Cómo funciona esta calculadora de microhidráulica
Sobre el papel, la hidráulica es la renovable más fácil de calcular: el agua que cae libera energía en proporción directa a su masa y a la altura que desciende. Aun así, las calculadoras sencillas se pasan de optimistas, porque olvidan el rozamiento en la tubería forzada, el caudal estacional y el comportamiento de las turbinas a carga parcial. Esta modela los tres.
- Caudal. Introduce un caudal medio medido o estímalo a partir de superficie de la cuenca × precipitación × coeficiente de escorrentía. Un caudal ecológico se queda en el cauce. Lo que sobra varía mes a mes según un régimen estacional: pluvial, nival, monzónico, mediterráneo o de manantial.
- Salto neto. El rozamiento en la tubería forzada se obtiene con la ecuación de Darcy–Weisbach y un factor de fricción de Colebrook según el material y el diámetro de la tubería. Se suman también las pérdidas localizadas en la toma, los codos y las válvulas.
- Turbina. Las turbinas Pelton, Turgo, de flujo cruzado, Francis, Kaplan, de hélice y de tornillo de Arquímedes se puntúan según tu salto neto y tu caudal de diseño, y se elige la que mejor encaja salvo que escojas tú una. Cada familia tiene su propio rendimiento máximo, su curva a carga parcial y su caudal mínimo. Una turbina de hélice se para por debajo de alrededor del 70 % de su caudal de diseño, mientras que una Pelton sigue funcionando hasta el 10 %.
- Energía y dinero. Potencia mensual × horas × disponibilidad y, a partir de ahí, amortización, LCOE y TIR.
La fórmula
H_neto = H_bruto − f × (L / D) × v² / 2g − ΣK × v² / 2g Q_turbina,mes = min(Q_diseño, Q_arroyo,mes − Q_ecológico) E_año = Σ_meses P_mes × horas × disponibilidad
Aquí ρ = 1.000 kg/m³ y g = 9,81 m/s². En microhidráulica, los rendimientos típicos son del 72–88 % en la turbina, del 85–92 % en el generador y del 95–97 % en la transmisión y el control, así que el rendimiento agua-cable suele quedar en el 55–75 %.
Ejemplo práctico: el arroyo de una finca
Los valores por defecto describen un arroyo con un caudal medio de 60 L/s y 30 m de salto bruto. El agua baja por 150 m de tubería de PEAD de 200 mm; el régimen es templado (caudal alto en invierno) y se deja un 10 % como caudal ecológico.
- El agua circula a 1,9 m/s por la tubería, y el rozamiento más las pérdidas localizadas se comen 2,5 m (8,5 %) del salto, con lo que quedan 27,5 m netos.
- La turbina con mejor puntuación es una de flujo cruzado (una Turgo también encajaría), con un rendimiento máximo a microescala cercano al 72 %.
- Con el caudal de diseño de 60 L/s, el sistema entrega unos 10 kW eléctricos, un 57 % de rendimiento agua-cable.
- En invierno la turbina trabaja a pleno caudal. A finales de verano el arroyo baja de 30 L/s y la producción cae a un tercio, más o menos. En todo el año se acumulan unos 64.600 kWh (factor de capacidad del 73 %).
- A 4.500 €/kW, la instalación cuesta unos 45.000 €. Si cada kWh vale 0,15 €, se amortiza en unos cinco años y el LCOE ronda los 0,06 €/kWh.
Cómo leer los resultados
- Potencia eléctrica con el caudal de diseño: la potencia nominal que pedirías al fabricante.
- Energía anual y factor de capacidad: lo que vale de verdad el emplazamiento una vez descontadas la variación estacional, el caudal ecológico y las paradas.
- Salto neto y velocidad en la tubería forzada: si las pérdidas superan el 10–15 % o la velocidad pasa de unos 3 m/s, prueba una tubería más gruesa en la calculadora de tubería forzada.
- Gráfico y tabla de idoneidad de turbinas: el rango de salto y caudal de cada familia. Una marca indica que tu emplazamiento cae dentro.
- Tabla mensual: cuándo trabaja la turbina a carga parcial y cuándo se para por quedar por debajo de su caudal mínimo.
Valores habituales
| Turbina | Salto neto | Caudal | Rendimiento máximo (micro → grande) | Comportamiento a carga parcial |
|---|---|---|---|---|
| Pelton | 10–1.800 m (mejor > 50 m) | 1 L/s – 50 m³/s | 80–92 % | excelente, hasta el 10 % del caudal |
| Turgo | 10–300 m | 2 L/s – 10 m³/s | 78–88 % | muy bueno |
| Flujo cruzado | 2–200 m | 10 L/s – 10 m³/s | 72–85 % | curva plana, sencilla y robusta |
| Francis | 10–700 m | 0,1–1.000 m³/s | 84–94 % | malo por debajo de ~40 % del caudal |
| Kaplan | 1,5–40 m | 0,3–1.000 m³/s | 84–93 % | bueno (doble regulación) |
| Hélice | 1,5–30 m | 0,05–500 m³/s | 78–90 % | necesita > 70 % del caudal |
| Tornillo de Arquímedes | 1–10 m | 0,1–15 m³/s | 75–85 % | bueno, respetuoso con los peces |
Consejos para sacar más partido a tu emplazamiento
- Mide el caudal durante una estación seca. Una medición en agosto con cubo y cronómetro, con flotador o por dilución de sal vale más que cualquier estimación a partir de la lluvia.
- Busca salto, no metros de tubería. Subir la toma aguas arriba suele añadir más salto que rozamiento, aunque conviene comprobarlo en la calculadora de tubería forzada.
- Elige el caudal de diseño con intención. Dimensionar para el caudal medio mantiene alta la utilización. Dimensionar para 1,3–1,5 veces la media capta más energía en invierno, a cambio de más meses a carga parcial.
- Instala dos grupos (o una Pelton de varios inyectores) cuando el caudal oscile mucho, para que una máquina siga trabajando con buen rendimiento en la estación seca.
- Mantén limpia la toma. La broza en la reja puede costarte varios metros de salto de un día para otro.
Limitaciones
Los regímenes mensuales de caudal son genéricos. Una curva de caudales clasificados real, obtenida de datos de aforo o de una cuenca aforada cercana, es mucho más precisa, y como el caudal cambia de un día a otro, incluso un modelo mensual sobrestima algo la producción. El método de la cuenca es una estimación aproximada con un margen de ±50 %. Los rangos y rendimientos de las turbinas son valores típicos publicados, no la colina de rendimientos de un fabricante concreto. La obra civil, los permisos, el paso de peces y la conexión a la red suelen llevarse la mayor parte del coste, y aquí solo entran a través de tu coste por kW.
Método e hipótesis
Potencia: P = ρ · g · Q · Hneto · ηturbina · ηgenerador · ηtransmisión, con ρ = 1.000 kg/m³ y g = 9,81 m/s². Salto neto = salto bruto − pérdida por fricción (Darcy–Weisbach con el factor de fricción de Colebrook para la rugosidad de tu tubería) − pérdidas localizadas (ΣK·v²/2g). Los rendimientos máximos de las turbinas son valores publicados típicos, más bajos en equipos micro (<100 kW); el rendimiento a carga parcial sigue una curva propia de cada familia (Pelton y Banki son planas, Francis cae deprisa, las de hélice necesitan >70 % del caudal), y cada turbina se para por debajo de su caudal mínimo. Caudal mensual = caudal medio × factor estacional − caudal ecológico, con el tope del caudal de diseño. Energía = Σ potencia mensual × horas × disponibilidad.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calcula la potencia hidráulica?
¿Cuánta potencia puedo sacar de un arroyo pequeño?
¿Qué turbina hidráulica debo usar?
¿Qué diferencia hay entre salto bruto y salto neto?
¿Cuánto cuesta una microcentral hidroeléctrica?
¿Necesito permiso para una microcentral hidroeléctrica?
¿Cuánta energía produce al año una microcentral hidroeléctrica?
Fuentes y referencias
- ESHA: Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant (European Small Hydropower Association)
- IRENA: Renewable Power Generation Costs in 2023 (capítulo de hidráulica)
- Paish, O. (2002). Small hydro power: technology and current status. Renewable and Sustainable Energy Reviews 6(6)
- US Department of Energy: Planning a Microhydropower System
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