DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (SEGUNDA PARTE – AGITACIÓN Y CALEFACCIÓN)

La plantas de biogas pueden estar o no sumergidas en el suelo (donde la temperatura, como se indicó es mayor a la del aire y no varía tan drásticamente, dependiendo de la región y de la profundidad). Pero en ámbos casos es posible “optimizar” el proceso de obtención de metano en sus respectivos biodigestores. Para ello es que se añaden dos ingredientes muy importantes: la AGITACIÓN y la CALEFACCIÓN.
El primero permitirá “uniformar” la densidad bacteriana en el sustrato favoreciendo positivamente su acción, evitará la formación tanto de costras al interior del biodigestor como de “espacios muertos” sin actividad biológica. El segundo contrarrestará el efecto de las variaciones bruscas de temperatura que inhiban la acción bacteriana, problema crónico en las plantas artesanales cuyos diseños circulan libremente en el ciberespacio.
En el caso de los biodigestores que están sobre la superficie del suelo, como los industriales, esta necesidad se hace más fuerte. La figuras siguientes nos muestran las 3 disposiciones básicas de dichos biodigestores, teniendo en cuenta los sistemas agitadores y calentadores, según su volumen:.

AGITACIÓN:
La agitación puede realizarse mediante "rodetes" o también por inyección de aire comprimido o recirculación del biogas (que producen burbujas en el sustrato), pero estas dos últimas alternativas tienen la desventaja, además del mayor costo, de elevar considerablemente la presión interna de la cámara digestora, obligándonos a un diseño más meticuloso de la misma.

Esto puede resultar práctico, pero es más peligroso

En el caso de los "rodetes", independientemente del tipo de biodigestor, no se considera importante la velocidad con la cual deben operar los agitadores, puede trabajarse con un elevado rpm (superior a 1000), no obstante debe tenerse presente que muy altas velocidades pueden influir negativamente en la actividad biológica al interior del biodigestor. El “Manual de Producción de biogas” del Ing. Jorge Hilbert, refiriéndose a este punto cita lo siguiente: “En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas”.
Ya hemos discutido los criterios de diseño de agitadores el año pasado, por lo que sólo nos centraremos en especificaciones. En lo que sí hay consenso en la mayoría de documentos revisados por mí, es en el tipo de agitador recomendado: AGITADORES DE HÉLICE, de los cuales, los pequeños (menos de 1m de diámetro) giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; mientras que los mayores (más de 1m de diámetro) giran de 400 a 800 rpm.
La figurita de abajo nos muestra la disposición básica que debe tener un sistema de agitación en tanques para líquidos viscosos. Las placas deflectoras (baffles) se hacen innecesarias si se trabaja a régimen turbulento (alto número de Reynolds), dado que pueden resultar contraproducentes. Obsérvese la relación de diámetros agitador / diámetro de tanque : d / D. Podemos asumir con bastante comodidad una relación d / D = 0,4 ó 0,5.
Una vez conocido el diámetro que debe tener nuestro agitador y las RPM, determinaremos la potencia motriz requerida por el agitador.

Calculando previamente el número de Reynolds por medio de la expresión siguiente (exclusiva para recipientes con agitador):

La viscosidad μ y la densidad ρ, deben ser determinados experimentalmente, pero con fines prácticos podemos utlizar una viscosidad promedio 1 cPaS y densidad 1000 kg por metro cúbico (datos del agua).
Con el número de Reynolds y el tipo de agitador en mente, entraremos a la curva siguiente, que nos brindará el número de potencia Np (También está disponible en FACEBOOK si no está muy visible aquí).

Y luego calculamos la potencia requerida o de servicio P(servicio)(en watts) a régimen turbulento:
Pero como la potencia de arranque de los motores suele ser mayor, especificaremos que:

P(arranque) = 2,5 x P (de servicio)

El tiempo de funcionamiento del agitador (en minutos) lo determinamos ayudándonos con el número de Reynolds y la siguiente curva (N es el rpm del agitador)

Sin embargo el tiempo debe considerarse con cada nuevo ingreso de sustrato al biodigestor.

CALEFACCIÓN:

En la temperatura es importante conocer no solamente las variaciones que se producen durante las épocas del año y el rango dentro del cual “operan” los diferentes tipos de bacterias presentes en el proceso, ver tabla:
El calor necesario para mantener la temperatura en un márgen aceptable se puede calcular mediante la siguiente expresión:

El calor específico Cp es función del tipo de biomasa, pero con fines prácticos puede asumirse un promedio (Cp ≈ 4 KJ/Kg°C). La eficiencia es también difícil de determinar si consideramos las pérdidas térmicas, pero puede especificarse un rango entre 0,2 y 0,5.
Desde este punto de vista, los requerimientos energéticos para calefacción no son altos. Por ello es conveniente la llamada “Cogeneración”, esto es, el aprovechamiento de una fracción de la energía térmica total producida por la planta, exclusivamente con la finalidad de mantener las “condiciones ambientales” en estado óptimo al interior del biodigestor. Bien pueden aprovecharse el gas quemado por un motor o turbina de funcionamiento contínuo. Véase el interesante ejemplo que brinda esta planta de biogas existente en el norte de nuestro país.

El mes que viene continuaremos exponiendo criterios útiles para el diseño para estas plantas de biogas. Las imágenes menos visibles están ahora disponibles en FACEBOOK. Gracias nuevamente por su atención. Espero sus preguntas y/o comentarios.

Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Process design of agricultural digesters – Arthur Wellinger – Nova Energie Gmbh – Ettenhausen.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Mixing and Agitation – R. S. Brodkey - Revista “Chemical Engineering”.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• Generación de Energía con Biogas de Residuos Agrícolas en Plantas Agroidustriales de La Libertad – Perú – Raúl Paredes Rosario – Universidad Privada del Norte (rparedes_rosario@yahoo.es).

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (PRIMERA PARTE – DIMENSIONADO DE UN BIODIGESTOR BÁSICO)

Luego de haber tomado conciencia de la importancia y de las múltiples ventajas que tiene la producción de biogas para quienes potencialmente pueden hacerlo y tienen requerimientos energéticos insatisfechos, es que se procede al “análisis de la realidad”, que, en nuestro caso, sería la evaluación de los desechos generados por el interesado, sea una población, granja, chacra o industria.
Si bien toda materia orgánica es susceptible de convertirse en metano como consecuencia de la descomposición, el proyectista debe tener en cuenta primeramente el volumen gas que se obtendrá según el tipo de materia disponible, ver la tabla:

Es evidente que las dimensiones de nuestro biodigestor responderán no sólo al espacio libre que piensa utilizarse sino también al volumen deseado de gas, de acuerdo a las necesidades y el tipo de de desecho orgánico. En caso de combinar diferentes tipos de residuos, un promedio ponderado de sus valores correspondientes en la tabla de arriba nos ayudará a cuantificar una aproximación del volumen esperado de biogas por kilogramo de residuos producidos y sobre esta base tomar la decisión final de construir o no un biodigestor.
En el caso específico de utilizar estiércol humano o animal en la producción de biogas, tenemos una tabla especial:
Si la producción de biogas es inferior a la demanda (P menor que D), entonces no hay razón para instalar una planta. Hay sin embargo muchos otros factores que deben tenerse en cuenta, como un estudio costo-beneficio de la producción, evaluación de riesgos potenciales, etc. Es posible cuantificar aproximadamente el consumo dependiendo del tipo de dispositivo empleado y del tiempo. La tabla de abajo nos dará otra referencia:

Considerando todo esto pasamos a dimensionar nuestro biodigestor. Véase el esquema para tener un referente de lo que se hace: Un modelo básico (instalado bajo tierra para aminorar los cambios bruscos de temperatura) que puede servir de base para uno más sofisticado, con agitación y temperatura fija que se describirá más adelante. a. Volumen de la cámara colectora de gas = Vc
b. Volumen de la cámara de almacenamiento de gas = Vgs
c. Volumen de la cámara de fermentación = Vf
d. Volumen de la cámara hidráulica = Vh
e. Volumen de capa de lodos = Vs
Volumen total: V = Vc + Vgs + Vf + Vh + Vs El volumen total del biodigestor viene dado por la fórmula siguiente:

V = 1,25(TR)x Sd

Donde “TR” es la abreviatura de “Tiempo de Retención” (en dias), que es aquel tiempo de permanencia de los residuos dentro del biodigestor. Hay diferentes criterios para determinar este tiempo (aunque de manera más empírica). Es mejor utilizar el criterio de la relación “temperatura vs. Tiempo” cuya gráfica puede verse debajo.

Naturalmente que la temperatura asumida (si no es regulada artificialmente) debe ser la más desfavorable del año (sumando 1 ó 2°C a la temperatura del suelo). La temperatura óptima promedio es 30°C.

“Sd” es la cantidad (en volumen) de Sustrato, esto es, la mezcla de biomasa y agua. De esta forma:

Sd = Biomasa + Agua (en metros cúbicos por dia)

La cantidad de biomasa es simplemente el número de kilogramos o metros cúbicos por día de residuos producidos (en promedio). La cantidad total de sólidos orgánicos (no olvidemos que los residuos orgánicos constan de una fracción líquida y una sólida) contenidos deben bordear el 8% del total de sustrato para óptimos resultados en la fermentación. El cálculo se hará entonces, por regla de tres simple: Para 100 kg de sustrato (Sd) necesitamos 8 Kg de sólidos orgánicos, luego, para 1 kg de sólidos requerimos de (100/8) kg de sustrato.
La cantidad de sustrato (Sd) se obtendrá multiplicando la cantidad de biomasa por la cantidad porcentual de sólidos totales contenidos (TS) por la fracción (100 / 8).
Para determinar aproximadamente estos valores, las tablas abajo consignadas nos serán de muchísima utilidad:

La cantidad de agua se obtiene por diferencia (Agua = Sd – biomasa)
El producto (TR)x Sd es el volumen de trabajo del biodigestor :

(TR)x Sd = Vgs + Vf

Una vez que se ha calculado el volumen total, pasaremos a dimensionar nuestro biodigestor (independientemente de los materiales empleados en su manufactura). con las fórmulas consignadas abajo, obtendremos los diámetros y radios de curvatura :

La constante K, es la relación volumen de biogas producido al dia por el volumen del biodigestor. Como el volumen de almacenamiento Vgs suele estar entre el 40 y 60% de la producción diaria en volumen, tenemos K = (0,4 - 0,6). En Bangladesh se considera K = 0,4 pero es posible asumir K = 0,5 ó 0,6 haciendo un estimado “a priori” de consumo.

EJEMPLO DE CÁLCULO:
Tenemos un establo donde criamos 6 vaquitas lecheras (cows) con un peso promedio de 200 kg. c/u. Deseamos diseñar una planta de biogas sencilla (biodigestor y cámara hidráulica):
Solución:
Basándonos en las dos primeras tablas y el gráfico tenemos:
Tiempo de retención (HRT) : 40 dias (T = 30°C)
Deposición total en promedio: 10 x 6 = 60 kg/dia
Contenido total de sólidos (TS): 60 x 0,16 = 9,6 kg/dia
Total de sustrato en kg (Sd) = 100 x 9,6/8 = 120 kg/dia

La cantidad de agua que se agregará para lograr el 8% de sólidos totales = 120 – 60 = 60kg/dia x (1 metro cúbico/ 1000 kg) = 0,06 metros cúbicos/dia. (recuérdese que para el agua 1 metro cúbico = 1000 kg)

El volumen de nuestro biodigestor según la fórmula indicada más arriba será:

V = 1,25(120kg/dia)(1metro cúbico/1000kg)(40dias) = 6 metros cúbicos.

El volumen de trabajo será :

Vf + Vgs = (120kg/dia)(1 metro cúbico/1000kg)(40 dias) = 4,8 metros cúbicos.

Ahora reemplazando V en la fórmula respectiva tenemos:
D = 2,376 m ≈ 2,4 m
Luego calculamos las demás cotas:
f1 = 0,480 m.
R1 = 1,74 m.
V1 = 1,143 metros cúbicos
f2 = 0,3 m
R2 = 2,55 m
Vc = 0,3 metros cúbicos.
Gráficamente nuestro biodigestor tendrá las sgtes. dimensiones:

H se calcula igualando las fórmulas:

Poniendo H en función de D, tenemos: H = 0,96m ≈ 1 m.

Dimensionado de la cámara hidráulica:

Vc = 0,05 V = 0,3 metros cúbicos
Vgs = 0,5 (Vgs + Vf + Vs )K ……….(Asumiendo K = 0,4)
Vgs = 0,5 x 5,7 x 0,4 = 1,14 metros cúbicos.
Por otro lado se recomienda:
Vgs = 50% de la tasa de producción diaria de biogas
Vgs = 0,5 x TS x (nivel de gas producido por kg de sólidos totales (TS), ver tabla 3)
De este modo calculamos:
Vgs´ = 0,5 x 9,6 x 0,26 = 1,344 metros cúbicos.

Siendo Vgs´ mayor que Vgs, elegimos el primero.
Luego:
Vc + Vgs = 0,3 + 1,344 = 1,644 metros cúbicos.

De los gráficos se observa que:

Reemplazando datos y despejando, se tiene que H1 = 0,110 m.

Establecemos la presión atmosférica como : h = 800 mm de columna de agua (1mm = 10 Pa).
Del gráfico de la planta hemos indicado:
h = h3 + f1 + H1
Reemplazando datos y despejando obtenemos: h3 = 0,210 m

Y como Vgs = VH:

De donde DH = 2,85 m.

Finalmente tenemos la cámara hidráulica dimensionada:

Hay otros dos parámetros de operación del biodigestor, que son de importancia relevante para el óptimo funcionamiento y deben ser necesariamente medidas para ser comparadas con los valores calculados o recomendados en las tablas respectivas.

El primero de ellos es simplemente la constante “K” arriba mencionada y se denomina “PRODUCCIÓN ESPECÍFICA DE GAS” definida por Gp, donde:
Gp = G / Vd (metros cúbicos de gas al dia / metros cúbicos del biodigestor)

El segundo parámetro es la “CARGA DEL BIODIGESTOR”: Ld, que es la entrada de sólidos totales (TS) ó volátiles (VS):
Ld = Kgs. De TS ó VS / metros cúbicos del biodigestor.

Materiales para biodigestores:
El material más económico, y tal vez, el más utilizado en la mayoría de países para los biodigestores rurales es el polietileno tubular transparente (espesor entre 200 a 250 micras). En este caso, el dimensionado se reduce a calcular el volumen general “V” y sobre la base aproximada de un cilindro se determinan la longitud (L) y el diámetro (D).
En el caso de los depósitos de acero se utilizarán planchas de acero inoxidable a partir de 1mm de espesor, según las dimensiones finales obtenidas más arriba y teniendo en cuenta aspectos estructurales y de seguridad cuando se vayan a construir instalaciones de grandes dimensiones, como las utilizadas en la industria.
Conocido el volumen general y en caso de que trabajemos con materiales de mampostería (ladrillos, cemento, etc.) podemos basarnos en la tabla siguiente para tener un dimensionado más rápido, desde luego que debemos “acoplar” nuestro volumen al entero más próximo entre 4 y 10 metros cúbicos:
La necesidad me obliga una vez más a dividir el tema en capítulos, por ello este primer artículo responde a sólo dos aspectos que son elementales pero muy importantes en el diseño de los biodigestores: El dimensionado y los materiales recomendados. En los siguientes artículos seguiremos con las especificaciones las plantas de biogas.
Cuando transcurre el mes que más visitas ha tenido este pequeño rincón del ciberespacio, anuncio que desde algunas semanas ya contamos con un grupo de Facebook, donde se pueden hacer sugerencias, comentarios y discusiones en torno a los artículos. Sean todos bienvenidos y hasta el mes que viene.

Referencias:

1) Bangladesh Biogas Technology (Renewable Energy & Environmental in Formation Network - www.reein.org)

2) Manual para Producción de Biogas (Ing. Jorge A. Hilbert - Instituto de Ingeniería Rural - Castelar)

3) Tecnología del Biogas (Juan Pablo Silva Vinasco - Universidad del Valle - Facultad de Ingeniería Ambiental - Colombia).

CONSTRUYE TU PROPIO BIODIGESTOR: PRODUCE GAS Y ELECTRICIDAD CON TUS PROPIOS RECURSOS

El biogas (metano obtenido a partir de residuos orgánicos animales y vegetales) es, de un tiempo a esta parte, ya un elemento importante en la matriz energética de muchos países. Tardíamente comprendí su trascendencia, dada la desconfianza que me inspiraba el proceso de obtención (con presencia de bacterias, olores fétidos y hasta riesgos de explosiones accidentales). Quien todavía piense como yo lo hacía hasta hace algunos años no tiene más que observar y comparar la realidad de los sectores donde potencialmente puede llevarse a cabo la producción contra todas las ventajas que podría aportar la misma, entre ellos, precisamente, la reducción de la cantidad de bacterias y malos olores.
En muchas de las localidades más pobres de nuestro país, por citar un caso, se suele utilizar el estiércol de vacuno seco (boñiga) para combustible en los fogones cuando la leña escasea. Los riesgos para la salud humana provienen, en forma categórica, de tal costumbre. El uso del biogas se presenta entonces como una solución integral porque obliga a tener un área exclusiva, fuera del hogar donde se procesa el estiércol, y además se hace ya innecesario el sacrificio de árboles para obtener leña. ¿No es todo eso una gran contribución al sostenimiento del medio ambiente?. Son aprovechables además los productos agrícolas en mal estado y los restos no consumibles de animales.

Sectores rurales y urbanos pueden ser beneficiarios: ganaderos, avicultores, agricultores, aún los asentamientos humanos y hasta industrias como son las de abonos y fertilizantes, quienes tienen la oportunidad de generar un “plus” en sus respectivas producciones e incluso ser “autosuficientes” en energía térmica y eléctrica, como ya sucede en muchos países desarrollados. Y ahora que el precio del petróleo vuelve a preocupar en muchos sectores, cabe la necesidad de divulgar alternativas como ésta para su reemplazo.

El biogas se obtiene, por lo general, en un proceso conocido como “digestión anaeróbica”, a partir del contacto de restos de seres vivos con el agua (hidrólisis) . Ver el esquema:

El proceso se lleva a cabo en dispositivos llamados “biodigestores”, de los que hay 4 tipos básicos (Fuente referencial: BIODIGESTORES, UNA ALTERNATIVA A LA AUTOSUFICIENCIA ENERGÉTICA Y DE BIOFERTILIZANTES - Fundación Hábitat - Quimbaya,Quindío – Colombia - 2005):
:
• Biodigestores a partir de pozos sépticos.
• Biodigestores de domo flotante (Indio).
• Biodigestores de domo fijo (Chino).
• Biodigestores de estructura flexible.

Biodigestor a partir de pozos sépticos.
Los pozos sépticos son harto conocidos en nuestro medio (para el Perú: ver criterios de diseño en la norma IS.020, título III del Reglamento Nacional de Edificaciones).
Este es el más antiguo y sencillo digestor anaeróbio que se conoce, utilizado normalmente para la disposición de aguas residuales domésticas. Se cree que de allí deriva el uso potencial de los gases producidos por la fermentación anaeróbica, para el uso doméstico.
Para la correcta operación de estos pozos es requisito indispensable aislar las aguas servidas que caen en él, de las que contienen jabón o detergentes. El efecto de los jabones y en especial los detergentes, inhibe la acción metabólica de las bacterias, razón por la que los pozos se colmatan con rapidez y dejan de operar, haciendo necesario destaparlos frecuentemente para recomenzar la operación.
Cuando no es posible separar las aguas negras de las jabonosas, como en el alcantarillado urbano, es necesario hacer un tratamiento químico con Polímetros a esta agua a fin de solucionar el problema antes de iniciar la fermentación anaeróbica.


Biodigestor de domo flotante (Indio).
Este biodigestor consiste en un tambor, originalmente hecho de acero pero después reemplazado por fibra de vidrio reforzado en plástico (FRP) para superar el problema de corrosión. Normalmente se construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque a veces se usa refuerzo en hormigón. Se entrampa el gas producido bajo una tapa flotante que sube y se cae en una guía central. La presión del gas disponible depende del peso del poseedor de gas por el área de la unidad y normalmente varía entre 4 a 8 cm de presión de agua. El reactor se alimenta semi-continuamente a través de una tubería de entrada.

Biodigestor de domo fijo (Chino).
Este reactor consiste en una cámara de gas-firme construida de ladrillos, piedra u hormigón. La cima y " fondos son hemisféricos y son unidos por lados rectos. La superficie interior es sellada por muchas capas delgadas de mortero para hacerlo firme. La tubería de la entrada es recta y extremos nivelados. Hay un tapón de la inspección a la cima del digestor que facilita el limpiado. Se guarda el gas producido durante la digestión bajo el domo y cambia de sitio algunos de los volúmenes del digestor en la cámara del efluente, con presiones en el domo entre 1 y 1.5 m de agua. Esto crea fuerzas estructurales bastante altas y es la razón para la cima hemisférica y el fondo. Se necesitan materiales de alta calidad y recursos humanos costosos para construir este tipo de biodigestor. Más de cinco millones de biodigestores se ha construido en China y ha estado funcionando correctamente (FAO, 1992) pero, desgraciadamente, la tecnología no ha sido tan popular fuera de China.
Esta instalación tienen como ventaja su elevada vida útil (pueden llegar como promedio a 20 años), siempre que se realice un mantenimiento sistemático.
Biodigestor de estructura flexible
La inversión alta que exigía construir el biodigestor de estructura fija resultaba una limitante para el bajo ingreso de los pequeños granjeros. Esto motivó a ingenieros en la Provincia de Taiwán en los años sesenta (FAO, 1992) a hacer biodigestores de materiales flexibles más baratos. Inicialmente se usaron nylon y neopreno pero ellos demostraron ser relativamente costoso. Un desarrollo mayor en los años setenta era combinar PVC con el residuo de las refinerías de aluminio producto llamado "el barro rojo PVC."
Esto fue reemplazado después por polietileno menos costoso que es ahora el material más comúnmente usado en América Latina, Asia y África. Desde 1986, el Centro para la Investigación en Sistemas Sustentables de Producción Agrícola (CIPAV), ha estado recomendando biodigestores de plástico económico como la tecnología apropiada por hacer mejor uso de excrementos del ganado, reduciendo la presión así en otros recursos naturales.
En este digestor el gas se acumula en la parte superior de la bolsa, parcialmente llena con Biomasa en fermentación; la bolsa se va inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder la presión de trabajo de la misma.

Muy a mi pesar, la magnitud de este tema me obliga a escribir más de un artículo referente a él. Este primer artículo ha sido básicamente para desvanecer mitos, crear conciencia, y motivar sobre la importancia de este recurso renovable. El mes que viene se expondrán los criterios necesarios para formular un óptimo diseño de los biodigestores, incluyendo desde luego, las múltiples alternativas para la selección de materiales (en función de su costo) y cómo mejorar la calidad de nuestro producto final, que es el biogas.

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FLUJO LIBRE EN MOTORES HIDRÁULICOS: LA ALTERNATIVA ENERGÉTICA VERDE.

El presente artículo encontró su motivación fundamental en otro publicado por la revista “Agraria” (suplemento del diario “La República”) a fines de febrero del año en curso. El artículo titulado “El verdadero impacto de las hidroeléctricas en la selva” empieza con estas palabras:

“Existe la idea de que la energía hidráulica es la más limpia y sostenible de todas las formas convencionales de producción de energía. Eso, sencillamente, no es verdad.”

El error del artículo estiba en el párrafo arriba citado, que pretende “meter en el mismo costal” a toda forma de energía hidráulica cuando eso, sencillamente no es verdad.
Las grandes centrales hidroeléctricas influyen, ciertamente, de manera negativa sobre el entorno natural en que se encuentran ubicadas. El artículo de “Agraria” hace alusión al caso de la gran represa de Tucurí en la Amazonía brasileña y las lamentables consecuencias que trajo su construcción. El embalse del río Tocantins provocó no solamente la inundación de amplias áreas sino también un incremento considerable de la humedad ambiental. Y es que las clásicas turbinas hidráulicas del tipo Pelton, Francis o Kaplán que se utilizan en dichas centrales, requieren de elevadas presiones de agua (que también contribuye a liberar gas metano, según una cita referencial en el artículo mencionado) para convertir energía de flujo en energía eléctrica, siendo el represado y el “salto hidráulico” estrictamente necesarios para conseguirlo. Ello también obedece al diseño y la configuración de sus álabes. Por ello denominaremos a esas turbinas como “de flujo forzado”.

Pero ¿qué hay de aquellas turbinas hidráulicas “de flujo libre”?. Las turbinas de los aerogeneradores, por citar un ejemplo, no “fuerzan” el flujo de aire sino que aprovechan su velocidad y dirección en un momento dado. Lo mismo podría suceder con las turbinas de agua, y éstas existen desde hace ya buen tiempo. Esta es la verdadera tecnología milenaria que ha evolucionado desde los “molinos de viento” y las pintorescas “norias” , que ha caminado y sigue caminando de la mano con la naturaleza. Las turbinas de “flujo libre” se mueven con la velocidad natural del fluido (agua o aire).
Esta familia de turbinas comprende una gama numerosa de miembros, acabo de citar a las turbinas de viento, pero también están incluidas las turbinas maremotrices y las fluviales. Nos ocuparemos de éstas últimas.
Las turbinas fluviales tienen tres tipos básicos: las de eje inclinado, horizontal y vertical siendo las del segundo tipo las más extendidas en uso a nivel mundial (Canadá y Estados Unidos nos brindan buenos ejemplos). Dentro de las ramas principales hay también numerosos sub-tipos que pueden apreciarse en el gráfico siguiente:

Tipos básicos de turbinas fluviales

Turbinas fluviales verticales

Para el proyectista de minicentrales hidroeléctricas en nuestro país, el empleo de estas turbinas sería una alternativa interesante al hacer consideraciones de impacto ambiental, costos de instalación, operatividad y mantenimiento. Las turbinas tradicionales “de flujo forzado” requieren de muchos accesorios adicionales como inyectores (las Pelton),tuberías, válvulas…y no olvidemos los costos de “represar” y “desarenar” las aguas, entre otros. Las turbinas “de flujo libre” en cambio requieren de un menor número de accesorios, debiéndose eso sí, diseñar convenientemente la geometría de los álabes para aprovechar al máximo la limitada velocidad de flujo así como también reducir los efectos negativos que pudiesen causar la colisión con cuerpos extraños.
Véase la figura de una central hidroeléctrica (con el generador sumergido) trabajando con este tipo de turbinas. Su funcionamiento es completamente análogo al de una central eólica, y si comparamos ambas alternativas, nos convencemos instantáneamente de que la primera es muy superior en ventajas (mayor densidad del agua, velocidad de flujo casi constante y no se requiere de un sistema generador de soporte).


Un estudio realizado en 1986 por la Universidad de Nueva York sobre el potencial del libre flujo de los ríos en los EE.UU. calculó que hay 12.500 MW de capacidad potencial para producir energía. Esto vale cerca de $ 10 mil millones en ventas de electricidad hoy en dia. Es una lástima que en nuestro país no se haya hecho todavía un estimado similar, pese a contar nosotros con ríos mucho más caudalosos. Por ello es conveniente analizar la factibilidad de estas centrales eléctricas.
Un ejemplo interesante en el Perú lo brinda la ONG “ ITDG” y su trabajo en la comunidad “El Paraíso” situada a orillas del río Napo, muy cerca de Iquitos, en el departamento de Loreto: un sencillo pero ingenioso sistema de generación eléctrica flotante “instalado” sobre una canoa nativa. Obsérvense algunas fotos.


Pese a la ínfima potencia que se produce (12 voltios en corriente continua y 250 watts generados para un eje girando a 45 rpm) se tiene aquí, en mi concepto, un pequeñísimo pero contundente ejemplo de cómo se puede aprovechar mejor el potencial hidroeléctrico de este país sin dañar irreversiblemente el ecosistema. También se reivindica a la energía hidráulica como la más limpia y sostenible.
No puede soslayarse la baja eficiencia de la planta (apenas rozando el 20% cuando a nivel internacional se ha alcanzado niveles de hasta 44%) debido a lo artesanal de su concepción. Compárese el diseño anterior con uno estadounidense que nuestros amigos proyectistas pueden utilizar como referencia; he aquí sus características: Un catamarán estilizado de soporte, dos rotores horizontales con estator que cumple doble función: orientador de flujo y protector axial; hay además un interesante sistema de sujeción por cables que se mantienen en tensión por efecto de la misma corriente y que también desempeñan el papel de “protector radial”.



Desde luego, este sistema “flotante” no es la única posibilidad de instalar una minicentral. Aquí tengo mucha confianza en la sagacidad de los técnicos latinoamericanos (peruanos en especial) para enfrentar el reto.
En nuestro caso, y como ya indiqué, valdría la pena analizar la viabilidad de aprovechar el potencial hidráulico de ríos como el Amazonas, el Marañón ,el Ucayali o muchos otros para un proyecto de envergadura y dotar de energía económica y limpia a las comunidades de la selva, aún de la sierra.
Véanse los “videos de interés” si se desean más ejemplos.

Cálculos Básicos para el proyectista:
Este es el modelo de cálculo utilizado por ITDG. Lo fundamental es la selección del tramo idóneo del río para nuestra instalación. El potencial energético (Watts) se calcula así:
P = ½ x Kb x A x R x v

A = Area aproximada de la sección transversal (m2) ; R = densidad del agua (1000 kg/m3) ; v = velocidad del agua (m/s) ; Kb = Coeficiente de Betz = 16÷27 = 0.592

Las dimensiones principales de la turbina se hacen, tal como en el caso de aerogeneradores, utilizando la “teoría del ala de avión”:
P = ½ x p x (A) x v3 x Cp x n
A = (π x d2 / 4)
d = √ (8 x P / π x p x v3 x Cp x n)

d : diámetro del rotor (m); P = potencia de diseño del hidro-generador (Watts) ;r = densidad del agua (kg/m3); v = velocidad del agua en el río (m/s) ; A = area de giro de la turbina (m2); Cp = coeficiente de potencia (sin dimensiones); h = eficiencia del generador. (v3 = velocidad al cubo)

λ = U / vD= π x N x d / 60 x vD N = (60 x λ x vD / π x d)

N = velocidad de giro del rotor (r.p.m) ; U = velocidad tangencial en el tope del álabe (m/s) ; vD = velocidad de diseño (m/s) ; I = celeridad.

Si quieres un mayor diámetro, usa mejor una Noria.
Las famosas “norias” ,de milenaria tradición, no tienen por qué estar descalificadas en la producción de energía eléctrica, más aún, si lo que se desea es la preservación del medio ambiente, dado que también aprovechan la velocidad natural del agua . He podido apreciar que en algunos medios rurales se usan incluso ruedas viejas de tractores agrícolas como rotores. Eso da una idea de cuán grande es la inventiva humana, a pesar de las limitaciones intelectuales y de recursos físicos. Las imágenes nos recuerdan cómo es que funciona este primer “motor hidráulico”.

La potencia al eje se calcula más fácilmente con la expresión:
P = F x V
P = potencia de diseño (Watts) ; F = Fuerza impulsiva (N) ; v = velocidad del agua en el río (m/s)
Donde F = r x (g x d + v2 / 2)x A
r = densidad del agua (kg/m3) ; g = gravedad (m/s2) ; A = Área transversal proyectada por la capacha o paleta (m2); d = distancia de la superficie del agua al centro de la capacha o paleta (m) ; v2 = velocidad al cuadrado.

Para dimensionar las turbinas y norias puede tomarse la potencia deseada (de diseño) y la velocidad del flujo de agua como punto de partida. Debe multiplicarse la potencia por 1,6 ó 1,7 para compensar las pérdidas mecánicas en el caso de instalaciones artesanales.
Con este artículo celebro el primer año de “Mecanotecnia” y retomo los temas energéticos que son de mucho interés en nuestros días. Me sorprendo de ver cómo se va popularizando esta bitácora; instalé el contador de visitas en Enero y ya me acerco rápidamente a las 2000, cuento además con un selecto auditorio de seguidores que comentan mis artículos, formulan sus inquietudes y me acompañan en el trajín de cada mes. A ellos y a todos los lectores doy gracias por su aceptación y hago votos por la consolidación de este pequeño espacio a nivel iberoamericano. Como siempre, pueden hacérseme consultas más especializadas a mi correo: aljepague@yahoo.com. Hasta el mes que viene.