Diseño y estudio de viabilidad de una central hidroeléctrica reversible en la Isla de La Gomera

Abstract

El proyecto surge por el propio interés propio del alumno en todo lo que rodea a las energías renovables y tiene como objetivo estudiar la implantación de una central hidroeléctrica reversible en una localización concreta. El Plan de Energías Renovables 2011-2020 establece que para este último año el 20% de la energía consumida en España debe proceder de una fuente renovable. Esta es la motivación principal, el reto de que en diferentes partes de España la implantación de fuentes de energía renovables ha sido desigual, y mediante la construcción en zonas aisladas de centrales hidroeléctricas reversibles se puede ayudar a la aparición de otras o mejorar su rentabilidad, como la éolica o la fotovoltaico cuyo funcionamiento depende de la aleatoriedad del entorno, ya que mediante el bombeo se puede almacenar la energía que las otras produzcan cuando no sea necesario, y turbinar durante los momentos de demanda más alta. La primera parte del proyecto por tanto abarca la justificación del proyecto, las motivaciones, y la búsqueda de la ubicación para la central. Para esto último se realiza un análisis del mercado eléctrico en las diferentes islas del archipiélago Canario para así discernir sobre en cuál de las islas sería más necesario. Finalmente se ha decantado por la Isla de La Gomera debido a su escasa implantación de instalaciones renovables y que prácticamente el 100% de su electricidad consumida proviene de la central térmica El Palmar. Una vez decidida la isla, se busca la posibilidad de utilizar embalses ya existentes debido al ahorro que supondría. Finalmente se encuentra un embalse suficientemente grande para actuar como embalse o nivel inferior, el embalse de Almalahüigue de 900.000 m3 de capacidad, mientras que el embalse o nivel inferior será a construir con unas dimensiones de 60x50x10 y una capacidad de 30.000 m3. Esta localización permite un desnivel entre los dos embalses de 300 metros. Una vez elegida la ubicación se comienza con el diseño de la central propiamente dicho. El primer paso es seleccionar las tuberías y calcular las pérdidas de carga. Debido al elevado desnivel entre los dos embalses, que necesitaría de bombas muy grandes se decide separar la central en dos partes, la primera parte con 4 bombas en paralelo impulsando un caudal de 1000 m3/h cada una, y otra parte con otras cuatro bombas en serie separadas dos a dos. Esto permitirá instalar bombas más pequeñas y económicas. A su vez, con el objetivo de desligar las pérdidas de carga de una zona de la otra, se decide que la primera zona descargue en un pozo de bombeo, que habrá que dimensionar. Una vez establecidas las dimensiones de ambas zonas se calculan las pérdidas de carga para cada zona tanto para bombeo como para turbinación, y se puede establecer la altura efectiva de cada una de las turbomáquinas y proceder a la selección de las bombas y de las turbinas para la instalación, obteniendo de esta manera la potencia nominal de la central para cada uno de sus modos de funcionamiento, siendo estos 4,13 MW en bombeo y 2,82 MW en turbinación. Para hacer esto se procede a estudiar las diferentes ofertas del mercado buscando precios normales en los diferentes catálogos de las empresas del mercado. Los mismo se hace con las máquinas eléctricas y los transformadores, necesarios para el intercambio de energía entre la red y la central. Para finalizar la fase de diseño de la central se adjunto los diferentes planos que son necesarios para entender el funcionamiento de la instalación. Una vez realizado el diseño de la central se realiza la estimación del presupuesto y de la inversión inicial necesaria para su puesta en marcha. Para hacer esto se utiliza la ecuación LCC (Life Cost Cycle) que permite tener en cuenta los diferentes costes intrínsecos al ciclo de vida de un proyecto siendo estos, compra, instalación y puesta en marcha, obtención de energía, operación, mantenimiento, reparaciones, costes medioambientales y finalmente retirada. Además de los costes que van a ser tenidos en cuenta, es necesario establecer una longitud a la vida útil de la central, habiéndose escogido en este caso 50 años. Teniendo en cuenta estos costes y esta vida útil, el presupuesto de la central asciende a Dos millones trescientos doce mil ochocientos catorce Euros (2.312.814 €). Una vez realizado el diseño y estimado el presupuesto se procede a estudiar la viabilidad de la central. La viabilidad esta estudiada desde el punto de vista técnico, económico y medioambiental. La viabilidad técnica se justifica durante la parte del diseño, mediante el estudio de no cavitación y sobre el golpe de ariete. Para estudiar la viabilidad económica se utiliza la ecuación del VAN (Valor Actual Neto) que permite calcular el valor actual de los diferente flujos de caja futuros que se producirán a lo largo del proyecto. Mediante el cálculo del VAN se establece si el proyecto va a producir rentabilidad o no. Para hacer esto es necesario conocer el valor de la inversión inicial, que se calcula sumando los costes del presupuesto que se tienen que realizar antes de la puesta en marcha de la central. La inversión inicial asciende en este caso a un millón setecientos sesenta mil doscientos euros (1.761.200,0 €). Junto a la inversión inicial se debe calcular los beneficios que va a generar la central. Para hacer esto se discretiza el día en dos periodos de 7 horas, uno de bombeo y otro de turbinación. La central funcionará en modo turbinación durante las 7 horas del día que presenten un precio horario de compra de energía en MWh mayor, mientras que durante las 7 horas con un precio menor la central funcionará en modo bombeo. Para conocer los precios horarios de energía se recurre a los datos publicados del OMIE, calculándose el beneficio medio esperado para cada mes del año. Para estos valores de inversión inicial y de beneficios esperados para la compra-venta de electricidad se obtiene un VAN negativo. Esto quiere decir que el proyecto no va a ser suficientemente rentable para compensar una inversión inicial y unos costes demasiado elevados comparados con los beneficios que la central produce. A pesar de esto, para justificar la rentabilidad de la central hidroeléctrica es posible acogerse al Plan de Retribución Específico del Gobierno para las energías renovables. Concretamente es posible acogerse a recibir un término por unidad de potencia que compense la inversión inicial para instalaciones renovables de elevado coste. Así se lograría compensar los costes de la inversión y aumentar la rentabilidad de la central. Aún así, se pone de relevancia que una central hidroeléctrica reversible por sí sola no produce suficientes beneficios apoyándose simplemente en las diferencias de precio entre los picos y los valles de demanda energética, sino que el mayor punto fuerte de estas centrales es la posibilidad de almacenamiento de energía, que combinándolo con otras fuentes de energía renovables, permita disminuir la utilización de fuentes de energía contaminantes. Para terminar el proyecto se realiza un estudio sobre el impacto ambienta y la viabilidad desde el punto de vista medio ambiental. Debido al carácter natural de la isla y de la existencia de un Parque Nacional en el centro de la misma hace que el respeto del medio ambiente sea muy importante para la realización del proyecto, ya de que no hacerlo este puede ser rechazado o cancelado. Para ello se enumeran los posibles impactos o riesgos que pueden aparecer en una central de este tipo y se proponen actuaciones a seguir para minimizarlos.

The project purpose arises from the interest of the student in everything related to renewable energy and is aimed to study the implementation of a reversible hydroelectric power plant at an specific location. The Renewable Energy Plan 2011-2020 states that 20% of the energy consumed in Spain must come from a renewable source. This is the main motivation, the challenge that in different parts of Spain the implementation of renewable energy sources has been uneven, and by building in isolated areas of reversible hydroelectric power plants can help the appearance of others or improve their profitability, such as wind mills or photovoltaic plants whose operation depends on the randomness of the environment as by pumping can store energy than other produce when not needed, and turbining during times of highest demand. The first part of the project includes the project justification, motivations, and the research for a location for the plant. To do this, an analysis of the electricity market is carried out in the different islands of the Canary archipelago in order to discern which of the islands would be most suitable for the project. It has been finally chosen the island of La Gomera due to its poor implementation of renewable energy installations and because of almost 100% of its electricity consumed comes from the thermal power station El Palmar. After chosing the island, it is necessary to look for the possibility of using existing reservoirs due to the savings that would result. Finally the large enough Almalahüigue reservoir is going to act as the lower level or reservoir with a capacity of 900,000 m3, while higher level will be built, with dimensions of 60x50x10 and a capacity of 30,000 m3. This location allows for a gap between the two reservoirs of 300 meters. Once the location is chosen it is time to begin with the design of the plant itself. The first step is to select the pipes and calculate the losses. Due to the large gap between the two reservoirs, which would have required very large pumps, it is decided to split the plant into two parts, the first part with 4 pumps in parallel to drive a flow of 1000 m3 / h each, and a second part with four other bombs serially spaced in pairs. This will let us install smaller and cheaper pumps. In turn, with the aim of reversing losses of a zone of the other, it is decided that the first zone unload in a pumping well, which will be dimensioned. the dimensions of both areas are stablished, the load losses for each zone and for both pumping or turbine stations are calculated, so we will be able to set the effective height of each of the turbomachinery and proceed to the selection of pumps and turbines for the plant, thereby obtaining the nominal power of the plant for each of its operating modes, these being 4.13 MWfor pumping and 2.82 MW for turbining. To do this we proceed to study the different offers on the market, looking normal prices in the catalogs of the companies in the market. The same is done with electric machines and all the necessary for the energy exchange between the network and the power plant. The different planes that are necessary to understand the operation of the facility are attached to complete the design phase of the plant. Once the design of the power plant is completed, it is time for the budget estimatation and the initial investment required for its implementation. To do this, the equation LCC (Life Cost Cycle) is used, which allows taking into account the different intrinsic costs the life cycle of a project being these, purchasing, installation and commissioning, energy production, operation, maintenance, repairs used, environmental costs and eventually withdrawn. In addition to the costs that will be taken into account, it is necessary to set a length to the life of the plant, having been chosen in this case 50 years. Given these costs and useful life, powet plant budget rises to two million three hundred and twelve thousand eight hundred and fourteen Euros (€ 2,312,814). Once the design and thebudget estimation are done, we proceed to study the feasibility of the plant. The feasibility is studied from the technical, economic and environmental point of view. The technical feasibility is justified during the design part, by studying no cavitation and water hammer. To study the economic viability , the equation NPV (net present value) is used for calculating the present value of future cash flows that will occur throughout the project used. By calculating the NPV it is set if the project will produce profits or not. To do this it is necessary to know the value of the initial investment, which is calculated by adding the costs of the budget that must be done before the commissioning of the plant. The initial investment in this case arises to one million seven hundred sixty thousand two hundred euros (€ 1,761,200.0). Along with the initial investment we must calculate the benefits that the plant will generate. To do this, the days are splitted up into two periods of seven hours, one for pumping and the other for turbining. The plant works in turbination mode while the 7 hours when the energy price for MWh is higher, while during the 7 hours with a lower price the plant works in pumping mode. For the diary energy pricing the OMIE published data is used to calculate the average profit expected for each month of the year. For these values of initial investment and expected benefits for the buying and selling of electricity a negative NPV is obtained. This means that the project will not be profitable enough with this high initial investment and excessively high costs compared to the benefits that the plant produces. Despite this, to justify the profitability of the hydroelectric plant may benefit from the specific Compensation Plan Government for renewable energy. Specifically it may qualify to receive an economic amount per power unit to offset the initial investment for high-cost renewable energy installations. This would ensure offset the investment costs and increase profitability of the plant. Still, it becomes important that a pumped-storage hydroelectricity alone does not produce enough benefits simply relying on price differences between the peaks and valleys of energy demand, but the greatest strength of these plants is the possibility of storage energy, which combined with other sources of renewable energy, allow to reduce the use of polluting energy sources. To complete the project a study on the feasibility and environmental degradation is done. Due to the natural character of the island and the existence of a National Park in the middle of it makes the respect for the environment a very important issue for the project, and not taking it into account can make this project be rejected or canceled. For this, the potential impacts or risks that may appear in a plant of this type and possible actions are proposed in order to minimize them.