situación se convierte en un círculo vicioso. Además, se debe considerar que la gran mayoría de las poblaciones rurales sin electrificar en Centroamérica, se encuentran aisladas de las vías de comunicación, y que las situaciones geográficas no son favorables para la extensión de la red. Por último, en ocasiones hay temas políticos que hacen que la expansión de las redes eléctricas no sea una opción viable para ciertas comunidades. Las personas sin acceso a la energía convencional, recurren al uso de otras fuentes para iluminación o electricidad, generalmente querosenos, gasóleos (diesel) y otras lámparas de gas. Otra alternativa son baterías de automóviles, entre otros aparatos con pilas para poder proveer de energía a un par de focos, una televisión o un pequeño radio. Estas alternativas tienen una consecuencia importante en costo, seguridad y daño al medio ambiente: una lámpara de queroseno emite gases tóxicos para el ambiente y para la salud. Además de ser fuentes de energía caras e ineficientes, los proveedores de estos combustibles probablemente están a varios kilómetros de sus hogares y pueden abusar del consumidor final. Por otro lado, los alternadores de automóvil no están diseñados para descargas profundas y en muchas ocasiones acaban siendo mal depositados, causando fugas de ácidos que dañan al medio ambiente. Los proyectos de electrificación rural contemplan el uso de energías renovables a partir de las cuales se puede dotar de energía eléctrica a pequeñas comunidades aisladas que cuentan dentro de su inventario con vastos recursos a partir de los cuales es posible, mediante la tecnología adecuada, obtener energía eléctrica limpia, permanente y a un costo menor que con fuentes fósiles. La energía hidroeléctrica es una tecnología que aprovecha el movimiento del agua como fuente limpia, para generar electricidad que podrá ser empleada en los hogares para iluminación así como para todo tipo de electrodomésticos. Los proyectos hidroeléctricos cuya capacidad de generación oscila entre 50 y 500 KW se denominan micro hidroeléctricos. A nivel rural, son muy utilizados porque permiten manejar pequeñas cantidades de agua para la 6 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas generación de electricidad; es decir, no implican la construcción de grandes obras de infraestructura para dotar de electricidad a la población. Los principales componentes de un proyecto micro hidroeléctrico son los siguientes: toma, conducción, desarenador, tubería de presión y casa de máquinas. En el presente documento se esbozarán los principales factores que garantizan el éxito de un proyecto de generación micro hidroeléctrico, además de abordar las características tecnológicas del mismo. 2. FACTORES CLAVES PARA LA GESTIÓN DE LOS PROYECTOS 2.1. Contexto de políticas públicas En la actualidad, cerca de una cuarta parte de la población mundial carece de acceso a la energía eléctrica, realidad que afecta principalmente a comunidades rurales de países en desarrollo. La estrategia convencional para dar acceso a la electricidad consiste en extender la red eléctrica, pero esta solución se ve limitada cuando se trata de llegar a comunidades rurales dispersas y en zonas de difícil acceso. Los sistemas de electrificación basados en fuentes de energía renovable han demostrado ser adecuados para proveer energía de forma autónoma a comunidades aisladas. El fundamento de la electrificación rural (ER) es el de permitir el acceso al suministro de electricidad de los pueblos del interior del país, como un medio para contribuir a su desarrollo económico-social, mitigar la pobreza, mejorar su calidad de vida y desincentivar la migración del campo a la ciudad, en el marco de una acción conjunta del Estado para el desarrollo rural integral. Con la implementación de proyectos de electrificación rural, se espera incrementar el poder adquisitivo de la población rural, mediante la utilización de la electricidad en actividades productivas; asimismo, se requiere identificar, evitar, prevenir, mitigar o compensar los impactos culturales, sociales y ambientales que estos proyectos pudieran ocasionar. La electrificación rural presenta generalmente las siguientes características especiales: • Lejanía y poca accesibilidad a sus localidades. • Consumo unitario reducido. • Poblaciones y viviendas dispersas. • Bajo poder adquisitivo de los habitantes. Adicionalmente, al no existir suficiente infraestructura vial, tampoco cuentan con infraestructura social básica en salud, educación, saneamiento, vivienda, obras agrícolas, etc. Esta situación determina una baja rentabilidad económica para los proyectos de electrificación rural, lo que motiva que no sean atractivos a la inversión privada y requieran de la participación activa del Estado. No obstante, los proyectos de electrificación rural tienen una alta rentabilidad social, ya que integran a los pueblos a la modernidad, educación, comunicación con el mundo, mejoras en salud, amplía el horizonte de vida, facilita 7 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas las labores domésticas a las amas de casa, y además sirve para promocionar proyectos de uso productivo, como bombeo de agua potable y regadío, panaderías, pequeñas soldadoras, aserraderos, entre otras pequeñas industrias. Dada su alta rentabilidad social es que se han realizado ingentes esfuerzos a nivel mundial para dotar de energía eléctrica aún a los poblados más alejados. Este esfuerzo ha sido conjunto entre gobiernos nacionales, gobiernos locales y comités regionales, que, con el apoyo de organizaciones mundiales, como el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), Banco Mundial (BM) y diversas organizaciones no gubernamentales (ONGs) han procurado aportar el financiamiento necesario para hacer realidad los proyectos que se han planteado en las diferentes regiones, según los recursos naturales con los que se cuente: agua, sol, viento, biomasa o bien una mezcla de dos o más de los anteriores. Para llevar a cabo un proyecto de electrificación rural se requiere que exista una coyuntura que favorezca la comunicación entre las comunidades solicitantes de la energía eléctrica y los gobiernos local y nacional. Adicionalmente, se deberá contar con una estructura de apoyo compuesta por expertos, que permita, a partir de una simple solicitud, realizar la correspondiente valoración y formulación del proyecto, de manera que se demuestre el impacto social positivo que causará su ejecución. A nivel de gobierno nacional, es vital que existan leyes específicas que propicien y favorezcan el desarrollo de proyectos eléctricos aislados, basados en energías renovables que beneficien a la mayor cantidad de población posible. Por su parte, los gobiernos locales serán los responsables de propiciar la creación de comités de desarrollo rural que se organicen para gestionar sus necesidades, además de evaluar la viabilidad técnica y económica de los diferentes proyectos que se le presenten. En el tercer nivel se encuentran los ya mencionados comités de desarrollo comunal, que son los que realmente conocen las necesidades específicas de las localidades, así como también los recursos naturales disponibles. La solicitud del proyecto deberá salir del seno de las comunidades que carecen de electricidad, lo que implica que exista una organización comunal previa, que determine las necesidades básicas de abastecimiento eléctrico, incluyendo iluminación para escuelas. En cuanto a proyectos microhidroeléctricos, la comunidad deberá contar con fuentes hídricas: ríos, riachuelos y lagos, que permitan –sin afectar las actividades normales de la región– tomar el agua necesaria para la generación eléctrica, con una capacidad al menos suficiente para suplir durante todo el año las necesidades básicas antes determinadas. El comité comunal presentará la solicitud ante el gobierno local. Seguidamente, el gobierno local realizará los estudios básicos necesarios para determinar la viabilidad del proyecto solicitado. Para ello, deberá contar con un grupo de consultores –que bien podrían ser ONGs– capaces de realizar la evaluación técnica y económica de los recursos naturales con los que cuenta la región que está solicitando energía eléctrica. Los expertos deberán valorar la capacidad de generación eléctrica considerando todos los recursos naturales existentes, de manera que se proponga el proyecto que resulte más rentable tanto para la población solicitante, como para su desarrollador. Una vez que el proyecto ha sido valorado técnica, ambiental y económicamente, se somete a nivel de gobierno nacional con el fin de que éste gestione los recursos necesarios para su ejecución. Para ello se valorarán aspectos de tipo social, cultural y económico, entre otros. Dentro de los posibles financiadores del proyecto se encuentran: ONGs, bancos, inversionistas privados nacionales e internacionales, entre otros. 8 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 2.2. Definición y objetivos del proyecto 2.2.1. Aspectos generales Como primer paso para la formulación del proyecto de electrificación rural, se debe determinar la demanda de la población, considerando para cada uno de los consumidores potenciales, los componentes mínimos requeridos para satisfacer sus necesidades, incluyendo: iluminación, conexión de equipos eléctricos variados (TV, radio, plantilla eléctrica, refrigeradora), entre otros. A partir de la demanda existente, se evalúa la oferta energética que podría generarse a partir de los recursos naturales disponibles en la zona, como: agua, sol, viento y biomasa. Con base en los resultados obtenidos, se elaborará el proyecto de electrificación rural en el que se establecerán claramente los alcances del mismo, entre los que se encuentran los siguientes: Fuente(s) naturales de generación eléctrica. Capacidad de generación máxima y mínima a lo largo de todo el año. Área de cobertura del proyecto. Porcentaje de la demanda a satisfacer. Plan de expansión a futuro (en caso de que aplique). Adicionalmente, el proyecto deberá establecer claramente los objetivos para los cuales fue concebido, es decir: Dotar de energía eléctrica a casas de habitación, escuelas, etc., ubicadas dentro del área delimitada por el proyecto. Mejorar la calidad de vida de los habitantes. Propiciar el desarrollo de comercio y de pequeñas industrias, lo que no era posible sin fluido eléctrico. Facilitar las labores domésticas habituales. Disminuir la migración hacia regiones con mayor desarrollo económico, gracias a que se podrán crear nuevas fuentes de trabajo. 2.2.2. Cuantificación de los componentes y costos Una vez determinados los alcances y objetivos del proyecto se deberá cuantificar y presupuestar los distintos elementos que formarán parte del mismo, por ejemplo: 1. Cantidad de luminarias para cada una de las unidades habitacionales, escuela, puestos de salud, etc. 2. Cantidad de enchufes disponibles, así como también las cargas máximas que podrán ser conectadas a éstos (radio, TV, plantilla, refrigeradora, etc.). Además de los elementos mencionados, se deberán cuantificar los estudios requeridos para la puesta en marcha del proyecto, incluyendo todos los componentes tecnológicos del proyecto de generación. 9 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Usualmente para proyectos menores de 50 KW, el costo oscila entre 3.000 $/KW y 10.000 $/KW, lo que dependerá de la complejidad o simplicidad del esquema requerido, la calidad de los equipos, el alcance de los estudios previos, mediciones y estudios básicos así como las asesorías técnicas y legales previas a su construcción. En lo que respecta a los estudios requeridos para el desarrollo de un proyecto de esta naturaleza, es vital llevar a cabo estudios de factibilidad de alta calidad que garanticen el éxito del proyecto. Dentro de los estudios básicos se encuentran los siguientes: Estudios técnicos que valoren los recursos disponibles –calidad y cantidad–, así como la tecnología más adecuada para el mayor aprovechamiento de los recursos. Estudios legales: revisión de la legislación local respecto a restricciones para el desarrollo del proyecto. Estudios ambientales: que valoren los impactos que tendrá el proyecto dentro de la zona de desarrollo. Estudios económicos y financieros: elaboración de un modelo de negocio, establecimiento de costos totales, flujos de caja a lo largo de la vida útil del proyecto, etc. Para el tipo de proyectos de desarrollo rural y de bienestar social, muchos de los componentes suelen darse en especie o por medio de donaciones, lo cual abarata el costo a las comunidades. Normalmente los estudios y los equipos son aportados por entidades no gubernamentales o programas de apoyo de bancos de desarrollo. Generalmente, éstos últimos aportan los fondos para los estudios previos y la compra de los equipos y materiales, como es el caso de la AEA; dejando a la comunidad el aporte de mano de obra y labores de construcción no especializada, así como el posterior mantenimiento con la adecuada capacitación y supervisión durante las primeras etapas. Es precisamente en la calidad de materiales y equipos donde se debe prestar especial atención, seleccionando aquellos que sean los más adecuados, de manera que en la fase operativa la planta no salga de operación por deficiencias atribuibles principalmente a baja calidad de los mismos. Esto toma en cuenta que debido a que las comunidades en cuestión, por su misma condición de lejanía, tienen tiempos de respuesta muy lentos. Generalmente la construcción de este tipo de proyectos no conlleva la adquisición de deudas por parte de las comunidades beneficiadas, ya que la totalidad del dinero requerido es obtenido por medio de donaciones de diferentes organismos o del Estado. Sin embargo, la comunidad debe establecer el cobro de una cuota mensual para todos los participantes, que permita recolectar el capital necesario para la adecuada operación y mantenimiento del proyecto; además de generar un fondo para eventuales reparaciones. El monto de esta cuota dependerá de las posibilidades económicas de los participantes del proyecto y de su aporte relativo durante las etapas de construcción, tal y como se discutirá en el apartado 2.4. 2.3. Consideraciones económicas y culturales del sector social a intervenir Para lograr que el proyecto de electrificación sea exitoso, es de capital importancia incorporar desde las etapas iniciales del mismo, a la mayor cantidad posible de habitantes que se verán favorecidos con su construcción. Para ello, es de suma importancia considerar aspectos de índole social, cultural y económico, de manera que el planteamiento del proyecto sea lo más incluyente posible. Dentro de los aspectos básicos a considerar se pueden citar: Sexo 10 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Distribución etaria Nivel de alfabetización Oficios Lenguas o idiomas Diferencias culturales Capacidad de pago Disposición a participar en el proyecto. Etc. Una vez que se ha logrado incorporar al proyecto a la mayor cantidad de personas, se deberá crear un comité para su ejecución. Este comité será el encargado de servir como enlace entre los diferentes actores que participarán durante el desarrollo del mismo. Dentro de las tareas que le corresponderán al comité, están las siguientes: 1. Levantar una lista de interesados en participar desde el inicio en el proyecto de electrificación. 2. Colaborar en la determinación de la demanda. 3. Mantener informada a la población de los avances del proyecto. 4. Acudir a las reuniones con el gobierno local relacionadas con el proyecto. 5. Colaborar con los grupos de apoyo –consultores, inversionistas, etc. facilitándoles la información requerida. 6. Elegir a un tesorero para la etapa de ejecución del proyecto. 7. Formar el grupo de mantenimiento. 8. Participar activamente de todas las etapas del proyecto, de manera que la información pueda ser comprendida por la totalidad de los miembros, considerando aspectos como alfabetización, lenguaje, etc. Cada uno de los miembros del comité, así como las personas encargadas del mantenimiento y tesorería, recibirán capacitación por parte de personal experto, para que puedan cumplir eficientemente todas sus funciones. 2.4. Definición de un modelo de negocio para la implementación de la tecnología Luego de haber definido claramente el proyecto: tecnología (fuente), alcances, participantes, duración, costo total, costo de mantenimiento, etc., se establecerá de forma clara el modelo de negocio que mejor se adapte a las condiciones de ambas partes participantes: desarrolladores (quienes financiarán el proyecto) y beneficiarios. Para ello, existen varias posibilidades: Conseguir financiamiento por medio del gobierno nacional, con entidades bancarias como el Banco 11 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Mundial, BID, o bien de programas de desarrollo como el PNUD (Naciones Unidas), que permitan tener acceso a créditos blandos y a largo plazo. Obtener donaciones de ONGs que permitan desarrollar la primera etapa del proyecto y luego sufragar los costos de mantenimiento y operación con ingresos propios. Reunir fondos entre los beneficiarios del proyecto para cubrir una porción importante del costo del mismo y conseguir el resto del dinero mediante alguna de las vías antes mencionadas. Sin importar los mecanismos por medio de los cuales se obtendrían los fondos para la construcción y puesta en marcha del proyecto, para su adecuada operación y mantenimiento será necesario establecer una cuota entre los beneficiarios para que se cubran todos los costos asociados con dichas actividades, y que adicionalmente permita generar un fondo que a futuro pueda servir para incrementar la capacidad instalada inicial, brindar mantenimiento correctivo importante a las instalaciones, sustitución de tecnología, etc. La cuota que deberá pagar mensualmente cada uno de los beneficiarios del proyecto, podrá establecerse principalmente de las siguientes formas: Cuota fija: determinación de los costos totales más el ahorro deseado entre la cantidad de beneficiarios. Cuota diferenciada: en esta modalidad la cuota será establecida de acuerdo con el consumo de cada uno de los beneficiarios, basada en la demanda determinada desde el inicio del proyecto. Cuota de socios fundadores: se establecerá desde el inicio del proyecto que los beneficiarios que participaron desde el inicio del proyecto pagarán una cuota menor que aquéllos que se unan posteriormente. Asimismo, se deberá nombrar a uno o varios tesoreros, quienes serán los encargados de cobrar periódicamente la cuota establecida, pagar la cuota del crédito –si lo hubiera– así como rendir cuentas ante el comité del proyecto, mostrando claramente los estados financieros del mismo. Otra de las funciones del tesorero, será la de vender repuestos, tales como bombillos, sockets, apagadores y enchufes, para los sistemas instalados. 2.5. Plan de mercadeo del proyecto Luego que los expertos determinen la viabilidad técnica, ambiental y económica del proyecto, se deberá elaborar un plan de mercadeo que contribuya a gestionar los fondos requeridos para su desarrollo. Para ello será necesario buscar el más adecuado entre los posibles mecanismos de financiamiento del mercado mundial, considerando lo siguiente: Costo total del proyecto. Vida útil del mismo. Capacidad de pago de los beneficiarios. 12 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Costo financiero. Plazo de repago. Posibilidad de conseguir donaciones parciales o totales. Posibilidad de asesoría en las diferentes etapas del proyecto. El plan de mercadeo deberá estar enmarcado como un proyecto de bienestar social que tendrá como objetivos principales los enumerados en el apartado 2.2 y que beneficiará a una población deprimida económicamente. Instituciones nacionales o internacionales relacionadas con el desarrollo y bienestar humano, ayudarán a conseguir los fondos necesarios para la puesta en marcha del proyecto. El gobierno nacional jugará un papel muy importante en esta etapa, en caso de que existan incentivos de tipo tributario para las empresas y/o inversionistas que colaboren en este tipo de proyecto. 2.6. Sensibilización y participación de los beneficiarios en el alcance del proyecto Por naturaleza, el ser humano es reacio al cambio, de ahí que no resulte extraño que al inicio del proyecto muchos de los miembros de la comunidad decidan no participar hasta tanto no comprueben los beneficios reales de la energía eléctrica. Tal y como se mencionó en el apartado 2.3, gran parte del éxito depende de la masiva participación de los miembros de la comunidad; para ello es vital sensibilizar a la población sobre los múltiples beneficios que se lograrán con la instalación de un sistema de energía eléctrica. Dicha sensibilización deberá ser realizada por personal capacitado técnica y pedagógicamente, y no por personas solo entusiastas, que desean a toda costa que el proyecto se lleve a cabo. Desde el inicio del proyecto se deben establecer las reglas de participación, con el fin de cuantificar los esfuerzos de quienes confiaron y participaron desde sus inicios, de manera que aquellos que decidan incorporarse posteriormente, cubran al menos el aporte realizado por los miembros fundadores. En vista de que un proyecto de esta naturaleza requiere un importante componente de obra civil, gran parte del aporte inicial de los miembros será mediante su participación en la construcción de las obras de infraestructura, la que será cuantificada de manera que se contabilice el aporte realizado por cada una de las familias beneficiarias. De esta manera, los que decidan incorporarse posteriormente, deberán realizar un aporte económico o mediante su trabajo, que cubra al menos lo aportado por los demás miembros de la comunidad. Como se mencionó en el apartado 2.4, la comunidad contará con al menos un tesorero –nombrado por el comité administrador del proyecto–, quien será la persona encargada de administrar el dinero recolectado por las cuotas mensuales, venta de repuestos, cuotas extraordinarias, etc. El trabajo desempeñado por el tesorero deberá ser remunerado, para lo cual, desde el momento de su nombramiento, el comité del proyecto deberá establecer el monto de su remuneración, así como la forma y periodicidad de pago, para incluirlo entre los costos operativos mensuales. Otra de las actividades que deberá ser contemplada dentro de los costos normales, es el mantenimiento del sistema instalado, por ello se deberá crear un comité de mantenimiento y buena operación del proyecto, conformado por miembros de la comunidad que se comprometan a obtener el mayor rendimiento posible del proyecto. Entre las actividades normales de mantenimiento, se tendrán las siguientes: Revisión y eventual reparación de la tubería a todo lo largo de su trazado. 13 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Eliminación de objetos grandes que hayan caído y que puedan obstruir el libre paso del agua hacia la casa de máquinas. Limpieza de los tamices contenedores de objetos medianos y grandes. Revisión del “embalse” para determinar que no existan fuentes de contaminación del agua. Aceitado y engrasado de piezas móviles. Sustitución de piezas mecánicas de acuerdo con su vida útil. Mantenimiento correctivo en el trazado. Reparaciones de la línea de transmisión del proyecto: postes y cableado. Al igual que en el caso del tesorero, los encargados del mantenimiento del proyecto deberán ser remunerados por su labor. El plazo y forma de pago deberá quedar claramente establecido desde los inicios del proyecto. 2.7. Incorporar el aprendizaje de errores y fracasos de otros proyectos implementados en la región Tal y como se establece en la filosofía japonesa del Kaizen, se debe procurar la mejora continua en toda actividad humana, por lo tanto, otro de los puntos fundamentales para garantizar el éxito de cualquier proyecto está en aprovechar las lecciones aprendidas de proyectos similares, con el fin de no cometer los mismos errores, sino, por el contrario, valerse de las mejoras realizadas para sacarle el máximo provecho. De las experiencias de los países visitados para la elaboración de este trabajo --Nicaragua, República Dominicana y El Salvador--, se desprende que existen patrones que se repiten de país a país y que deben considerarse, por ejemplo: Aprovechar al máximo la caída de agua, con el fin de lograr la mayor generación eléctrica posible. Lo anterior se puede logar con ingeniería de buen nivel que maximice la cuenca analizada. Instalar sistemas híbridos que permitan suplir el máximo de demanda posible aún durante la estación seca. Determinar adecuadamente las pérdidas sufridas a lo largo del tendido eléctrico, con el fin de establecer correctamente el porcentaje de demanda a satisfacer. Proteger las fuentes de agua mediante reforestación. Motivar a toda la comunidad para que se involucre en el proyecto de manera que todos velen por el bienestar de los equipos. Lograr desde el inicio un compromiso claro por parte de toda la comunidad para que se pague la cuota establecida, de acuerdo a la capacidad de pago. Conocer las tradiciones culturales de la región en la que se establecerá el proyecto de manera que el modelo propuesto vaya de la mano con su idiosincrasia. Las comunidades rurales utilizarán el recurso hídrico en primera instancia para satisfacer sus 14 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas necesidades básicas de ingesta, cocción, higiene y riego, y en segundo lugar, para la generación eléctrica, por lo que, cuando exista escasez, la población utilizará el agua para sus labores cotidianas antes que para la producción de energía. Establecer mecanismos de contingencia para cuando no exista el caudal suficiente para dotar de energía a todos los miembros de la comunidad. Mantener la cercanía entre la compañía consultora y la organización comunitaria en todas las gestiones necesarias. Monitorear constantemente las modificaciones en la legislación, para determinar si existe riesgo para el proyecto. 3. ASPECTOS TECNOLÓGICOS DE LAS MINICENTRALES ELÉCTRICAS PARA SISTEMAS AISLADOS Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de la energía de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. La energía se obtiene gracias a la fuerza del agua, la cual, al caer desde cierta altura, provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. 3.1 Mini y microcentrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas pueden definirse como las instalaciones en las que se aprovecha la energía contenida en una masa de agua ubicada a una cierta altura y la transforma en energía eléctrica. Esto se logra llevando el agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior en el que existen una o varias turbinas hidráulicas que son movidas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios generadores, produciendo energía eléctrica. La figura 3.1 ilustra el esquema descrito. Figura 1. Transformación de energía hidráulica en energía eléctrica Fuente: Elaboración propia 15 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas A las centrales hidroeléctricas cuya potencia instalada es inferior a 5.000 KW, se les denomina pequeñas centrales, minicentrales y microcentrales hidroeléctricas. 3.1.1 Clasificación de pequeñas centrales hidroeléctricas Se clasifica de la siguiente forma: Pico centrales: Potencia ≤ 50 KW. Microcentrales: 50 KW < Potencia ≤ 500 KW. Minicentrales 500 KW < Potencia ≤ 5000 KW. 3.1.2 Partes que conforman una pequeña central hidroeléctrica En general las centrales hidroeléctricas se componen de: obras civiles, equipo electromecánico y redes eléctricas de transmisión y distribución. Figura 2. Componentes de una PCH Fuente: Microcentrales hidroeléctricas: una alternativa para el desarrollo rural 16 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.2. Evaluación del recurso hidroenergético Una vez estimada la demanda eléctrica, se procede a realizar una evaluación del potencial de generación de energía en la zona, tratando de que la casa de máquinas se encuentre lo más próxima posible a los puntos donde se utilizará la energía. La cantidad de energía generada mediante el uso del agua, depende de dos factores: la caída o salto y el caudal disponible. El salto depende de la topografía del terreno, y el caudal, de las características del río o arroyo que se va a utilizar. A continuación se presentarán algunos métodos sencillos para medir el salto y el caudal en ríos o canales. 3.2.1 Medición del salto A partir de mapas de curvas de nivel es posible realizar una primera estimación de la altura disponible (salto) con el fin de emplear dicha información para el desarrollo de estudios de prefactibilidad para microcentrales hidroeléctricas (MCH). Para estudios de factibilidad, son necesarias las mediciones en sitio, que garantizan una mayor precisión. Generalmente se requiere de precisiones de al menos tres por ciento para la caída, ya que este parámetro es muy importante en el diseño del sistema. Se recomienda realizar tres mediciones y comparar los resultados en el sitio, con el fin de poder corregirlos o bien tomar nuevas medidas en el caso que fuera necesario, por ejemplo, si las tres medidas tomadas son muy distintas. En la tabla 3.1, se enumeran varios métodos para medir el salto o caída, incluyendo algunas observaciones sobre la precisión y otros detalles de cada método. Figura 3. El concepto de salto o caída. Fuente: Manual de mini y microcentrales hidráulicas: una guía para el desarrollo de proyectos 17 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Tabla 1. Comparación de técnicas Método Ventajas y limitaciones Precisión Manguera y Nivelación Agotador para caídas altas. Rápido para pequeñas caídas. Aprox. 5% Manguera y Manómetro Rápido, seguro. Da la posibilidad de medir la longitud de la tubería de presión a la vez. Observación Es recomendable hacerlo entre dos personas. < 5% Calibrar instrumentos. Peso: ligero. Costo: bajo. Aprox. 5% en pendientes Inapropiado para pendientes pronunciadas. Poca Usar sólo para caídas muy Nivel de carpintero suaves y largas. precisión en pendientes pequeñas cuando no se dispone y tablas suaves. de otro método. Lento. (1:10) (10-20%) Altímetro Usado en caídas altas y Probabilidad de grandes Necesita calibración de instrumentos y destreza. medianas (< 40 m.). errores (30%). Eclímetro Rápido. Rápido. Peso: liviano. Tomar tres o más medidas. Buena (5%). Costo: moderado. Nivel de Ingeniero Mapa Rápido. Costo: alto Muy buena. Sólo para caídas altas. No Aceptable para necesita viajar al lugar. prefactibilidad. Peso: liviano. Costo: bajo. Recomendable en terrenos despejados. Usado en todos los lugares especialmente donde los otros métodos son muy lentos. No es bueno en lugares con demasiados árboles. Se necesita destreza para leer planos. 3.2.1. Método de manguera de nivelación Es recomendado especialmente para lugares con pequeños saltos; es económico, razonablemente preciso y poco propenso a errores. En la fig. 3.4 (a y b) se muestra el principio del método. Es necesario eliminar las burbujas de aire ya que podrían llevar a errores. Hay que realizar la prueba dos o tres veces, para estar seguros de que los resultados finales son correctos y confiables. Se recomienda comparar los resultados obtenidos contra los de otros métodos. 18 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas La precisión de este método es muy alta, aun cuando se toman personas u objetos como altura referencial. Al utilizar este método, se han reportado variaciones de menos del tres por ciento de diferencia, en comparación con métodos electrónicos. Equipo Una manguera plástica transparente de 4 a 10 mm. de diámetro. Llénela con agua antes de iniciar (fig. 3.4.a). Dos piezas de madera o cintas graduadas con marcas al decímetro o centímetro, son suficientes. También puede pegarse una cinta métrica de acero en las piezas de madera o usar una sola pieza graduada con una marca fija (fig. 3.4.b). Hojas de papel y lápiz tal como se muestra en la figura 3.4.c. Procedimiento (Ver figuras 3.4.a, 3.4.b y 3.4.c) 1. Inicie la medición en el punto más alto. Una de las personas sostiene la manguera mientras la otra camina cuesta abajo hasta que los ojos de la otra persona se encuentren a nivel de los pies de la primera persona. En ese punto, la segunda persona deberá mantener el extremo de la manguera llena de agua a la altura de su cabeza. La primera persona deberá nivelar la manguera con lo que sería el nivel del agua en el punto más alto. Seguidamente se coloca verticalmente una varilla o cinta graduada para medir el nivel de agua en su extremo (fig. 3.4.b). 2. Se repite el procedimiento hasta llegar al nivel más bajo. Para ello se alternarán las personas que caminarán cuesta abajo, es decir, al finalizar la primera medida, quien se encuentra en el punto más bajo, seleccionará el punto inicial para la segunda medida (B1), y la otra persona bajará la cuesta hasta repetir lo indicado en el párrafo anterior (posición 2). Llenar la hoja de datos tal como se muestra en la figura 3.4.c y sumar las alturas H1, H2, etc., para obtener la altura bruta. 3. Si el suelo no tiene una pendiente definida sino que sube y baja, siga el mismo procedimiento restando las medidas que corresponda. 4. Una alternativa a la varilla graduada es usar la distancia de los pies a los ojos de una persona como altura de referencia. Esto es efectivo en muchas situaciones. Si la caída está por encima de los 60 m., la precisión requiere estar sólo dentro de la mitad de la altura de una persona (alrededor de 1.5 m.). 19 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 4a. Medida del salto con una manguera de nivel usando la altura de una persona. Fuente: dspace.espoch.edu.ec. La altura del hombre de referencia se calcula con la distancia desde los pies hasta el nivel de los ojos. Figura 4b. Medida del salto con una manguera de nivel usando una varilla graduada. Fuente: dspace.espoch.edu.ec. 20 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 4c. Ejemplo de hoja para toma de medidas y suma para la altura bruta Fuente: dspace.espoch.edu.ec. 3.2.2. Método de manguera y manómetro Figura 5. Medición del salto usando una manguera y un manómetro Fuente: dspace.espoch.edu.ec Este es quizás el mejor de los métodos sencillos disponibles, pero tiene sus riesgos. Los dos posibles errores son: la mala calibración y la presencia de burbujas en la manguera. Para evitar el primer error se deberá calibrar el medidor en el lugar antes y después de cada prueba (ver fig. 3.6). Para evitar el segundo, debería usarse una manguera de plástico transparente que permita ver si existen burbujas para poder eliminarlas. Este método puede ser usado tanto en caídas altas como bajas, pero necesitará manómetros con diferente escala. 21 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Se recomienda utilizar preferiblemente mangueras con diámetros de entre 6 y 8 mm. Diámetros menores pueden permitir el ingreso de burbujas de aire, mientras que las más gruesas resultan pesadas y difíciles de transportar cuando están llenas de agua. Equipo Manguera plástica transparente para poder ver claramente las burbujas atrapadas. Manómetro de presión, el cual debe ajustarse a la manguera para evitar pérdidas de agua. Hoja de resultados. Figura 6. Calibración del manómetro Fuente: dspace.espoch.edu.ec Procedimiento a) Primero calibre el manómetro. (Ver figura 3.6). b) Cuando esté tomando las mediciones, anote cada lectura de la presión en una hoja de papel y conviértala a su verdadera magnitud usando la curva de calibración. Una lectura del medidor en kPa o PSI se puede convertir a una caída en metros por las ecuaciones: h(m); P(kPa) / 9.8 h(m); P(PSI) x 0.7045 c) Calibración del manómetro. Use papel milimétrico para hacer la curva de calibración. Mida cuidadosamente una distancia vertical. Puede utilizar una escalera, las ventanas o el techo de un edificio. 22 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Registre al menos cinco lecturas, tomando desde la menor magnitud hasta la máxima. Grafique los resultados en un sistema de coordenadas, una los puntos obtenidos y prolongue la línea resultante, la cual debe ser una recta. 3.2.3. Método del nivel de carpintero y tablas El principio de este método es idéntico al de la manguera de nivelación. La diferencia es que se mide la línea horizontal de los niveles de agua, con un nivel de carpintero o de burbuja colocado en una tabla de madera recta y fija. La fig. 3.7 muestra el principio. En pendientes suaves este método es muy lento, pero en pendientes fuertes es apropiado, especialmente si se trata de pequeñas caídas. Figura 7. Uso de un nivel de carpintero para medir el salto Fuente: dspace.espoch.edu.ec 3.2.4. Método del altímetro El altímetro es un instrumento de medición fácil de usar pero relativamente costoso. La precisión de los resultados obtenidos depende principalmente de la destreza de quien lo emplee. Si se cuenta con mucha experiencia y las mediciones se realizan con cuidado, los resultados serán buenos y válidos para efectuar cálculos de ingeniería. Sin embargo, si ese no fuera el caso, éstos sólo servirán como datos referenciales para un estudio preliminar, pero no para uno de factibilidad, y mucho menos para cálculos de diseño de ingeniería. El altímetro mide la presión atmosférica, la cual está directamente relacionada con la altura sobre el nivel del mar, aunque varía ligeramente debido al clima, la temperatura y la humedad relativa. Debido a que estas variaciones pueden ser muy significativas para la evaluación del salto, para poder obtener resultados aceptables es necesario tomar varias lecturas durante el día y luego estimar el valor final. En el caso de una microcentral, lo más conveniente sería utilizar un solo altímetro, tomar varias medidas durante el día, tanto en el lugar de la cámara de carga como en el de la casa de fuerza, confeccionar una tabla donde se registre la hora y las lecturas del altímetro, y luego graficar estos resultados como se muestra en la fig. 3.8. Finalmente, se deben trazar líneas promedio y determinar la diferencia de alturas (salto). 23 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas El tiempo que transcurra entre la lectura en la casa de fuerza y la lectura en la cámara de carga para una hora determinada, debe ser lo más breve posible. Figura 8. Uso del altímetro para medir el salto Fuente: dspace.espoch.edu.ec Tabla 2. Lecturas en casa de fuerza y cámara de carga Hora 8 a.m. 10 a.m. 12 m. 2 p.m. 4 p.m. 6 p.m. Cámara de carga 3220 3235 3200 3240 3210 3225 Casa de fuerza 3170 3180 3150 3180 3150 3160 3.2.5. Método del eclímetro Para aplicar este método se necesitan dos personas: la persona “A” utilizará el eclímetro y la persona “B” la ayudará. Es recomendable que la estatura de ambos sea parecida para no incurrir en errores por diferencia de tamaños. No obstante, la búsqueda de tamaños similares no debe ser causa de postergación o cancelación de la evaluación del lugar. Una vez definidas las personas A y B, A tomará el eclímetro en la posición indicada en la fig. 3.9, y dirigirá la línea de mira a los ojos de B. En esta posición debe graduarse cuidadosamente el ángulo del eclímetro. Luego, hay que medir la distancia entre A y B y registrar la distancia L1 y el ángulo α1. Hecha la primera medición, A se desplazará al lugar donde estaba colocado B para la primera medición, mientras que B se desplazará a una nueva posición para tomar los datos L2 y α2 y registrarlos. Después se repite el procedimiento tantas veces como sea necesario para evaluar la distancia completa entre el punto más alto y el más bajo. 24 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas También se puede aplicar este método colocando el eclímetro sobre unas estacas, y dirigiendo la línea de mira a la parte final de la estaca siguiente, y se registran los datos que se obtengan. El cálculo de las alturas parciales se obtiene usando la relación: H1 = L1 * Sen α1 Para calcular la altura total o salto, se sumarán las alturas parciales obtenidas previamente. H = H1 + H2 + H3 +… Hn Figura 9. Uso del eclímetro Fuente: surveywork.pe 3.2.6. Método del nivel de ingeniero El nivel de ingeniero es capaz de registrar una precisión de 1mm, pero es caro, pesado y requiere operadores diestros. Por lo general los errores se producen por las largas series de cálculos que hay que efectuar. Debido a que es un método común, los equipos que emplea se alquilan fácilmente y a precios aceptables. Con este equipo se pueden medir las distancias simultáneamente, sin embargo, no es apropiado para lugares con mucha pendiente o con muchos árboles. Figura 10. Uso del nivel de Ingeniero Fuente: demaquinasyherramientas.com 25 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.3. Medición del caudal En vista de que el caudal de los ríos varía a lo largo del año, realizar solo una medida del caudal resulta un registro aislado cuya utilidad es relativamente baja. Es probable que algunas veces no exista información para hacer un estudio de hidrología, entonces será necesario obtener nuestros propios datos a partir de mediciones instantáneas del caudal. Lo ideal es hacer mediciones diariamente, aunque también se pueden utilizar mediciones semanales y mensuales. Los métodos de medición de caudal aquí descritos son: Método de la solución de la sal. Método del recipiente. Método del área y velocidad. Método de la sección de control y regia graduada. Método del vertedero de pared delgada. Es necesario estudiar las características de estos métodos para poder utilizarlos adecuadamente y aprovechar las ventajas que ofrece cada caso en particular. 3.3.1. Método de la solución de la sal Este método es fácil de usar y bastante preciso. Las mediciones bien efectuadas darán errores menores al cinco por ciento, y permiten hacer las estimaciones de potencia y cálculos posteriores. Este método se basa en el cambio de la conductividad del agua (ohm-1=Siemens) al cambiar la cantidad de concentración de sal existente. De este modo, si disolvemos una masa (M) de sal en un recipiente y agregamos la mezcla en una corriente de agua, dándole el tiempo necesario para diluirse, provocaremos un aumento de la conductividad que puede ser medida mediante un conductivímetro. Este incremento en la conductividad dura un cierto tiempo y no es uniforme durante ese lapso. Es decir, habrá pequeños aumentos al principio y al final del paso de la “nube” de sal, mientras que habrá un máximo de conductividad en una situación intermedia. Figura 11. Método de Ia solución de la sal Fuente: dspace.espoch.edu.es 26 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Si hacemos mediciones de conductividad en Siemens (S) o microsiemens (µS) muy seguidas, por ejemplo cada cinco segundos, desde que se empieza el paso de la “nube” de sal hasta que termina, y luego se grafica conductividad (µS) versus tiempo (t), se observará una curva con una distribución más o menos uniforme. De esta manera, el caudal del río o quebrada se puede calcular utilizando la siguiente expresión, que relaciona al caudal con la masa de sal y el área bajo la curva obtenida y corregida por un factor K. Q=K* M/A Donde: Q=caudal (Lt/seg) M=masa de sal (miligramos). K=factor de conversión [µS / (mgr / Lt)]. K varía con la temperatura A=área bajo la curva en µS* seg. Procedimiento a) Averigüe sobre el caudal aproximado. Resulta muy útil ver el río o quebrada antes de iniciar las mediciones para llevar las cantidades adecuadas de sal. La recomendación es usar aproximadamente 100 gramos de sal por cada 0.10 m3/s. · b) Tome una cantidad de sal de mesa y séquela para eliminar el error del peso por humedad. Una vez seca, agregue en varias bolsas plásticas 100 gramos de sal de acuerdo con la regla de 100 gramos por cada 0.1 m3/s. c) Mida y anote la temperatura del agua. d) Escoja una porción del río o quebrada donde haya una velocidad más o menos uniforme. Evite los remansos porque retardan el paso de la “nube” de sal afectando las medidas. e) Una persona A disolverá la sal de una primera bolsita en un balde de unos 10 a 12 litros de capacidad y lo llenará con agua hasta no más de 3/4 de su capacidad. f) Seleccione el lugar de aplicación de la solución y el de la ubicación del medidor de conductividad. La distancia entre ambos puntos puede ir de 30 a 50 metros. g) Coloque el medidor de conductividad y un cronómetro, y prepare su registro para tomar los datos. h) Agregue la solución de la sal al río y observe el medidor hasta que empiece a aumentar la conductividad. i) Anote los valores de la conductividad cada cinco segundos. Procesamiento de resultados a. Grafique conductividad vs. tiempo. b. Calcule el área encerrada por la curva y trace una línea recta que una la conductividad base (primer punto leído) con el último punto. 27 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas c. Encuentre el factor de corrección K en µS/ (mg / Lt). d. Utilice la expresión Q=K (M/A). Recomendaciones a) Si el medidor de conductividad se satura, cambie de escala. b) Si el paso de la “nube” de sal ha sido muy rápido, use una distancia mayor. c) La solución debe ser lo suficientemente agitada para obtener una buena disolución antes de verter al río. d) El gráfico resultante debe tener una forma más o menos regular. e) Tenga cuidado con las unidades al momento de hacer los cálculos. Figura 12. Conductivímetro portátil Fuente: corning.com Figura 13. Curva de conductividad vs. concentración de sal Fuente: elaboración propia 28 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.3.2. Método del recipiente El método del recipiente es una manera muy simple de medir el caudal. Todo el caudal a medir es desviado hacia un balde o barril y se anota el tiempo que toma llenarlo. El volumen del envase se conoce y el resultado del caudal se obtiene simplemente dividiendo este volumen por el tiempo de llenado. La desventaja de este método es que todo el caudal debe ser canalizado o entubado al envase. A menudo es necesario construir una pequeña presa temporal. Este método resulta práctico para caudales pequeños. Figura 14. Utilización del método del recipiente Fuente: biblioteca.uns.edu.pe Medida del caudal usando un barril de capacidad conocida. 3.3.3. Método del área y velocidad Este método se basa en el principio de continuidad. Para un fluido de densidad constante moviéndose a través del área de una sección conocida, el producto del área de la sección por la velocidad media será constante: Área x Vmedia=Q=Constante (m3/s). Donde: V media=velocidad promedio del agua en la corriente. Este producto es igual al valor del caudal volumétrico (Q) en m3/s. El flotador Se dibuja el perfil de la sección del fondo del río y se establece una sección promedio para una longitud conocida de corriente (fig. 3.14). Se utiliza una serie de flotadores que podrían ser de pedazos de madera, para medir el tiempo que tardan en recorrer una longitud preestablecida del río. Los resultados son promediados y se obtiene la 29 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas velocidad superficial del flujo de agua. Esta velocidad deberá ser reducida por un factor de corrección para hallar la velocidad media de la sección. Este factor depende de la profundidad de la corriente. Multiplicando el área de la sección promedio por la velocidad del caudal promediada y corregida, se obtiene un estimado del valor del volumen de agua que fluye. Las imprecisiones de este método son obvias. A menos que se considere un canal de pendiente suave y regular, obtener un valor preciso del área de la sección de la corriente de agua será muy difícil y tedioso. La velocidad promedio obtenida no es la velocidad media de la corriente, ya que el flotador está en la superficie del agua y el factor de corrección solo es una aproximación. Figura 15. Dibujando el área de la sección transversal de la corriente Fuente: ceab.csic.es En general, se debe escoger la mayor longitud posible del arroyo que tenga orillas paralelas con un área de la sección transversal uniforme a lo largo de esta longitud. Una sección de fondo rocoso con piedras grandes, provocará resultados erróneos. Medidores de corriente o correntómetros También llamados molinetes. Consisten en un mango con una hélice o copas conectadas al final. La hélice rota libremente y la velocidad de rotación está relacionada con la velocidad del agua. Un contador mecánico mide el número de revoluciones del propulsor que se ubica a la profundidad deseada. Otros aparatos más sofisticados utilizan impulsos eléctricos. Con estos medidores es posible tomar muchas lecturas en una corriente y calcular la velocidad media. Los medidores de corriente son suministrados con una fórmula que relaciona la velocidad de rotación del instrumento con la velocidad de la corriente. Generalmente estos aparatos son usados para medir velocidades de 1.2 a 5 m/s., con un error probable de dos por ciento. AI igual que otros medidores de velocidad, el molinete debe ser sumergido bajo el agua. A menudo el fabricante coloca una marca en el mango del medidor para indicar Ia profundidad de los álabes. 30 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.3.4. Método de la sección de control y regla graduada Es similar al método del vertedero. Se diferencia en que la característica física de la sección es utilizada para controlar la relación entre el tirante de agua y el caudal. El tirante de agua se refiere a la profundidad de ésta en la sección. Una sección de control se ubica donde un cambio dado en el caudal se traduce en un cambio apreciable en el tirante de agua en la sección de control. Deberá evitarse una sección de control ancha porque los cambios en el caudal resultarán en cambios pequeños en el tirante. Si algún objeto obstruye la sección de control o la erosión hace que la pendiente cambie, entonces las lecturas siguientes no serán válidas. El medidor, típicamente un listón de madera graduado, deberá estar situado donde sea factible leerlo y no esté expuesto a daños (fig. 3.16). Nótese que este método es válido para comparar un caudal con otro, pero se debe conocer un caudal de referencia y relacionarlo con la tabla graduada para obtener una estimación cuantitativa del caudal. Figura 16. Regla graduada en una sección de control Fuente: demo.dokeos.com 3.3.5. Método del vertedero de pared delgada Un vertedero es una estructura similar a un muro de baja altura ubicado a lo ancho de un río o canal. Un vertedero de medición de caudal tiene una abertura a través de la cual fluye toda el agua de la corriente. Los vertederos generalmente son estructuras temporales diseñadas de modo que la descarga volumétrica pueda ser leída directamente o determinada por una simple lectura de la diferencia de altura entre el nivel del agua antes del vertedero y el vértice o cresta de éste. 31 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Para alcanzar mejores resultados hay que utilizar vertederos de pared delgada y evitar que el sedimento se acumule tras ellos. Estos vertederos se hacen de láminas de acero. Figura 17. Lectura del caudal para diversos tipos de vertederos de pared delgada Fuente: dspace.espoch.edu.ec En la figura 3.16 se pueden observar los tres tipos de vertedero de uso más frecuente: a. El vertedero triangular, que mide descargas pequeñas con mayor precisión que los otros tipos. b. El vertedero trapezoidal llamado Cipoletti. Este puede compensar las contracciones en los bordes con caudales reducidos, lo cual introduce errores en los vertederos rectangulares. La fórmula para calcular la descarga se simplifica al eliminar el factor de corrección en los vertederos rectangulares. c. El vertedero rectangular, que permite medir descargas mayores y su ancho puede ser cambiado para diferentes caudales. Los vertederos pueden ser de madera o metal y están siempre orientados perpendicularmente al sentido de la corriente. Hay que ubicar el vertedero en un punto donde la corriente sea uniforme y esté libre de remolinos. La distancia entre el fondo del lecho del río y la cresta del vertedero aguas arriba de éste, deberá ser al menos dos veces la altura máxima a medirse (carga del vertedero). No debe haber ninguna obstrucción al paso del agua cerca del vertedero, y los extremos del mismo deben estar perfectamente sellados para evitar fugas o goteos. Para ello puede emplearse una lámina plástica. La cresta del vertedero deberá ser lo suficientemente alta como para permitir que el agua caiga libremente dejando un espacio bajo el chorro. Las crestas de vertederos trapezoidales y rectangulares deben estar a nivel. Los vertederos triangulares pueden usarse con un amplio rango de ángulos de vértice (el ángulo de 90º es el más usado). Las ecuaciones para la mayoría de vertederos de pared delgada por lo general no son precisas para alturas muy pequeñas (menores de 5 cm.). En comparación con otros, el vertedero triangular puede medir un rango mayor de caudales. La cresta del vertedero debe ser lo suficientemente ancha para recibir la mayor descarga esperada. Por eso es necesario 32 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas conocer los probables valores del caudal antes de seleccionar o diseñar un vertedero. Si se encuentran velocidades de corriente superiores a 0.15 m/s, será necesario corregir la cresta por el efecto de la velocidad de aproximación. Cuando se construya un vertedero temporal simple, los problemas de sellado pueden ser solucionados pegando una lámina plástica que se pone corriente arriba del vertedero y se sujeta con arena y rocas. Las desventajas del vertedero incluyen: Si la cresta es muy ancha o profunda, la fórmula tiende a subestimar la descarga. Si la velocidad de aproximación es muy alta, la descarga también es subestimada. 3.4. Obras civiles Las obras civiles que componen un proyecto hidroeléctrico son: Bocatomas Desarenador Canal de conducción Cámara de carga Tubería de presión Casa de máquinas 3.4.1. Bocatomas Las bocatomas son obras hidráulicas cuya función es regular y captar el caudal de agua, para la producción de energía, ya sea mecánica o eléctrica. Las bocatomas permiten tomar el agua de los ríos y conducirla aprovechando la fuerza de la gravedad .1 Funciones de las bocatomas Las bocatomas deben cumplir las siguientes funciones: Garantizar la captación de una cantidad constante de agua, especialmente en la época seca. Impedir hasta donde sea posible, el ingreso de materiales sólidos y flotantes, haciendo que estos sigan el curso del río o facilitando la limpieza. Proteger al resto del sistema de obras hidráulicas del ingreso de avenidas o embalses que pudieran producirse en las épocas lluviosas. Ubicación 1 Coz, F. et al. Manual de mini y microcentrales hidráulicas, una guía para el desarrollo de proyectos. 1995, Intermédiate Technology Development Group, ITDG - PERÚ. 33 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas La ubicación más apropiada para una bocatoma es en los tramos rectos y estables del río, dependiendo de la topología, el comportamiento de los suelos y principalmente de las variaciones hidrológicas del lugar que servirá de emplazamiento. Todos estos factores, dependiendo de la importancia de la obra, deben ser analizados por especialistas. Es muy importante señalar que las condiciones naturales, en lo posible, se deben conservar. En caso de que en el río no se cuente con tramos rectos y estables, las bocatomas preferiblemente se ubicarán en los primeros tramos de la curva y siempre en la parte convexa. Los tramos finales de una curva convexa estarán muy expuestos a los embates de las crecientes y de las velocidades erosivas, mientras que la zona cóncava es probable que pueda colmatarse2 fácilmente. Clasificación de las bocatomas Las bocatomas pueden clasificarse: 1. Por el material del que están hechas (concreto, piedra, tierra, madera, ramas, etc.). 2. Por su vida útil (permanentes, temporales). 3. Por su forma de diseño (barraje total, barraje parcial, espigones, barraje móvil, barraje sumergido o del tipo Tirol. 4. Por el método de construcción (concreto armado, emboquillado, mampostería, gaviones). 3.4.2. Desarenador El agua captada del río a través de la bocatoma y conducida por el canal de conducción, transporta pequeñas partículas de materia sólida en suspensión compuestas de materiales abrasivos, como arena, que ocasionan el rápido desgaste de los álabes de la turbina y también el material de la tubería de presión por efecto de la fricción.3 Para eliminar este material se usan los desarenadores, que reducen la velocidad del agua para que las partículas de arena o piedras se asienten en el fondo, de donde podrán ser eliminadas. Es decir, un desarenador cumple la función de sedimentar las partículas en suspensión que lleva el agua en el canal de conducción. Una de las condiciones que debe cumplir un diseño simple de un desarenador al inicio del canal y al ingreso a la cámara de carga, es que ambos deben de ajustarse a ciertos principios importantes: Deben tener una longitud y ancho adecuados para que los sedimentos se depositen sin que sean demasiado voluminosos o caros. 2 Colmatar: Acumulación de material o de residuos sólidos que afecta la capacidad hidráulica de las estructuras de drenaje de la carretera. 3 Dávila, C. et al. Manual para la evaluación de la demanda, recursos hídricos, diseño e instalación de microcentrales hidroeléctricas. Lima: Soluciones Prácticas, 2010. 200 p.: il 34 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Deben permitir una fácil eliminación de los depósitos. La eliminación de sedimentos a través de la compuerta debe hacerse cuidadosamente para evitar la erosión del suelo que rodea y soporta la base de la tubería y del depósito. Es mejor construir una superficie revestida (de piedra o concreto) similar al canal de desagüe del aliviadero. Se debe impedir la turbulencia del agua causada por cambios de área o recodos que harían que los sedimentos pasen hacia la tubería de presión. Tener capacidad suficiente para permitir la acumulación de sedimentos.3 Figura 18. Desarenador Fuente: sgp.undp.org 3.4.3. Canal de conducción El canal de conducción es un componente importante de las obras civiles de una microcentral hidráulica, pues su principal función es conducir el agua desde la bocatoma hasta la cámara de carga, pasando por los desarenadores y otros mecanismos que pueden construirse en el trayecto. Tipos de canales Los canales están determinados por las características geométricas de su sección y por el material de construcción. Los más conocidos y usados son los rectangulares, trapezoidales, circulares y semicirculares. Por su material de construcción, los más comunes son los de tierra, concreto, con recubrimiento de piedra, madera y tubería de PVC. En el caso de revestimiento, é ste será necesario sólo en lugares donde se justifique (terrenos arenosos, gredosos, etc.), donde permita alta filtración del agua en movimiento. 35 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 19. Tipos de canales Fuente: osepsa.es 3.4.4. Cámara de carga Las cámaras de carga se aplican a sistemas hidroeléctricos como estructuras de transición entre el canal de aducción y la tubería de presión. Estos tanques tienen limitadas condiciones de regulación, debido fundamentalmente a los caudales que se utilizan en las turbinas, lo que no permite aprovechar el volumen de este tanque para el almacenamiento de agua. La cámara de carga cumple funciones de amortiguación para evitar sobrepresiones en la conducción forzada. Esta última generalmente es de acero soldado, polietileno de alta densidad, hormigón o PVC, y se empalma con la casa de máquinas, desarrollándose en una pendiente. El volumen de agua en el tanque sirve para amortiguar las ondas de presión (golpe de ariete) causadas por el cierre brusco de las turbinas, restableciendo rápidamente la estabilidad. En caso de mantenimiento o reparación de las turbinas, se desvía el flujo de agua a través de un vertedero de descarga lateral con capacidad para verter el caudal de entrada por el canal de conducción. 36 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 20. Cámara de carga Fuente: ulmaconstruccion.cl Figura 21. Descargador, vertedero y rejilla Fuente: iia-tech.com 37 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.4.5. Tubería de presión Las tuberías de presión son las encargadas de transportar el agua a presión hasta la turbina. Transportar un cierto caudal de agua desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas no parece tarea difícil, sin embargo, el diseño de una tubería forzada no es asunto fácil. Los principales componentes de una tubería de presión son los siguientes: Alojamiento de compuerta Venteo Apoyos Uniones Anclajes Válvula de purga Figura 22. Elementos de la tubería de presión Fuente: panoramio.com 3.4.6. Casa de máquinas Tiene como misión proteger de las adversidades climatológicas al equipo electro-hidráulico que convierte la energía potencial del agua en electricidad. El número, tipo y potencia de las turbinas, su disposición con respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfología del sitio, condicionan la topología del edificio. 38 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 23. Casa de máquinas Fuente: solucionespracticas.org Existen muchas configuraciones posibles de casa de máquinas. La subestructura, integrada en el propio azud, incorpora la cámara de carga, con su rejilla, la turbina con su eje vertical que la conecta al generador y el canal de descarga. En la sala de generadores están instalados los equipos de control, y eventualmente, la subestación de transformación de salida.4 3.5. Equipos electromecánicos Se llaman así a todos los equipos que se encuentran dentro de la casa de máquinas: turbina, generador, regulador, tablero de control y otros. 3.5.1. Selección de turbinas hidráulicas para proyectos de centrales hidroeléctricas Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grandes grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. Las turbinas de acción son aquellas en las cuales el agua impacta en el álabe de la turbina a presión atmosférica. En este caso el agua es dirigida hacia los álabes a través de un eyector que convierte la energía potencial del agua en energía mecánica a través de cambios de sección.5 En las turbinas a reacción el agua llega a los álabes de la turbina a una presión superior a la presión atmosférica, pero también a una velocidad alta, es decir, su ingreso conlleva la introducción de energía cinética y energía potencial, que son transformadas por la turbina en energía mecánica y rotación. 4 Manual de la pequeña hidráulica. Comisión de las unidades europeas, Dirección General de Energía 1998. 5 Dávila, C. et al. Manual para la evaluación de la demanda, recursos hídricos, diseño e instalación de microcentrales hidroeléctricas. Lima: Soluciones Prácticas, 2010. 200 p.: il 39 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 24. Turbina Kaplan (reacción), izquierda y Pelton (acción) derecha Fuente: aiu.edu.thermodynamics) Sin embargo, la clasificación más difundida de las turbinas hidráulicas es según el salto y el caudal relativo de trabajo a la que están sometidas estas máquinas: Turbinas hidráulicas de grandes caídas y pequeños caudales (en este grupo sólo entran las turbinas de acción). Turbinas de medianas caídas y medianos caudales (en este grupo hay turbinas de acción pero también de reacción). Turbinas de pequeñas caídas y grandes caudales (en este grupo están las turbinas de reacción). Figura 25. Turbina Pelton 3.5.1.1. Turbina Pelton Es el modelo más antiguo de turbinas y uno de los más utilizados en el mundo. Esta máquina funciona por el impacto del chorro de agua sobre los álabes o cucharas. 40 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas La turbina Pelton es una máquina de diseño y construcción robusta, de alta confiabilidad y permite altas eficiencias. A diferencia de la mayoría de los demás modelos, se caracteriza también por su alta eficiencia cuando trabaja a caudales parciales. Las turbinas Pelton se utilizan frecuentemente en pequeños aprovechamientos por su sencillez de fabricación, fácil montaje y altos rendimientos, especialmente cuando se trata de turbinas con uno o dos inyectores. 3.5.1.2. Turbina Turgo El funcionamiento de la turbina Turgo es muy similar al de la turbina Pelton, con la diferencia de que su diseño permite la llegada de un chorro de mayor sección de salida, y por tanto, de u n mayor caudal al álabe. Por sus características de diseño permite trabajar con alturas relativas más bajas que las turbinas Pelton para condiciones del mismo caudal. Figura 26. Turbina Turgo Fuente: www.minihidráulica.com Como la Pelton, se trata de una turbina de acción, pero sus álabes tienen una forma y disposición distinta. El chorro incide con un ángulo de 20º respecto al plano diametral del rodete, entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultáneamente sobre varios álabes, de forma semejante al fluido en una turbina de vapor. Su menor diámetro conduce, para igual velocidad periférica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador. Al eliminar el multiplicador se reduce el precio del grupo y aumenta su fiabilidad. 41 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Centrales de medianas alturas y medianos caudales La turbina más conocida para este campo es la turbina Francis. A diferencia de las turbinas Pelton, su velocidad de giro es enteramente dependiente de la altura neta. 3.5.1.3. Turbina Francis En el caso de la turbina Francis, hay una variedad de diseños que permiten una cierta relatividad en su comportamiento. Es decir, para una altura y caudal determinado se pueden obtener diferentes velocidades de giro de la máquina dependiendo del diseño de los álabes, por tratarse de una máquina a reacción. Figura 27. Turbina Francis Fuente: Wikipedia.org Las turbinas de reacción reciben el caudal de agua a tubo lleno, que se acopla directamente con la voluta de la turbina. En algunos casos se utilizan pequeñas reducciones de área. Generalmente llevan una corona de álabes directrices que permiten variar el caudal según las necesidades de energía. 3.5.1.4. Turbinas de Flujo Transversal La más conocida es la denominada Michell-Banki, en honor a su inventor (Michell) y a un estudioso que mejoró el diseño (Banki). Es una máquina de acción que gira por el impacto del chorro de agua sobre sus álabes. A diferencia de las turbinas Pelton y Turgo, tiene un inyector del tipo rectangular de mayor área. Sus álabes están construidos de modo tal que todo el chorro impacte en el álabe. La rueda o turbina tiene la forma de un tambor formado por un conjunto de álabes soldados en dos discos paralelos. 42 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Con esta máquina se pueden obtener velocidades superiores que con una Pelton o Turgo, operando a la misma altura, ya que esto permite que ingresen mayores caudales. Por lo general, una turbina Michell-Banki reemplaza a una Francis, con la diferencia de que es mucho más simple en su construcción. Sin embargo, son máquinas menos eficientes y también de menor duración, aunque esto último puede mejorarse teniendo cuidado con los materiales de fabricación. Figura 28. Turbina Michell–Banki Fuente: Revistas Bolivianas.org.bo 3.5.1.5. Bombas como turbina Durante las últimas décadas se ha sugerido con cierta insistencia el uso de bombas rotodinámicas como turbinas. Hay estudios de laboratorio que demuestran que estas máquinas pueden trabajar en buenas condiciones de eficiencia cuando se les utiliza como turbinas (es decir, bombas en reverso). También existen experiencias prácticas en diversos lugares del mundo. Figura 29. Uso de bombas como turbinas Fuente: limacallao.olx.com 43 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Centrales de caídas bajas y caudales grandes Normalmente este tipo de centrales son utilizadas cuando los gradientes de los ríos son bajos o en aquellas zonas cuyo relieve geográfico es menos accidentado. Las turbinas que se utilizan para estas centrales son axiales y permiten obtener diferentes velocidades de giro, de acuerdo al diseño que se utiliza. Las turbias axiales, al igual que las Francis, son de reacción. 3.5.1.6. Turbina Kaplan Las turbinas del tipo hélice y Kaplan son similares a las hélices de un barco, con la diferencia de que, utilizadas en una turbina, necesitan la fuerza del agua para girar y producir energía, mientras que en los barcos sucede lo contrario. Figura 30. Turbina Kaplan Fuente: accessecosolar.com Estas turbinas se diseñan y fabrican utilizando los mismos principios y conceptos, la diferencia entre ambas es que las turbinas Kaplan tienen álabes ajustables o regulables que permiten ajustar su posición según las condiciones de caudal y alturas, y por tanto pueden aplicarse con buena eficiencia en un mayor rango con relación a ambos parámetros. 3.5.2. Generador eléctrico Esta máquina recibe el giro de la turbina y transforma en energía eléctrica la energía mecánica del eje de la turbina. También se le conoce como alternador y en algunos lugares como dínamo. 6 6 Sánchez, T. et al. Microcentrales hidroeléctricas. Una alternativa para el desarrollo rural. Lima: soluciones prácticas, 2010. 44 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Existen varios tipos de generadores, como: 3.5.2.1 Generador síncrono Son los de mayor aplicación en las mini y microcentrales hidroeléctricas. Pueden ser de ejes horizontales o verticales. Figura 31. Generador síncrono Fuente: directindustry.es 3.5.2.2. Generador asíncrono o de inducción Llamado también motor como generador. Se utiliza para pequeñas potencias, hasta 10 KW. Es una alternativa interesante por su bajo costo. Figura 32. Generador asíncrono o de inducción Fuente: directindustry.es 45 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.5.2.3. Reguladores y tableros de control Se encargan de mantener constante el voltaje de trabajo. Evitan las subidas y bajadas de voltaje que pueden dañar los artefactos o equipos de los usuarios. Los reguladores pueden ser de velocidad (electromecánicos/oleohidráulicos) o de carga. Los reguladores electrónicos de carga son los más utilizados en las mini y microcentrales por su bajo costo, fácil operación y mantenimiento. En el tablero de control se encuentran los instrumentos de control y protección como: voltímetro, amperímetro, medidor de frecuencia y medidor de potencia y energía, relés y anunciadores. Figura 33. Tablero de control y regulador Fuente: Treetech.com.br 3.5.3. Elementos de control y protección de generación 3.5.3.1. Instrumentos de medición Cuando se emplea la energía eléctrica, es necesario controlarla y conocer exactamente los valores de la tensión, corriente y potencia capaces de ser producidos por los generadores y absorbidos por los circuitos de operación. Voltímetro Permite medir la tensión o voltaje. Se construyen con alta impedancia para ser conectados en derivación, es decir, directamente a los bornes del aparato cuya tensión se desea medir. 46 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Amperímetro Sirve para medir la intensidad de la corriente. La impedancia interna es muy baja, por lo que se conecta en serie con las cargas receptoras y nunca en paralelo porque se podría producir un cortocircuito. Vatímetro Se usa para medir la potencia eléctrica. Está formada por dos bobinas: una voltimétrica y otra amperimétrica. Frecuencímetro Mide la frecuencia de la tensión alterna. Existen dos formas constructivas: una con lengüetas vibrátiles y otra con aguja indicadora, ambas conectadas a la tensión. 3.5.3.2. Auxiliares de control y protección Transformador de tensión para medición: Se emplea cuando la generación es superior a los 240 voltios y los instrumentos comerciales son de 120 y 220 voltios. Transformador de corriente: Se usa para bajar la intensidad de corriente a un nivel medible en un instrumento comercial, usualmente cinco amperios. Figura 34. Esquema básico de tablero de control de generación Fuente: Elaboración propia 47 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Para que los diferentes sistemas de protección puedan cumplir su misión, se necesita un interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magnético o de vacío, capaz de aislar el generador de la red, aun cuando esté trabajando a plena carga. Como elementos de protección se necesitan: Relés de protección de la interconexión que garanticen la desconexión en el caso de un fallo en la red. Relés de mínima tensión conectados entre fases. Relé de máxima tensión. Protección tierra-estator Máxima intensidad, con actuación temporizada e instantánea. Si el generador es de baja tensión estos relés pueden ser directos y estar instalados en el mismo interruptor. Retorno de energía Para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se utilizan relés diferenciales. Existen también relés que actúan sobre el interruptor principal cuando la temperatura del generador o del transformador de salida sobrepasa los límites aceptables, o en el caso de voltajes superiores o inferiores a lo normal. 3.5.4. Regulación de tensión El voltaje y la frecuencia con los que se suministra energía para los usos domésticos y productivos de la electricidad en corriente alterna, son los parámetros de la calidad del servicio.7 Una desviación excesiva de los valores nominales para los que están diseñados los artefactos y equipos que utilizan corriente alterna, producen alteraciones en la función que prestan, daños permanentes y alteración o reducción de la vida útil de los mismos. En diferentes casos se presentan: Voltajes elevados que pueden dañar el aislamiento de los bobinados de los motores eléctricos, y sacarlos de servicio. Voltajes muy bajos que provocan sobrecalentamiento de los motores con la consiguiente reducción de su vida útil. La lámpara fluorescente no enciende cuando el voltaje cae por debajo del 15% de su valor nominal. En las lámparas incandescentes el sobre voltaje reduce la vida útil y el bajo voltaje reduce el nivel de iluminación. En general, el equipamiento eléctrico está diseñado para funcionar adecuadamente dentro de rangos de variación de voltaje y frecuencia, asociados con los efectos antes descritos de tales variaciones. 7 Muguerza, D. Microcentrales hidroeléctricas 1999. 48 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Los estándares de calidad aceptados para pequeños sistemas eléctricos son los siguientes: Voltaje: ± 8–10% del valor nominal. Frecuencia: 50–60 Hz (se aceptan incrementos del cinco por ciento pero se evitan frecuencias debajo de la nominal). La causa de las variaciones de voltaje y de frecuencia del sistema es la variación de la carga que debe alimentar el generador. Regulador automático de voltaje (AVR) electrónico Es un dispositivo fabricado con elementos de estado sólido montado sobre una tarjeta impresa. Su misión es mantener el nivel de voltaje constante a cualquier condición de carga dentro del valor nominal del alternador aun con variaciones de la velocidad (cinco por ciento). Toma como señal el voltaje de la salida del alternador, la compara y emite automáticamente hacia el campo de la excitatriz la corriente continua necesaria para mantener el voltaje en el nivel de calibración. Dividiendo un AVR8 en circuitos operativos tenemos: Circuito sensor y comparador: Toma la señal, compara con una referencia pre-calibrada y detecta el error. Circuito amplificador del error y control de disparo: Detectado el error; es traducido y retenido por un tiempo, luego del cual se emite la señal que dispara el tiristor (rectificador de silicio cuya conducción de corriente es controlable). Circuito de control de potencia: Formado por diodos de silicio y tiristores. Toma la potencia del mismo alternador. Según el error y la señal del disparo, rectifica la corriente que se aplica al campo de excitatriz para corregir las variaciones de voltaje. Circuito de estabilidad: Es un circuito de realimentación de señal para detectar si la corrección de excitación es la apropiada. Es calibrable y depende de las características del conjunto AVR y alternador. De este circuito depende la velocidad de respuesta del equipo ante cambios bruscos de carga. a) Circuito de protección por baja velocidad motriz El AVR básico sólo mide voltaje. Consecuentemente, para evitar sobreexcitación por caída en la velocidad de giro, estos dispositivos incluyen un circuito que mide la frecuencia y, ante una disminución de la misma por debajo de un valor calibrado, dejan pasar menos corriente de excitación, de manera que el voltaje de salida disminuye proporcionalmente a la caída de velocidad. Este circuito no actúa sobre el regulador de velocidad de la turbina. 8 AVR: Voltios por amperios reactivos. 49 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas En la figura 3.35 se representa el diagrama de bloques de un AVR electrónico. Figura 35. Diagrama de bloques de un AVR electrónico Fuente: revistasbolivianas.org.bo 3.6. Regulación de velocidad Existen muchas maneras de aprovechar la energía generada por el agua. Algunos de estos sistemas operan con la turbina girando siempre a velocidad constante y otros lo hacen con la turbina operando a velocidad variable, ¿Por qué ocurre esto? La respuesta está en el uso que se le da a la energía generada, y a la existencia o no de control de velocidad en el equipo generador. Los sistemas que operan a velocidad constante están representados típicamente por microcentrales hidroeléctricas que suministran electricidad en corriente alterna. Estos sistemas requieren de una operación a velocidad constante para no dañar el generador eléctrico ni los equipos y máquinas que utilicen esta energía. Dado que la frecuencia de la corriente eléctrica es directamente proporcional a la velocidad de giro del alternador, una variación en la velocidad de giro implica una variación en la frecuencia del sistema eléctrico, que debe tener un valor de 50 ó 60 hertz según el país. Tabla 3. Efectos negativos debido a una operación en baja frecuencia Equipo / Dispositivo Efecto Motor eléctrico El motor puede malograrse por exceso de corriente en el bobinado. Motor eléctrico Motor no arranca. Lámpara fluorescente No enciende. Lámpara incandescente Menor iluminación (debido al bajo voltaje). Alternador Puede causar una caída de voltaje en el sistema y sobrecalentarse. 50 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Tabla 4. Efectos negativos debido a operación en alta frecuencia Equipo/Dispositivo Efecto Lámparas incandescentes Se descomponen o duran menos. Motores Pueden averiarse. Alternador Puede dañarse por excesiva velocidad. En aquellas centrales hidroeléctricas que no tienen un sistema de regulación de la velocidad, una variación en la demanda de energía inmediatamente producirá un cambio en la velocidad de giro de la turbina. Por lo tanto, el alternador empezará a girar a una velocidad diferente de la velocidad síncrona, con la consecuente variación en la frecuencia y en el voltaje de la línea. Por ello, cuando se prevé que en el sistema habrá continuamente variaciones en la demanda, es necesario instalar algún sistema de compensación que mantenga constante la velocidad del grupo generador: Regulando el caudal de agua en la turbina. Regulando la carga. 3.6.1. Regulación de velocidad por medio del caudal de agua en la turbina Para obtener una velocidad constante del grupo generador, existiendo una demanda variable, es necesario que en todo momento la potencia disponible al ingreso del grupo generador, deba ser igual a la potencia eléctrica a la salida de éste, más las pérdidas internas del grupo.9 Potencia de Ingreso=Potencia de Salida+Pérdidas Este equilibrio se logra regulando la cantidad de agua que ingresa a la turbina, de tal manera que si se produjera un aumento en la demanda, se abrirá una válvula que permite un mayor ingreso de agua a la turbina provocando que la potencia generada se iguale a la demanda. Existen dos maneras de realizar esta regulación: manual o automáticamente. Regulación manual La regulación manual se ha utilizado principalmente en microcentrales de potencia menores a 50 KW, ya que su costo inicial es bajo. Este tipo de regulación se emplea en aquellos sistemas donde no existen grandes fluctuaciones en la demanda de energía. Para utilizar este sistema se requiere de un operador en la casa de fuerza, que esté atento a las variaciones en la frecuencia del sistema y que compense estas variaciones haciendo variar el caudal. Esto se realiza por medio de la válvula de aguja o de alabes directrices, según el tipo de turbina empleada. 9 Coz, F. et al. Manual de mini y microcentrales hidráulicas una guía para el desarrollo de proyectos. 1995, Intermédiate Technology Development Group, ITDG–PERU. 51 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 36. Sistema de regulación manual del caudal de agua Fuente: accionverde.com Regulación automática La regulación automática de la velocidad por variación del caudal proporciona un sistema con frecuencia y voltaje estables. Se emplea cuando se prevé que en el sistema eléctrico existirán grandes cambios instantáneos en la demanda. Este tipo de regulación utiliza los llamados reguladores de velocidad oleo-mecánicos y sus variaciones como los taquimétricos, electromecánicos y electro-hidráulicos, entre otros. Por su elevado costo, este sistema resulta poco apropiado en microcentrales y son más utilizados en centrales de más de 100 KW de potencia. 52 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 37. Válvula automática de regulación de caudal Fuente: directindustry.es Figura 38. Diagrama general de un regulador de velocidad Fuente: biblioteca.unet.edu.ve 53 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.6.2. Regulación de la velocidad por regulación de carga A diferencia de la regulación por caudal de agua, en esta debe cuidarse que el grupo genere una potencia de acuerdo con la demanda. El exceso de potencia generada se disipará en forma de calor a través de una resistencia sumergida en el agua o al aire. Esta regulación también se puede realizar de manera manual o automática, siendo esta última la más utilizada. Regulación manual Es poco utilizada. Se requiere básicamente tener un banco de resistencias (hornillas eléctricas, focos incandescentes, baterías, etc.), que el operador irá conectando o desconectando según aumente o disminuya la frecuencia en la red eléctrica. Una ventaja de este sistema es que el operador puede realizar esta regulación en la casa de fuerza. Este sistema es especialmente útil para microcentrales hidroeléctricas muy pequeñas, que atienden a un número reducido de usuarios. Regulación automática de carga Con el fin de lograr soluciones más económicas y sencillas en el mantenimiento y la operación de los reguladores automáticos de velocidad, en los últimos años se ha desarrollado el sistema de regulación electrónica de carga. Este sistema ha encontrado su campo de aplicación principalmente en el rango de las microcentrales hidroeléctricas, es decir, para potencias menores de 100 KW. El sistema consiste en que el alternador produce una potencia constante y el regulador electrónico de carga, a través de unas válvulas electrónicas conocidas como tiristores, deriva la energía no consumida por la demanda a un sistema de disipación de energía. Algunas de las principales ventajas de estos reguladores, sobre los oleomecánicos y similares son: Simplifica el diseño de las turbinas al no existir necesidad de regular el caudal. Menor costo. Operación y mantenimiento sencillo. No produce sobrepresiones en la tubería de presión. Fácil ensamblaje o fabricación. Mayor rapidez en la respuesta a cambios de carga. 54 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 39. Regulador electrónico de carga Fuente: canyonhydro.com Figura 40. Diseño de un regulador de velocidad electrónico Fuente: jaibana.udea.edu.co 55 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.7. Sistema de transmisión de potencia mecánica En una mini o microcentral hidroeléctrica, se produce una continua conversión de energía cinética en energía mecánica en la turbina y de energía mecánica en energía eléctrica en el generador. La velocidad de giro de la turbina está relacionada con la caída neta, el caudal y las dimensiones del rodete. En el caso de grandes centrales hidroeléctricas, se justifica construir los rodetes de las turbinas con dimensiones que permitan garantizar una velocidad de giro igual a la del generador y permitir así su acoplamiento directo. En cambio, en el caso de microcentrales hidroeléctricas, sólo se pueden emplear los rodetes con las dimensiones estándares de los fabricantes. En consecuencia, la velocidad de operación, para las condiciones de caída neta y caudal disponible, rara vez coincide con las de los generadores. Por esta razón, en las MCH deben emplearse sistemas de transmisión de movimiento y potencia mecánica entre la turbina y el generador. 3.7.1. Elementos de un sistema de transmisión de potencia mecánica En todo sistema de transmisión de movimiento y potencia mecánica se pueden distinguir fundamentalmente dos tipos de elementos. Elemento conductor motriz. Elemento conducido. De una manera más específica, los elementos mecánicos involucrados en una transmisión serán: Una rueda impulsora. Una rueda conducida. Ejes que soportan las ruedas y giran con ellas. Soportes de los ejes (cojinetes de rodamiento o deslizamiento). Acoplamientos. En la figura 3.40 se pueden observar estos elementos. Es importante apreciar que la transmisión de la potencia mecánica se producirá continuamente con la participación de los diferentes elementos mecánicos; así, en el ejemplo mostrado, el eje motriz entrega movimiento a la rueda mediante la unión enchavetada, la rueda mueve a la faja por fricción, la faja mueve a la rueda conducida y finalmente ésta al eje conducido. 56 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 41. Sistema de transmisión de una etapa 3.7.2. Tipos de transmisiones Existen varios tipos de transmisiones mecánicas, entre las más importantes se encuentran las siguientes: Transmisiones flexibles por fajas: Planas Trapezoidales o en V Dentadas Trasmisiones flexibles por cadenas de rodillos: Simples Múltiples Transmisiones por rueda de fricción: Cilíndricas de ejes paralelos Cilíndricas de ejes transversales Cónicas Transmisiones por engranajes: Cilíndricas de dientes rectos Cilíndricas de dientes helicoidales Cónicos de dientes rectos Cónicos de dientes espirales Tornillo sin fin con rueda dentada 57 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 3.8. Redes eléctricas Se encargan de transportar la energía eléctrica desde la casa de máquinas hasta el usuario final. Cuando la casa de máquinas se encuentra lejos de la comunidad (a más de 800 metros), es necesaria la instalación de una red en media o alta tensión, y para ello se utilizan transformadores. Figura 42. Conexión desde la casa de máquinas hasta el centro de distribución Fuente: sectorelectricidad.com 3.8.1. Líneas de transmisión La energía generada deberá transmitirse mediante una red de baja, media o alta tensión, dependiendo de la distancia entre la casa de máquinas y el centro de consumo. Con el fin de generar las menores pérdidas posibles, será necesario tender redes de transmisión al voltaje apropiado.10 Todo sistema de distribución rural deberá ser diseñado totalmente en baja tensión y equiparse con los correspondientes elementos de maniobra, de puesta a tierra y protección, en donde el diseño eléctrico permita definir tipo y dimensiones del conductor. Para centrar el tema, se ubicará las líneas de transmisión (LT), las redes de distribución (RD) y las subestaciones (SE) de la microcentral hidroeléctrica (MCH) en el esquema general de los sistemas eléctricos, tal y como se presenta en la figura 3.42: 10 Montoya, J.; Diseño de una pequeña central hidroeléctrica. Universidad Tecnológica de Pereira, 1993. 58 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 43. Esquema eléctrico de líneas de transporte y redes de distribución Fuente: wikipedia.org 3.8.2. Determinación de la tensión generada Para determinar la tensión a generar, existen muchos criterios. El adoptado para la microcentral se basa en obtener una mínima magnitud de pérdidas en el cobre. En función a este criterio podrá tomar las magnitudes de los cuadros siguientes.11 Tabla 5. Tensión de generación recomendada para algunas potencias Potencia (Kw) Voltaje (V) 5-100 220–440 100-500 440–2400 500-5000 2400–6300 11 Cardona J., et al. Estudio de factibilidad y diseño de una microcentral hidroeléctrica para el municipio de Mistrató. Universidad Tecnológica de Pereira. Facultad de Ingeniería Eléctrica, 2004. 59 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 4. FACTORES CLAVES EN LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS PROYECTOS 4.1. Selección adecuada de los usuarios y decisión voluntaria de participación Tal y como se mencionó en el capítulo 2, uno de los factores clave para el éxito de un proyecto de electrificación rural, es la inclusión de la mayor cantidad de miembros de la comunidad favorecida. Si bien es cierto que la decisión de participar o no en el proyecto es voluntaria, también lo es que muy posiblemente habrá miembros de la comunidad que deseen formar parte del mismo luego de que éste ha iniciado su operación. Evidentemente, el propósito de un proyecto de esta naturaleza es favorecer a la mayor cantidad posible de personas, por lo que desde su planteamiento, deberá contemplar la potencial inclusión de nuevos miembros, dejando prevista la dotación de energía eléctrica de las nuevas unidades habitacionales. Una vez que el proyecto se ha puesto en marcha, entre todos los miembros participantes, se seleccionará adecuadamente a quienes conformarán un comité permanente del proyecto, el cual estará encargado de administrar todo lo relacionado con la operación y mantenimiento del mismo. Este comité, entre otras funciones, estará encargado de: Llevar el control de todos los miembros participantes del proyecto. Registrar la fecha de incorporación de cada uno de los miembros. Llevar un estricto control de los aportes de cada uno de los miembros, no sólo los monetarios, sino también cuantificando su participación en las diversas etapas del proyecto. Establecer una cuota mensual a pagar por cada uno de los participantes. Conformar el o los equipos encargados del cobro de la cuota mensual. Fiscalizar el adecuado mantenimiento del sistema de electrificación. Rendirle cuentas a todos los participantes sobre los estados financieros e integridad del proyecto a su cargo. Garantizar la existencia de un inventario básico de consumibles y repuestos para todo el sistema eléctrico, tanto a nivel de generación como de consumo (viviendas). Otro comité de suma importancia que deberá ser conformado –como se menciona en la sección 2.6– es el de mantenimiento del proyecto. Este comité estará integrado –idóneamente– por aquellos beneficiarios que tengan las mayores aptitudes para realizar las tareas propias de esta labor (citadas más adelante en la sección 5.1), de manera que se garantice la integridad del proyecto a lo largo de su vida útil. La importancia de llevar un estricto control sobre los aportes realizados por cada uno de los miembros activos del proyecto, radica en que se deberá decidir sobre el tipo de cuota que se establecerá, ya sea única o diferenciada; y si el aporte en especie permitirá establecer una diferenciación entre los participantes. También se deben realizar procesos de fortalecimiento del capital social de las comunidades, porque muchos de los problemas que se identifican posteriormente, como la no participación de un grupo importante de 60 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas comunitarios, se debe a la poca inversión que se hace en la promoción social previa a la implementación de los proyectos. 4.2. Coparticipación de los usuarios en los costos de implementación de la tecnología Si bien es cierto un proyecto de electrificación rural es de naturaleza social, también lo es que la comunidad deberá aportar lo que esté a su alcance para su realización. El objetivo del establecimiento de cuotas no es el de afectar la economía de los hogares de quienes conforman el proyecto, sino que los participantes desarrollen un sentimiento de pertenecía hacia el mismo que garantice su adecuado funcionamiento durante toda su vida útil. Por lo tanto, el establecimiento de la cuota deberá estar en función de los siguientes puntos: Costos totales de operación y mantenimiento del proyecto. Consumo eléctrico de cada una de las unidades habitacionales (para el caso de la cuota diferenciada). Posibilidad de pago monetario de cada uno de los participantes. Posibilidad de pago en especie (trabajo) por parte de cada participante. Inclusión de nuevos miembros al proyecto. Basado en lo anterior, cada uno de los aportes que realicen al proyecto los miembros de la comunidad, deberán ser debidamente cuantificados, y, de ser posible, procurar que muchas de las tareas permanentes que requiere el sistema, sean realizadas por los miembros de la comunidad. De esta forma, podrán disminuirse los costos de operación y mantenimiento del proyecto, y con ello, el monto de la cuota a pagar, lo que generará un beneficio adicional a los participantes, ya que se podrán crear nuevas fuentes de trabajo en torno al proyecto de electrificación. 4.3. Usuarios participan en la construcción y/o montaje del sistema La construcción de un proyecto de esta naturaleza está compuesta por múltiples tareas que deberán ser realizadas cronológicamente. Para ello, los desarrolladores del proyecto deberán enumerar las distintas tareas de acuerdo con el orden lógico en las que se deberán llevar a cabo. Una vez realizado lo anterior, se hará una reunión con los miembros de la comunidad beneficiada para invitarlos a que participen activamente de las diferentes actividades constructivas de la obra civil del proyecto de generación eléctrica, así como también en el montaje de los diferentes componentes eléctricos y mecánicos que lo conforman. Para ello, se crearán diversos grupos de trabajo para la realización de cada una de las tareas requeridas para la construcción de este tipo de proyectos. Para la conformación de los diferentes grupos se deberá considerar: Habilidades de los miembros de la comunidad. Afinidad de las diferentes tareas con los participantes. Disponibilidad de tiempo. Etc. 61 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Adicionalmente, la participación de todos los miembros de la comunidad deberá ser permanente, es decir, que irá mucho más allá de la etapa constructiva, ya que una vez que el proyecto se haya puesto en marcha, también requerirá de una permanente vigilancia que garantice la integridad de todo el sistema que lo conforma. Una comunidad unida y motivada en pos de un bien común, garantizará que en caso de que existan desperfectos o daños ocasionados por agentes externos como taludes, inundaciones, animales, etc., sean determinados lo más pronto posible y con ello el sistema eléctrico pueda ser reactivado a la mayor brevedad. De igual forma, el sentimiento de pertenencia hacia el proyecto común favorecerá para que el cobro de las cuotas mensuales sea realizado con relativa facilidad, ya que los miembros de la comunidad estarán comprometidos con el proyecto. 4.4. Control de calidad en la construcción y montaje del proyecto micro hidroeléctrico La supervisión y el control de calidad de cada una de las etapas de la obra deberá ser fiscalizada por el personal experto del desarrollador del proyecto, con el fin de garantizar que todas las obras sean realizadas de manera óptima; y que se utilicen los materiales y equipos de la calidad adecuada para este tipo de proyecto. De esta forma se garantizará que a la hora de ponerlo en marcha, su funcionamiento sea el adecuado. Como parte de las actividades de inicio del proyecto se deberá dar un período de prueba en el cual los expertos fiscalicen el adecuado funcionamiento de todos los componentes del sistema de generación eléctrica, y que en caso de que surgiera algún inconveniente, se pueda resolver a la mayor brevedad posible y con la asistencia del personal experto. Este período de prueba del sistema también será aprovechado para brindar la adecuada capacitación al personal clave que velará por su buen funcionamiento. 4.5. Capacitación para la adopción de la tecnología, uso y mantenimiento En vista de que la población beneficiada desconoce la tecnología por medio de la cual se le abastecerá el fluido eléctrico, uno de los puntos medulares para el éxito y adecuado aprovechamiento del proyecto, será la apropiada capacitación que se brinde a todos los usuarios. Dicha capacitación deberá ser general y adaptada al público meta, de acuerdo con su nivel de alfabetización, lenguaje, limitaciones físicas, etc. Adicionalmente, se le deberá brindar una capacitación especializada al personal que estará encargado del mantenimiento. A grosso modo, el objetivo de la capacitación deberá ser que todo el público comprenda de la mejor manera posible –según su papel dentro de la comunidad–, el funcionamiento, cuidados, riesgos y beneficios que tendrán con la puesta en marcha del proyecto de electrificación rural del que se están dotando. 62 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 5. FACTORES CLAVES EN EL MONITOREO (OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO) Y SOSTENIBILIDAD 5.1. Monitoreo y soporte técnico en el largo plazo Dentro de las funciones típicas del grupo encargado del mantenimiento del sistema de electrificación rural, están las siguientes: Revisión y eventual reparación de la tubería a todo lo largo de su trazado. Eliminación de objetos grandes que hayan caído y que puedan obstruir el libre paso del agua hacia la casa de máquinas. Limpieza de los tamices contenedores de objetos medianos y grandes. Revisión del “embalse” para determinar que no existan fuentes de contaminación del agua. Aceitado y engrasado de piezas móviles. Sustitución de piezas mecánicas de acuerdo con su vida útil. Mantenimiento correctivo en el trazado. Reparaciones de la línea de transmisión del proyecto: postes y cableado. Además, el comité de proyecto de electrificación deberá contemplar dentro de sus costos la traída de personal experto para que revise el sistema y además brinde actualización en cuanto a capacitación y también realice la adecuada inducción de los nuevos miembros. La permanente supervisión por parte de personal experto en el tema de equipos de generación eléctrica permitirá, entre otras cosas, pronosticar el plazo de vida útil que le queda a cada uno de los componentes del sistema, de manera que la comunidad pueda prepararse con suficiente tiempo para la sustitución de piezas vitales, así como también realizar una ampliación del mismo en caso que lo amerite. 5.2. Capacitación para el uso del sistema eléctrico Para que el sistema de electrificación funcione adecuadamente, requiere de un mantenimiento apropiado y permanente, para lo cual la comunidad deberá contar dentro de sus miembros participantes con un grupo capacitado capaz de actuar ante los daños comunes a los que está expuesto este tipo de proyecto, como: Sustitución de tuberías, por rotura o desgaste. Sustitución de postes y tendido eléctrico. Ampliación del tendido eléctrico debido a la incorporación de nuevos miembros. Mantenimiento de bombas, turbinas y demás componentes eléctricos. Realizar la instalación eléctrica en nuevas unidades habitacionales que se incorporen al proyecto. 63 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Reparaciones en los enrejados que contienen objetos que puedan caer dentro del sistema. Otros. Además del grupo encargado del mantenimiento del sistema, también es importante que todos los miembros de la comunidad sean conscientes de los cuidados que se le debe dar a un sistema eléctrico, así como también de los riesgos asociados, de manera que se minimicen los accidentes y daños ocasionados al mismo. Por ello es que toda la comunidad deberá recibir una adecuada inducción sobre el correcto uso del sistema que se ha instalado. 5.3. Reforzamiento de capacitación en la operación y mantenimiento Un adecuado programa de capacitación para el personal de mantenimiento del sistema de electrificación rural deberá contemplar al menos los aspectos enumerados en la tabla 5.1. Tabla 6. Temario básico para la inducción del personal de mantenimiento Descripción de las obras civiles. Consideraciones antes, durante y después de la operación del sistema. Obras civiles Mantenimiento de las obras civiles. Normas de seguridad en el mantenimiento. Equipo, herramientas, materiales para el mantenimiento. Descripción de los equipos. Secuencia de operación de los equipos. Mantenimiento preventivo y correctivo. Equipo electromecánico Programas de mantenimiento para el equipo electromecánico. Herramientas y/o equipo electromecánico. Seguridad. Normas de seguridad en el mantenimiento. Principios básicos de electricidad. Introducción a los circuitos eléctricos, partes y características. Parámetros de un circuito. Electricidad y redes eléctricas Instrumentos de medición. La red de distribución, definición, función y partes. Operación de mantenimiento de redes eléctricas. Normas de seguridad. Para lograr el máximo provecho del plan de inducción, éste deberá ser impartido por expertos en dichos temas y que adicionalmente hayan realizado esta función en condiciones similares, es decir, que previamente hayan capacitado a una población similar a la que conforma el proyecto de electrificación rural en cuestión. 64 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 6. ANÁLISIS DE FACTORES FACILITADORES Y LIMITANTES EN EL DESARROLLO DE LAS PCH En el diálogo con las organizaciones y las comunidades desarrolladoras, se señalaron principalmente las siguientes condiciones que facilitan el desarrollo de las PCH en comunidades rurales. 6.1. Factores facilitadores en la gestión de las minicentrales evaluadas Identificación de la oferta energética disponible en la zona. Antes de iniciarse la gestión de un proyecto de electrificación rural, se debe conocer la oferta energética disponible en la zona. Esta actividad debería ser parte de estudios hidrológicos y/o de pre-factibilidad conducidos por instituciones de gobierno (sea nacional o gobiernos locales con apoyo técnico especializado), de manera que el desarrollo de los proyectos sea parte de una acción conjunta con el Estado para el desarrollo rural integral de la zona, dentro de un esquema de planificación territorial local. Es común que los proyectos de generación hidroeléctrica generalmente compitan con otros usos del recurso hídrico, agua potable y riego, y se deben conocer con anticipación estos conflictos o demandas. En el caso de que estos estudios sean desarrollados por organizaciones privadas, deben ser del conocimiento de las instituciones de gobierno de la zona. Esto facilitará las gestiones futuras de las comunidades y dará mayor viabilidad técnica a los proyectos. Solidez de la organización desarrolladora. Es de vital importancia que la organización desarrolladora o acompañante de las comunidades tenga conocimiento de la tecnología que se va a promover, recursos financieros propios, personal entrenado y presencia en los sitios de intervención. La trayectoria de la organización acompañante es fundamental, dado que la mayoría de los proyectos de PCH se desarrollan en zonas aisladas con poca infraestructura de comunicación, y las comunidades deben tener un vínculo estrecho con estas organizaciones para generar relaciones de confianza y resolver sobre la marcha las situaciones que generalmente ocurren durante la implementación de una central hidroeléctrica. Otro aspecto es el conocimiento del contexto socioeconómico y político de la región, dado los frecuentes conflictos que deben enfrentarse y resolverse dentro y fuera de las comunidades. Identificación de la demanda actual y futura de servicios. Para lograr que el proyecto de electrificación sea exitoso, es de gran importancia incorporar desde las etapas iniciales del mismo, a la mayor cantidad de pobladores que se verán favorecidos con su construcción en el futuro y conocer sus necesidades de servicio. Como primer paso, se debe determinar de forma muy detallada la demanda actual y futura de la comunidad, considerando para cada familia las necesidades del hogar o negocio: iluminación, conexión de equipos del hogar, o conexión de equipos de trabajo, etc. Conociendo el diagnóstico inicial de la demanda, la comunidad u organización acompañante estará lista para iniciar la preparación de su proyecto. Esta práctica no siempre se cumple, y los proyectos visitados no han involucrado en su desarrollo a toda la población. Si bien involucrarse o no en un proyecto es una decisión de la familia, el trabajo de identificación de necesidades y promotoría social debe buscar como involucrar a toda la comunidad que quiera participar. Para ello es de suma importancia incorporar aspectos de índole social, cultural y económico en el diagnóstico, de manera que el planteamiento del proyecto sea lo más incluyente posible. Una buena práctica es sumar a personas con antecedentes en las ciencias sociales como parte del equipo de trabajo de los proyectos. 65 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Desarrollo organizacional en la comunidad. Los proyectos deben responder a solicitudes de las comunidades que carecen de electricidad, lo que implica la existencia previa de una organización comunal que determina las necesidades básicas de sus pobladores, gestiona los proyectos y luego lidera la implementación de los mismos. La mayoría de las comunidades en la región tienen formas propias de organización que responden a diversos esquemas de participación ciudadana y/o relaciones con los gobiernos locales. Los proyectos deben evitar a toda costa crear estructuras adicionales o paralelas, debilitando las formas de organización local. Por el contrario, deben fortalecer las estructuras existentes, de forma que las comunidades puedan desarrollar todo el ciclo de los mismos y articular los proyectos de electrificación rural con otros programas existentes, como proyectos de agua potable, o de educación y alimentación escolar. Estas organizaciones comunales pueden decidir formar y/o elegir “comités” para el desarrollo de un proyecto u otras formas de organización para la administración de un servicio particular, pero lo hacen bajo formas de gobernanza local. En estas situaciones, estas nuevas estructuras organizativas responden a los intereses globales de la comunidad. En general, la legislación de participación ciudadana permite la organización de formas asociativas de pobladores, las que se registran en las alcaldías y gozan de la legalidad para el manejo de recursos financieros. Esta situación debería ser capitalizada por los proyectos de electrificación para profesionalizar estas organizaciones en el manejo de los servicios de electricidad. Transparencia en el manejo de la información de los proyectos. Dada la naturaleza multipartita de los proyectos, donde intervienen varios financiadores y organizaciones, la información de los mismos muchas veces se maneja de forma fraccionada. Idealmente, se deberían desarrollar eventos en los que estén presentes todas las organizaciones involucradas, para socializar la información. Es muy importante que los pobladores conozcan desde el inicio cuáles son los términos en que los desarrolladores y/o representantes de las comunidades gestionan los proyectos, los costos totales, número de beneficiarios y se den acuerdos previos en relación a los compromisos que cada parte asume para la construcción de la obra. Los proyectos hidroeléctricos tienen un gran componente de obras civiles que ejecutan las comunidades, y los detalles asociados con estas contribuciones deben ser claros para todos. En el caso de que los proyectos no puedan cubrir todas las necesidades del servicio de la comunidad, o no todos los miembros de una comunidad decidan involucrarse, se debe clarificar desde el inicio el proceso o método a usarse para la toma de decisiones, y deben promoverse talleres de resolución de conflictos y de liderazgo, para evitar rupturas sociales en torno al proyecto. Idealmente, las reglas para la integración de futuros usuarios del servicio, deben estar establecidas desde el inicio del proyecto. Estudios de factibilidad y diseño adecuados que incluyen todos los componentes del sistema. Por muy pequeño que sea el proyecto de electricidad, debe realizarse un estudio de factibilidad acorde a la escala, que considere de forma integral todos los elementos del sistema: captación y boca tomas, desarenador y regulador de caudal, potencia de las turbinas, generador y regulador automático o manual. Algunos de los proyectos visitados no han podido entrar en operación por no haber completado elementos esenciales del sistema que no fueron previstos o incluidos en la planificación del mismo. 66 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Seguimiento a talleres fabricantes de piezas y exigencia de garantías. Cada vez más, parte de los equipos, como las turbinas, se fabrican localmente. Sin embargo, algunos proyectos han tenido limitaciones en garantizar la calidad o cumplimiento con las especificaciones solicitadas. Otras limitaciones que se han tenido que afrontar en los proyectos hidroeléctricos durante su implementación, son las siguientes: • Incumplimiento de desembolsos y montos comprometidos por alcaldías. Esta situación se ha dado por cambios de gobierno local, donde las nuevas autoridades desconocen los acuerdos; por situaciones donde las alcaldías se han quedado sin fondos; o por situaciones donde los costos de los proyectos han resultado mayores a los previstos. • Tiempo insuficiente otorgado para el desarrollo de proyectos. Todos los proyectos han tenido dificultades en finalizar las construcciones y en entrar en operación. La principal limitación ha sido la forma en que se han planificado, considerando un calendario de tiempo lineal que no toma en cuenta el tiempo disponible de las comunidades para el desarrollo de las obras civiles, y las condiciones del clima. Hay que recordar que la mayoría de las comunidades se encuentran en condiciones de aislamiento y no hay caminos para llevar los materiales de construcción. Estas actividades se realizan de forma manual o con el auxilio de animales de trabajo por miembros de las comunidades, incluyendo mujeres y niños, y debe considerarse el tiempo requerido para estos trabajos, que usualmente ocurre después de cumplida la jornada laboral ordinaria. • Emergencias climáticas. Muchos proyectos tuvieron que rehacer obras civiles o enfrentar desastres de derrumbes e inundaciones durante la fase de construcción. • Falta de estudios de prefactibilidad y políticas de manejo de cuencas. Algunos proyectos han tenido que enfrentar situaciones de competencia por el uso de los recursos hídricos en la zona de recarga o toma de agua, o situaciones donde el deterioro ambiental limita la disponibilidad de agua en el verano, interrumpiendo los servicios de energía. • Falta de regulación del servicio. Muchos proyectos han tenido dificultades en el ajuste y regulación de la energía generada por variaciones en la demanda, ocasionando fallas o daños en los equipos por razones de variaciones en la frecuencia del sistema eléctrico y en el voltaje. Estos aspectos se han resuelto instalando sistemas de regulación, ya sea regulando el caudal del agua en la turbina, o por regulación de carga, usando disipadores de potencia en forma de calor (por resistencia sumergida en agua) o bancos de resistencia. • Falta de otros usos de la energía generada. En la mayoría de los proyectos todavía no ha sido posible ampliar los servicios de energía a otros usos no domiciliares. Adicionalmente, las instalaciones colectivas como escuelas, casas comunales o iglesias todavía no están conectadas en la red. En estos casos la principal razón ha sido falta de presupuesto para hacer las conexiones. • Falta de eficiencia en el uso de energía. Uso de bombillos incandescentes y otros equipos que demandan más energía de la disponible. • Pago de cuotas. Las cuotas de pago se han establecido considerando la capacidad de pago, o la práctica de pago de otros proyectos; también el número de bombillos o artefactos conectados a la red para una cuota diferenciada. Sin embargo, en los proyectos visitados todavía no se ha regularizado el pago por servicios y, por lo tanto, aún no hay fondos destinados a los costos de operación y mantenimiento del servicio. El trabajo de los operarios del servicio es voluntario. 67 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas • Mantenimiento y sostenibilidad de los proyectos. Si bien todos los desarrolladores consideran el tema del mantenimiento y sostenibilidad de los proyectos como prioridad, en la práctica los proyectos no han desarrollado acciones para garantizarlo. Las capacitaciones han sido limitadas al entrenamiento de los operarios de los equipos, sin la correspondiente entrega de manuales. Esos aspectos están todavía en proceso, puesto que los desarrolladores no han salido de los sitios donde se desarrollan los proyectos. Sin embargo, es importante tener presente que para que el sistema de electrificación funcione adecuadamente, la comunidad deberá contar con personas entrenadas para dar mantenimiento adecuado y administrar todo el sistema. El tema de desarrollo de capacidades no debería limitarse a la capacitación in situ de los operarios o maquinistas para enfrentar los daños más comunes que enfrentan estos proyectos. Como se ha dicho anteriormente, las PCH son proyectos de naturaleza social, que dinamizan el desarrollo local y por consiguiente, desde el inicio del proyecto se debe abordar el tema de desarrollo de capacidades locales, lo que incluye la capacidad de organización, planificación y seguimiento a todas l as actividades relacionadas con la obra. • Falta de auditorías de cumplimiento a los contratistas. La supervisión y el control de calidad de cada una de las etapas de las obras ha sido poco fiscalizada por personal externo al desarrollador. 6.2. Análisis de factores que inciden en la eficacia de la PCH en la generación de servicios de electricidad Del análisis sobre el cumplimiento de las metas de los proyectos, se identificaron más de 23 factores que inciden en la falta de eficacia de las PCH en la generación de servicios de electricidad. Agrupadas por familia de causas, se establecieron como vitales las siguientes: Capacidad técnica de desarrolladores. Debilidades en la planificación y seguimiento. Débil capital social (capacidad y desarrollo de organizaciones locales). Déficit en políticas ambientales, especialmente las relacionadas al manejo de cuencas y déficit de políticas sectoriales de promoción de pequeñas centrales hidroeléctricas. 68 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas Figura 44. Familias de causas de anomalías identificadas en la generación de energía de las PCH Al fallar estos dos aspectos básicos por falta de políticas que faciliten la electrificación rural y por falta de capacidad técnica de los desarrolladores, se producen anomalías o problemas con consecuencias muy negativas en la provisión y aprovechamiento de servicios de energía: Estudios y diseños deficientes. KW., inutilizados. No hay cumplimiento en desembolsos de recursos comprometidos. Recursos financieros parciales. No hay un banco de repuestos y herramientas. Debilidad de ONG acompañantes e incumplimiento de contratistas. Débil gestión administrativa de comités locales. Falta capacitación y manuales. Divisiones internas/diferencias políticas. Falta plan de manejo de cuencas. Alta demanda por agua, permisos y concesiones de agua y venta de electricidad. Racionamiento de servicios. 69 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. Cerca del veinte por ciento de la población mundial carece de acceso a la energía eléctrica, razón por la cual un programa de electrificación rural es un tema de importancia mundial. 2. Los proyectos de electrificación rural surgen como una necesidad debido a la imposibilidad que existe de abastecer con la red eléctrica nacional a poblaciones ubicadas en lugares remotos. 3. Para que un proyecto de electrificación rural sea exitoso, deberá ser multipartito, es decir, incluir a múltiples actores entre de los que se encuentran: gobierno nacional, gobierno local, comunidades, entidades financieras, etc. 4. La energía renovable es una excelente alternativa para la generación de electricidad en sistemas aislados, ya que garantiza la dotación permanente y a bajo costo de fluido eléctrico, además de que permite la realización de sistemas híbridos y el escalamiento modular. 5. Uno de los ejes fundamentales para el éxito de un proyecto de electrificación rural es la participación masiva de los miembros de la comunidad en la que se instalará el mismo, ya que se garantizará el apoyo y la colaboración en las diferentes etapas del proyecto. 6. Otro de los pilares fundamentales para el éxito del proyecto de electrificación rural es la adecuada administración del mismo por parte de un consejo administrativo, que será el encargado de velar por la operación y mantenimiento del proyecto a lo largo de toda su vida útil. 7. El tercer pilar lo conforma el grupo de mantenimiento local, que será el encargado de garantizar el adecuado funcionamiento y correrá con las reparaciones menores que requiera el sistema. 8. El cuarto pilar lo conforma el grupo externo de consultores compuesto por todos los expertos que participan desde la conceptualización del proyecto más adecuado para las condiciones específicas del lugar, hasta su puesta en marcha y posterior mantenimiento a lo largo de la vida útil. 9. La capacitación hacia el personal de operación y mantenimiento del proyecto deberá ser brindada por especialistas que hayan participado previamente en proyectos de una naturaleza similar en cuanto a tecnología, necesidades y población. 10. La selección de la tecnología hidroeléctrica más adecuada para un proyecto específico estará determinada principalmente por el recurso hídrico existente, razón por la cual se debe definir la demanda potencial de la comunidad para poder establecer si el recurso hídrico es el suficiente para abastecer dicha demanda. 11. La elección del método más conveniente para determinar el caudal dependerá principalmente del grado de exactitud requerido y facilidad de aplicación. 70 Guía de buenas prácticas Minicentrales Hidroeléctricas 8. BIBLIOGRAFÍA 1. Coz, F., et al. “Manual de Mini y Microcentrales Hidráulicas: una guía para el desarrollo de proyectos”; Intermediate Technology Development Group, ITDG, Lima: 1995 2. Ministerio de Energía y Minas República del Perú, “Estudio del Plan Maestro de Electrificación Rural con Energía Renovable en la República del Perú”; Lima, 2008 3. 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