Modelado, simulación y evaluación técnico-económica de una planta hidroeléctrica tipo Francis ante la variación de la densidad del fluido de trabajo mediante MATLAB

Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado aborda el modelado, simulación y análisis técnico-económico de una central hidroeléctrica de turbina Francis sometida a una modificación singular: el reemplazo del agua como fluido de trabajo por una disolución salina de mayor densidad. El objetivo principal es evaluar la viabilidad técnica y económica de esta propuesta, considerando los efectos que la densidad del fluido ejerce sobre la conversión de energía, la estabilidad del sistema y los costes de operación.

El modelo numérico se implementó en MATLAB a través de tres scripts principales: parametros.m, getting_hydrogen_initial_delta_omega_fixed.m y run_hpp_master.m, incorporando un enfoque multifísico. Se representan el circuito hidráulico mediante ecuaciones de Saint-Venant, la turbina Francis con curvas características interpoladas mediante triangulación de Delaunay, y el generador síncrono junto con su sistema de control gobernado por un regulador tipo PI. El modelo permite variar de manera paramétrica propiedades como la densidad y viscosidad del fluido, simulando tanto regímenes estacionarios como transitorios.

Los resultados muestran que el uso de salmuera (rho≈1200 kg/m³) permite un ligero incremento en la potencia hidráulica disponible debido a la mayor densidad, aunque no se traduce en un aumento neto de la energía eléctrica vendible. El rendimiento global de la central desciende respecto al caso base con agua, debido al incremento de pérdidas por fricción y a una menor eficiencia hidráulica. A nivel de estabilidad, el sistema se mantiene operativo con densidades moderadamente superiores al agua, pero se vuelve impracticable para densidades cercanas a 1500 kg/m³.

El análisis económico, considerando un horizonte de 25 años y un precio constante de 62,96 €/MWh, concluye que el cambio de fluido no resulta rentable: los sobrecostes de operación y mantenimiento superan cualquier beneficio marginal en producción. Por tanto, la viabilidad técnica del uso de fluidos más densos se limita a un interés académico y experimental, sin proyección inmediata hacia su implementación práctica.

This Bachelor’s Thesis addresses the modeling, simulation, and techno-economic assessment of a Francis hydropower plant under a novel modification: replacing water as the working fluid with a denser saline solution. The main objective is to evaluate the technical and economic feasibility of this concept, analyzing the influence of fluid density on energy conversion, system stability, and operating costs.

The numerical model was developed in MATLAB using three core scripts (parametros.m, getting_hydrogen_initial_delta_omega_fixed.m, and run_hpp_master.m), integrating a multiphysics approach. The hydraulic circuit is represented by the Saint-Venant equations, the Francis turbine is modeled through characteristic curves interpolated via Delaunay triangulation, and the synchronous generator is coupled with a PI-based governor. This setup enables parametric variation of fluid properties such as density and viscosity, while simulating both steady-state and transient regimes.

Results indicate that operating with brine (rho ≈ 1200 kg/m³) provides a slight increase in available hydraulic power due to higher density. However, this does not translate into a net gain in deliverable electrical energy. The global efficiency of the plant decreases compared to the water case, primarily because of increased frictional losses and reduced hydraulic efficiency. From a stability perspective, the plant remains operable with moderately higher densities, but the model becomes impracticable for values above approximately 1500 kg/m³, highlighting operational and design limitations.

The economic analysis, performed over a 25-year horizon with a fixed electricity price of €62.96/MWh, shows that the fluid replacement is not financially viable. Additional capital and operating expenditures related to material compatibility, corrosion control, and fluid management outweigh any marginal gains in output. Therefore, the study concludes that while technically feasible within limited ranges, the substitution of water by denser fluids does not provide a profitable alternative. Its interest remains primarily academic and exploratory, offering insights into fluid-property sensitivity in hydropower systems.