Micro-Central Vernis: energia hidràulica produïda a casa

L'escassetat de petroli i altres combustibles fòssils sobre els quals està basat el model energètic actual estan portant a desenvolupar noves vies de generació d'electricitat. En l'horitzó més proper s'albiren dues possibilitats a curt i mig termini.

En un horitzó més proper apareix l'energia nuclear, model pel qual han apostat fortament alguns països com Japó i França. Els problemes per a la salut que poden implicar l'ús de materials radioactius són de sobres coneguts. caldria destacar el desastre de Txernòbil i el recent accident en la central de Fukushima produït després del terratrèmol i posterior tsunami que va assolar la zona, encara sense notícies sobre la seva incidència final.

D'altra banda, es troben les energies renovables, única solució viable a llarg termini. El planeta Terra ofereix múltiples fonts d'energia que, d'una manera o un altre, poden arribar a ser transformades en energia útil per a l'ésser humà. El Sol, el vent, els corrents marins són, entre moltes altres, fonts d'energia inesgotables, del seu aprofitament depèn en gran mesurada el futur i la continuïtat de la societat tal com la coneixem actualment.

Si s'analitza una altra d'aquestes fonts d'energia, la hidràulica, es pot percebre que el seu aprofitament existeix però que només es veu reflectit en grans obres. Les centrals hidroelèctriques, que transformen l'energia potencial i cinètica de l'aigua en energia mecànica o elèctrica, se solen trobar en grans preses i pantans. Aquestes obres totalment necessàries per garantir el subministrament d'aigua de boca i reg i controlar el curs de rius, generen grans danys en els ecosistemes naturals existents. L'alt cost de la seva construcció i la impossibilitat de ser instal·lades en altres llocs amb un important potencial elèctric pel seu alt impacte mediambiental obre la porta a una altra opció que fins avui tan amb prou feines ha estat desenvolupada. Aquesta possibilitat és l'aprofitament energètic a menor escala en petits i mitges lleres d'aigua, és en aquest punt, on es justificarà la necessitat de les micro i escaig centrals hidroelèctriques.

1.2.1: Justificació tècnica

El desenvolupament de micro i escaig centrals es veu justificat per la necessitat de desenvolupar noves formes de generació d'energia neta que permetin, per exemple, la substitució de generadors moguts per motors dièsel en aquells llocs on es disposi d'una llera d'aigua proper.

Aquest equip és ideal per a zones aïllades i sense xarxa elèctrica, ja ben sigui, per trobar-se en llocs poc accessibles, com és el cas de zones muntanyenques, o en sectors rurals de països en desenvolupament que encara no disposen d'energia elèctrica.

Així mateix, pot ser interessant la seva utilització per aprofitar salts d'aigua amb la finalitat de reduir el consum energètic o, inclusivament, la venda a xarxa de l'excedent produït.

1.2.2: Justificació econòmica

L'ús de bec i micro-centrals queda justificat econòmicament parlant, ja que, la inversió a realitzar és molt més reduïda en comparació de la instal·lació d'estesa elèctrica en una zona aïllada.

A més, mitjançant l'autogeneración d'energia s'estaria evitant el consum d'electricitat de la xarxa. Per tant, l'únic cost al que s'hauria de fer front és el de manteniment de la instal·lació. cal ressaltar que aquest manteniment és poc important i es redueix a la neteja de filtres en l'absorció d'aigua, gràcies a que, l'hidrogenerador amb el qual ve equipada la Micro-Central Hidràulica és trifàsic i, per tant, sense escombretes, la qual cosa redueix en gran mesurada aquesta classe de costos.

Si s'optés per la venda d'energia, la inversió realitzada es veuria recuperada en un menor termini de temps i podria, fins i tot, produir beneficis. Aquesta possibilitat pot resultar molt interessant si s'aprofita la cosina per generació d'electricitat mitjançant energies netes (a Espanya el preu de venda per quilowatt-hora hidroelèctric és de 0,082513 /kWh).

1.2.3: Justificació social

Depenent del lloc i la finalitat per la qual s'hagi instal·lat la central hidroelèctrica els beneficis socials que generarien poden ser molt variats. En llocs muntanyencs, el turisme de la zona podria veure's dinamitzat en portar fins a allí una sèrie de serveis que fins ara eren inviables al no disposar d'electricitat.

La possibilitat de portar energia elèctrica a zones rurals de països en desenvolupament tindria uns beneficis difícilment quantificables però de gran magnitud. La disponibilitat d'electricitat permetria solucionar problemes que diàriament es generen en les seves comunitats.

1.2.4: Justificació mediambiental

L'impacte mediambiental que produeix aquest tipus d'instal·lacions és poc important, sempre que, les obres de canalització d'aigua es realitzin adequadament. L'aigua derivada fins a la central no haurà de sobrepassar un percentatge sobre el total del cabal disponible, i que dependrà de cada cas en concret, amb la finalitat de no danyar l'ecosistema natural actual.

Tenint en compte aquesta recomanació, la contaminació ambiental serà pràcticament nul·la. L'aigua utilitzada per a la generació elèctrica retornarà a la seva llera sense cap canvi en la seva constitució, per la qual cosa, no limitarà el seu ús en altres aplicacions que pogués tenir.

Aquest tipus de centrals tenen una sèrie d'avantatges molt importants entre les quals caldria destacar:

• La generació d'energia es produeix prop de l'usuari, la qual cosa evita pèrdues importants en el seu trasllat, redueix el temps de resposta davant una hipotètica avaria de la instal·lació i facilita el seu manteniment.
• La seva grandària reduïda permet el transport i la instal·lació fins i tot en llocs poc accessibles.
• No contamina ni aire ni aigua, la generació és 100% neta.
• La seva instal·lació, manera d'operació i manteniment és senzill.

La manera d'operar d'aquesta micro-central elèctrica és similar al d'una hidroelèctrica de major grandària i que estem acostumats a veure en grans preses. En aquest cas, la MCH està dissenyada per aprofitar menors cabals a una àmplia varietat d'altures (entre 2 i 150m de desnivell).

El principi de funcionament consisteix a aprofitar la diferència d'energia potencial de l'aigua a dues altures, la qual cosa provoca una diferència de pressions entre el punt des d'on s'obté l'aigua i el lloc on es col·loca la central, i transformar-la en energia elèctrica a través de l'hidrogenerador (conjunt turbina-generador). Aquest hidrogenerador s'emmotllarà a les necessitats del client i a les condicions de pressió i cabal d'aigua.

En el cas de funcionament aïllat, l'equip de subministrament que incorpora la MCH transformarà l'energia trifàsica generada fins a fer-la apta per a la càrrega d'un grup de bateries auxiliars. Aquest equip, capaç de regular la càrrega de les bateries en funció de la potència demandada a cada moment, subministrarà sempre en les condicions habituals (230V-50/60Hz). Aquest sistema de bateries dotarà de més autonomia a la instal·lació en protegir-la davant possibles fallades en la generació i permetrà sobreconsumos puntuals d'energia (el client haurà de seleccionar l'autonomia necessària).

Una vegada les bateries estiguin completament carregades, tota l'energia sobrant (es produeix més de la qual es consumeix) serà dissipada en escalfadors elèctrics que proporcionaran ACS (aigua calenta sanitària), la qual, podrà ser usada fins i tot per a climatització.

Si s'opta per l'opció de funcionament amb venda d'energia, l'equip es reduiria en gran mesura i, per tant, els costos, ja que no necessitaríem disposar d'equip de bateries.

Una micro-central hidràulica amb generació mitjana de 1000 W estarà produint 8,64MWh/any podent ser ampliat amb l'addició de diferents estacions de generació fins a fer servir una comunitat d'habitatges, granges o petites indústries.

En la figura 1.1 es pot apreciar l'esquema elèctric de la MCH com a sistema aïllat. En ella es diferencia, d'una banda, l'hidrogenerador i, per una altra, el quadre de transformació i control (transformador, rectificador, controlador i inverter) i els elements auxiliars de regulació (bateries i escalfador elèctric).

En aquest capítol es detallen els elements que componen la micro-central hidràulica (MCH) i que poden ser dividits en dos grans grups clarament diferenciats. D'una banda es troba l'hidrogenerador, dispositiu de generació d'electricitat i per una altra, tots aquells que s'encarreguen de la transformació, regulació, protecció i magatzematge de l'energia que, al seu torn, estaran subdividits en dos equips, el de transformació i control i l'auxiliar.

L'hidrogenerador és l'element principal de la Micro-Central Hidràulica. És on es transforma la diferència d'energia potencial del salt d'aigua en energia elèctrica. La MCH consta de dos elements: la turbina i el generador. Tal com es pot observar en la figura 2.1 (Hidrogenerador, vista general i base) el rodete de la turbina està muntat a l'interior d'una carcassa que al seu torn serveix de base per al generador i on es realitza l'impacte del flux d'aigua a pressió contra els àleps. Aquest flux d'aigua es dirigeix per una o diversos filtres fixats a la carcassa metàl·lica i que constitueixen el final de la canonada de la instal·lació hidràulica.

A continuació es detallen cadascun dels components de l'hidrogenerador:

2.1.1: Turbina Turgo – Rodete

La funció de la turbina Turgo és fer girar l'eix del generador. Per a això es farà impactar l'aigua a pressió contra els àleps del rodete.

Es disposa de diferents models de rodetes, la qual cosa permetrà un major aprofitament energètic, ja que, es podran utilitzar salts de 2 fins a 150 metres d'altura amb cabals tan variats de 0,5 fins a 10 litres per segon amb la finalitat d'incrementar el rendiment en poder seleccionar la turbina segons les condicions d'aigua disponibles.

Els rodetes són del tipus Turgo, especialment dissenyats per a aplicacions de micro-hidràulica. S'ha optat per aquest disseny de turbina enfront de la Francis i la Pelton, els altres dos tipus de turbines que poden operar en el mateix rang de desnivells d'aigua, per les següents raons:

• Rodete amb cost de fabricació menor que una Pelton.
• No necessitat de carcassa hermètica com en el cas de la Francis.
• Té una velocitat específica més elevada i pot manejar un major flux per al mateix diàmetre que una turbina Pelton. El que comporta una reducció del cost de generador i de la instal·lació.

Els rodetes disponibles tenen les següents dimensions:

L'injector o filtre regulador de cabal està fabricat en PVC i és el final de la instal·lació que condueix l'aigua fins a l'hidrogenerador. S'acobla mitjançant una rosca femella d'1,5 polzades (3,81 centímetres) de diàmetre.

Depenent del cabal disponible es col·loquen d'una a quatre filtres amb la finalitat d'incrementar al màxim la potència proporcionada pel generador.

El cabal de sortida d'aigua vindrà determinat per la pressió (metres de salt d'aigua) i l'orifici de sortida de l'injector segons la següent taula:

2.1.3: Peu hidrogenerador

El peu de l'hidrogenerador serveix com a suport de l'alternador i, al seu torn, és la carcassa de la turbina. Té com a finalitat orientar els filtres reguladors de cabal i evitar esquitxades d'aigua. Aquesta base ha de ser ancorada a una arqueta que equipada amb un conducte de desguàs per evacuar el líquid una vegada hagi passat per la turbina.

Dissenyada en alumini, pot albergar d'una a quatre filtres i proporcionar l'orientació òptima de sortida d'aigua en direcció als àleps de la turbina. Amb la finalitat d'evitar la contaminació de l'aigua, la carcassa no té cap tipus de pintura ni ha estat tractada amb cap substància química. L'acabat superficial es realitza mitjançant granallado (xoc de partícules a propulsió).

2.1.4: Generador

El generador o alternador és l'encarregat de produir electricitat. Transforma l'energia mecànica de l'eix, que està sent mogut per la turbina, en energia elèctrica. El gir del rotor del generador crea un camp magnètic que indueix unes tensions en borns de l'estator. Aquesta diferència de tensions produeix un corrent altern i, per tant, electricitat. Els borns estaran connectats en estel (connexió ‘I’), com a norma general, amb el propòsit de mitigar el màxim possible les pèrdues en els conductors que uneixen el generador amb l'equip de transformació.

Es disposa de diversos tipus de generadors que seran seleccionats d'acord amb la turbina per optimitzar el salt d'aigua i poder obtenir la major potència possible segons el desnivell i cabal disponibles. Podrem obtenir entre 300 i 2000 W amb un sol hidrogenerador podent-se ampliar el nombre de centrals mentre es disposi de suficient cabal per proveir-les.

Les diferents variants del generador, per treballar el més proper possible al punt nominal (rendiment màxim), s'aconsegueixen modificant el nombre de rotors d'imants i la seva grandària, així com, el bobinatge estatórico per emmotllar-se al nombre de revolucions que es puguin obtenir mitjançant la turbina.

L'equip de transformació i control de l'electricitat generada està format pels aparells que estabilitzen el funcionament de la instal·lació i subministren l'electricitat en les condicions habituals de consum, 230 V i 50 Hz (60 Hz per al cas de Nord Amèrica).

• El procés que sofreix l'electricitat fins a ser apta per al consum és el següent:
• El generador proporciona corrent altern trifàsic (A. de C.) que és transformada a 20-24 V mitjançant un transformador.
• A continuació es rectifica entre 24 i 28 V en corrent continu (D. de C.) mitjançant un pont de díodes o rectificador.
• Un controlador dirigeix l'energia sobrant (quan es produeix més del que es consumeix) a unes bateries o, en el cas que estiguin completament carregades, a un escalfador d'aigua o unes resistències reguladores.
• Un ondulador transforma el corrent continu (24 V, D. de C.) a corrent altern a (230 V, 50-60 Hz).

Mitjançant aquest sistema, la instal·lació s'autorregula. L'usuari haurà de seleccionar l'autonomia requerida que defineix la grandària i la capacitat de les bateries. A major capacitat de les bateries es disposarà de major autonomia en cas d'avaria i permetrà períodes més duradors de demanda puntual.

El transformador, com el seu nom indica, és l'encarregat de transformar el corrent altern trifàsic provinent del generador (aproximadament a 210 V si està connectat en estel i 121 V si la connexió és en triangle) a 20-24 V que s'obtindran en el debanament secundari de l'aparell. Aquesta transformació és necessària per subministrar al rectificador en les condicions adequades de tensió. El transformador està especialment dissenyat per a aquesta aplicació ja que incorpora tres grups de borns de connexió en el debanament primari per acabar de calibrar la instal·lació i augmentar el rendiment global del sistema.

2.2.2: Rectificador

El rectificador o pont de díodes transforma el corrent altern provinent del secundari del transformador a corrent continu entre 24 i 28 V. La rectificació és imprescindible per a l'alimentació de les bateries que només poden operar en corrent continu.

2.2.3: Controlador

Com s'ha comentat anteriorment, el controlador dirigeix l'energia sobrant (quan es produeix més del que es consumeix) a unes bateries o, en el cas que estiguin completament carregades, a un escalfador d'aigua o unes resistències reguladores.

A més, el dispositiu té la missió de regular l'estat de tensió en el punt d'entrada a les bateries. Aquest nivell de tensió es podrà conèixer a través del voltímetre col·locat en la porta de l'armari en el qual va instal·lat el controlador. El controlador estarà calibrat a 29 V amb la finalitat de no danyar els acumuladors. A través del voltatge es coneixerà l'estat de càrrega de les bateries.

El controlador té tres etapes de funcionament. La primera d'elles, quan les bateries estan baixes de càrrega. Aquesta és l'etapa de càrrega a tensió màxima i consisteix a anar augmentant progressivament el nivell de tensió en borns dels acumuladors. En aquesta etapa, el LED del controlador parpelleja d'una a quatre vegades abans de realitzar una pausa. Més parpellejos indiquen major proximitat a l'etapa d'absorció. El següent estat, quan el LED fa cinc centelleigs, és l'etapa d'absorció i indica que s'ha aconseguit el nivell de tensió màxima de càrrega, denominat ‘bulk’, i el corrent disminuirà gradualment a mesura que s'arribi a la capacitat total de la bateria. Finalment, una vegada s'ha completat la càrrega dels acumuladors, el controlador entra en l'estat flotant (el LED estarà encès fix) i les bateries només absorbiran el mínim de corrent necessari per mantenir-se en el mateix estat de càrrega completa, derivant tot el corrent d'excés a l'escalfador d'aigua o a les resistències reguladores.

2.2.4: Inverter/Ondulador

L'inverter o ondulador és l'aparell que realitza l'última transformació de la tensió (D. de C. entre 24 i 28 V) proporcionant corrent alterna (A. de C. 230 V, 50-60 Hz), depenent del model i el lloc de consum.

Després d'aquesta transformació ja es disposarà d'electricitat en les condicions habituals podent fer servir tota classe d'aparells elèctrics domèstics i il·luminació.

2.2.5: Quadre elèctric

El cablejat, el transformador, el rectificador i el controlador estan integrats en un armari o quadre elèctric, equipat amb voltímetre i amperímetre, que és subministrat amb la micro-central hidràulica.

Disposa de fusibles per a una protecció total dels aparells de la instal·lació i d'interruptors a l'entrada del quadre, provinent del generador, i a la sortida, a consum.

El voltímetre indica la tensió en borns de la bateria, mentre que, l'amperímetre fa referència a la intensitat total generada en corrent continu.

L'equip auxiliar està format pels elements que s'encarreguen d'emmagatzemar o dissipar l'energia que no està sent consumida en el moment de la seva generació. Serà prescindible en el cas d'optar per la venda de l'excedent d'energia.

A més, en aquest grup s'ha inclòs la presa de terra, element fonamental per mantenir la seguretat de la instal·lació.

2.3.1: Bateries

Les bateries o acumuladors són elements de magatzematge d'energia que doten d'autonomia a la instal·lació protegint-la davant una possible fallada de subministrament d'aigua o avaria en el sistema.

També entraran en funcionament quan l'usuari requereixi més potència de la qual és capaç de subministrar l'hidrogenerador. Aquest estat de sobreconsumo només es podrà mantenir durant un període limitat de temps que dependrà de la capacitat de les bateries.

La grandària d'aquestes bateries pot ser seleccionat per l'usuari depenent de l'autonomia requerida.

2.3.2: Resistències reguladores/Escalfador d'aigua

Les resistències reguladores són un element fonamental per a la correcta autorregulació de la instal·lació i s'activaran en el moment en el qual el controlador estigui en fase flotant i comenci a derivar corrent cap a elles.

El seu funcionament es limita a dissipar l'energia que no estem consumint i que no pot ser emmagatzemada en les bateries perquè estan completament carregades. Amb la finalitat de no desaprofitar aquesta energia que el generador ens proporciona constantment, es podrà col·locar un escalfador d'aigua on unes resistències submergibles siguin les encarregades de transferir-la, en forma de calor, a l'aigua. Així, d'aquesta manera tan senzill, obtindrem aigua calenta sanitària que podrà ser usada per a consum o per a climatització.

2.3.3: Presa de terra

Per mantenir la seguretat de la instal·lació i la de tots els usuaris s'haurà de disposar d'una presa de terra.

La taula de potències en funció del cabal i la pressió disponibles és orientativa i dependrà de cada instal·lació en particular.

Estem ampliant el rang de valors de cabal i pressió per poder generar electricitat en molt diverses condicions.