Microhidro

La microhidroeléctrica es un tipo de energía hidroeléctrica que normalmente produce de 5  kW a 100  kW de electricidad utilizando el flujo natural del agua. Las instalaciones por debajo de 5  kW se denominan picohidroeléctricas . ^{[ 1 ]} Estas instalaciones pueden proporcionar energía a una vivienda aislada o a una pequeña comunidad, o a veces se conectan a redes eléctricas, especialmente donde se ofrece la medición neta . Hay muchas de estas instalaciones en todo el mundo, particularmente en países en desarrollo, ya que pueden proporcionar una fuente de energía económica sin la compra de combustible. ^{[ 2 ]} Los sistemas microhidroeléctricos complementan los sistemas de energía solar fotovoltaica porque en muchas áreas el flujo de agua, y por lo tanto la energía hidroeléctrica disponible, es mayor en invierno, cuando la energía solar es mínima. La microhidroeléctrica se implementa frecuentemente con una turbina Pelton para el suministro de agua de gran altura y bajo caudal. La instalación suele ser simplemente un pequeño estanque represado , en la parte superior de una cascada, con varios cientos de pies de tubería que conducen a una pequeña carcasa del generador. En sitios de baja altura, generalmente se utilizan ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes .

Los detalles constructivos de una planta microhidroeléctrica son específicos del sitio. A veces se dispone de un estanque de molino u otro embalse artificial existente que puede adaptarse para la producción de energía. En general, los sistemas microhidroeléctricos se componen de varios elementos. ^{[ 3 ]} Los más importantes incluyen la toma de agua, donde se desvía el agua del arroyo, río o cascada natural. Se requiere una estructura de toma, como una caja de retención, para filtrar los desechos flotantes y los peces, utilizando una rejilla o un conjunto de barras para impedir el paso de objetos grandes. En climas templados, esta estructura también debe ser resistente al hielo. La toma de agua puede tener una compuerta para permitir el vaciado del sistema para inspección y mantenimiento.

La toma de agua se conduce a través de un canal y luego a un embalse. El embalse se utiliza para retener sedimentos. En la parte inferior del sistema, el agua se canaliza mediante un túnel ( tubería forzada ) hasta la central eléctrica que contiene una turbina . La tubería forzada genera presión debido al agua que ha descendido. En zonas montañosas, el acceso al trazado de la tubería forzada puede presentar dificultades considerables. Si la fuente de agua y la turbina están muy separadas, la construcción de la tubería forzada puede representar la mayor parte de los costos de construcción. En la turbina, se instala una válvula de control para regular el caudal y la velocidad de la turbina. La turbina convierte el caudal y la presión del agua en energía mecánica; el agua que sale de la turbina regresa al curso natural del agua a través de un canal de descarga. La turbina hace girar un generador , que luego se conecta a las cargas eléctricas ; esto puede conectarse directamente al sistema eléctrico de un solo edificio en instalaciones muy pequeñas, o puede conectarse a un sistema de distribución comunitario para varias viviendas o edificios. ^{[ 3 ]}

Por lo general, las instalaciones microhidroeléctricas no cuentan con una presa ni un embalse, como sí lo tienen las grandes centrales hidroeléctricas , y dependen de un caudal mínimo de agua disponible durante todo el año.

Los sistemas microhidroeléctricos se suelen instalar en zonas capaces de producir hasta 100 kilovatios de electricidad. ^{[ 4 ]} Esto puede alimentar una vivienda o un pequeño negocio. Este rango de producción se calcula en términos de "altura" y "caudal". Cuanto mayores sean estos valores, mayor será la potencia disponible. La altura hidráulica es la medida de presión del agua que cae en una tubería, expresada como una función de la distancia vertical que recorre el agua. ^{[ 4 ]} Este cambio de elevación se suele medir en pies o metros. Se requiere una caída de al menos 2 pies (0,61 m) o el sistema podría no ser viable. ^{[ 5 ]} Al cuantificar la altura, se deben considerar tanto la altura bruta como la neta. ^{[ 5 ]} La altura bruta se aproxima a la disponibilidad de energía mediante la medición de la distancia vertical únicamente, mientras que la altura neta resta la presión perdida por fricción en las tuberías de la altura bruta. ^{[ 5 ]} El "caudal" es la cantidad real de agua que cae desde un lugar y se suele medir en galones por minuto, pies cúbicos por segundo o litros por segundo. ^{[ 6 ]} Las instalaciones de bajo caudal y alta presión en terrenos escarpados tienen costos de tubería significativos. Una tubería forzada larga comienza con tubería de baja presión en la parte superior y progresivamente con tubería de mayor presión a medida que se acerca a la turbina para reducir los costos de tubería. 

La potencia disponible, en kilovatios, de dicho sistema se puede calcular mediante la ecuación P=Q*H/k, donde Q es el caudal en galones por minuto, H es la altura estática y k es una constante de 5310 gal*ft/min*kW. ^{[ 7 ]} Por ejemplo, para un sistema con un caudal de 500 galones por minuto y una altura estática de 60 pies, la potencia máxima teórica es de 5,65  kW. El sistema no alcanza una eficiencia del 100 % (es decir, no obtiene los 5,65  kW) debido a factores reales como la eficiencia de la turbina, la fricción en la tubería y la conversión de energía potencial a cinética. La eficiencia de la turbina suele estar entre el 50 % y el 80 %, y la fricción en la tubería se tiene en cuenta mediante la ecuación de Hazen-Williams . ^{[ 8 ]}

Normalmente, un controlador automático opera la válvula de entrada de la turbina para mantener una velocidad (y frecuencia) constante cuando la carga del generador varía. En un sistema conectado a una red con múltiples fuentes, el control de la turbina garantiza que la energía fluya siempre desde el generador hacia el sistema. La frecuencia de la corriente alterna generada debe coincidir con la frecuencia estándar de la red eléctrica local . En algunos sistemas, si la carga útil del generador no es lo suficientemente alta, se puede conectar automáticamente un banco de carga al generador para disipar la energía no requerida por la carga; si bien esto supone un desperdicio de energía, puede ser necesario si no es posible controlar el flujo de agua a través de la turbina.

Un generador de inducción siempre funciona a la frecuencia de la red, independientemente de su velocidad de rotación; lo único necesario es asegurar que la turbina lo impulse a una velocidad superior a la síncrona para que genere energía en lugar de consumirla. Otros tipos de generadores pueden utilizar sistemas de control de velocidad para la sincronización de frecuencias.

Gracias a la disponibilidad de electrónica de potencia moderna, a menudo resulta más sencillo operar el generador a una frecuencia arbitraria y alimentar su salida a través de un inversor que la genera a la frecuencia de la red. La electrónica de potencia permite ahora estabilizar el uso de alternadores de imanes permanentes que producen corriente alterna inestable. Este enfoque permite que las turbinas hidráulicas de baja velocidad y baja altura de caída sean competitivas; pueden funcionar a la velocidad óptima para la extracción de energía, y la frecuencia de la red se controla mediante la electrónica en lugar del generador.

Las instalaciones muy pequeñas ( picohidroeléctricas ), de unos pocos kilovatios o menos, pueden generar corriente continua y cargar baterías para los momentos de mayor consumo.

En las instalaciones microhidroeléctricas se pueden utilizar varios tipos de turbinas hidráulicas , cuya selección depende de la altura del agua, el volumen de caudal y factores como la disponibilidad de mantenimiento local y el transporte del equipo al emplazamiento. En regiones montañosas con cascadas de 50 metros o más, se puede utilizar una turbina Pelton . Para instalaciones de baja altura, se emplean turbinas Francis o de hélice . En instalaciones de muy baja altura, de tan solo unos pocos metros, se pueden utilizar turbinas de hélice en foso, o ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes. Las pequeñas instalaciones microhidroeléctricas pueden utilizar con éxito bombas centrífugas industriales, funcionando en sentido inverso como motores primarios; si bien su eficiencia puede no ser tan alta como la de una turbina diseñada específicamente para este fin, su coste relativamente bajo hace que los proyectos sean económicamente viables.

En instalaciones de baja altura, los costos de mantenimiento y de los mecanismos pueden ser relativamente altos. Un sistema de baja altura mueve mayores cantidades de agua y es más propenso a encontrar residuos en la superficie. Por esta razón, la turbina Banki, también llamada turbina Ossberger , una rueda hidráulica de flujo cruzado autolimpiante y presurizada, suele ser la preferida para sistemas microhidroeléctricos de baja altura. Si bien es menos eficiente, su estructura más simple resulta menos costosa que otras turbinas de baja altura de la misma capacidad. Dado que el agua entra y sale de ella, se autolimpia y es menos propensa a obstruirse con residuos.

• Turbina de tornillo (tornillo de Arquímedes inverso): dos centrales hidroeléctricas de baja altura en Inglaterra, Settle Hydro y Torrs Hydro, utilizan un tornillo de Arquímedes, otro diseño tolerante a los residuos. Eficiencia del 85 %.
• Gorlov : la turbina helicoidal de Gorlov, flujo libre o flujo restringido con o sin presa, ^{[ 9 ]}
• Turbinas Francis y de hélice. ^{[ 10 ]}
• Turbina Kaplan : Es una turbina de hélice de alto caudal y baja altura de caída. Una alternativa a la turbina Kaplan tradicional es una turbina VLH de gran diámetro, baja velocidad de giro, imán permanente y flujo abierto inclinado, con eficiencias del 90 %. ^{[ 11 ]}
• Rueda hidráulica : las ruedas hidráulicas avanzadas y las turbinas de reacción hidráulicas de partes de rueda pueden tener eficiencias hidráulicas del 67 % y del 85 %, respectivamente. La eficiencia máxima de la rueda hidráulica de sobrecorriente (eficiencia hidráulica) es del 85 %. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las ruedas hidráulicas de subcorriente pueden operar con una altura de caída muy baja, pero también tienen eficiencias inferiores al 30 %. ^{[ 14 ]}
• Central hidroeléctrica de vórtice gravitacional : parte del caudal del río, en una presa o cascada natural, se desvía hacia una balsa circular con una salida central en el fondo que crea un vórtice. Un rotor simple (y un generador conectado) se mueve gracias a la energía cinética. Eficiencias del 83 % al 64 % con un caudal de 1/3.

Los sistemas microhidroeléctricos son muy flexibles y pueden implementarse en diversos entornos. Su funcionamiento depende del caudal de la fuente (arroyo, río, riachuelo) y de la velocidad del flujo de agua. La energía puede almacenarse en bancos de baterías en lugares alejados de la central o utilizarse como complemento de un sistema conectado directamente, de modo que en momentos de alta demanda se disponga de energía de reserva adicional. Estos sistemas pueden diseñarse para minimizar el impacto ambiental y comunitario que suelen causar las grandes represas u otras centrales hidroeléctricas de gran envergadura. ^{[ 15 ]}

El coste de una planta microhidroeléctrica puede oscilar entre 1.000 y 5.000 dólares estadounidenses por kW instalado.

• Pequeñas centrales hidroeléctricas de hasta 10.000  kW
• Pico-hidroeléctrica de hasta 5  kW
• Energía hidroeléctrica
• energía renovable
• Energía sostenible
• Ruedas hidráulicas
• Energía de vórtice
• energía del vórtice gravitacional del agua

• Portal sobre energía microhidroeléctrica
• SMART – Estrategias para promover la producción de energía hidroeléctrica a pequeña escala en Europa (proyecto financiado por la Comisión Europea, en el que participan Italia, Croacia, Noruega, Grecia y Austria).
• Información sobre microhidro , solicitud para el rancho Dorado Vista
• Asociación Europea de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas
• Asociación de Microhidroeléctricas del Reino Unido
• Explorador de energía hidroeléctrica , Laboratorio Nacional de Ingeniería de Idaho
• Ganadores de los premios Ashden de energía hidroeléctrica
• Ejemplo de un nuevo sistema microhidroeléctrico de las Tierras Altas escocesas.
• Proyecto microhidroeléctrico de construcción casera
• Microhidroeléctrica en Afganistán con planos de los equipos.