Generación de electricidad mediante turbogeneradores anfibios en sistemas de abastecimiento de agua: una alternativa a las válvulas reductoras de presión (PRV)

En los sistemas tradicionales de suministro de agua, las válvulas reductoras de presión (PRV) se utilizan para regular la presión en las redes de distribución, disipando la energía sobrante sin utilizarla. Sustituir estas válvulas por Turbogeneradores Anfibios (TGA) ofrece una solución innovadora al convertir esta energía desperdiciada en electricidad. Además de ser sostenible, la tecnología desarrollada por HIGRA ofrece flexibilidad de instalación y automatización en el control de la presión, lo que la convierte en una alternativa eficiente y eficaz.

Tecnología del Turbogenerador Anfibio (TGA)

Los Turbogeneradores Anfibios (TGA) desarrollados y patentados por HIGRA (figura 1) son dispositivos integrados de generación de energía que combinan una turbina y un generador sumergido exento de aceite, capaces de funcionar en distintas condiciones de flujo de agua. Concebidos para sustituir a los VRP en los sistemas de abastecimiento de agua y saltos de agua, los TGA se diseñan utilizando herramientas de simulación de dinámica de fluidos (CFD) para optimizar su geometría y maximizar el rendimiento. La turbina se dimensiona en función de las características operativas de cada aplicación, garantizando un alto rendimiento en la conversión de energía potencial en energía eléctrica.

El generador eléctrico sumergido es de tipo húmedo y cumple la norma internacional NSF/ANSI 61 de compatibilidad para funcionar con agua potable, y utiliza el fluido que pasa por la propia máquina para refrigerar el equipo. Este diseño integrado proporciona un rendimiento monobloque robusto y ofrece las condiciones ideales para un funcionamiento continuo y seguro, con muy poco mantenimiento, gran durabilidad y bajos niveles de ruido.

El funcionamiento se basa en una turbina, que es accionada por el flujo de agua a una determinada presión aguas arriba. Esta turbina, conectada a un generador, convierte la energía mecánica en energía eléctrica. La energía generada puede utilizarse para alimentar los propios sistemas de bombeo y tratamiento del agua, reduciendo el consumo de energía de la red eléctrica. Si la energía generada es superior al consumo de la unidad, puede inyectarse en la red, generando créditos energéticos como parte de la modalidad de generación distribuida.

Figura 1 – Turbogenerador anfibio con sección transversal parcial para mostrar cómo el flujo de agua atraviesa la máquina intercambiando calor, pasa por el distribuidor y llega a la turbina hidráulica.

Sistema eléctrico y automatización

El sistema de generación de energía con el turbogenerador en el área de saneamiento también está compuesto por un variador de frecuencia regenerativo de baja tensión (220Vac, 380Vac, 440Vac u otro), que se encarga de variar la rotación del equipo, permitiendo el control de la presión y garantizando la calidad de la energía generada que se inyecta en el circuito donde está conectado.

La solución cuenta con una automatización que centraliza todas las variables que intervienen en el sistema, que se utilizan en diversos puntos y son esenciales para el control. A su vez, el control desarrollado para mantener constante la presión en la red de distribución de agua utiliza principalmente la variable de presión de la red, así como otras variables auxiliares para el correcto funcionamiento del turbogenerador.

El control de la presión en la red de distribución se basa en la pérdida de carga generada por el turbogenerador, que está diseñado y dimensionado para el punto de trabajo con un determinado rango de funcionamiento. Como el caudal de agua de la red de abastecimiento varía en función del consumo, el sistema de control hace que el turbogenerador varíe su velocidad para ajustar y buscar la presión deseada, que puede ser un valor de consigna fijo o depender de la elección del operador si es necesario.

Una de las preocupaciones en las redes de distribución de agua son los transitorios hidráulicos, por eso se utiliza el control PID en la automatización del turbogenerador para evitar cambios bruscos de funcionamiento y garantizar la estabilidad hidráulica.

Ventajas de la aplicación

Sustituir los VRP por Turbogeneradores Anfibios ofrece una serie de ventajas técnicas y medioambientales, como:

• Generación de energía limpia: La energía que antes se disipaba en forma de calor en las válvulas reductoras de presión se recupera y se convierte en electricidad.
• Reducción de los costes de funcionamiento: La energía generada puede utilizarse para alimentar las operaciones del sistema de suministro de agua, reduciendo la dependencia de fuentes de energía externas.
• Sostenibilidad: La implantación de esta tecnología contribuye a reducir las emisiones de_CO2, ya que la energía se genera de forma limpia y sin emisión de gases contaminantes.
• Facilidad de integración: los turbogeneradores pueden instalarse en los sistemas de tuberías existentes, aprovechando la infraestructura actual sin necesidad de grandes reformas.
• Reducción de costes: La electricidad generada puede ser utilizada directamente por el sistema de suministro o, si la energía generada es superior al consumo de la unidad, puede inyectarse en la red eléctrica generando créditos energéticos, reduciendo los costes de funcionamiento.
• Versatilidad: Las TGA pueden instalarse en diversas configuraciones, tanto en zonas sumergidas como no sumergidas, y en distintos tipos de sistemas hidráulicos, como redes de distribución de agua y aliviaderos de presas.
• Automatización y control remoto: El sistema ofrece un control automatizado de la presión de distribución, con funcionamiento remoto, que mejora la eficacia operativa.

Caso práctico: Sustitución de VRP en una tubería DN800

Un estudio de caso real, en SABESP y dentro de la ciudad de São Paulo, demuestra la aplicación de un AGT para sustituir dos válvulas reductoras de presión (VRP) en una tubería de 800 mm (DN800) de diámetro, controlando la presión de distribución de agua en un sistema de abastecimiento. Los datos operativos incluyen:

• Presión de entrada: de 40 a 50 metros de columna de agua (mca).
• Presión necesaria para la distribución: entre 24 y 26 mca.
• Caudal medio diurno: 450 litros por segundo (l/s), con un suministro diario de aproximadamente 16 horas (de 5 a 21 h).
• Potencia hidráulica disponible: entre 65 y 110 kW.
• Potencia de generación prevista: de 40 a 75 kWh.

El gráfico 1 muestra los datos de funcionamiento de un día de funcionamiento típico, ilustrando el comportamiento de la presión de la red de distribución según el valor de control y la generación de energía.

Gráfico 1 – Control de la presión de la red de distribución, que muestra la presión de suministro, la presión de la red, el valor de control y la generación de energía.

Figura 2 – Casa de control de presión que muestra las dos líneas de distribución de agua que utilizan válvulas reductoras de presión.

Los resultados obtenidos tras 26 meses de funcionamiento fueron los siguientes:

• Control automatizado de la presión: El sistema funcionó eficazmente, sustituyendo por completo la funcionalidad de dos VRP y manteniendo una presión de distribución adecuada.
• Utilización de la energía: La AGT aprovechó la energía hidráulica disponible, generando una media de 50 kWh, con picos de hasta 72 kWh en periodos de gran demanda.
• Eficiencia energética: El rendimiento fue del 79% de la energía disponible convertida en electricidad útil.
• Generación acumulada: Durante el periodo de funcionamiento, el sistema generó 612.730 kWh.
• Ruido: El funcionamiento fue silencioso, cumpliendo las normas locales para zonas residenciales, con emisiones de ruido inferiores a 50 dB.
• Redundancia operativa: El sistema tiene un dispositivo de reserva (duplicado), que garantiza la continuidad del funcionamiento en caso de fallo.

Figura 3 – Instalación de la UCHA (Central de Hidrogeneración Anfibia Compacta) en serie y aguas arriba de las VRP.

Consideraciones finales

Los Turbogeneradores Anfibios son una solución viable y eficaz para sustituir a las válvulas reductoras de presión en los sistemas de abastecimiento de agua, con claras ventajas en términos de generación de energía, sostenibilidad y automatización. La tecnología, desarrollada por HIGRA, ha demostrado un alto rendimiento en aplicaciones prácticas, como se ve en el caso práctico presentado. Con un rendimiento del 79% de la energía generada sobre la energía potencial disponible y la posibilidad de automatizar completamente el control de la presión, la TGA se perfila como una alternativa prometedora para el futuro de las energías renovables en los sistemas hidráulicos.

A pesar de sus ventajas, la implantación de los turbogeneradores anfibios presenta algunos retos. La principal barrera está relacionada con el coste inicial de la instalación y la necesidad de un estudio detallado para determinar la viabilidad técnica de cada sistema, ya que la cantidad de energía generada depende de las características del flujo de agua, como el caudal y la presión, que pueden variar a lo largo del día y con la estacionalidad del suministro de agua.

Además, la rentabilidad económica de esta tecnología está directamente relacionada con la cantidad de energía que puede recuperarse y con la existencia de incentivos económicos y normativos para adoptar tecnologías limpias.

Autores:

Greco Tusset de Moura – Ingeniero de Producción Mecánica y Director Técnico de HIGRA

Gustavo Fischborn Pohren – Ingeniero Eléctrico y Director Técnico de HIGRA