Microcentrales hidroeléctricas: guía para principiantes sobre diseño e instalación

Resumen

Los proyectos de energía hidroeléctrica en granjas existen desde hace muchos años, desde las ruedas hidráulicas que se usaban para moler granos y forjar hasta las modernas turbinas hidroeléctricas diseñadas para accionar compresores y motores. Los sistemas microhidroeléctricos —aquellos que producen menos de 100 kilovatios de electricidad— pueden ofrecer una fuente sostenible y continua de energía renovable en las granjas. Esta publicación está diseñada para presentar al lector todas las etapas de un proyecto microhidroeléctrico, desde la consideración inicial de la idea hasta la producción de energía.

Introducción

Hoy en día existe un gran interés en utilizar fuentes de energía renovables como la energía solar, la eólica, la biomasa y el agua en movimiento para generar energía con la que hacer funcionar la maquinaria agrícola. Muchas de las tecnologías para convertir estas fuentes renovables en energía útil han existido durante siglos y ahora están volviendo a recibir una gran atención. La generación de energía a partir del agua que fluye y cae no es la excepción. De hecho, es una de las tecnologías energéticas más antiguas y comunes del mundo. Cuando pensamos en la energía hidroeléctrica, por lo general nos vienen a la mente grandes presas e instalaciones de generación a gran escala. Sin embargo, a nivel mundial, son muy comunes los sistemas hidroeléctricos mecánicos y eléctricos a pequeña escala que son respetuosos con el medio ambiente.

Las granjas suelen tener fácil acceso a lagos y estanques, así como a arroyos y ríos naturales. Cuando los agricultores cuentan con los derechos para utilizar los recursos hídricos que se encuentran dentro de su propiedad, por lo general enfrentan menos obstáculos tanto en la obtención de permisos como en el uso eficiente de la energía hidroeléctrica a escala de la granja. La energía hidroeléctrica puede ser una fuente continua de energía siempre y cuando haya suficiente caudal de agua, y esta publicación abordará la energía hidroeléctrica y cómo aprovecharla de manera sostenible. No se centrará en las norias, aunque muchos de los recursos informativos que se analizarán también son relevantes para el desarrollo de proyectos de norias.

La potencia eléctrica se mide en vatios (W), kilovatios (kW) o megavatios (MW), y la potencia mecánica se mide en caballos de fuerza (HP). Si una turbina genera 150 vatios de manera continua durante una hora, habrá generado 150 vatios-hora, o 0,15 kilovatios-hora (kWh). Los sistemas hidroeléctricos para hogares y granjas suelen tener potencias de salida inferiores a 100 kilovatios. Para facilitar la terminología, a esta escala de energía hidroeléctrica se le conoce como microhidro.

Los sistemas microhidroeléctricos suelen estar compuestos por los siguientes componentes:

• Una rejilla de residuos, un vertedero y un embalse de entrada para evitar que los residuos entren en la tubería y la turbina
• Una tubería (también llamada conducto forzado) para llevar el agua a la turbina
• Una central eléctrica que contiene la turbina y los componentes electrónicos
• Una turbina hidráulica que convierte la energía cinética del agua que fluye en energía mecánica que puede utilizarse directamente o para accionar un generador u otro equipo: este es el componente principal de un sistema microhidroeléctrico
• Un canal de desagüe para devolver el agua a la fuente de donde proviene
• Líneas de transmisión para llevar la energía eléctrica a donde se necesita

Esta publicación tiene como objetivo incluir toda la información necesaria para que puedas iniciar el proceso y para brindarte apoyo general en cada etapa del desarrollo de un proyecto de microhidroeléctrica. Sin embargo, es fundamental que participes activamente en la selección del emplazamiento y el desarrollo de tu sistema hidroeléctrico, ya que la mayor parte de esta publicación solo sirve para ofrecerte pautas. No es posible proporcionar descripciones detalladas de cada paso del proceso, ya que el desarrollo de una microhidroeléctrica depende en gran medida de las características específicas de cada emplazamiento. Cada sitio en cada condado, estado y región puede estar sujeto a un conjunto diferente de regulaciones, así como a una ecología, geología y topografía distintas. Además, su motivación personal, su situación económica y las necesidades energéticas de su granja probablemente sean muy diferentes de las del siguiente lector.

Cómo determinar el potencial hidroeléctrico de tu sitio

Para determinar el potencial hidroeléctrico del agua que fluye de tu manantial o de tu arroyo, debes conocer tanto el caudal como la altura de caída. El caudal es la cantidad de agua que pasa por un punto durante un período determinado. Los caudales de los sistemas microhidroeléctricos suelen medirse en galones por minuto o pies cúbicos por minuto. La altura de caída es la diferencia de nivel vertical, medida en pies, desde la cabecera (en el caso de una presa) o desde el punto donde el agua ingresa a la tubería (si no hay presa) hasta el punto donde el agua sale de la carcasa de la turbina. En algunas turbinas, como las que utilizan un «tubo de succión», la altura de caída se extiende hasta la base del tubo.

Medición de caudal

Para evaluar adecuadamente la potencia mínima continua que puede esperar de su sistema hidroeléctrico, deberá determinar la cantidad mínima de agua que pasará por él. Por esta razón, es importante conocer tanto el caudal mínimo de su arroyo como qué parte de ese caudal puede utilizar para la generación de energía. Siempre es importante desviar el caudal mínimo para la generación de energía, especialmente cuando esto tenga un impacto en la migración de los peces y en la ecología del arroyo.

Si ya estás familiarizado con las variaciones estacionales del arroyo, puedes limitar las mediciones de caudal a los pocos meses que rodean el caudal más bajo o el período más seco. Sin embargo, si no sabe aproximadamente cuándo el caudal es más bajo, deberá realizar mediciones de caudal al menos una vez al mes (preferiblemente dos veces al mes) durante todo el año. Al determinar el caudal, es mejor utilizar el caudal promedio o el caudal más bajo esperado durante el año. Estos caudales mínimos o promedio son especialmente importantes cuando comience a realizar cálculos de potencia para su sistema, lo cual se aborda más adelante en esta publicación.

Una vez que hayas recopilado tus datos de caudal, estarás en condiciones de comenzar a realizar algunos cálculos. ¿Fue un año seco o un año húmedo? Para determinarlo, necesitarás más información, que por lo general proviene de las estaciones de monitoreo del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) en tu zona. Estas estaciones cuentan con datos de varios años sobre precipitación, capa de nieve o caudales de los ríos —si no para tu ubicación específica, al menos para alguna cuenca hidrográfica importante cercana—. Tendrás que revisar esta información para ver cómo se compara el año que mediste con los patrones típicos de tu zona. Una vez que hayas determinado si tu año fue seco, típico o lluvioso, podrás hacer las modificaciones necesarias a tus datos para calcular los caudales mínimos esperados para tu arroyo.

Si tu sistema hidroeléctrico va a producir electricidad para un hogar, lo que más te preocupará serán los caudales mínimos. Por lo general, bastará con un buen muestreo de caudales durante la estación seca —suponiendo que sepas cuándo es esa estación—. Sin embargo, si se trata de un proyecto de gran escala, tal vez te convenga estimar con mayor precisión la demanda de energía que esperas que tenga el sistema —lo que a menudo se denomina «proyecciones de carga»—, especialmente en lo que respecta a cómo se puede aprovechar la energía en la época del año en que está disponible. Para ello, deberás tomar en cuenta los caudales máximos y promedio, además de los mínimos. Y si su sistema requiere una presa, es vital conocer el caudal máximo del arroyo para dimensionar adecuadamente los aliviaderos que desvíen el exceso de agua y eviten daños a su instalación. El objetivo es identificar el «caudal de diseño» de su sistema hidroeléctrico: el caudal máximo para el cual el uso del sistema es rentable y ambientalmente sostenible.

Existen varios métodos para medir el caudal. El método más adecuado dependerá del tipo de recurso hídrico que se desee medir y del equipo del que se disponga.

Para pequeños arroyos de montaña, tuberías de drenaje cerradas o manantiales, el método del cubeta funciona bien. Crea una presa temporal para contener el agua y desvía todo el flujo hacia un recipiente de tamaño conocido. Mide con cuidado el número de segundos que tarda en llenarse este recipiente.

Por ejemplo, si se tarda 40 segundos en llenar un barril de 55 galones, el caudal es de 1,375 galones por segundo, o 82,5 galones por minuto, o aproximadamente 11 pies cúbicos por minuto. (Consulte la tabla de conversiones útiles en la Figura 1.)

Repite este proceso varias veces para evitar cualquier error en la medición y el cálculo. Luego, calcula el promedio de los valores para obtener el caudal final.

Para arroyos más grandes de los que se espera utilizar una gran cantidad de caudal, se puede emplear el método del flotador. Para utilizar este método, es necesario conocer el área de la sección transversal del arroyo y su velocidad. El área de la sección transversal debe determinarse en un punto que sea fácil de medir, preferiblemente en el centro de un tramo recto del arroyo. Mide el ancho del arroyo en pies. Mide también la profundidad del arroyo a intervalos iguales a lo largo de su ancho. (Véase la Figura 2.) Anota la profundidad en cada intervalo y calcula la profundidad promedio.

Por ejemplo (Consideremos la sección transversal de un arroyo como se muestra en la Figura 2):

d = profundidad
d1 = 1,0 pies
d2 = 1,3 pies
d3 = 1,2 pies
d4 = 1,8 pies
d5 = 1,0 pies
d6 = 0,8 pies
d7 = 1,1 pies
d8 = 1,8 pies
d9 = 1,3 pies
d10 = 0,7 pies
Total = 12 pies
Promedio d = 1,2 pies

A continuación, multiplica el ancho por la profundidad promedio para obtener el área de la sección transversal del arroyo en pies cuadrados.

Por ejemplo, en el arroyo descrito anteriormente, supongamos que el ancho (w) en el punto donde se realizaron las mediciones para determinar la profundidad promedio (d) era de 8 pies. El área de la sección transversal (A) se puede calcular de manera sencilla:

A = w × d
A = 8 pies × 1,2 pies
A = 9,6 pies cuadrados

La velocidad de la corriente se puede determinar eligiendo un tramo recto de agua de al menos 30 pies de largo, con lados aproximadamente paralelos y un lecho libre de rocas, ramas u otros obstáculos. Marca dos puntos, digamos a 30 pies de distancia entre sí, a lo largo del arroyo. En un día sin viento, coloca un flotador en medio del arroyo, un par de yardas río arriba del primer marcador. (Una naranja o una botella de refresco parcialmente llena de piedras pequeñas, de modo que el cuello quede fuera del agua, funcionan bien como flotador.) Cuando el flotador llegue al primer marcador, comienza a cronometrar con cuidado el número de segundos que tarda en llegar al segundo marcador. Para mayor precisión, repite este proceso varias veces y calcula el promedio de los resultados.

Por ejemplo, supongamos que el tiempo promedio que tarda un flotador en recorrer la distancia entre dos marcadores situados a 30 pies de distancia es de 15 segundos. Calcula la velocidad del flotador:

Sin embargo, la velocidad del flotador no representa la velocidad de toda el agua del arroyo. Debido a la fricción, el agua de los costados y del fondo del arroyo fluye más lentamente que la del centro y cerca de la superficie. Por lo general, en la estimación de la velocidad promedio del arroyo se incluye un factor de corrección, que depende de cuán rugoso o liso sea el lecho del arroyo. Este factor de corrección puede variar desde 0,25 para un arroyo poco profundo y rocoso hasta 0,75 para un arroyo natural con un lecho y orillas muy lisos.

Por ejemplo, utilice la velocidad de flotación calculada anteriormente para determinar la velocidad de la corriente (V) en un arroyo bastante liso, con pocas rocas, cantos rodados o tocones de árboles que sobresalgan del lecho del arroyo:

• V = 2 pies por segundo × 0,65 = 1,3 pies por segundo; o bien, V = 78 pies por minuto

Ahora se puede calcular el caudal del arroyo multiplicando el área de la sección transversal del arroyo (A) por la velocidad del arroyo (V):

• Caudal = A × V
• Caudal = 9,6 pies cuadrados × 78 pies por minuto
• Caudal = 748,8 pies cúbicos por minuto

Ahora, dependiendo de qué parte del caudal del arroyo puedas o quieras utilizar (lo cual se explicará más adelante), puedes determinar el caudal utilizable. Simplemente multiplica el caudal que acabas de calcular por la parte del caudal que planeas utilizar.

Si vas a utilizar solo el 25 % del caudal mínimo, y el caudal que has determinado anteriormente es de 748.8 pies cúbicos por minuto (cfm), para calcular el caudal utilizable solo hay que hacer otro cálculo sencillo:

• Caudal útil = 748,8 cfm × 0,25
• Caudal útil = 187,2 cfm

Puedes convertir esto a galones por minuto (gpm):

• Caudal útil = 187,2 cfm × 7,48
• Caudal útil = 1 400 gpm

Otro método para determinar el caudal de un arroyo es el llamado «método del alero». Este método es muy preciso y se puede utilizar durante todo el año para medir el caudal de cualquier arroyo. Funciona particularmente bien en arroyos poco profundos, donde es posible que un flotador no se mueva libremente.

Un aliviadero suele construirse con forma rectangular. Para utilizar el método del aliviadero en este ejemplo, construye una presa temporal a través del arroyo, perpendicular al flujo, con una muesca o aliviadero rectangular lo suficientemente grande como para admitir el caudal máximo del arroyo durante el período de medición. Antes de construir el aliviadero, haz una estimación aproximada del caudal del arroyo para determinar el tamaño de la muesca. El ancho de la muesca (w) debe ser al menos tres veces su altura (h), y el borde inferior de la muesca debe estar perfectamente nivelado. El borde inferior y los lados verticales de la muesca deben estar biselados, con el borde afilado hacia aguas arriba. Toda la estructura puede construirse con madera o madera contrachapada, y todos los bordes y el fondo del azud deben sellarse con tierra arcillosa y sacos de arena para evitar fugas. Refuerza y sella muy bien el azud para asegurarte de que no se caiga ni se erosione por los bordes. En la Figura 3 se muestra un azud típico.

Para medir el caudal de agua que pasa por el aliviadero, debes instalar un medidor de profundidad sencillo. Para ello, clava una estaca en el lecho del arroyo al menos a 5 pies aguas arriba del aliviadero, hasta que una marca preestablecida en la estaca quede exactamente a la misma altura que el borde inferior de la muesca del aliviadero. La profundidad del agua sobre esta estaca, por encima de la marca preestablecida, indicará el caudal de agua que pasa por el aliviadero. Deberás consultar una «tabla de aliviaderos» para determinar este caudal. En la Tabla A se presenta una tabla típica de aliviaderos para una muesca rectangular. Para usar la tabla, determina la profundidad del agua en pulgadas por encima de la marca preestablecida en la estaca. Busque este valor en la tabla de aliviaderos y lea el caudal en pies cúbicos por minuto por cada pulgada de ancho de la muesca. Multiplique este caudal volumétrico por el ancho, en pulgadas, de la muesca de su aliviadero. Esto le dará el caudal del arroyo en pies cúbicos por minuto.

Por ejemplo, supongamos que en un arroyo en particular has construido una presa con una muesca de 30 pulgadas de ancho. La profundidad del agua en el poste, por encima de la marca preestablecida, es de 6.25 pulgadas. En la tabla de presas, busca frente a 6.25 pulgadas el caudal de 6.28 pies cúbicos por minuto (cfm) por pulgada de ancho de la muesca. Así podrás calcular el caudal total del arroyo: 6.28 cfm × 30 pulgadas = 188.4 cfm.

Una vez instalado el aliviadero, podrás tomar lecturas fácilmente a lo largo del año. Si vas a utilizar el aliviadero durante un período prolongado, es importante que revises con frecuencia que los lados y el fondo sean impermeables para evitar que el agua erosione el suelo a su alrededor. Puedes encontrar más información sobre cómo medir el caudal en la publicación de ATTRA titulada «Medición y conservación del agua de riego».

Medida de la cabeza

Así como un mayor caudal ofrece potencialmente más energía útil, cuanto mayor sea la distancia vertical que recorre el agua al caer, mayor será la energía potencialmente útil disponible en tu arroyo.

El «salto» es la distancia vertical, que por lo general se mide en pies, entre la ubicación propuesta para la toma de agua y la central eléctrica propuesta. Al igual que el caudal, el salto se puede medir de varias maneras, aunque solo algunas son lo suficientemente precisas como para diseñar un sistema hidroeléctrico.

• En el caso de los sistemas de gran altura de caída, los mapas topográficos de tu zona, que puedes obtener del Servicio Geológico de los Estados Unidos, pueden darte una idea de la distancia vertical entre la toma de agua y el canal de desagüe de la turbina hidráulica. Sin embargo, los mapas topográficos no siempre son precisos y solo deben utilizarse para realizar estimaciones preliminares de la altura de caída, no para calcular la potencia ni para dimensionar las turbinas.
• Los altímetros y las unidades de GPS con función de altímetro pueden proporcionar estimaciones de la diferencia de elevación entre los puntos de toma y de descarga, pero no deben utilizarse para la medición definitiva. Es común que los altímetros barométricos de bajo costo presenten un error de 150 pies o más al calibrarse (New, 2004).
• Se puede instalar un manómetro graduado en el extremo de una manguera. Un extremo de la manguera debe colocarse en el punto de entrada, y el otro extremo debe descender de manera constante hasta la ubicación de la turbina. Llena la manguera con agua y lee el manómetro. (Asegúrese de purgar todo el aire de la manguera haciendo correr agua por ella durante unos minutos antes de conectar el manómetro.) Convierta la lectura de presión en una medida de altura de elevación multiplicando la presión en libras por pulgada cuadrada (psi) por 2,31. Por ejemplo, una lectura de 50 psi se calcularía como 50 x 2,31 = 115,5 pies de altura de elevación.
• El uso de un teodolito puede ser un método muy preciso para medir la altura de caída y es ideal para sitios con una altura de caída inferior a 50 pies. Lo más fácil es contar con un asistente que ayude a medir la altura de caída cuando se utiliza un teodolito.
• La altura se puede medir con bastante precisión con un nivel láser, un nivel de mira (o «lanzaguisantes») o un nivel de carpintero con algún tipo de soporte que lo eleve unos pies del suelo. Para usar un nivel de carpintero, también necesitarás una cinta métrica, un lápiz y papel. Contar con un asistente puede facilitar el trabajo.
  a. Coloca tu nivel, asegurándote de que esté horizontal (nivelado) y de que su borde superior se encuentre a la misma elevación que la ubicación propuesta para la toma de agua —o a una distancia vertical conocida por encima de dicha ubicación—.
  b. Mira a lo largo del borde superior del nivel hacia un punto en un objeto que se encuentre más abajo en la colina (por ejemplo, una varilla de medición, un árbol, una roca o un edificio) al que puedas llegar para realizar la medición.
  c. Fíjate en este punto exacto del objeto y márcalo (punto A en la figura 4 a continuación).
  d. Mueve tu nivel y tu trípode cuesta abajo y vuelve a instalarlos, con el borde superior del nivel en un punto B situado por debajo del punto A, tal como se muestra en la Figura 4. Marca este punto B y mide y anota la distancia vertical de A a B. Ahora vuelve a mirar a lo largo del borde superior del nivel hacia otro punto A que se encuentre más abajo en la colina para obtener tu siguiente punto.
  e. Repite este procedimiento, identificando y midiendo puntos hasta llegar a la ubicación propuesta para la turbina hidráulica.
  f. Si se requirió más de una medición, suma todas las distancias verticales entre los puntos A y B emparejados. Si tu primera medición se realizó por encima de la superficie del agua cerca de la ubicación de la toma, resta la distancia vertical entre la superficie del agua y el borde superior del nivel de la suma de las distancias verticales. Ahora ya conoces la altura manométrica total de tu sitio propuesto.

Al utilizar este método para calcular la altura de elevación, hay algunas cosas que debes recordar:

No es necesario que te preocupes por las distancias horizontales a la hora de determinar la altura.

Cada vez que reajustes el nivel, su borde superior debe quedar exactamente al mismo nivel que el punto B (mira hacia atrás para verificarlo).
La línea de recorrido puede serpentear por el camino más adecuado para el tendido de la tubería forzada.

Una vez que se tiene la altura total, o bruta, hay que tomar en cuenta diversas pérdidas en la tubería de presión antes de poder realizar cualquier cálculo teórico de potencia. Para estos cálculos se requiere la altura neta: altura neta = altura bruta – pérdidas en la tubería de presión.

Las pérdidas se producen por varias razones. Siempre que el agua fluye por una tubería o realiza un giro brusco, se producen pérdidas por fricción. Estas pérdidas por fricción aumentan a medida que aumenta el caudal, y también dependen del tamaño de la tubería utilizada: cuanto menor es el diámetro de la tubería, mayor es la fricción. Los codos y las curvas en la tubería también aumentan las pérdidas por fricción. Las pérdidas típicas en tuberías de cloruro de polivinilo (PVC) se muestran en la Figura 5, y en Internet se pueden encontrar calculadoras de fricción en tuberías.

Cualquier fabricante o proveedor de tuberías de buena reputación podrá ofrecerte las opciones de tuberías y la información sobre las pérdidas por fricción para tus condiciones específicas de flujo. Resta las pérdidas en las tuberías de tu altura bruta para obtener la altura neta. Otras pérdidas que podrían ocurrir en tu sistema hidroeléctrico dependen del número de curvas que contenga, así como de las válvulas, los reductores y el tipo de turbina que vayas a utilizar.

Cálculo de la potencia

Una vez que hayas determinado el caudal útil y la altura neta para tu emplazamiento específico, podrás calcular una estimación aproximada de la cantidad de energía que puedes esperar obtener de ese emplazamiento. Primero tendrás que calcular la energía teóricamente disponible, que es una medida que supone que el 100 % de la energía disponible para la turbina puede convertirse en una forma útil.

Existen varios cálculos que se pueden utilizar para proyectar la potencia teórica. La potencia teórica disponible (_{Pth) viene dada por la siguiente ecuación (donde 62,4 = densidad del agua, en libras por pie cúbico; Q = caudal útil, en pies cúbicos por minuto; y h = altura neta, en pies):}

_{Pth = 62,4 Q × h}

Esto da como resultado_Pth en pies-libras por minuto.

Para convertir a caballos de fuerza, la ecuación queda así:

Para convertir a kilovatios, la misma ecuación queda así:

Por ejemplo, utilizando un caudal (Q) de 5 pies cúbicos por minuto y una altura neta (h) de 100 pies, este es el cálculo para determinar la potencia teórica en kilovatios:

• _Pth= aproximadamente 0,7 kilovatios
• o_Pth= 700 vatios

El cálculo de la potencia teórica disponible representa una potencia mayor a la que obtendrás de tu equipo, ya que siempre se pierde algo de energía al convertirla de una forma a otra. Toda la maquinaria y demás equipos que utilizas para convertir la potencia disponible en el agua que fluye (energía cinética) en potencia mecánica de eje o eléctrica tienen una eficiencia inferior al 100 %.

Se producen pérdidas cuando el sistema debe transferir energía de la turbina al generador, al alternador o a algún sistema mecánico. Se estima que las transmisiones por correa tienen una eficiencia de entre el 95 % y el 97 % por cada correa (las transmisiones directas son una mejor opción); las cajas de engranajes tienen una eficiencia del 95 % o más; y los alternadores y generadores tienen una eficiencia de alrededor del 80 %. Los fabricantes de equipos y turbinas deberían poder proporcionar al menos una estimación de las eficiencias de sus productos.

Las eficiencias generales típicas de los sistemas de generación eléctrica pueden variar entre el 50 % y el 70 %, si bien en los sistemas de impulso de alta caída y alta velocidad se alcanzan eficiencias generales más elevadas, de entre el 70 % y el 85 %.

Por ejemplo, según nuestras cifras anteriores, la potencia teórica disponible (_Pth) era de 700 vatios. Si se utiliza una turbina de impulso con un rendimiento del 80 % conectada mediante una sola correa de transmisión a un alternador con un rendimiento del 80 %, es razonable esperar que la potencia útil (P) sea:

• P = 700 vatios × 0,8 (turbina) × 0,95 (transmisión por correa) × 0,8 (alternador)
• P = 426 vatios

Para los cálculos preliminares de potencia, solo debes enfocarte en las pérdidas de eficiencia mencionadas anteriormente. Sin embargo, antes de pasar a la desarrollo del sitio, te conviene incluir todas las pérdidas de eficiencia, entre las que se encuentran las pérdidas por fricción en las tuberías (si aún no se han incluido), las pérdidas en las líneas eléctricas, las pérdidas por carga de la batería y las pérdidas relacionadas con la eficiencia del inversor. Una vez incluidas todas las pérdidas de eficiencia, obtendrás lo que comúnmente se conoce como el factor de eficiencia «del agua a la red eléctrica».

En resumen, estos son los pasos que debes seguir para determinar el potencial hidroeléctrico de tu sitio:

• Mide el caudal de agua, preferiblemente utilizando uno de los siguientes métodos:
  1. Método de llenado de contenedores temporizado
  2. Método float
  3. Método de Weir
• Determina el caudal aprovechable, es decir, la parte del caudal del río que puedes utilizar.
• Mide la altura total, o bruta, preferiblemente utilizando uno de los siguientes métodos:
  1. Equipo de topografía
  2. Método del nivel de carpintero y el soporte
• Calcula la altura neta restando la fricción y otras pérdidas de carga de la altura bruta.
• Calcula la potencia teórica (P_th) que se puede calcular utilizando cualquiera de las siguientes ecuaciones (donde Q = caudal útil, en pies cúbicos por minuto; y h = altura neta, en pies):
  

  		Q x h
  Pth	=		para calcular los caballos de fuerza
  		529
  		Q x h
  Pth	=		para calcular los kilovatios
  		709

• Calcula la potencia útil disponible multiplicando_Pth por el rendimiento de cada equipo conectado al sistema.

Si has llegado hasta aquí por tu cuenta —después de haber calculado la altura de caída, el caudal y la potencia potencial— y crees que estás a punto de seleccionar e instalar el equipo, vale la pena detenerte un momento para considerar otros asuntos que pueden surgir a medida que desarrollas tu proyecto hidroeléctrico. Inicia una conversación con la empresa de energía, las agencias reguladoras y otras entidades locales, estatales y federales que puedan estar involucradas en tu proyecto.

Impacto ambiental

El impacto ambiental de los sistemas microhidroeléctricos suele ser pequeño, pero de ninguna manera inexistente. Cuando se desvía o se embalsa el agua, o cuando las estructuras instaladas en el cauce interfieren con el flujo natural del agua, se produce un impacto ambiental. Sin embargo, en comparación con las grandes presas hidroeléctricas, los sistemas microhidroeléctricos tienen una huella más pequeña y, en general, un impacto ambiental menor. Aun así, existen varias agencias locales, estatales y federales que podrían requerir que se evalúen los impactos ambientales de un proyecto de microhidroeléctrica.

Existen varias consideraciones ambientales que deben tenerse en cuenta en los sistemas de microhidroeléctricos. Entre ellas se encuentran las siguientes:

• Problemas relacionados con la calidad del agua, como la turbidez y los sedimentos derivados de la construcción y el funcionamiento del sistema
• El desvío del caudal del arroyo, lo que genera condiciones de menor caudal en el cauce principal
• Impactos en la fauna silvestre y los peces migratorios
• Importancia histórica y estética
• Cambios e impactos en la ecología de los arroyos (por ejemplo, comunidades de algas, cambios en las cadenas alimentarias, varamiento de invertebrados bentónicos que habitan en el lecho y las orillas del arroyo, y pérdida de hábitat acuático)
• Cambios en el transporte y el ciclo de los nutrientes
• Cambios en la temperatura del agua debido a una menor corriente
• Cambios en los niveles de oxígeno disuelto

Los sistemas microhidroeléctricos no consuntivos y de «flujo libre» —lo que significa que se utiliza el flujo natural del agua y el desnivel para generar energía y que el agua se devuelve al arroyo— suelen tener un impacto ambiental reducido. Este es un punto importante que hay que recordar y comunicar cuando las autoridades reguladoras locales pregunten sobre los impactos ambientales. Sin embargo, desviar agua del arroyo, incluso de manera temporal, afecta el ecosistema del arroyo. Por ejemplo, desviar una cantidad excesiva de agua, incluso por una distancia corta, puede impedir la migración natural de los organismos acuáticos y elevar la temperatura del agua lo suficiente como para matar la vida acuática. Estos efectos pueden agravarse si también se producen otros cambios en el ecosistema, como la remoción de la maleza o la madera ribereña que proporcionaba sombra al arroyo y otros beneficios ecológicos. No solo se verá afectada la ecología inmediata del arroyo, sino que es probable que la ecología aguas abajo también cambie. Esto, por supuesto, depende de tu caso particular: ¿estás utilizando un sistema de flujo libre o un embalse de almacenamiento? Quizás tu sistema se encuentre en un arroyo de gran caída y tenga un impacto limitado o nulo en los peces u otros organismos acuáticos. Siempre planifica cuidadosamente tu sistema para evitar que salamandras, serpientes, cangrejos de río y otras criaturas acuáticas entren en la tubería y la turbina o sufran algún otro daño.

El requisito de caudal residual es un factor importante a considerar en los emplazamientos de microhidroeléctricas. Se trata de la cantidad de agua necesaria en el arroyo para mantener sus valores como recurso en niveles aceptables. Estos valores incluyen el sustento de las poblaciones de peces y vida silvestre, las actividades recreativas, la generación de energía hidroeléctrica, la navegación y el mantenimiento del ecosistema —incluido el flujo de agua dulce hacia los estuarios, la vegetación ribereña y los humedales de las llanuras aluviales (McKinney et al., 1983).

Las tomas de agua deben ubicarse cuidadosamente para que se adapten a las características del flujo natural del arroyo. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Los proyectos deben diseñarse para desviar la menor cantidad de agua posible. En muchas zonas, el caudal de los arroyos fluctúa según los períodos más secos y más húmedos de la temporada. Muchos sitios no siempre contarán con un caudal suficiente tanto para abastecer de agua a la turbina como para mantener un bajo impacto ambiental. Por lo tanto, se debe gestionar el volumen de agua desviada hacia la turbina. En muchas zonas de los EE. UU., incluidas las montañas Ozark y los Apalaches, esto puede requerir que se cierren las desviaciones y las tuberías forzadas durante los períodos secos del año. Por supuesto, esto afectaría el «caudal de diseño» de su sistema hidroeléctrico.

Existen algunas consideraciones de diseño sencillas que pueden ayudar a mitigar los impactos ambientales de un sistema hidroeléctrico. Por ejemplo, una toma de agua ubicada en el cauce debe situarse en un lugar donde adquiera las características de su entorno.

Para obtener más información sobre cómo tu proyecto afectará al medio ambiente, visita el departamento de biología de tu universidad local o habla con un biólogo acuático en la oficina local del departamento de pesca y caza. Al realizar esta investigación con anticipación, estarás preparado para responder preguntas mientras te preparas para obtener los permisos del proyecto.

El impacto ambiental relativamente bajo de un sistema microhidroeléctrico bien diseñado significa que puede ser una solución sostenible para las necesidades energéticas. Sin embargo, si tu proyecto se encuentra cerca de áreas públicas o de la propiedad de un vecino, su aspecto puede afectar significativamente la opinión del público sobre ese impacto. De hecho, integrar cuidadosamente el equipo microhidroeléctrico en el paisaje natural puede ayudar a reducir su impacto ambiental. Recuerda que los proyectos de microhidroeléctricas que producen energía renovable y evitan alterar visualmente el entorno natural con la toma de agua, las tuberías, los cables y otros equipos demuestran cómo generar energía de una manera más sostenible.

Energía hidroeléctrica para sistemas de riego por gravedad

Roger y Shelley Barton son los propietarios y administradores de Barton Farm, en Ferron, Utah. Los Barton cultivan 120 acres de alfalfa y pastos mixtos que se utilizan como heno para caballos. Riegan con un sistema de riego de pivote central. El combustible diésel representa un gasto importante en el funcionamiento de un pivote central. Los Barton necesitaban reducir los costos de combustible sin dejar de cumplir con su programa de riego. Al utilizar una turbina hidráulica Cornell para generar energía mecánica, los Barton eliminaron sus costos de combustible para el riego y, al mismo tiempo, redujeron el impacto ambiental de la quema de combustibles fósiles.

La combinación de un pivote central hidráulico y una turbina hidráulica suele ser una buena opción cuando la presión disponible supera los requisitos del sistema de riego en 40 libras por pulgada cuadrada o más. Los Barton reciben agua de riego por gravedad desde un embalse ubicado a varias millas de distancia, lo que proporcionaba una presión de operación de 80 libras por pulgada cuadrada en el punto del pivote, 37 libras por pulgada cuadrada más de lo necesario para operar los 1,220 pies del pivote y el cañón de extremo. El pivote hidráulico T-L instalado en la granja de los Barton requiere 15 caballos de fuerza para funcionar correctamente.

Especificaciones del sistema:

Roger Barton ha eliminado todos los costos de combustible para el riego al integrar una turbina hidráulica en su sistema de riego de pivote central ya existente. Foto: Cortesía de Roger Barton

Recurso hidroeléctrico: Flujo por gravedad desde el embalse

Presión total: 80 libras por pulgada cuadrada

Presión adicional: 37 libras por pulgada cuadrada

Altura de caída: 162 pies

Caudal: 888 galones por minuto

Sistema de riego: pivote central hidrostático T-L

Turbina hidráulica: Turbina Cornell (5TR5-F16)

Tipo de turbina: Francis Español de América Latina (es-419)

Tubo: de acero de 10 pulgadas con conectores de compresión

Costo total del sistema: 17 000 dólares (antes de la participación en los costos)

Incentivos: 4.000 dólares

Estimación de ahorro de costos: 4,000 dólares al año

Estimación de la recuperación simple de la inversión: 4 años

Cuestiones normativas

Un aspecto clave de cualquier proyecto de microhidroeléctrica es obtener los permisos necesarios de las autoridades locales, estatales y federales. Aunque el proceso de obtención de permisos pueda parecer engorroso, su objetivo es proteger el recurso hídrico y a sus usuarios, incluyendo las comunidades de peces, plantas y animales que también utilizan el agua. Lo mejor es identificar todos los permisos y autorizaciones necesarios para desarrollar un recurso hidroeléctrico desde el inicio del proceso. Hacerlo te ayudará a evitar perder tiempo en la planificación de tu proyecto de microhidroeléctrica.

En general, para desarrollar un recurso hidroeléctrico de manera legal, será necesario abordar los siguientes aspectos:

• Derechos de agua
• Cumplimiento de las normas de seguridad de presas (si corresponde)
• Consideraciones y cumplimiento de las normas ambientales estatales y federales
• Consideraciones históricas y arqueológicas
• Permisos estatales de uso del suelo
• Permisos de construcción locales

El primer paso es determinar quién es el titular de los derechos de agua del recurso en cuestión. La legislación relativa a los derechos de agua varía mucho de una región a otra del país, por lo que es importante analizar detenidamente las normas vigentes en tu zona. Habla con otros propietarios de proyectos de microhidroeléctricas en tu zona para saber qué han hecho. En general, no debes dar por sentado que, por el hecho de ser dueño del terreno, también eres dueño del agua que fluye por él. En muchos estados, es posible comprar un terreno sin derechos de agua o adquirir derechos de agua sin ser propietario del terreno al que pertenecen. Un propietario que se encuentre aguas abajo puede tener el primer derecho a utilizar el agua aguas arriba de su propiedad, o bien el agua puede ser propiedad de varios usuarios aguas abajo, a quienes se les permite tomar un porcentaje determinado del caudal. En muchos estados, el hecho de que tu sistema hidroeléctrico solo utilice el agua, y no la consuma, no será suficiente para evitar la necesidad de un permiso; debes tener el derecho legal de usar el agua y obtener un permiso para hacerlo en muchas zonas. Los derechos de agua para sitios específicos pueden remontarse a muchos años atrás, y puede ser necesario investigar registros antiguos para determinar quién es el verdadero titular de esos derechos de agua.

Gran parte de la legislación estatal que regula el uso del agua se redactó en relación con el riego y el consumo doméstico, por lo que no es directamente aplicable a los sistemas hidroeléctricos, que no son de consumo. Esto puede requerir nuevas decisiones legales en algunos casos y podría generar cierta vacilación por parte del personal de las agencias reguladoras. No te desanimes y no te rindas si la primera respuesta a tu consulta es «no».

Un segundo paso consiste en obtener un permiso de uso del agua, el cual, en algunos casos, puede ser exigido tanto por organismos estatales como federales. En algunos estados, basta con tener el derecho legal sobre el agua. En otros casos, se requiere un permiso adicional específico para el uso previsto. Una vez más, la mayoría de las leyes sobre uso del agua están orientadas a usos agrícolas, y pueden surgir dudas respecto a su interpretación en el contexto de un proyecto de microhidroeléctrica. Con frecuencia, los trabajos de instalación deben comenzar dentro de un plazo determinado; de lo contrario, el permiso caducará y habrá que solicitarlo de nuevo.

Por lo general, se requiere un permiso federal de uso cuando el recurso o su aprovechamiento involucra terrenos federales, ya sea que estén bajo el control del Servicio Forestal, la Oficina de Administración de Tierras o cualquier otra agencia. Un punto importante que debes recordar es que tu uso es beneficioso y no consuntivo: el 100 % del agua se devuelve al arroyo. Esto difiere de los usos agrícolas o industriales, que pueden ser beneficiosos pero también son consuntivos. Asegúrate de mencionar que el uso que pretendes dar es beneficioso y no consumptivo; esto debería facilitar el proceso de obtención del permiso.

La Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) es la agencia que otorga exenciones y licencias para proyectos hidroeléctricos no federales. La FERC también brinda orientación sobre las agencias estatales y federales con las que deberá ponerse en contacto en relación con muchos de los asuntos ambientales e históricos relacionados con un proyecto hidroeléctrico. Dado que la mayoría de los proyectos hidroeléctricos suelen ser de gran envergadura y con importantes implicaciones normativas, el proceso de obtención de licencias de la FERC ha sido históricamente un proceso prolongado. Debido al creciente interés en los proyectos hidroeléctricos pequeños y de microhidroeléctricos, la FERC ofrece orientación en línea sobre la obtención de permisos a través del Programa de Energía Hidroeléctrica Pequeña y de Bajo Impacto, con el fin de ayudar a que los proyectos hidroeléctricos pequeños avancen rápidamente en el proceso de concesión de licencias. (Consulte la sección «Recursos adicionales» de esta publicación.) La FERC tiene la autoridad para otorgar exenciones a proyectos de menos de 5 megavatios (todos los proyectos de microhidroeléctricas se encuentran por debajo de este umbral) y cuando los proyectos utilizan conductos existentes (como un canal de riego) que se emplean para fines distintos a la energía hidroeléctrica. Solicitar una exención es gratuito, pero requiere paciencia. El tiempo promedio de espera desde que se presenta la solicitud hasta que se recibe la exención es de seis a 12 meses.

Hay varias consideraciones relacionadas con el diseño del proyecto que pueden ayudarte a avanzar rápidamente en el proceso de obtención de un permiso o una exención de la FERC:

• Ubicar el proyecto en una presa o conducto ya existente
• Desarrollar un proyecto que genere menos de 5 megavatios
• Diseña el proyecto de manera que apenas altere las características del flujo de agua
• Evita las zonas donde haya especies en peligro de extinción o problemas relacionados con el paso de los peces
• Documentar los derechos necesarios para la construcción y operación del proyecto
• Proporcionar la información disponible sobre los recursos ambientales en el área del proyecto
• Aborda cualquier problema que se haya identificado
• Identifica las principales agencias federales y estatales, tribus, grupos de ciudadanos y otras partes interesadas que puedan tener interés en tu proyecto
• Reúnete con las partes interesadas lo antes posible durante el proceso de planificación
• Proporcione a las partes interesadas información suficiente para describir su proyecto
• Llena una solicitud detallada que aborde todos los aspectos pertinentes

Los proyectos de pequeña escala y de bajo impacto pueden tener un proceso de obtención de permisos más sencillo que los proyectos de mayor envergadura, pero eso no significa que estén exentos de la jurisdicción de organismos federales y estatales como el Cuerpo de Ingenieros, las agencias de pesca y vida silvestre y otras entidades que establecen los códigos de construcción. Muchos proyectos hidroeléctricos de pequeña escala se han desarrollado sin pasar por el proceso oficial de obtención de permisos exigido por la FERC y otras agencias. Sin embargo, hacerlo conlleva riesgos, incluida la posibilidad de que se emita una orden para detener el funcionamiento del sistema que acabas de pagar para instalar. Se recomienda que los desarrolladores de proyectos hidroeléctricos de pequeña escala determinen si están sujetos a las regulaciones de la FERC y otras normas locales, estatales y federales antes de desarrollar un sitio hidroeléctrico.

La obtención de permisos puede ser el proceso más engorroso y que más tiempo requiera de tu proyecto hidroeléctrico de pequeña escala. El proceso puede desarrollarse con mayor fluidez si revisas el sitio web de la FERC dedicado a proyectos hidroeléctricos de pequeña escala y de bajo impacto, te comunicas regularmente con las agencias pertinentes y te tomas el tiempo necesario para presentar un expediente de solicitud completo.

Equipo

Turbinas

Una turbina hidráulica es, básicamente, un dispositivo que convierte la energía del agua en movimiento en energía mecánica rotatoria. Esta energía, disponible en un eje giratorio, puede utilizarse directamente para accionar equipos mecánicos como un molino de granos, una sierra u otros equipos de taller, o bien puede conectarse a un generador para producir electricidad. Aunque esta sección se centrará principalmente en la generación de electricidad, también se incluyen explicaciones y referencias sobre las aplicaciones mecánicas.

El potencial energético disponible en un emplazamiento hidroeléctrico es el resultado de la combinación de la «caída» y el «caudal» presentes. Es posible generar energía con numerosas combinaciones de caída y caudal. Los emplazamientos con una caída de 60 pies o más se consideran de «alta caída». También se suele considerar que una altura de caída de aproximadamente 3 pies o 1 metro es el mínimo absoluto necesario para desarrollar energía hidroeléctrica, pero una altura de caída inferior a 10 pies probablemente no sea rentable en la mayoría de los casos. Aunque los emplazamientos de alta altura de caída y alto caudal suelen ser los más rentables, los que combinan una altura de caída elevada con un caudal bajo, o viceversa, son más comunes y también pueden desarrollarse de manera rentable, dependiendo de tus necesidades energéticas.

Las turbinas hidráulicas suelen ser muy eficientes a la hora de convertir la energía disponible en el recurso hídrico en energía mecánica o eléctrica. De hecho, no es raro que las turbinas alcancen eficiencias de entre el 70 % y el 85 %. Las turbinas suelen diseñarse para una aplicación y una potencia específicas. Por lo tanto, por lo general no obtendrá ningún beneficio al instalar una unidad más grande de lo que su recurso hídrico es capaz de aprovechar. Es importante comprender bien sus necesidades energéticas y las características de su recurso hídrico antes de seleccionar una turbina.

Turbinas de impulso

Las turbinas de impulso suelen aprovechar la velocidad del agua para mover el rotor (o rueda), en lugar de utilizar la presión, como ocurre en los diseños de reacción y de hélice. En consecuencia, no hay succión en la parte inferior de la turbina, y el agua simplemente sale por la parte inferior de la carcasa de la turbina después de golpear el rotor. Las unidades de impulso son, por lo general, los diseños de turbina más sencillos de todos los comunes y se utilizan ampliamente en aplicaciones de microhidroeléctricas. Existen tres tipos comunes de rodetes de impulso: la turbina de flujo cruzado, la rueda Pelton y la rueda Turgo.

La turbina de flujo cruzado

Una turbina de flujo cruzado tiene forma de tambor, con los álabes fijados radialmente a lo largo del borde exterior. La turbina está abierta en el centro, lo que la hace parecerse a un soplador de «jaula de ardilla». Si se observa la turbina desde uno de sus extremos —como si fuera la esfera de un reloj—, el agua entra a las 9 en punto, cruza el centro y sale a las 4 en punto; de ahí el nombre de «flujo cruzado». Debido a su diseño, la turbina de flujo cruzado se considera en gran medida autolimpiante y es muy adecuada para aplicaciones de baja caída. Como el rotor y la carcasa encajan con bastante precisión, se utiliza un tubo de succión en la parte inferior de la turbina, lo que permite cierta flexibilidad en la instalación en cuanto a la ubicación de la turbina y el nivel del agua de salida.

Una turbina hidráulica de cuatro boquillas fabricada a medida, con una rueda Pelton de bronce y un alternador de imán permanente sin escobillas. Foto: Leif Kindberg, NCAT

La rueda de Pelton

En términos generales, una rueda Pelton es un disco con paletas o copas fijadas a los bordes exteriores. El agua pasa a través de una o más boquillas e impacta contra las copas una por una, lo que hace que la rueda gire. La forma y la suavidad de las copas son importantes. Las copas están diseñadas de tal manera que el chorro de agua se divide en dos y comienza a invertir su dirección. La velocidad de la rueda se regula para aprovechar al máximo la energía del chorro de agua antes de que esta caiga directamente hacia el canal de desagüe. Dado que la potencia generada por la rueda Pelton depende en gran medida de la velocidad del agua, es ideal para instalaciones de alta altura de caída y bajo caudal. Es común alcanzar eficiencias operativas del orden del 80 %, y varias empresas de América del Norte ofrecen turbinas microhidroeléctricas que utilizan la rueda Pelton.

La rueda de Turgo

La rueda Turgo es una variante de la rueda Pelton. El rotor de la rueda Turgo es una rueda fundida cuya forma se asemeja, en general, a una pala de ventilador cerrada en el borde exterior. El chorro de agua se aplica por un lado, atraviesa las palas y sale por el otro lado. La ventaja de este diseño es que se puede generar una potencia equivalente a la de la rueda Pelton con una rueda más pequeña y a mayor velocidad. Al igual que con la rueda Pelton, es posible utilizar más de un chorro de agua en una sola rueda en situaciones donde hay una altura de caída relativamente menor y un caudal mayor. También al igual que la rueda Pelton, la rueda en sí misma puede utilizarse con boquillas de diferentes tamaños para adaptar el equipo a las condiciones del sitio.

A la izquierda se ve una rueda Pelton con un diámetro de paso de 4 pulgadas, y a la derecha, una rueda Turgo con un diámetro de paso de 3,24 pulgadas. Estos diseños de ruedas son comunes en los sistemas de microhidroeléctricos. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Turbinas de reacción en general

Las turbinas de reacción funcionan según un principio diferente al de los diseños de impulso. Las turbinas de reacción utilizan la presión en lugar de la velocidad. Su funcionamiento se asemeja más al de una bomba centrífuga de agua que funciona al revés, lo cual se explicará más adelante. El rotor se coloca directamente en la corriente de agua, y la energía se genera cuando el agua fluye sobre los álabes en lugar de golpear cada uno de ellos individualmente. Las turbinas de reacción suelen ser muy eficientes en emplazamientos diseñados específicamente para ellas, y su eficiencia disminuye drásticamente ante cualquier variación. El diseño Kaplan, como veremos, está pensado para resolver ese problema. Las unidades de reacción se utilizan a menudo en instalaciones muy grandes, como presas hidroeléctricas, así como en sistemas microhidroeléctricos de alto caudal y baja altura de caída.

La turbina Francis

Las turbinas Francis suelen instalarse en proyectos hidroeléctricos de gran envergadura. El agua se introduce justo por encima del rotor y por todos los lados, y luego cae a través de él, lo que hace que el rotor gire. Las unidades Francis están diseñadas específicamente para su instalación prevista y utilizan un sistema de válvulas complejo, por lo que, por lo general, no se emplean en aplicaciones de microhidroeléctricas.

Turbinas de hélice

La turbina de hélice se parece a la hélice de un barco, por lo general funciona dentro de un tubo y opera según un principio similar. Al igual que con

En la turbina Francis, el agua entra en contacto con todas las palas constantemente, por lo que es imprescindible que la hélice reciba un flujo elevado y continuo. Sin un flujo uniforme y suficiente, la presión sobre las palas de la hélice será insuficiente para generar energía útil. La turbina de hélice Kaplan cuenta con palas ajustables en la hélice para adaptarse a las variaciones en los caudales. Dependiendo de las condiciones del sitio, la unidad puede instalarse en cualquier posición, desde la horizontal hasta la vertical.

Bomba-turbina (PAT)

Las bombas centrífugas pueden funcionar como una turbina hidráulica si se hacen girar en sentido inverso. A menudo, las bombas se conectan a un motor mediante un acoplamiento directo y se utilizan como grupo generador. Una «bomba como turbina» (PAT, por sus siglas en inglés) es una alternativa económica para los sistemas hidroeléctricos de pequeña escala. Se estima que el costo de una PAT es un 50 % o menos que el de una turbina comparable (Recursos Naturales de Canadá, 2004).

Las bombas centrífugas son fáciles de conseguir, por lo general económicas y se fabrican en una variedad de tamaños que pueden adaptarse a diversos niveles de presión y caudales. Sin embargo, suelen estar limitadas a un rango de caudales más reducido en comparación con una turbina hidráulica típica. En algunas instalaciones se instalan dos o más PAT, y el flujo se alterna de una turbina a otra según las variaciones estacionales. Sin embargo, el costo asociado a la instalación de dos PAT puede superar el beneficio de utilizar una sola turbina hidráulica convencional que se pueda ajustar a las variaciones estacionales en las condiciones del sitio.

Un PAT suele incluir un motor de inducción (asíncrono) integrado. El motor de inducción se utiliza en un PAT como generador, mientras que en las instalaciones basadas en baterías con una turbina hidráulica convencional se suele emplear un generador síncrono. Los motores de inducción son fáciles de conseguir, más económicos que un generador síncrono comparable y muy duraderos. Para utilizarlos en un sistema PAT, por lo general será necesario modificar las conexiones de sus bobinados y, además, suelen requerir condensadores adicionales. Se puede encontrar más información sobre los PAT en la sección «Recursos adicionales» al final de esta publicación.

Dimensionamiento del sistema

Es importante analizar tus necesidades de energía y las características de esas necesidades desde el inicio de tu proyecto, sin olvidar que ahorrar energía casi siempre resulta más económico que construir un sistema más grande. Hay dos preguntas distintas, pero relacionadas, que debes hacerte: ¿Cuál es mi consumo total? ¿Y cuál es mi consumo máximo?

El consumo total es la cantidad de kilovatios-hora utilizados en un período determinado. Si actualmente recibes tu suministro eléctrico de la empresa de servicios públicos local, solo tienes que revisar algunas facturas anteriores para obtener esta información. Ten en cuenta que la mayor parte del consumo doméstico varía según el mes y la temporada, con cambios inusuales en el clima o con un cambio en el número de miembros del hogar. Por ejemplo, tomar las cifras de consumo de los meses de junio, julio y agosto podría no reflejar los verdaderos promedios anuales. Es importante obtener una buena estimación de tus necesidades energéticas promedio y también considerar cualquier medida de eficiencia energética o de ahorro que se pueda utilizar para reducir tus necesidades de energía.

El consumo de pico puede definirse como la cantidad máxima de energía requerida en un momento dado. Esto significa que, si varios aparatos eléctricos están funcionando al mismo tiempo y otros se encienden simultáneamente, el consumo de energía resultante será el de pico. En los sistemas microhidroeléctricos, es más probable que el pico te cause problemas que el consumo total. Las situaciones con una carga de pico elevada en relación con la carga promedio serán menos eficientes y más costosas que aquellas en las que el consumo es más uniforme. Las cargas agrícolas estacionales, como el bombeo para riego, la molienda de granos y la refrigeración, deberán calcularse para cada situación particular. Al analizar su situación, considere si existen prácticas operativas que puedan ajustarse para reducir las necesidades de potencia de pico, en lugar de construir un sistema capaz de cubrir un patrón de consumo de pico elevado.

Una forma de dimensionar los sistemas hidroeléctricos es simplemente diseñarlos para que cubran todas tus necesidades de energía y desviar cualquier exceso de energía hacia usos como calefactores de zócalo, luces o agua caliente. La energía hidroeléctrica es un recurso energético muy económico si se analizan los costos a largo plazo. Otra opción es dimensionar el sistema para cubrir el consumo promedio de energía y utilizar almacenamiento en baterías para cubrir los picos de consumo. En los sitios con un potencial de generación reducido, es posible que el sistema requiera el uso de baterías para cubrir los picos de consumo. Por otro lado, si tienes acceso a la red eléctrica pública, podrás comprar electricidad cuando tu sistema hidroeléctrico no la pueda suministrar. También podría ser posible vender el excedente de energía a la empresa de servicios públicos, aunque eso dependerá de la política de tu proveedor de energía y de las leyes estatales de «interconexión».

La toma de agua puede aprovechar un conducto ya existente —en este caso, una alcantarilla vial—. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Desvíos y tomas de agua

La ubicación de la derivación y la toma de agua es uno de los aspectos más importantes en el diseño de un sistema microhidroeléctrico de bajo mantenimiento, y depende de las características geológicas, de la vegetación y acuáticas de tu sitio. Las derivaciones mantienen el agua cubriendo continuamente la toma de agua y pueden diseñarse en el lugar a un costo muy bajo. Las derivaciones más grandes y complejas, como las presas, pueden requerir que un ingeniero colegiado las diseñe o, al menos, apruebe tus planos.

Las tomas de agua se pueden adquirir en una variedad de estilos o se pueden construir en el lugar a un costo muy bajo. Algunas de las desviaciones más sencillas se pueden construir con una rejilla colocada en el extremo de la tubería forzada, un canal con un tanque de sedimentación (también llamado cámara de entrada), una caja de rejilla y otros diseños. Estos diseños de “hágalo usted mismo” pueden requerir una limpieza frecuente, dependiendo de las características del arroyo.

Una rejilla con efecto Coanda funciona muy bien en muchos emplazamientos de microhidroeléctricas, y su bajo mantenimiento y durabilidad justifican su costo en la mayoría de los casos. Se puede encontrar información útil sobre la construcción de desviaciones y tomas de agua en varios recursos que se enumeran en la sección «Recursos adicionales» de esta publicación.

Ten en cuenta que la construcción de presas y otros tipos de desviaciones permanentes aumentará los costos y podría complicar el proceso de obtención de permisos. Las desviaciones no obstructivas que aprovechan las características naturales del arroyo —como rocas, pozas y estructuras ya existentes— para desviar el agua hacia tu toma de agua pueden ayudar a que el proceso se desarrolle sin contratiempos.

Conducto forzado

Casi todos los proyectos de microhidroeléctricas requieren tuberías (también llamadas conductos forzados), con la excepción de algunas turbinas de flujo cruzado y de hélice. Los tipos de tubería más comunes que se utilizan en las instalaciones de microhidroeléctricas son el cloruro de polivinilo (PVC) blanco, el polietileno (PE) negro y el polietileno de alta densidad (HDPE). Estas tuberías vienen en varios niveles de presión nominal. Al seleccionar una tubería con presión nominal, asegúrate de dejar un margen adicional del 40 % por encima de la presión estática del agua esperada en la tubería (Ostermeier, 2008).

Cuando el agua circula por una tubería, genera fricción. Una tubería de conducción hidráulica bien diseñada puede compensar la fricción al aumentar el diámetro de la tubería y evitar cambios bruscos de dirección, aunque esto implica, por naturaleza, un costo adicional. Recuerda que tomar atajos puede reducir el rendimiento de la turbina y provocar reventones, fugas y otros problemas. Un proveedor de tuberías de confianza podrá ayudarte a determinar la capacidad de presión adecuada de las tuberías y a calcular las pérdidas por fricción en función de tu recurso hidroeléctrico y las condiciones del sitio. Las tuberías deben trazarse lo más rectas posible, utilizar codos largos para rodear obstáculos y descender de manera constante en elevación.

Las tuberías de polietileno de alta densidad (HDPE) son duraderas y se adaptan mejor a las curvas que las de PVC rígido o las de acero. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Más allá de la tubería en sí, una tubería de presión bien diseñada en muchos proyectos contará con válvulas de liberación de aire o vacío o tubos de ventilación, uniones, válvulas de compuerta, bloques de empuje y soportes. Además, instalar un manómetro en la tubería por encima de la válvula de cierre inferior te ayudará a diagnosticar problemas en el sistema más adelante. Las consideraciones de diseño para estos componentes se analizan en muchos de los recursos enumerados en la sección «Recursos adicionales» de esta publicación.

Generación y almacenamiento de energía

La energía mecánica de las turbinas pequeñas se convierte en electricidad mediante un generador, que suele ser similar al que se encuentra en un automóvil. La electricidad puede suministrarse como corriente alterna (CA) o rectificarse a corriente continua (CC). La mayoría de los equipos agrícolas, aunque no todos, funcionan con CA, a 110 o 220 voltios y 60 ciclos (hercios). Si pretendes ser completamente independiente de la red eléctrica, probablemente utilizarás un generador síncrono. Los sistemas de CA en América del Norte operan a una frecuencia de 60 hercios por segundo, y cualquier variación respecto a eso afectará el funcionamiento de tu equipo. Para generar energía a esta frecuencia, la velocidad del generador síncrono debe ser muy constante, y se puede utilizar un regulador para controlar el flujo de agua y, por lo tanto, la velocidad de la turbina. Si tienes acceso a la red eléctrica, puedes utilizar fácilmente un generador asíncrono sin regulador, ya que se autorregula. En cualquier caso, el generador debe funcionar a su velocidad de diseño, lo que significa que podría ser necesario algún tipo de multiplicador de velocidad entre la turbina y el generador. La mayoría de los sistemas hidroeléctricos pequeños «todo en uno» que se venden hoy en día han adaptado la turbina al generador mediante un accionamiento directo.

Otra opción es generar corriente continua y utilizarla tal cual o convertirla a corriente alterna cuando sea necesario mediante un inversor. Un banco de baterías con un inversor puede suministrar de 2 a 5 kilovatios durante los picos de carga, mientras que la potencia promedio generada por el arroyo puede ser de solo 200 a 800 vatios (Ministerio de Agricultura y Tierras, 2006). Un sistema de corriente continua a corriente alterna tiene varias ventajas, especialmente en sistemas muy pequeños. El exceso de energía generada por un sistema de corriente continua se puede almacenar fácilmente en baterías, lo que amplía la capacidad máxima del sistema.

Los sistemas de almacenamiento con baterías en las unidades hidroeléctricas suelen funcionar muy bien porque el generador hidroeléctrico siempre está devolviendo algo de energía al banco de baterías, a menos que se agote el recurso hídrico. Esto significa que las condiciones de descarga profunda —una causa común de falla de las baterías— son muy poco frecuentes. La función de almacenamiento sí limita el tamaño de un sistema de corriente continua, ya que las baterías se vuelven voluminosas y muy costosas a medida que aumenta el tamaño del sistema.

Control de carga y reguladores

Los sistemas hidroeléctricos necesitan controladores que regulen la velocidad de la turbina y administren las cargas. Los controles de carga monitorean la generación y la demanda de energía, y activan y desactivan las resistencias de «carga de descarga» para evitar daños a la turbina y a otros equipos. Los sistemas que utilizan baterías requieren un controlador de carga para evitar que estas se sobrecarguen. Cuando el sistema está conectado a la red eléctrica, el exceso de energía se envía a esta, o bien puede dirigirse a una carga de descarga, como un zócalo calefactor o un calentador de agua. Los sistemas de CA fuera de la red sin baterías para almacenamiento también utilizan controles de carga para monitorear el voltaje o la frecuencia y cargar correctamente el generador, ya sea activando una carga de descarga o desviando mecánicamente el agua del rodete. Se puede encontrar más información sobre el control de carga y los reguladores en la sección «Recursos adicionales» de esta publicación.

Líneas eléctricas

Si tu sistema es hidroeléctrico y la unidad hidroeléctrica se encuentra a cierta distancia del lugar donde necesitas la energía, obviamente necesitarás cables de alimentación. Cuanto mayor sea la distancia, más gruesos deberán ser los cables para evitar pérdidas de energía excesivas. Esto es especialmente cierto en el caso de los sistemas de 12 voltios de corriente continua, que requieren cables muy gruesos para evitar pérdidas excesivas. Las pérdidas se pueden minimizar de varias maneras:

• Uso de cables de transmisión más gruesos
• Menor potencia de transmisión a menor distancia
• Aumentar el voltaje en los cables de transmisión

Si, por ejemplo, la turbina está instalada a una gran distancia del banco de baterías, la salida de CA se puede rectificar a un alto voltaje de CC y luego reducirse al voltaje adecuado para cargar las baterías. Los distribuidores de equipos con experiencia pueden ayudarte a diseñar el sistema para reducir las pérdidas.

Economía

Cualquier análisis de los aspectos económicos de un sistema microhidroeléctrico debe incluir tanto los costos de inversión inicial como los de operación y mantenimiento. El cálculo del costo de inversión inicial debe incluir no solo la turbina y el generador, sino también otros gastos variables, tales como tuberías, líneas eléctricas, edificios, construcción de presas, obras de ingeniería civil, permisos y trámites legales. Una característica de muchos sistemas microhidroeléctricos es que los costos iniciales pueden ser elevados, aunque tanto los costos iniciales como los de operación pueden ser muy competitivos en comparación con los generadores, los sistemas eólicos y los sistemas solares, así como con las fuentes de energía convencionales. Salvo por pequeños costos de mantenimiento, un sistema microhidroeléctrico debería proporcionar energía «gratis» durante 20 a 25 años o más.

El costo inicial de un sistema hidroeléctrico de construcción propia suele oscilar entre los 1,500 y los 4,000 dólares por kilovatio. El costo por kilovatio de los sistemas más pequeños —aquellos que generan menos de 5 kilovatios— suele ser relativamente más alto. Los sistemas con gran altura de caída y bajo caudal suelen costar menos que los sistemas de baja altura de caída y alto caudal con la misma potencia, ya que los componentes (por ejemplo, la toma de agua, la tubería forzada y la turbina) serán más pequeños. Sin embargo, el costo variará considerablemente dependiendo de los trabajos en el sitio que puedan ser necesarios y de los componentes del sistema utilizados para la instalación. Si contratas a un contratista para que construya parte o la totalidad de tu sistema, el costo será mayor que si lo construyes tú mismo. (Véase la Figura 10.)

Los costos de mantenimiento de los sistemas microhidroeléctricos suelen estar entre los más bajos de todas las tecnologías de generación de energía renovable. El mantenimiento suele consistir en limpiar las rejillas de toma, desatascar las boquillas, reemplazar las mangueras y los accesorios deteriorados, y reemplazar cualquier equipo que pueda resultar dañado. Si calculas un 5 % al año, probablemente te acerques mucho al costo de mantenimiento de tu sistema para los próximos 20 años o más.

Si tu proyecto tiene el potencial de generar suficiente energía para satisfacer tus necesidades energéticas, la única otra consideración es si existen alternativas que puedan satisfacer tus necesidades a un costo menor. Compara diversas alternativas calculando el costo de generación de energía en dólares por kilovatio-hora a lo largo de la vida útil del equipo. Dado que el «combustible» es gratuito para los sistemas microhidroeléctricos, por lo general obtienes el mejor rendimiento al operar el sistema a tiempo completo, ya que los costos iniciales son los mismos, independientemente de si la turbina funciona a tiempo parcial o completo. Si el sistema se apaga debido a variaciones estacionales del nivel de agua, el costo unitario de la energía será diferente.

Suma todos los costos estimados para desarrollar y mantener un sistema microhidroeléctrico y divide el monto entre la capacidad del sistema en vatios. (Consulta el apéndice «Hoja de cálculo de estimación de costos» al final de esta publicación.) Esto te dará el costo en dólares por vatio. Luego, compara este valor con el costo de otras fuentes de energía.

En caso de que tu sitio cuente con acceso a la red eléctrica convencional y el agua no tenga otros usos, puede resultar difícil justificar un sistema microhidroeléctrico desde el punto de vista económico, a menos que estés dispuesto a adoptar una perspectiva a muy largo plazo. Hay una gran cantidad de factores que influirán en su análisis, y cualquier cálculo de este tipo debe realizarse caso por caso. Para quienes están desarrollando un sitio a cierta distancia de las líneas eléctricas existentes, se debe considerar el costo de la extensión de la línea eléctrica. Estos costos pueden oscilar entre los 10,000 y los 30,000 dólares por milla, dependiendo de la compañía eléctrica, lo que hace que los sistemas microhidroeléctricos resulten muy atractivos en lugares remotos.

A continuación te presentamos algunas preguntas que te ayudarán a determinar si un sistema de microhidroeléctrica es la mejor opción para ti:

• ¿Cuánta energía necesitas (por ejemplo, en kilovatios-hora y caballos de fuerza)?
• ¿Cuáles son las opciones para generar esa energía donde se necesita (por ejemplo, energía solar y generadores diésel)?
• ¿Cuánto cuesta instalar las líneas eléctricas hasta su ubicación?
• ¿Cuáles son los costos iniciales, de operación y de mantenimiento de las alternativas?
• ¿Tu proyecto cumple con los requisitos para recibir créditos fiscales o subvenciones del gobierno estatal o federal?
• ¿Cuánto tiempo esperas utilizar la energía en este lugar? ¿Tendría el sistema hidroeléctrico algún valor de mercado si quisieras vender la propiedad donde está ubicado?
• ¿Existe en tu estado una ley de medición neta que te permita obtener un «crédito» o vender tu energía mediante un acuerdo con tu empresa de servicios públicos?
• ¿Qué parte de los trabajos de instalación y mantenimiento puedes hacer tú mismo?

Cuanto más grande y costoso sea un proyecto hidroeléctrico, más importante resulta realizar un análisis financiero detallado. Entre las herramientas de análisis financiero más utilizadas se encuentran el valor presente neto (VPN) y el plazo de recuperación simple. Ambas herramientas te ayudarán a evaluar con mayor profundidad si vale la pena invertir en un proyecto.

La rentabilidad de cada proyecto variará según el caso. Cuando se diseñan con cuidado, los sistemas microhidroeléctricos generarán energía sin complicaciones durante años a costos que pueden ser muy competitivos en comparación con las tarifas minoristas que ofrece tu empresa de energía eléctrica.

Ayuda financiera

Existen varias fuentes potenciales de apoyo financiero disponibles para proyectos de microhidroeléctricas a nivel estatal y federal. La lista más completa de incentivos para proyectos de microhidroeléctricas se encuentra en la Base de datos de incentivos estatales para energías renovables y eficiencia (DSIRE). Está disponible en línea en www.dsireusa.org. Esta base de datos de incentivos, fácil de usar, permite realizar búsquedas por estado.

Programa de Energía Rural para Estados Unidos (REAP)

El Programa de Energía Rural para Estados Unidos (REAP) es un programa competitivo de subvenciones y préstamos administrado por la oficina estatal de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA). El REAP ofrece subvenciones y garantías de préstamos para proyectos de microhidroeléctricas, entre otros proyectos de energía renovable y eficiencia energética. Las subvenciones pueden alcanzar hasta el 25 % del total de los costos elegibles del proyecto. Las subvenciones para pequeñas centrales hidroeléctricas pueden oscilar entre 2,500 y 500,000 dólares. Las garantías de préstamo pueden alcanzar hasta el 75 % de los costos totales elegibles del proyecto y pueden oscilar entre 5,000 y 25 millones de dólares. También es posible recibir tanto una subvención como una garantía de préstamo para el mismo proyecto —lo que comúnmente se conoce como un «combo». Los proyectos hidroeléctricos deben tener una potencia nominal de 30 megavatios o menos. Para obtener más información sobre el programa REAP, comunícate con tu coordinador de energía de Desarrollo Rural del USDA. Puedes encontrar a tu coordinador de energía en el Directorio de Alternativas Energéticas del NCAT o comunicándote con tu oficina local de Desarrollo Rural.

Crédito fiscal a la producción de electricidad renovable (PTC)

El crédito fiscal federal por la producción de electricidad renovable (PTC) es un crédito fiscal por kilovatio-hora otorgado por la electricidad generada a partir de recursos energéticos que cumplan con los requisitos y vendida a una empresa de servicios públicos. Este crédito fiscal está disponible únicamente para empresas constituidas como sociedades. El monto del crédito es de 1,1 centavos por kilovatio-hora.

Subvenciones estatales y créditos fiscales

Varios estados cuentan con créditos fiscales y/o subvenciones diseñadas para fomentar el desarrollo de recursos renovables. En el caso de un crédito fiscal, por lo general se te permite deducir un porcentaje del costo total del sistema de tus ingresos brutos. Asegúrate de hacer un cálculo rápido con tus propias cifras para determinar el efecto del programa en el costo real de tu sistema.

Préstamos bancarios convencionales y garantizados

A menudo es posible obtener un préstamo convencional de tu banco o a través de los programas de préstamos garantizados del Departamento de Agricultura de EE. UU. o de la Administración de Pequeñas Empresas. Los intereses que pagas suelen ser deducibles de impuestos. Si no tienes ingresos imponibles para deducir los intereses, tener intereses deducibles te ofrece pocos beneficios. Además, es posible que encuentres cierta resistencia por parte de los funcionarios del banco, ya que tal vez se sientan incómodos al prestar dinero para equipos con los que no están familiarizados. Explícale el sistema a fondo a tu asesor de préstamos y preséntale cualquier plan que hayas elaborado. Si te encuentras en una situación en la que tu asesor de préstamos no quiera tramitar la documentación necesaria para un préstamo garantizado, solicita a la agencia de garantía de préstamos (por ejemplo, Desarrollo Rural del USDA) una lista de los bancos de tu zona con los que colabora habitualmente.

Es posible que haya otros incentivos disponibles a través de la oficina estatal de agricultura o energía.

Precauciones y sugerencias para quienes hacen las cosas por su cuenta

Ya has aprendido la mayoría de los pasos necesarios para desarrollar tu proyecto hidroeléctrico a pequeña escala, desde el cálculo de la altura de caída y el caudal hasta la solicitud y obtención de tu permiso de la FERC. Estás listo para comprar el equipo y comenzar la instalación. La siguiente lista de consideraciones puede facilitar mucho la instalación y evitarte muchos problemas en el futuro.

En la etapa final del diseño, asegúrate de tomar en cuenta lo siguiente:

• Toma en cuenta las condiciones de carga del lecho de tu arroyo. El limo y las rocas que bajan por el arroyo, especialmente durante los períodos de alta escorrentía, pueden obstruir la toma de agua o incluso destruir la rejilla de residuos, la toma de agua o la tubería forzada.
• Dimensiona la tubería de presión para asegurarte de que pueda manejar el volumen de flujo que necesitas. Cualquier proveedor de tuberías responsable puede indicarte el tamaño adecuado para las condiciones de flujo previstas y ayudarte a calcular las pérdidas.
• Traza el recorrido de la tubería de presión, desde la toma hasta la turbina, de manera que tenga el menor número posible de curvas. No utilices codos de 45 grados (o más) en la tubería. De lo contrario, se generará demasiada tensión en la tubería y se producirán pérdidas por fricción excesivas.
• Mantén una pendiente descendente en el trazado de la tubería en todo momento (excepto en la entrada inicial del sifón, si se utiliza uno) para evitar bolsas de aire y depósitos de sedimentos.
• Utilice bloques de empuje del tamaño y la ubicación adecuados. Si la tubería forzada va a tener una velocidad elevada (más de 5 pies por segundo), consulte a un profesional para que le oriente.
• Dimensiona la tubería para mantener una velocidad de flujo de aproximadamente 5 pies por segundo, con el fin de evitar una acumulación excesiva de hielo en la tubería. Si la velocidad de flujo es mucho menor que esta y planeas instalar el sistema en una zona donde los inviernos son severos, considera aislar o enterrar la tubería.
• Considera instalar un derivador de agua antes de la turbina, en caso de que se necesite el agua para la lucha contra incendios.
• Siempre que sea posible, instala la turbina y el generador cerca del punto de consumo. Esto es importante para reducir al mínimo las pérdidas en la línea, al hacer que las líneas de transmisión eléctrica sean lo más cortas posible.
• Si es posible, procura instalar el sistema cuando haga relativamente calor y no en condiciones de temperaturas bajo cero.

Al comprar o adquirir de cualquier otra forma tu equipo, debes tener en cuenta lo siguiente:

• Asegúrate de tratar con un proveedor de confianza. Siempre hay vendedores poco profesionales y equipos baratos y de baja calidad. Así que, ¡cuidado al comprar!
• Es probable que haya retrasos en la recepción de cotizaciones y entregas por parte de los proveedores de equipos, ya que suelen estar bastante ocupados. Al mismo tiempo, puedes esperar un servicio de alta calidad y una atención minuciosa a las necesidades de tu proyecto.
• Compra tuberías de buena calidad. No compres productos de segunda calidad, especialmente para sistemas de alta presión.
• Utiliza únicamente válvulas de compuerta. Otros tipos de válvulas permiten cerrar el paso del agua demasiado rápido, lo que provoca peligrosos efectos de golpe de ariete.
• Asegúrate de contar con un buen sistema de control de residuos en la entrada. Se debe utilizar una malla de filtro con una abertura menor que el diámetro mínimo de la boquilla que conduce a la turbina. De esta manera, las únicas partículas sólidas que puedan bajar por la tubería serán lo suficientemente pequeñas como para pasar por la boquilla sin obstruirla.

Durante la instalación, ten en cuenta lo siguiente:

• Asegúrate de seguir las instrucciones y recomendaciones del fabricante o del proveedor.
• Tómate tu tiempo y haz las cosas como se debe. Estás trabajando con sistemas mecánicos y eléctricos. Pueden causarte muchos problemas si no los tratas con respeto.
• Ten cuidado con las rocas y ten cuidado al colocar la tubería de PVC.
• Para la conexión eléctrica, sigue los procedimientos estándar de cableado doméstico que cumplan con los requisitos del Código Eléctrico Nacional. Ve a tu librería local y compra el libro de bricolaje eléctrico adecuado. O, si no te sientes seguro de tu capacidad para trabajar tanto con corriente continua (CC) como con corriente alterna (CA), acude a un electricista local para que te ayude.
• Una vez que tu sistema esté en funcionamiento, asegúrate bien de que, cuando tengas que cerrar las válvulas, lo hagas lentamente para evitar los efectos del golpe de ariete. Tómate un poco de tiempo y cierra las válvulas gradualmente. Cerrar las válvulas demasiado rápido puede provocar que una onda de choque (una onda de alta presión) se propague a través del agua en la tubería. Esto tendrá un efecto perjudicial en algún punto a lo largo de la tubería.  El daño variará dependiendo de la longitud de la tubería y de la velocidad del agua en el punto donde se cierra la válvula. En muchos casos, la tubería se agrietará y se observará una fuga lenta, o bien podría provocar una ruptura grave en la tubería.

Por lo general, los agricultores pueden instalar un sistema microhidroeléctrico de manera segura si toman todas las precauciones de seguridad necesarias. Sin embargo, la instalación de uno de estos sistemas es una tarea compleja que combina elementos de trabajo eléctrico, plomería de alta presión y construcción pesada. Ten mucho cuidado si decides llevar a cabo un proyecto microhidroeléctrico por tu cuenta.

Conclusión

Los sistemas microhidroeléctricos pueden suministrar energía eléctrica a un costo que, con frecuencia, es menor que el de operar un generador o extender líneas eléctricas hasta una propiedad. Los sistemas microhidroeléctricos deben considerarse de manera similar a otras mejoras estructurales en las granjas que tienen muchos años de vida útil. Son una inversión a largo plazo, pero proporcionarán muchos años de energía confiable cuando se diseñen correctamente y se les dé el mantenimiento adecuado.

Agradecimientos

Agradecemos a los autores Ron Alward, Sherry Eisenbart y John Vokman, así como al ilustrador Hans Haumberger, por su publicación de 1979 del NCAT titulada «Micro-Hyrdro Power: Reviewing an Old Concept».

Recursos adicionales

Fabricantes y proveedores de equipos

Alternative Power & Machine
4040 Highland Ave.
Grants Pass, OR 97526
Teléfono: 541-476-8916
Correo electrónico de ventas: altpower@grantspass.com
Correo electrónico para consultas sobre productos: altpower@grantspass.com
Esta empresa fabrica y comercializa sistemas completos de microhidroeléctricas.

Canyon Hydro
5500 Blue Heron Lane
Deming, WA 98244
Teléfono: 360-592-5552
Correo electrónico: info@canyonhydro.com
Esta empresa construye sistemas completos de hasta 25 MW.

Dependable Turbines
17930 Roan Place
Surrey, BC
Canadá V3S 5K1
Teléfono: 604-576-3175
Correo electrónico: sales@dtlhydro.com
Esta empresa fabrica sistemas completos que cumplen con las especificaciones requeridas, con una capacidad que oscila entre 1 kW y 10 000 kW.

PowerSpout
Esta empresa ofrece sistemas completos y piezas para una amplia variedad de configuraciones de sistemas.

Energy Systems and Design
Apartado postal 4557
Sussex, NB Canadá E4E 5L7
Teléfono: 506-433-3151
Esta empresa ofrece sistemas completos de baja caída.

Hydro Induction Power
3530 Briceland Thorn Road
Redway, CA 95560
Teléfono: 707-923-3507
Correo electrónico: info@hipowerhydro.com
Esta empresa ofrece sistemas completos para una amplia variedad de alturas de elevación y caudales.

Hydroscreen, LLC
2390 Forest Street
Denver, CO 80207-3261
Teléfono: 800-567-4916
Esta empresa ofrece productos de toma de agua de alta calidad y bajo mantenimiento para proyectos hidroeléctricos de pequeña escala.

Instituto de Energía Hidroeléctrica de Bajo Impacto
El Instituto de Energía Hidroeléctrica de Bajo Impacto (LIHI) es una organización sin fines de lucro 501(c)(3) que establece normas diseñadas para reducir los impactos de la generación de energía hidroeléctrica mediante la certificación de proyectos hidroeléctricos que hayan evitado o reducido sus impactos ambientales de acuerdo con los criterios del LIHI.

Norris Screen Manufacturing
21405 Gov. GC Peery Hwy
Tazewell, VA 24651
Teléfono: 276-988-8901
Fax: 276-988-8909
Correo electrónico: norris@elginindustries.com
Esta empresa diseña productos de rejillas para tomas de agua de centrales hidroeléctricas.

PowerPal
Esta empresa fabrica sistemas completos con una capacidad que va desde los 200 W hasta los 20 kW.

Organismos reguladores y asociaciones

Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC)
Sala de consulta pública
888 1st St., N.E.
Washington, DC 20426
Línea directa para pequeñas centrales hidroeléctricas: 866-914-2849
Teléfono: 202-208-1371
Fax: 202-208-2320
Correo electrónico: smallhydro@ferc.gov
La FERC ofrece exenciones de licencia y orientación sobre proyectos hidroeléctricos pequeños y de bajo impacto.

Asociación Nacional de Funcionarios Estatales de Energía (NASEO)
1414 Prince St., Suite 200
Alexandria, VA 22314
Teléfono: 703-299-8800
Fax: 703-299-6208
Correo electrónico: info@naseo.org
NASEO proporciona información de contacto actualizada de las oficinas estatales de energía, incluyendo enlaces a sus sitios web.

Asociación Nacional de Energía Hidroeléctrica (NHA)
One Massachusetts Ave., N.W., Suite 850
Washington, DC 20001
Teléfono: 202-682-1700
Fax: 202-682-9478
Correo electrónico: info@hydro.org
La NHA busca afianzar el lugar de la energía hidroeléctrica como fuente de energía libre de emisiones, renovable y confiable.

Solar Energy International (SEI)
Apartado postal 715
Carbondale, CO 81623
Teléfono: 970-963-8855
Fax: 970-963-8866
Correo electrónico: sei@solarenergy.org
SEI ofrece talleres sobre cómo diseñar sistemas microhidroeléctricos totalmente funcionales.

Sitios web útiles

Página sobre energía hidráulica del Laboratorio Nacional de Idaho
Este sitio web ofrece una visión general de la energía hidroeléctrica en los Estados Unidos y una aplicación SIG para localizar y evaluar los recursos hidroeléctricos en los cursos de agua naturales.

Build it Solar
Este sitio web ofrece planos y recursos para la generación de energía hidroeléctrica a pequeña escala.

Base de datos de incentivos estatales para las energías renovables (DSIRE)
Esta base de datos contiene información sobre incentivos financieros y normativos a nivel estatal, de las empresas de servicios públicos y de los gobiernos locales, así como sobre programas y políticas diseñados para promover las tecnologías de energía renovable.

Revista Home Power
Apartado postal 520
Ashland, OR 97520
Teléfono: 800-707-6585
Correo electrónico: hp@homepower.org
Esta es una revista de bricolaje con artículos que abordan diversos aspectos del diseño de un sistema microhidroeléctrico. A continuación se presentan algunos artículos útiles seleccionados:

• «Tuberías: Diseño de conductos de presión hidroeléctricos», J. Ostermeier, (n.º 125), págs. 56-62, junio/julio de 2008
• «Introducción a la energía hidroeléctrica: Parte 1: Descripción general de los sistemas», D. New, (n.º 103), págs. 14-20, octubre/noviembre de 2004 América Latina (es-419)
• «Introducción a la energía hidroeléctrica, parte 2: Medición de la altura de caída y el caudal», D. New (n.º 104), págs. 42-47, diciembre de 2004/enero de 2005 América Latina (es-419)
• «Introducción a la energía hidroeléctrica, parte 3: Potencia, eficiencia, transmisión y selección de equipos», D. New, (n.º 105), págs. 30-35, febrero/marzo de 2005
• «Guía para compradores de turbinas hidroeléctricas», K. Gardner e I. Woofenden, (n.º 136), págs. 100-108, abril/mayo de 2010
• «Consideraciones sobre el diseño de centrales hidroeléctricas», Ian Woofenden, (n.º 132), págs. 78-84, agosto/septiembre de 2009
• «Del agua a la red eléctrica: cómo construir un sistema de microhidroeléctrica», P. Talbot, (n.º 76), págs. 8-22, abril/mayo de 2000
• «Motores de inducción para centrales hidroeléctricas de pequeña escala», B. Haveland, (n.º 71), págs. 36-44, junio/julio de 1999
• «Una experiencia de aprendizaje sobre microhidroeléctricas», L. Woofenden y otros, (n.º 76), págs. 64-71, abril/mayo de 2000

Microhidroeléctrica
Este sitio web cuenta con un grupo de discusión y material de referencia sobre la energía hidroeléctrica a pequeña escala.

Oficina de Tecnologías Hidroeléctricas de EE. UU. 
Ofrece recursos y publicaciones técnicas sobre diversas tecnologías hidroeléctricas.

¿Por qué la energía hidroeléctrica?
Este sitio web está patrocinado por Canyon Hydro; en él se aborda el tema de la energía hidroeléctrica y se ofrecen recursos e información sobre proyectos hidroeléctricos de pequeña y mediana escala.

Software libre para sistemas de microhidroeléctricos

RETScreen® International es un programa de software estandarizado para analizar proyectos de energía renovable que puede ayudarte a determinar si un sistema de microhidroeléctrica es una buena inversión. El software utiliza hojas de cálculo y bases de datos de apoyo para facilitar tu evaluación. Incluye un manual completo. Puedes descargar el software y el manual de forma gratuita en www.retscreen.net. Llame a Recursos Naturales de Canadá al 450-652-4621; o envíe su solicitud por fax al 450-652-5177.

Libros, folletos e informes

Microhidroeléctricas: Energía limpia a partir del agua. 2003. Scott Davis. New Society Publishers, Isla Gabriola, Columbia Británica, Canadá.

Manual de diseño de microcentrales hidroeléctricas: Una guía para proyectos de energía hidroeléctrica a pequeña escala. 1993. A. Harvey y otros. Intermediate Technology Publications, Londres.
Este manual de 228 páginas abarca el diseño, los estudios energéticos, la operación y el mantenimiento, la puesta en servicio, la energía eléctrica, los generadores de inducción, los controladores electrónicos y la gestión.

Manual de turbinas Pelton para microhidroeléctricas. 1999. J. Thake. Intermediate Technology Development Group, Londres. ISBN 185339-460-2.
Este libro de 320 páginas ofrece información sobre la fabricación de turbinas Pelton.

Manual de referencia sobre microcentrales hidroeléctricas. 1986. A. Inversin. Asociación Nacional de Cooperativas Eléctricas Rurales (NRECA).
Este manual describe a fondo todos los aspectos del diseño y la instalación de sistemas de microcentrales hidroeléctricas en el contexto de los países en desarrollo, pero contiene información que es aplicable en cualquier lugar.

Minihidroeléctricas. 1997. J. Tong (ed.). John Wiley and Sons, Ltd., Hoboken, NJ.

Motores como generadores para microcentrales hidroeléctricas. 1994. N. Smith. Intermediate Technology Development Group, Londres. Disponible a través de Practical Action en el Reino Unido o en Amazon.com en los Estados Unidos.
Esta guía de 84 páginas aborda el uso de motores de inducción para la generación de electricidad.

Bombas como turbinas: guía del usuario. 1995. A. Williams. Intermediate Technology Development Group, Londres, 1995. Disponible en Practical Action en el Reino Unido o en Amazon.com en los Estados Unidos.
Este es un libro práctico sobre el uso de bombas de agua estándar como turbinas hidráulicas.

Solar Living Sourcebook. 2007. J. Schaeffer (ed.). Chelsea Green Publishing Company, White River Junction, VT.
Este libro contiene una sección sobre sistemas hidráulicos y enumera las microturbinas que se pueden adquirir por correo a través de Real Goods.

Turbinas de corriente de agua: Una guía para trabajadores de campo. 1986. P. Garman. Intermediate Technology Development Group, Londres.
Esta guía de 100 páginas describe experiencias con turbinas de corriente.

Referencias

Alward, Ron, Sherry Eisenbart y John Vokman. 1979. Energía microhidroeléctrica: revisión de un concepto antiguo. Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT), Butte, MT.

Davis, Scott. 2003. Microhidroeléctricas: Energía limpia a partir del agua. New Society Publishers, Isla Gabriola, Columbia Británica, Canadá.

McKinney, J.D., B. Bradley, J. Dodds, T.B. McLaughlin, C.L. Miller, G.L. Sommers, B.N. Rinehart y C.C. Warnick. 1983. Manual de microhidroeléctricas. En dos volúmenes. EG&G Idaho, Inc.,
Idaho Falls, ID.

Ministerio de Agricultura y Tierras de Columbia Británica. 2006. Generación hidroeléctrica en las granjas. Abbotsford, Columbia Británica, Canadá.

Murray, Shana. 2010. Seminario en línea sobre hidroeléctricas pequeñas y de bajo impacto (Número de identificación: AD09-9-000). Comisión Federal Reguladora de Energía, Washington, D.C.

Recursos Naturales de Canadá. 2004. Sistemas de microhidroeléctricos: Guía para el comprador. Ottawa, ON, Canadá.
New, D. 2004. Introducción a la energía hidroeléctrica, Parte 2: Medición de la altura de caída y el caudal. Home Power 104. Diciembre de 2004 y enero de 2005. págs. 42-7.

Ostermeier, Jerry. 2008. «Pipeline: Diseño de conductos de presión hidroeléctricos». Revista Home Power. Junio y julio. págs. 56-62.

Woofenden, Ian y Ken Gardner. 2010. Capacitación en microhidroeléctricas: diseño e instalación de microhidroeléctricas. Capacitación impartida en la isla de Guemes, Washington. Solar Energy International, Carbondale, CO.

Apéndice: Hoja de cálculo para la estimación de costos

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA.