Análisis y evaluación del uso de turbinas para la recuperación de energía en redes hidráulicas a presión

Resumen

Esta tesis tiene como objetivo evaluar la posibilidad de utilizar la energía hidráulica no aprovechada en sistemas urbanos de distribución de agua. Para ello, se ha estudiado y evaluado la viabilidad y las posibles alternativas de instalar turbinas convencionales y/o bombas que funcionen como turbinas (Pumps as Turbines, PATs) en la cabecera de las redes hidráulicas a presión en tres localidades de la provincia de Huelva. La Puebla de Guzmán, Cañaveral de León y Aracena (Andalucía, suroeste de España). Se han realizado análisis de sensibilidad para la selección de las mejores alternativas considerando las siguientes etapas: (a) Estudio de la viabilidad y eficiencia de la instalación de turbinas y/o PATs en las redes hidráulicas; (b) Determinación de la capacidad hidráulica requerida de las turbinas y/o PATs; (c) Caracterización y evaluación de los puntos óptimos para la instalación en las redes hidráulicas en estudio; y (d) Valoración hidráulica y económica de la posible generación de energía eléctrica. La evaluación de la cantidad recuperable de energía hidráulica en los sistemas de distribución de agua requiere de la aplicación de la ecuación de conservación de energía, considerando la ecuación de Darcy-Weisbach para el cálculo de las pérdidas de carga. Un diagrama de altura de energía-caudal con diferentes rangos de trabajo de turbinas y PATs comerciales se ha elaborado para la selección de la máquina hidráulica adecuada. Los resultados obtenidos en la red hidráulica de Aracena muestran que la mejor solución sería la instalación de una turbina BANKI de 2 kW, que podría generar una energía anual aproximada de 17,52 MWh/año. En el sistema de abastecimiento de agua de Cañaveral de León, se propone colocar, una turbina BANKI de 0,75 kW con una posible generación de energía de 6,57 MWh/año. En el caso de La Puebla de Guzmán, los resultados muestran diferentes posibles ubicaciones de instalación de una turbina Francis, que podría llegar a generar una energía de 280 MWh/año. Por otra parte, se ha diseñado y desarrollado un programa de ordenador, utilizando el lenguaje JAVA, que integra la metodología desarrollada y permite poder calcular de forma automática el tipo y la capacidad hidráulica de las turbinas y/o PATs que podrían instalarse considerando los condicionantes y las restricciones hidráulicas de un sistema de distribución de agua específico. Además, esta aplicación proporciona cuánta energía anual se podría recuperar de la red hidráulica a presión. Para dicho cálculo el programa tiene en cuenta las horas diarias de funcionamiento de la turbina y/o PATs que se pretende colocar. El programa permite dos opciones de cálculo. Para la primera opción, y más sencilla, solo es necesario introducir como variables de entrada el caudal y la altura neta disponibles, así como las horas previstas de funcionamiento de la máquina hidráulica. La segunda opción se debe utilizar cuando no se conoce la altura neta disponible de energía en la red hidráulica. En este caso, el programa calcula las pérdidas de carga para calcular, a partir de la altura bruta de energía disponible, la altura neta. En este caso, las variables de entrada al programa son: el caudal, la altura bruta de energía y las características de las conducciones (diámetro, longitud y material).