Microcentrales hidroeléctricas: ¿son adecuadas para mi granja?

Resumen

Los proyectos de microhidroeléctricas pueden aprovechar de manera sostenible la energía de los recursos hídricos de las granjas y generar energía mecánica y eléctrica. Los sistemas microhidroeléctricos de bajo impacto, no consuntivos y de «flujo libre» pueden producir energía renovable durante 20 años o más. Esta introducción a la energía microhidroeléctrica te servirá de guía para conocer los aspectos básicos que debes considerar al desarrollar un proyecto de microhidroeléctrica.

Introducción

La microhidroeléctrica es una de las fuentes de energía renovable más confiables y constantes que existen. Un buen recurso hídrico con caudal durante todo el año y varios pies de desnivel puede proporcionar años de energía continua.

Esta publicación introductoria aborda los pasos necesarios para aprovechar el potencial energético de un recurso hídrico. Sin embargo, no ofrece respuestas a las preguntas técnicas que puedas tener sobre el desarrollo de un proyecto de microhidroeléctrica. Si planeas instalar tu propio sistema microhidroeléctrico, te recomendamos consultar una publicación más técnica de ATTRA para quienes desean hacerlo por su cuenta,titulada «Microhidroeléctrica: Guía para principiantes sobre diseño e instalación».

Paso 1: ¿Este recurso satisfará tus necesidades?

Una toma y una tubería forzada de una microhidroeléctrica desvían temporalmente
una parte del caudal de agua y la transportan hasta la ubicación de la turbina. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Si no hay suficiente energía disponible en tu arroyo para siquiera acercarse a satisfacer tus necesidades energéticas, no tiene mucho sentido seguir adelante. Por otro lado, es posible que el arroyo contenga suficiente energía aprovechable como para que quieras utilizar solo una parte de ella. Para determinar el potencial energético de tu arroyo, tendrás que cuantificar la altura de caída y el caudal.

Por lo general, la altura de caída se define como la distancia vertical entre el punto donde se recogerá el agua (la toma) y el punto donde se instalará la turbina. Normalmente solo hay unas pocas ubicaciones posibles cerca del recurso hídrico para la turbina y el generador, mientras que puede haber varias ubicaciones posibles río arriba para la toma.

El caudal es el volumen de agua que se puede desviar temporalmente hacia la turbina hidráulica. Por lo general, se mide en galones por minuto (gpm) o pies cúbicos por minuto (cfm). Ten en cuenta que es mejor extraer la menor cantidad de agua posible de la fuente.

Si ya sabes cómo calcular la altura de caída y el caudal, estás listo para seguir adelante. De lo contrario, revisa la publicación de ATTRAtitulada «Microhidroeléctrica: guía para principiantes sobre diseño e instalación».

La potencia de salida está directamente relacionada con el caudal, la altura de elevación y la fuerza de la gravedad. Deberás calcular la potencia de salida potencial de tu sistema para determinar si puede satisfacer tus necesidades de energía. Puedes calcular de manera aproximada la potencia de salida potencial con esta fórmula:

Vatios = Altura manométrica (en pies) × Caudal (en gpm)/12*

*Este valor, que mide la eficiencia, puede oscilar entre 9, en el caso de los sistemas de aire acondicionado más grandes, y 13, en el de los sistemas más pequeños que funcionan con baterías.

También es necesario comprender a fondo el tipo de energía que necesitas. Si estás pensando en utilizar la potencia mecánica del eje como uso final (por ejemplo, para aserrar o esmerilar), debes conocer los requisitos de potencia de tu maquinaria, que probablemente se midan en caballos de fuerza. Si deseas utilizar la energía disponible en el agua para generar energía eléctrica para la iluminación, tu taller o motores, debes determinar tus necesidades de energía eléctrica. La mejor manera de hacerlo es revisar tus facturas de electricidad actuales para tener una idea de la cantidad de kilovatios-hora que consumes cada mes. Recuerda que tendrás picos de consumo de energía que debes tomar en cuenta al dimensionar y diseñar tu sistema.

Una vez que hayas determinado tu potencial de generación de energía y tus necesidades de energía, compara ambos para averiguar si tu recurso hídrico puede satisfacer tus necesidades energéticas. Si tus necesidades mensuales de energía son mayores de lo que generaría el sistema hidroeléctrico en un mes, considera si puedes reducir el consumo para intentar igualar la energía disponible mediante una mayor eficiencia o utilizando equipos diferentes. Puede ser más rentable invertir en equipos más eficientes que en una mayor capacidad de generación de energía. Por otro lado, si la producción de tu sistema fuera mayor que tu demanda, podrías tener un excedente de energía para otros usos finales, como la calefacción de espacios, el calentamiento de agua o la venta de energía al proveedor de electricidad de tu zona.

Es importante señalar que existen alturas de caída y caudales por debajo de los cuales, muy probablemente, no resulte rentable desarrollar un recurso hídrico. Estas alturas de caída y caudales mínimos son difíciles de especificar, ya que una combinación de una cantidad elevada de uno y una cantidad no muy grande del otro puede proporcionar una gran cantidad de energía útil. Sin embargo, a efectos prácticos, cualquier altura de caída inferior a 10 pies probablemente no resulte rentable para su aprovechamiento en sistemas hidroeléctricos a microescala. Del mismo modo, se puede considerar que 10 galones por minuto es el límite mínimo del caudal. No obstante, 10 galones por minuto con una altura de caída de 10 pies no generarán suficiente energía eléctrica aprovechable. Los siguientes ejemplos te ayudarán a considerar algunas situaciones de energía mínima:

• Un caudal de 10 galones por minuto con una altura manométrica de 100 pies producirá aproximadamente 83 vatios de potencia útil antes de las pérdidas por eficiencia, lo cual es suficiente para encender una bombilla de 80 vatios de manera prácticamente continua.
• Un caudal de 100 galones por minuto con una altura de caída de 10 pies también proporcionará unos 83 vatios de potencia útil.

Un buen recurso hídrico requiere un caudal mayor o una altura de caída superior a los mínimos sugeridos anteriormente. Las combinaciones de altura de caída y caudal que superen los mínimos pueden proporcionar una gran cantidad de energía aprovechable, y existen varias turbinas diseñadas específicamente para su uso en sitios con recursos muy limitados.

Paso 2: ¿Puedes utilizar ese recurso hídrico?

Una toma y una tubería forzada de una microhidroeléctrica desvían temporalmente
una parte del caudal de agua y la transportan hasta la ubicación de la turbina. Foto: Leif Kindberg, NCAT

¿Tienes derecho a utilizar el agua, o ese derecho pertenece a otra persona? Recuerda que en muchos estados, especialmente en el oeste, los derechos de agua no se transfieren necesariamente junto con los títulos de propiedad, y que los usuarios aguas abajo también pueden tener un derecho legal sobre el agua. El proceso para obtener un permiso de uso del agua puede ser largo y tedioso, así que, por ahora, solo investiga la viabilidad de utilizar el recurso hídrico en tu sitio.

Otra consideración importante es el impacto ambiental que genera el uso del agua para la generación de energía hidroeléctrica. Los proyectos de microhidroeléctricas suelen ser «no consuntivos», es decir, desvían temporalmente el agua del arroyo y luego la devuelven después de que pasa por la turbina hidroeléctrica. Habrá un límite en el volumen de agua que se puede desviar temporalmente de muchos recursos hídricos dentro de las fincas. Tomar demasiada agua o represar un arroyo puede causar daños ambientales duraderos, entre ellos la reducción del caudal del arroyo, el aumento de la temperatura del agua, la alteración del hábitat de los peces y la ecología del arroyo, y la creación de barreras que impidan el paso de los peces. En muchas zonas, estos impactos ambientales impedirán que se desarrolle un recurso hídrico.

Paso 3 – Calcular los costos del sistema

La tubería de presión se dimensiona y selecciona para cada emplazamiento. A menudo se utiliza una tubería de acero o plástico diseñada para soportar presión. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Si cuenta con un recurso hídrico que vale la pena explotar, averigüe quiénes son los proveedores de equipo para ese tipo de recurso hídrico y evalúe los costos del equipo. (Puede consultar una lista de distribuidores de equipo en elDirectorio de Alternativas Energéticas de ATTRA.) La mayoría de los proveedores de equipo podrán darle una estimación aproximada de los costos si les proporciona la siguiente información:

El caudal útil (por ejemplo, en galones por minuto o pies cúbicos por minuto)

• La altura (por ejemplo, en pies, metros o libras por pulgada cuadrada)
• La longitud de la tubería (conducto forzado) necesaria para ir desde la toma de agua hasta la ubicación de la turbina
• La demanda de energía en kilovatios-hora y para qué se utiliza
• El tipo de energía que quieres usar —corriente alterna o corriente continua— y qué quieres hacer con el excedente de energía
• La longitud del cable de transmisión desde el generador hasta el punto de consumo

En tu cálculo de costos, incluye la reparación o construcción de la presa (si es necesario), las tuberías, la instalación de la tubería forzada, la instalación eléctrica y la construcción de una pequeña central eléctrica para la turbina, el generador y los equipos electrónicos. En la mayoría de los casos, estos componentes serán las partes más costosas del proyecto.

Al analizar los costos del proyecto, toma en cuenta también cualquier beneficio adicional que pueda ofrecer un sistema hidroeléctrico. Estos pueden incluir el uso de la tubería forzada como fuente de agua para uso doméstico, para riego o para la extinción de incendios. ¿Alguno de estos beneficios podría compensar otros costos que ya tienes o que esperas tener? ¿Cómo afecta esto al costo total asociado con el sistema hidroeléctrico?

La siguiente pregunta que surge es la siguiente: ¿Son razonables los costos del sistema?

Solo podrás responder a esta pregunta si conoces tus propias razones para instalar un sistema de microhidroeléctrico. Es posible que tus razones no económicas (por ejemplo, el impacto ambiental y la independencia energética) tengan más peso que cualquier otra consideración, pero si eres como la mayoría de nosotros, los aspectos económicos juegan un papel decisivo.

Paso 4 – Comparar los costos de las alternativas

Las fuentes de energía alternativas, como la solar, no son constantes —
—, a diferencia de muchos proyectos de microhidroeléctricas que pueden funcionar
las 24 horas del día, los 7 días de la semana—, pero pueden ser una mejor opción dependiendo de
la ubicación del proyecto y las necesidades de energía. Foto: Leif Kindberg,
NCAT

¿Tu propiedad está conectada actualmente a la red eléctrica? ¿Cuánto pagas por la electricidad? ¿Te resultaría ventajoso, desde el punto de vista económico, desconectarte de esa red y generar toda tu propia energía? Puedes determinar la ventaja económica, si la hay, comparando el costo de instalar, operar y mantener un sistema de microhidroeléctrica con el costo de todas las demás alternativas. Tu sistema de microhidroeléctrica podría ser la opción más económica en las siguientes condiciones:

• Si tu propiedad está aislada y las líneas de servicios públicos más cercanas se encuentran a una milla o más de distancia, es posible que el costo de instalar un pequeño sistema hidroeléctrico resulte muy competitivo en comparación con el costo que tendrías que pagar para que se extiendan las líneas de servicios públicos.
• Si tu sitio tiene una altura de elevación elevada y/o un flujo continuo.
• Si puedes venderle energía a la empresa de servicios públicos a una tarifa razonable.
• Si la central eléctrica está ubicada junto al punto donde se necesita la energía o muy cerca de él.

Por otro lado, estas son algunas situaciones en las que tal vez no te convenga desarrollar un sitio web:

• Si tienes que consumir energía de la empresa de servicios públicos, ya sea de manera continua o estacional, el «cargo por medidor» podría anular cualquier ahorro significativo que te genere tu sistema de energía hidroeléctrica.
• Si no puedes vender la electricidad a la empresa de servicios públicos o no vas a utilizar de manera continua la energía generada por tu sistema microhidroeléctrico.
• Si tu proyecto requiriera muchos trabajos de excavación, construcción de presas o servicios de consultoría.
• Si los requisitos de ubicación y obtención de permisos son largos y complejos.

Paso 5 – Consideraciones sobre el financiamiento

Un sistema de «flujo natural» devuelve el agua al mismo arroyo
, reduce el impacto ambiental y, en general,
facilita el proceso de obtención de permisos. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Los costos de capital asociados con los sistemas de microhidroeléctricos por lo general no son tan elevados como los de otras alternativas, como la energía eólica o la energía solar. Por lo general, los costos de los sistemas de microhidroeléctricos oscilan entre 1,500 y 4,000 dólares por kilovatio de capacidad instalada. Los costos variarán considerablemente según la ubicación de tu instalación. La forma en que financies el proyecto determinará cuánto pagarás realmente por cada kilovatio-hora de energía que consumas.

Puedes mantener bajos los costos haciendo gran parte del trabajo tú mismo. Puedes fabricar e instalar algunos de los componentes necesarios, o todos ellos si así lo deseas y tienes el tiempo. Sin embargo, ten en cuenta que podrías perder algunas opciones de financiamiento si construyes tu propio equipo y utilizas tu propia mano de obra. Por ejemplo, los préstamos se otorgan sobre la base de una garantía real, y esta garantía suele estar relacionada con el equipo. Por lo tanto, si el artículo no tiene un valor comprobado —es decir, si no puede ser embargado y no cuenta con un valor de reventa garantizado comparable al valor prorrateado del préstamo—, es posible que no sea financiable. Además, ciertos programas de subvenciones, como el Programa de Energía Rural para Estados Unidos (REAP), exigen que la tecnología esté comprobada y disponible comercialmente, o que pase por un proceso de verificación técnica.

Paso 6 – Iniciar el proceso de obtención de permisos

Si has llegado sin problemas hasta este punto, ya estás listo para obtener los permisos necesarios. Una vez más, hay numerosas consideraciones relacionadas con los derechos de agua y el impacto ambiental que podrían aplicarse a tu proyecto. Aunque muchas personas simplemente han pasado por alto el proceso de obtención de permisos al desarrollar un proyecto de microhidroeléctrica, hacerlo conlleva riesgos. El punto de partida habitual es la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC), la agencia responsable de otorgar permisos para proyectos de microhidroeléctricas. La FERC podrá proporcionarte los nombres de muchas, si no todas, las agencias locales con las que también deberás comunicarte para obtener los permisos adecuados para tu sistema. Por último, si planeas interconectar tu sistema de microhidroeléctrica con la red de la empresa de servicios públicos —y si tal opción está disponible en tu zona—, deberás obtener un acuerdo de interconexión con la empresa de servicios públicos.

Paso 7 – Fabricar o comprar el equipo

Si has llegado hasta aquí en tu proceso de planificación y estás seguro de que ya estás listo para comprar equipo, aquí tienes algunos consejos que debes tener en cuenta.

Es importante asegurarse de la calidad de los materiales y equipos que compres. Si estás pensando en construir tu propio sistema, es posible que te sientas atraído por los equipos más económicos. Este puede ser o no el enfoque adecuado en tu caso particular. Los sistemas microhidroeléctricos suelen requerir equipos capaces de soportar altas presiones y grandes caudales.La revista Homepoweres una buena fuente de información para investigar sobre turbinas y equipos disponibles en el mercado, al igual que la línea de ayuda telefónica de ATTRA. Otra buena forma de asegurarte de que estás adquiriendo un producto de calidad es pedirle al proveedor una lista de clientes anteriores en tu zona. Visita uno de esos lugares y habla con las personas que utilizan el equipo para conocer sus opiniones al respecto.

Los equipos casi siempre se diseñan de acuerdo con las características de cada emplazamiento hidroeléctrico específico. Foto: Leif Kindberg, NCAT

Consigue tubería de buena calidad para tu conducto forzado. No utilices productos de segunda calidad que tal vez no tengan la resistencia a la presión necesaria para tus necesidades. Usa válvulas de compuerta en tu sistema; no utilices válvulas de bola. A diferencia de las válvulas de bola, una buena válvula de compuerta tarda lo suficiente en cerrarse como para generar muy poco efecto de «golpe de ariete». Una onda de presión —el golpe de ariete— causada por cerrar una línea de alta presión demasiado rápido puede provocar daños graves a la tubería de presión y al equipo. Además, una buena configuración de la toma de agua es fundamental para garantizar muchos años de funcionamiento sin problemas. Existen varias tomas de agua de muy buena calidad disponibles en el mercado a través de distribuidores de equipo.

Paso 8 – Instalar y revisar el equipo

Durante la instalación del equipo, es importante que sigas todas las instrucciones del fabricante. No tomes atajos. Recuerda que los fabricantes de renombre llevan tiempo en el negocio y conocen bien sus equipos. Si tienes algún problema, ponte en contacto con el fabricante y ellos te ayudarán. Al fabricante le conviene que el sistema se instale correctamente y funcione sin problemas.

Si vas a instalar un sistema de corriente continua, instala el conjunto de turbina y generador lo más cerca posible del punto de uso. De esta manera, reducirás al mínimo las pérdidas de energía en la línea de transmisión. Si tus conocimientos de electricidad son básicos, considera la posibilidad de contar con la ayuda de un electricista con experiencia.

Si has leído estos sencillos pasos, ya estás en el buen camino para desarrollar un proyecto de microhidroeléctrica. Una vez más, te recomendamos que leas la publicación de ATTRA titulada«Micro-Hydro Power: A Beginners Guide to Design and Installation» (Energía microhidroeléctrica: guía para principiantes sobre diseño e instalación) y que hagas muchas preguntas a tus proveedores de equipos. También puedes comunicarte con ATTRA para hablar sobre tu proyecto específico de microhidroeléctrica.

Referencias

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

Kindberg, Leif. 2010. Microcentrales hidroeléctricas: guía para principiantes sobre diseño e instalación. Publicación de ATTRA. Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT), Butte, MT.

Recursos Naturales de Canadá. 2004. Sistemas de microhidroeléctricos: guía para el comprador. Ottawa, ON, Canadá.

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

Recursos adicionales

Revista Home Power
Esta revista de bricolaje, disponible mediante suscripción, incluye artículos que abordan diversos aspectos del diseño de un sistema microhidroeléctrico.

Microcentrales hidroeléctricas
Practical Action ofrece varios videos interesantes, hojas informativas, estudios de caso y publicaciones sobre sistemas hidroeléctricos a pequeña escala y microcentrales hidroeléctricas en zonas rurales de todo el mundo.

Sistemas de microhidroeléctricos: guía para compradores
Al igual que la publicación de ATTRAtitulada «Microhidroeléctrica: guía para principiantes sobre diseño e instalación», esta publicación de Recursos Naturales de Canadá ofrece consideraciones paso a paso para el desarrollo de emplazamientos de microhidroeléctricos en Canadá, y muchas de estas consideraciones también son relevantes para emplazamientos y sistemas ubicados en los Estados Unidos.

Microcentrales hidroeléctricas: ¿son adecuadas para mi granja?
Por Leif Kindberg
Especialista en energía del NCAT
Publicado en enero de 2011
© NCAT
IP384
Versión 030311

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. ATTRA.NCAT.ORG. 

Esta publicación se elaboró a partir de la publicación de la NCAT de 1979 titulada «Micro-Hydro Power: Reviewing an Old Concept». La publicación, escrita por Ron Alward, Sherry Eisenbart y John Vokman, ya no está disponible.