Vuelta a lo Básico: Hidroenergía Directa

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Despulpadora de café de energía hidráulica directa. Fuente: Brian W. Raichle.

Hoy en día, todas las centrales de energía hidráulica producen electricidad. Transformar la energía en electricidad parece ser la única manera de aprovechar el potencial del agua, pero no lo es. Durante casi dos mil años, las ruedas hidráulicas accionaron directamente las máquinas por transmisión mecánica. En América del Sur, algunos pequeños sistemas de hidroenergía directa son un claro exponente al combinar el uso de materiales modernos con otros métodos anticuados de mecanización hidráulica. Esta perspectiva es en realidad más eficiente, ya que se necesita menos agua para producir una cantidad dada de energía. Así, se reducen los costes de la hidroenergía, y permite que corrientes fluviales muy poco caudalosas puedan producirla.

Las instalaciones hidroenergéticas en funcionamiento hoy son en realidad menos eficientes que las de siglos anteriores

A través del curso de la historia, la eficiencia en las máquinas motrices de energía hidráulica ha aumentado a un ritmo constante. Los molinos hidráulicos de madera, que aparecieron hace más de 2000 años, convertían una cantidad relativamente pequeña de la hidroenergía en potencial mecánico: la eficiencia era de 5 a 15% en el caso de la rueda hidráulica horizontal, de 20 a 30% en el de la rueda hidráulica vertical de admisión inferior, y de 50 a 60% en el caso de la rueda hidráulica vertical de admisión superior. [1]

Las ruedas hidráulicas de hierro, que aparecieron a finales del siglo XVIII, habían mejorado el índice de eficiencia de la rueda vertical de admisión superior, de 65 a 85%. [1] Las turbinas hidráulicas, que fueron desarrolladas en el siglo XIX, y que son las máquinas motrices de propulsión hidráulica que aún hoy utilizamos, generalmente convertían más del 85% de la energía cinética inherente a la fuente de energía hidráulica en potencia mecánica para el eje de la turbina. [2] Las turbinas hidráulicas son entre diez y veinte veces más compactas que las ruedas hidráulicas para la misma potencia de salida, una ventaja que dio lugar a unas máquinas motrices mucho más económicas y potentes. Las turbinas son ampliamente más aplicables que las ruedas hidráulicas, porque las ruedas hidráulicas no podrían hacer un uso eficiente de una carga hidráulica (la distancia vertical recorrida por el agua) mucho mayor que su propio diámetro. [1]

Por Qué la Hidroenergía Moderna es Menos Eficiente

A pesar de estas mejoras significativas, las instalaciones hidráulicas de hoy en día son en realidad menos eficientes que las de siglos anteriores. Esto es así debido a la electricidad. No mucho tiempo después de la introducción de la turbina hidráulica, se produjo otro cambio: en lugar de utilizar máquinas motrices de propulsión hidráulica para ejecutar la maquinaria directamente (como había sido el caso durante siglos), las turbinas de agua fueron (y todavía lo son) utilizadas para generar electricidad. Esta perspectiva moderna ha introducido un déficit de energía que ha anulado cualquier progreso detrás de la eficiencia del diseño hidroenergético.

hidropower2Despulpadora de café de energía hidráulica directa. Fuente: Brian W. Raichle

En una instalación hidroenergética moderna, una turbina hidráulica convierte la energía del agua en movimiento en energía de rotación en su eje, que después se convierte en energía eléctrica por el generador que está acoplado a la turbina. A continuación, la energía eléctrica se convierte de nuevo en energía de rotación por el motor eléctrico de la máquina que está siendo accionado. Cada conversión de la energía introduce pérdida de energía. Esta pérdida de energía se produce debido a la fricción, observable en forma de calor, vibración y ruido. La fricción se produce a todos los niveles de la transmisión eléctrica: en la turbina, en el generador y en el motor. Los componentes adicionales, tales como las baterías, los sistemas de accionamiento e inversores pueden aumentar aún más las pérdidas en cuanto a eficiencia.

Es posible calcular el índice de eficiencia para cada unidad de hidroenergía moderna mediante la medición de la diferencia entre la entrada de la turbina y la salida del generador eléctrico. Una central de hidroenergía de tamaño doméstico que genere energía eléctrica de corriente alterna (C.A.) tendrá una transferencia de energía “water-to-wire” (literalmente “desde el agua hasta el cable”, implicando todo el proceso de generación de energía desde la fuente hidráulica) de entre 60% y 70% en su mejor rendimiento. Los sistemas eléctricos de corriente continua (C.C.) más pequeños, que requieren inversores y generalmente tienen bancos de batería, tiendrá un índice de eficiencias más bajo entre 40% y 60%. [3]

Una despulpadora de café de hidroenergía directa en Nicaragua se ha desempeñado
perfectamente durante cinco cosechas

La pérdida de energía en los motores eléctricos de los aparatos que son alimentados no está incluída, pero también debería considerarse (eficiencia “water-to-motor”). La eficacia de un motor eléctrico puede variar considerablemente –desde menos de 60% para los motores pequeños hasta más de 95% para los motores grandes. Como promedio, una instalación de energía hidroeléctrica sólo convierte alrededor de la mitad de la energía hidráulica disponible en trabajo útil.

Esto significa que una pequeña central hidráulica moderna tiene un índice de eficiencia similar a una configuración de siglos de antigüedad que emplease una rueda hidráulica de madera, vertical y de admisión superior (50-60%), y que esta contraparte moderna es considerablemente menos eficiente que las ruedas hidráulicas de hierro del siglo XVIII (65-85%). En una anticuada instalación hidráulica, sólo se daba una conversión de energía; una rueda hidráulica convirtió la energía inherente a la fuente hidráulica en energía de rotación en su eje. El mismo eje también movía la maquinaria, de manera que la única fuente de pérdida significativa de energía se daba en la propia rueda hidráulica. [4]

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Despulpadora de café de energía hidráulica directa. Fuente: Brian W. Raichle.

Tengan en cuenta que ésta no es la eficiencia total de la instalación hidroenergética: la fricción también se produce en el conducto que transmite el agua a la turbina. La mayoría de los sistemas hidráulicos pequeños no utilizan presas. En su lugar, desvían una fracción del agua de una corriente fluvial hacia abajo a través de una tubería. Las pérdidas de energía en una tubería son idénticas para las instalaciones hidroeléctricas que para las de hidroenergía directa. De ahí que, para el fin de nuestra comparativa, estas pérdidas de energía pueden pasarse por alto.

Por Qué Tiene Sentido la Hidroenergía Directa

Hay una posible configuración hidráulica en particular que merece una atención considerable: la turbina hidráulica que acciona directamente la maquinaria, sin el paso intermedio de generar electricidad. Dependiendo del tipo de turbina que se utilice en tal sistema, el valor que corresponde a la eficiencia “water-to-motor” es aproximadamente de 80 a 95%. Implementar esta forma de energía hidráulica directa duplica la eficacia de una instalación hidroeléctrica a pequeña escala. [4]

La mayor eficiencia de la energía hidráulica directa trae ventajas importantes. Si omitimos el paso intermedio al generar electricidad, puede recogerse considerablemente más energía y utilizarse a partir de una carga hidrostática dada (la distancia vertical recorrida por el agua) y una tasa de caudal hidráulico (la cantidad de agua que transporta una corriente de agua). Esta ventaja puede contribuir a aumentar la producción de energía en sitios existentes de potencial hidráulico. También significa que más sitios de potencial hidráulico quedarán disponibles, y que las relativamente pequeñas corrientes fluviales y ríos podrán ser compartidos por varias unidades de energía hidráulica.

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Despulpadora de café de hidroenergía directa. Fuente: Brian W. Raichle

A causa de su mayor eficiencia, un sistema de hidroenergía directa es también más barato que un sistema de energía hidroeléctrico. Se necesita menos agua para producir una cantidad dada de energía, lo cual significa que todos los componentes de la instalación se reducirán en tamaño, coste y otros recursos. Por ejemplo, se requiere menos ingeniería civil. El agua puede transportarse a la turbina a bajo coste, baja presión, fácilmente transportable, de manera flexible; los tubos de plástico son pequeños en diámetro en contrasposición a los conductos de carga, rígidos y de gran diámetro, comunes en las centrales de energía hidroeléctrica. Las conexiones flexibles entre la tubería de carga y la turbina también simplifican la instalación.

En último lugar, pero igualmente importante, una mayor eficiencia de la hidroenergía directa limita el impacto ecológico de su lozalización. El mantenimiento de agua en la fuente de energía, en cantidades suficientes para que la vida acuática prospere, constituye la piedra angular de la producción de energía microhidráulica, ambientalmente racional. Este tipo de sostenibilidad ecológica es más fácil de conseguir con la hidroenergía directa porque requiere de menos agua.

Enfoque de “Vieja Escuela”, Materiales Modernos

Muchas ONG están introduciendo pequeños sistemas de energía hidráulica en países en vías de desarrollo. Casi todos ellos están encaminados a la producción de electricidad. Sin embargo, hay unas pocas excepciones a esta práctica habitual. En 2007, un equipo de la Appalachian University, Estados Unidos, diseñó, construyó e instaló una máquina despulpadora de café de hidroenergía directa en Nicaragua. De acuerdo al estudio reciente Energy for sustainable development, ha “funcionado a la perfección durante cinco cosechas”.

Gran parte de la energía necesaria para la recolección y procesamiento de café se provee de trabajo manual. Uno de los pasos más intensivos y tediosos en el trabajo de procesamiento del grano de café es la despulpación. En el pasado, el proceso de despulpado estaba restringido a una máquina impulsada manualmente, y llevaría toda una noche completarlo. Ahora, con la ayuda de las tecnologías de hidroenergía directa, la despulpación puede completarse en dos o tres horas.

Debido a que se necesita menos agua para producir una cantidad dada de energía, todos los componentes del sistema se reducen en tamaño y coste

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El rodete de bronce del motor hidráulico modelo 150. Fuente: Campo Nuevo 

La instalación puede suministrar un máximo de 800 vatios de potencia mecánica con una carga hidráulica de 35 metros y un caudal de 300 litros por minuto. Los costes de materiales ascendieron a $1900 USD . En comparación, Practical Action expone que, utilizando las tecnologías apropiadas, una instalación hidroeléctrica a pequeña escala cuesta de $1800 a $6000 USD por kilovatio instalado. Se emplean alrededor de dos kilovatios de energía mecánica para producir un kilovatio de energía eléctrica, así que la hidroenergía directa es al menos dos veces tan viable económicamente como una operación hidroeléctrica con la misma tasa de producción de energía.

Control Preciso

La turbina utilizada por la depulpadors de café con hidroenergía directa es un Water Motor 90 disponible comercialmente en Campo Nuevo, Bolivia. De acuerdo con el fabricante, la máquina compacta (16 x 16 x 32 cm) es “la única turbina moderna diseñada para impulsar máquinas comunes con la energía del agua”. La turbina utiliza un rodete tipo Turgo de 9 cm de diámetro, que convierte la energía hidráulica en energía mecánica con un porcentaje de eficiencia de 80 a 85%. Es apropiado para sistemas de carga moderada a alta. El modelo 150, más grande, tiene un rodete de 15 cm de diámetro y produce unas tres veces más energía.

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El motor hidráulico modelo 150 de Campo Nuevo. Fuente: Campo Nuevo

El motor hidráulico es tan fácil de controlar y ajustar como un motor eléctrico. Cuenta con un interruptor de encendido que permite el control al instante de encendido/apagado, lo que lo hace apto para máquinas de energía directa que deben encenderse y apagarse muchas veces durante su uso. El mecanismo funciona por deflexión del agua desde el rodete, de modo que la fuerza de la corriente no aumenta la presión en la tubería de carga.

La potencia de salida de la turbina puede ajustarse con precisión. Como cualquier otra turbina de impulso, un rodete Turgo es impulsado por chorros de agua de alta velocidad . Un recolector separa el flujo hidráulico en cuatro tubos más pequeños, con cada corriente que lleva a uno de los cuatro chorros de conducción de la rueda de la turbina.

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El motor hidráulico de Campo Nuevo en su carcasa. Fuente: Campo Nuevo

Cada uno de los cuatro inyectores tiene una válvula individual para proporcionar una amplia gama de flujos, de modo que el motor puede ejecutar de uno a cuatro chorros en una sóla vez. Además, los chorros pueden ajustarse a varios tamaños. Este mecanismo permite medir y ajustar con precisión la salida de energía del motor,y se adapta a las variaciones estacionales en el flujo de las aguas.

Unidad de Carpintería de Hidroenergía Directa

En el sitio piloto de Campo Nuevo, emplazado en los Andes, el motor hidráulico pone en marcha una gran variedad de máquinas, incluyendo una pequeña unidad de carpintería (mesa de aserrado, máquina fresadora y de ensamblaje, taladro, disco abrasivo), una hormigonera y un molino de grano. Cuando la energía mecánica no está siendo utilizada por ninguna de estas máquinas (por ejemplo por la noche), el motor pone en marcha un generador que almacena la energía eléctrica en las baterías para la iluminación y otros fines. El motor hidráulico también puede operar un compresor de aire para ejecutar herramientas neumáticas. (En principio, también podría hacer funcionar un compresor de refrigerador). [6

Un pequeño tanque de almacenamiento permite ejecutar máquinas aún más potentes

El motor hidráulico del sitio piloto suministra una energía similar a un motor eléctrico de 0.75 caballos de vapor (560 vatios), a 1450 rpm utilizando una corriente fluvial con una caída vertical de 18 m y un caudal hidráulico medio de 310 litros por minuto. Estas condiciones son menos que ideales para un sitio de energía hidroeléctrica, pero para la hidroenergía directa la situación es perfecta.

Un pequeño tanque de almacenamiento acoplado a la unidad de hidroenergía directa permite ejecutar temporalmente incluso máquinas de mayor potencia. Dado que la operación de la mesa de aserrado requiere de 500 litros de agua por minuto (no disponible a menudo), de instaló el tanque de almacenamiento de 6000 litros, que mide 2 x 2 x 1.5 m. Permite a la mesa de aserrado funcionar durante 15 minutos seguidos. Esta salida de potencia adicional añade más de dos horas de tiempo de funcionamiento en el transcurso de una jornada de trabajo de diez horas.

hidropower8Una configuración de motor hidráulico ejecutando una mesa de aserrado y un generador. Fuente: Campo Nuevo

Todas las máquinas (incluidos el generador y el compresor de aire) están colocadas directamente sobre o al lado de la cubierta de la turbina. Estas herramientas son acoplables a (e impulsadas por) la misma correa. El motor hidráulico sólo puede operar una máquina de una vez, puesto que no hay distribución de energía. Esto funciona bien en un taller, porque muchas máquinas y herramientas son utilizadas intermitentemente.

La misma configuración se utiliza para la despulpadora de café de hidroenergía directa en Nicaragua, descrito anteriormente. Los granos de café son recolectados de diciembre a febrero, y deben ser despulpados dentro de las 24 horas posteriores a la recolección. Esta restricción de procesado significa que el aparato extractor de pulpa sólo se utiliza por la noche para una pequeña fracción del año. De ahí que la instalación de hidroenergía directa esté a menudo disponible para otras aplicaciones (como aserrar, taladrar, un compresor de aire, o un generador eléctrico). Aunque la turbina que acciona el despulpador de café puede proporcionar hasta 800 vatios de energía mecánica, el propia aparato extractor de pulpa de café utiliza sólo un cuarto de la energía hidráulica y un chorro para disponer de 200 vatios para su funcionamiento.

Actualización de Molinos Hidráulicos Medievales

¿Estamos asistiendo a un renacimiento de la energía hidráulica directa? Tal vez, pero lo cierto es que esta forma de producción de energía nunca ha desaparecido. En algunas regiones montañosas, todavía hoy hay ruedas hidráulicas en funcionamiento que comparten un diseño similar a los molinos hidráulicos, tan extensivamente utilizados en la Europa medieval. El eje de rotación acciona directamente la maquinaria, encontrado hoy más comúnmente como molinos de grano para la producción de harina.

En aldeas remotas de Nepal, muchos granjeros emplean los molinos de agua tradicionales de madera para moler el grano. Entre 25000 y 30000 de ellos están en funcionamiento aún hoy. En Nepal, el objetivo no es volver a reintroducir la energía hidráulica directa, sino asegurarse de su permanecimiento. Es por ello que la ONG nacional Centre for Rural Technology, Nepal (CRT/N) dirige un programa de renovación y actualización de estos molinos. Las ruedas hidráulicas mejoradas permiten moler el grano de manera más eficiente y alargar sus vidas útiles, para así competir mejor con los molinos alimentados por diésel.

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Básicamente, CRT/N actualiza las ruedas hidráulicas de estilo medieval a las ruedas hidráulicas del siglo XIX, mediante la sustitución de piezas clave de madera como el eje y el rodete por piezas metálicas de precisión y producción local. El conducto forzado de madera que lleva el agua a los molinos es reemplazado por un tubo de polietileno de alta densidad que reduce las fugas y otros problemas evitables.

En Nepal, una ONG ha actualizado más de 5000 molinos hidráulicos de madera,todos aún operativos, a los estándares del siglo XIX, duplicando su eficiencia y permitiéndoles competir con el combustible diésel

CRT/N llama a su tecnología Improved Water Mill (IWM). Las estimaciones sugieren que la capacidad de molido de los molinos actualizados se ha duplicado, lo que corresponde netamente a las cifras de eficiencia que presentamos al inicio de este artículo. Una mayor eficiencia permite usar menos agua, y que los molinos puedan operar durante períodos más extensos del año.

Sustitución de Motores Diésel

La ONG ha actualizado 5700 molinos hidráulicos desde 1990 hasta 2009. Algunas de estas actualizaciones (237 para ser exactos), también implicaron adaptar los molinos hidráulicos para que puediesen accionar otras máquinas, tales como las de descascarillado de arroz, prensas de aceite, máquinas de aserrado o un generador eléctrico. Para lograr esta variabilidad, se instala un eje más largo que desconecta el rodete de las piedras del molino. En lugar de conectar a las piedras del molino, el eje de molido opera desde el eje largo utilizando una correa de transmisión, permitiendo que otras máquinas sean impulsadas directamente por energía hidráulica.

hidropower10 Con un eje largo acoplado, diversas máquinas tales como un desgranador de arroz pueden accionarse desde un molino. Fuente: CRT/N

Si bien estas ruedas hidráulicas actualizadas no alcanzan la alta eficiencia de las instalaciones de hidroenergía directa que utilizan turbinas, son menos costosas. Las actualizaciones básicas de un molino hidráulico cuestan 350 dólares estadounidenses (USD), mientras que la opción de hacer funcionar múltiples máquinas tiene un coste de 900 a 1200 USD. Por tanto, actualizar un molino hidráulico tradicional es al menos dos veces más económico que instalar un sistema de hidroenergía directa impulsado por turbina, y nuevo por completo. En Nepal, los molinos hidráulicos mejorados han reemplazado incluso algunos molinos de motor diésel, debido a que son menos costosos de mantener y producen harina de mejor calidad.

El proyecto de actualización de los molinos hidráulicos está todavía en curso. Proyectos similares pero mucho más pequeños han sido implementados por IT Power India, también en el Himalaya (70 molinos actualizados a un coste de 200 USD), y por SITMo en Filipinas (como parte de un esquema mayormente hidroeléctrico). 

Lo Mejor de Ambos Mundos

Este alegato a favor de la hidroenergía directa no implica que debamos dejar de utilizar la electricidad. No todo puede impulsarse por energía mecánica; lo más importante, la iluminación y los equipos electrónicos. Por otra parte, mucha población del mundo en vías de desarrollo no tiene en absoluto acceso a la electricidad, forzándoles a utilizar en su lugar lámparas de queroseno, nocivas para la salud.

En todo caso, los ejemplos descritos con anterioridad muestran que podría ser interesante combinar ambos métodos. Los mejores resultados se obtendrían con una instalación hidroenergética que produjese potencial mecánico para las máquinas que estuviesen funcionando, pero que almacenase la energía eléctrica en baterías con fines como la iluminación y otros, siempre y cuando la energía mecánica no fuese requerida (por ejemplo, por las noches). En comparación a un sistema estrictamente mecánico, ofrecería importantes beneficios extra; en comparación a un sistema meramente eléctrico, ofrecería más energía y de manera mucho más eficiente.

Kris De Decker (traducido por José Vera)

Notas & Recursos 

 

[1] Stronger than a hundred men: a history of the vertical water wheel, Terry S. Reynolds, 1983, pp.106, 306-307 y 342-349

[2] La eficiencia de la turbina hidráulica depende del tipo de turbina que se utilice. Hay muchos tipos de turbinas disponibles, y cada uno está dirigido a combinaciones específicas de la carga y el caudal hidráulicos. Para aplicaciones hidráulicas a pequeña escala, una eficiencia mínima de 80-85% se puede alcanzar en cualquier situación. Las turbinas Pelton son eficientes hasta en un 90% y las turbinas más grandes, eficientes por encima del 95%.

[3] Intro to Hydropower, Home Power Magazine, 2012. Otro recurso es Fact Sheet MicroHydro de la Appalachian State University, que estima un promedio de eficiencia del sistema de 53% (incluyendo la pérdida de energía en la tubería). Y un estudio reciente afirma: “Es común suponer una eficiencia total del sistema de 50-60%. Sin embargo, en la práctica, la potencia de salida real es un 30% tan bajo como el de la potencia de entrada en bruto para instalaciones muy pequeñas, y tan alto como el 70% para esquemas más grandes”.

[4] A esto hay que añadir la pérdida de energía en el tren de transmisión, necesario para que coincida la velocidad de rotación de la máquina motriz con la de la máquina que es accionada. Esta pérdida se ha incluido en los resultados de eficiencia de las instalaciones hidroenergéticas modernas, donde se utiliza un sistema de transmisión para que coincidan las velocidades rotativas de la turbina y el generador, pero no en los resultados de las instalaciones anticuadas. La pérdida de energía en el tren de transmisión puede ser bastante grande, por ejemplo al usar una rueda hidráulica de giro lento para operar un generador eléctrico o una máquina de aserrado circular, que requieren altas velocidades de rotación, y así elaborar un engranaje para intensificar la velocidad. Por otro lado, la pérdida de energía en la cadena de transmisión puede ser insignificante cuando una turbina hidráulica sea utilizada para impulsar maquinaria de giro rápido, ya que las turbinas hidráulicas tienen una velocidad de rotación mucho mayor que las ruedas hidráulicas. Esto también es válido para las máquinas operadas por ruedas hidráulicas que no requieran velocidades de rotación elevadas. Las turbinas que operen máquinas de rotación lenta necesitarán un engranaje para reducir la velocidad. Si la conexión está hecha por un único engranaje, cadena o correa, el tren de transmisión puede ser eficiente hasta en un 99%.

[5] Design and Construction of a Direct Hydro Powered Coffee Depulper, Energy for Sustainable Development 16 (2012), pp. 401-405, Brian W. Raichle, Raymond S. Sinclair, Jeremy C. Ferrell.

[6] Water Power in the Andes. Yesterday’s Solution for Today’s Needs, Ron Davis, 1999.