Microcentrales Hidroeléctricas y Tecnologías Apropiadas

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Hace más de tres décadas que se inició la difusión del concepto de tecnologías apropiadas en el tema de las energías renovables.

Una de las opciones que más atención ha recibido desde entonces son las microcentrales hidroeléctricas, precisamente con la finalidad de dar energía a poblaciones rurales aisladas.

Los promotores más importantes de las tecnologías apropiadas han sido la cooperación internacional y las universidades.

La promoción de tecnologías apropiadas ha significado sobre todo un trabajo arduo de reducción de costos, vía la simplificación de diseños clásicos, creación de capacidad local para fabricar máquinas y repuestos, uso de materiales menos costosos y preferentemente locales, mano de obra local, uso de partes comerciales, como por ejemplo tubos de PVC en vez de acero para la tubería de presión, introducción de la electrónica para los controles de frecuencia, uso de motores invertidos como generadores, etc.

La etapa más importante de desarrollo y promoción de tecnologías apropiadas comenzó a mediados de los 70, y ha tenido su apogeo en la de los 80; desde comienzos de los 90 son pocas las agencias que continúan con ese trabajo, en especial las agencies internacionales. Inicialmente el trabajo se concentró en el equipo electromecánico; luego se extendió a los otros componentes, obras civiles y redes.

En la actualidad, con las tecnologías apropiadas, se pueden construir sistemas fiables, eficientes y tan baratos como la mitad de los sistemas construidos usando conceptos convencionales de ingeniería.

Resulta interesante llevar estos resultados al análisis de las economías de escala, ya que, según ésta, hay una relación inversa entre el costo unitario (en este caso US$/kW instalado) y el tamaño del sistema: a mayor tamaño del sistema, menor costo unitario.

Vemos entonces que al utilizar tecnologías apropiadas en las MCH, esta curva ya no sigue tal relación, especialmente en los tamaños más pequeños (Figura 2).

Figura 2. Curvas de costos para sistemas hidráulicos

Conceptos Empleados en las Tecnologías de las MCH

Los conceptos más importantes utilizados en la promoción de tecnologías apropiadas para MCH son los siguientes:

• Uso de la ingeniería adecuada.

El diseño de una MCH no debe ser una simple reducción de escala de una gran central; esta última generalmente se instala para estándares exigentes tanto en tecnología como en precisión, y, por tanto, requiere de factores de seguridad y sofisticación, lo que lleva necesariamente a mayores costos. Para pequeñas centrales los riesgos y las exigencias son menores, por lo que los estándares necesarios son menores que los de las grandes.

• Tolerancia en las eficiencias de los equipos y sistemas.

El concepto de alta eficiencia es importante para grandes centrales, y en especial para aplicaciones comerciales, ya que en estos sistemas un punto menos de eficiencia significaría pérdidas económicas importantes para el inversionista; en una MCH la pérdida de un punto de eficiencia significa la pérdida de fracciones de kW y, en el peor de los casos, de pocas unidades; financieramente no tienen mayor relevancia, de modo que para el caso de las MCH la tolerancia en cuanto a eficiencia puede significar diferencias importantes en costos de implementación (En una MCH, más importante que la eficiencia es la fiabilidad del sistema).

• Mínimas facilidades durante la etapa de construcción.

La implementación de MCH se hace en menor tiempo y requiere el desplazamiento de equipos y materiales de menor peso, y no necesita campamentos, vías de acceso y otras facilidades imprescindibles para las grandes centrales.

Asímismo, la participación de los usuarios en el traslado de las partes, además de significar un ahorro en costos, implica una mayor familiarización y apropiación de la Microcentral Hidroeléctrica.

• Uso de ingeniería moderna.

En la actualidad, se producen materiales y componentes que pueden utilizarse ventajosamente en las pequeñas centrales hidráulicas, entre ellos los reguladores electrónicos.

También pueden aprovecharse componentes utilizados convencionalmente en otras aplicaciones, como los motores en reverso, las bombas como turbinas y algunos materiales usados en otras aplicaciones.

Tecnologías Utilizadas Exitosamente

A continuación se incluyen algunas tecnologías utilizadas con éxito durante los últimos años.

Son quizá las más utilizadas, pero no las únicas.

• Obras civiles.

Estos diseños permiten reducir costos en un 40% o más utilizando el concepto de optimización de costos, diseños innovadores y materiales locales en la mayor proporción posible; entre las principales posibilidades de reducción están:

1. El uso de barrajes mixtos en bocatomas,
2. Canales construidos con el sistema de cerchas que permite reducir el espesor de la pared usando menos material y menos mano de obra,
3. Accesorios de limpieza y control simples para la cámara de carga y desarenadores,
4. Casa de fuerza utilizando materiales locales, etc.

• Tubería de presión.

Aunque hay otras, la mejor alternativa de reducción de costos, aplicable a la mayoría de casos de MCH, es la tubería de alta presión.

En la práctica esta alternativa se viene utilizando hasta alturas de 150 metros de columna de agua con sólo PVC y alturas mayores haciendo combinación de acero en la parte inferior y PVC. Esto permite reducir costos a la tercera parte de su equivalente usando acero; pero no sólo es el costo, pues entre otras ventajas del PVC están su mejor eficiencia de conducción (menores pérdidas por fricción), su menor peso y su simplicidad para ensamblarlas.

• Redes.

Todas las MCH requieren de redes secundarias, independientemente de su tamaño, a menos que se utilicen para una aplicación directa como en el caso del aprovechamiento directo de la energía mecánica (Cuando la aplicación es directa, se conoce más bien como central hidráulica, ya que no se genera electricidad.).

Dependiendo del tamaño de la población, las MCH requerirán de redes primarias ( Para poblaciones muy pequeñas generalmente no requieren de redes primarias).

Cuando la central está alejada de la demanda una distancia de más de 500 m, se requiere una red de transmisión.

Para las redes, las posibilidades de reducción de costos son pocas, ya que existe una importante regulación por parte del sector eléctrico; sin embargo, existen algunas alternativas que no dejan de ser importantes, entre ellas:

1. El uso de cables autoportantes permite disminuir costos hasta en un 30% con respecto a diseños convencionales. Esta tecnología es relativamente moderna, rebaja costos en cuanto a componentes utilizados y también en cuanto a tiempo, ambos para el montaje.
2. Uso de estándares bajos o moderados en cuanto a iluminación pública y uso de materiales alternativos en los postes.
3. Retorno por tierra. Esta tecnología, conocida pero poco generalizada, puede permitir importantes reducciones de costos, especialmente en zonas rurales.

• Equipo electromecánico.

Quizás este ha sido el rubro de mayor concentración en el trabajo de desarrollo y adaptación de tecnologías apropiadas, y, por tanto, en la actualidad existe una variedad de oportunidades de reducción de costos. Es difícil dar cifras precisas cuando alguien pregunta cuánto menos le cuesta el equipo electromecánico de tecnología apropiada versus el de tecnología convencional.

Se acostumbra a decir que cuesta X US$ por kW de potencia, pero esto no tiene mayor fundamento, porque el costo se obtiene caso por caso y depende de la combinación de tecnologías utilizadas en las diferentes partes. Por ejemplo, una turbina pelton de 20 cm de diámetro tiene un precio diferente si es de bronce, de acero comercial o de acero inoxidable.

El costo del generador eléctrico depende de la marca y, si se utiliza un motor como generador, tendrá un precio muy diferente.

El regulador tiene precios diversos dependiendo de la tecnología usada, que han evolucionado mucho desde los inicios de su aplicación en las MCH por los años 70.

En la actualidad se puede conseguir excelentes productos que se benefician en buena parte de los microchips para fabricar los controles.

Es interesante notar aquí que la convención de los rangos micro, pequeña, pico, no tienen mucho más en común que un límite inferior y superior de potencia y que han sido establecidos en alguna época probablemente por razones más bien comerciales. Sin embargo, cuando estamos hablando de tecnologías apropiadas se puede agrupar por rangos donde hay una mayor afinidad tanto en las tecnologías que se han utilizado como en las aplicaciones y en los costos.

El Cuadro 2 agrupa los sistemas hidroeléctricos por rangos de potencia, teniendo en cuenta los usos más comunes y, para cada grupo, las tecnologías utilizadas en sus componentes para obtener precios bajos y buen comportamiento técnico. Estos rangos no tienen ninguna relación con los convencionales mostrados en el Cuadro 1, y tampoco se pretende sugerir una nueva clasificación. Su intención es la de mostrar al ingeniero interesado un cuadro que le oriente inicialmente hacia las combinaciones de tecnologías con el fin de diseñar y luego ensamblar su equipo electromecánico.

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