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).
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).
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