Análisis y evaluación del uso de turbinas para la recuperación de energía en redes hidráulicas a presión

• Autores: Ángel Mariano Rodríguez Pérez
• Directores de la Tesis: Inmaculada Pulido Calvo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Número de páginas: 154
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Roldán Cañas (presid.), Aguasanta Miguel Sarmiento (secret.), L. Pérez Urrestarazu (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Industrial y Ambiental por la Universidad de Huelva
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología e ingeniería mecánicas
      • Maquinaria hidráulica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
• Resumen
  • español

    Esta tesis tiene como objetivo evaluar la posibilidad de utilizar la energía hidráulica no aprovechada en sistemas urbanos de distribución de agua. Para ello, se ha estudiado y evaluado la viabilidad y las posibles alternativas de instalar turbinas convencionales y/o bombas que funcionen como turbinas (Pumps as Turbines, PATs) en la cabecera de las redes hidráulicas a presión en tres localidades de la provincia de Huelva. La Puebla de Guzmán, Cañaveral de León y Aracena (Andalucía, suroeste de España). Se han realizado análisis de sensibilidad para la selección de las mejores alternativas considerando las siguientes etapas: (a) Estudio de la viabilidad y eficiencia de la instalación de turbinas y/o PATs en las redes hidráulicas; (b) Determinación de la capacidad hidráulica requerida de las turbinas y/o PATs; (c) Caracterización y evaluación de los puntos óptimos para la instalación en las redes hidráulicas en estudio; y (d) Valoración hidráulica y económica de la posible generación de energía eléctrica. La evaluación de la cantidad recuperable de energía hidráulica en los sistemas de distribución de agua requiere de la aplicación de la ecuación de conservación de energía, considerando la ecuación de Darcy-Weisbach para el cálculo de las pérdidas de carga. Un diagrama de altura de energía-caudal con diferentes rangos de trabajo de turbinas y PATs comerciales se ha elaborado para la selección de la máquina hidráulica adecuada. Los resultados obtenidos en la red hidráulica de Aracena muestran que la mejor solución sería la instalación de una turbina BANKI de 2 kW, que podría generar una energía anual aproximada de 17,52 MWh/año. En el sistema de abastecimiento de agua de Cañaveral de León, se propone colocar, una turbina BANKI de 0,75 kW con una posible generación de energía de 6,57 MWh/año. En el caso de La Puebla de Guzmán, los resultados muestran diferentes posibles ubicaciones de instalación de una turbina Francis, que podría llegar a generar una energía de 280 MWh/año. Por otra parte, se ha diseñado y desarrollado un programa de ordenador, utilizando el lenguaje JAVA, que integra la metodología desarrollada y permite poder calcular de forma automática el tipo y la capacidad hidráulica de las turbinas y/o PATs que podrían instalarse considerando los condicionantes y las restricciones hidráulicas de un sistema de distribución de agua específico. Además, esta aplicación proporciona cuánta energía anual se podría recuperar de la red hidráulica a presión. Para dicho cálculo el programa tiene en cuenta las horas diarias de funcionamiento de la turbina y/o PATs que se pretende colocar. El programa permite dos opciones de cálculo. Para la primera opción, y más sencilla, solo es necesario introducir como variables de entrada el caudal y la altura neta disponibles, así como las horas previstas de funcionamiento de la máquina hidráulica. La segunda opción se debe utilizar cuando no se conoce la altura neta disponible de energía en la red hidráulica. En este caso, el programa calcula las pérdidas de carga para calcular, a partir de la altura bruta de energía disponible, la altura neta. En este caso, las variables de entrada al programa son: el caudal, la altura bruta de energía y las características de las conducciones (diámetro, longitud y material).

  • English

    This thesis aims to evaluate the possibility of using unused hydraulic energy in urban water distribution systems, and reusing energy in urban water distribution systems. For this purpose, the feasibility and possible alternatives of installing conventional turbines and / or pumps that function as turbines (PATs = Pumps as Turbines) at the head of pressure hydraulic networks in three locations in the province of Huelva have been studied and evaluated. These are La Puebla de Guzmán, Cañaveral de León and Aracena (Andalusia, southwestern Spain). Sensitivity analises have been carried out in order to select the best alternatives taking the following stages into account: (a) Study of the viability and efficiency of the installation of turbines and / or PATs in hydraulic networks; (b) Determination of the required hydraulic capacity of the turbines and / or PATs; (c) Characterization and evaluation of the optimal points for installation in the hydraulic networks under study; and (d) Hydraulic and economic evaluation of the possible generation of electrical energy. The evaluation of the recoverable amount of hydraulic energy in water distribution systems requires the application of the energy conservation equation, taking into account the Darcy-Weisbach equation for the calculation of head losses. An energy flow head diagram with different working ranges of turbines and commercial PATs has been prepared for the selection of the suitable hydraulic machine. The results obtained in the Aracena hydraulic network show that the best solution would be the installation of a 2 kW BANKI turbine that could generate an approximate annual energy of 17.52 MWh/year. In the Cañaveral de León water supply system, it is proposed to install a 0.75 kW BANKI turbine with a possible power generation of 6.57 MWh/year. In the case of La Puebla de Guzmán, the results show different possible installation locations for a Francis turbine, which could generate energy of 280 MWh/year. On the other hand, a computer program has been designed and developed, using the JAVA language, which integrates the methodology developed and allows us to automatically calculate the type and hydraulic capacity of the turbines and/or PATs that could be installed considering the conditions and hydraulic restrictions of a specific water distribution system. In addition, this application provides how much annual energy could be recovered from the hydraulic network under pressure. For this calculation, the program takes into account the daily operating hours of the turbine and/or PATs to be installed. The program allows two calculation options. For the first and simpler option, it is only necessary to enter the flow rate and the net head available as input variables, in addition to the expected hours of operation of the hydraulic machine. The second option should be used when the net available head of energy in the hydraulic network is not known. In this case, the program calculates the head losses to calculate, from the gross head of available energy, the net head. In this case, the input variables to the program are: the flow, the gross head of energy and the characteristics of the pipes (diameter, length and material).