Microhidroeléctrica: generar electricidad con agua
La energía hidroeléctrica a pequeña escala es la fuente renovable más fiable para supervivencia a largo plazo: funciona 24 horas, no depende del sol ni del viento, y con un caudal modesto de 5 litros/
Microhidroeléctrica: generar electricidad con agua
La energía hidroeléctrica a pequeña escala es la fuente renovable más fiable para supervivencia a largo plazo: funciona 24 horas, no depende del sol ni del viento, y con un caudal modesto de 5 litros/segundo y un desnivel de 10 metros se generan cerca de 350 W continuos. Este artículo cubre los cálculos reales, tipos de turbina y cómo construir un sistema funcional con materiales accesibles.
Cálculo de potencia disponible
La potencia hidráulica bruta se calcula con la fórmula: P = ρ × g × Q × H, donde ρ es la densidad del agua (1 000 kg/m³), g la gravedad (9.81 m/s²), Q el caudal en m³/s y H la altura de caída (desnivel) en metros.
La potencia eléctrica aprovechable es: P_eléctrica = P_bruta × η_tubería × η_turbina × η_generador. Eficiencias típicas: tubería 85-95%, turbina 50-85% (según tipo), generador 70-90%.
| Caudal (L/s) | Desnivel (m) | P bruta (W) | P eléctrica (W)* | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5 | 49 | 17-25 | Cargar teléfonos y radios |
| 2 | 10 | 196 | 70-100 | Iluminación LED de vivienda |
| 5 | 10 | 490 | 170-250 | Vivienda básica completa |
| 10 | 20 | 1 962 | 690-1 000 | Vivienda con electrodomésticos |
| 20 | 50 | 9 810 | 3 400-5 000 | Pequeña comunidad |
(*) Rango calculado con eficiencia total del sistema entre 35% (turbina casera) y 52% (turbina comercial).
Tipos de turbina según caudal y desnivel
La elección de la turbina depende fundamentalmente de la relación entre caudal y desnivel. No existe una turbina universal.
| Tipo | Desnivel | Caudal | Eficiencia | Dificultad construcción |
|---|---|---|---|---|
| Pelton | Alto (>20 m) | Bajo (<5 L/s) | 70-85% | Media (requiere cucharas precisas) |
| Turgo | Medio (10-50 m) | Medio (2-20 L/s) | 65-80% | Alta |
| Banki / Crossflow | Bajo-medio (2-20 m) | Alto (5-100 L/s) | 60-75% | Baja (construible con tubo PVC) |
| Hélice / Kaplan | Muy bajo (<3 m) | Muy alto (>50 L/s) | 70-90% | Muy alta |
| Bomba como turbina (PAT) | Medio (5-30 m) | Medio (2-30 L/s) | 50-70% | Mínima (comprar bomba y usarla al revés) |
Para supervivencia, las opciones más prácticas son:
- Turbina Banki casera: Se construye con un tubo de PVC de 200 mm cortado como carcasa, y palas hechas de tubo de PVC de 50 mm cortado en segmentos de 120°. El agua entra tangencialmente, cruza las palas dos veces (de ahí "crossflow") y sale por el otro lado. Eficiencia del 55-65% en construcción casera. Funciona bien con caudales de 5-50 L/s y desniveles de 2-15 m.
- Bomba como turbina (PAT): Una bomba centrífuga estándar, conectada al revés (agua entra por la salida), gira el eje y genera electricidad si se acopla un motor asíncrono como generador. Eficiencia: 50-70% dependiendo del punto de operación. Ventaja: las bombas de agua son baratas, abundantes y robustas. Se consiguen por 50-150 €.
- Turbina Pelton improvisada: Para desniveles altos (>20 m) con poco caudal. Las cucharas se pueden fabricar cortando cucharas soperas de acero y soldándolas a un disco. La boquilla se hace con un reductor de fontanería. Requiere precisión en el ángulo de las cucharas (deben desviar el chorro 165-170°).
Tubería de presión (penstock)
La tubería que lleva el agua desde la toma hasta la turbina es un componente crítico. Una tubería subdimensionada pierde energía por fricción y reduce drásticamente la potencia.
La regla general es que las pérdidas por fricción no deben superar el 10% del desnivel. Para calcular las pérdidas se usa la ecuación de Darcy-Weisbach simplificada para tuberías de PVC: h_f = (10.7 × Q^1.85 × L) / (C^1.85 × D^4.87), donde Q es caudal en m³/s, L longitud en m, C el coeficiente de Hazen-Williams (150 para PVC) y D el diámetro interno en m.
| Caudal (L/s) | Diámetro PVC recomendado | Pérdida por 100 m | Velocidad del agua |
|---|---|---|---|
| 1 | 50 mm (2") | 1.2 m | 0.5 m/s |
| 2 | 63 mm (2.5") | 1.4 m | 0.6 m/s |
| 5 | 90 mm (3.5") | 1.6 m | 0.8 m/s |
| 10 | 110 mm (4") | 2.8 m | 1.1 m/s |
| 20 | 160 mm (6") | 2.1 m | 1.0 m/s |
Generador eléctrico y regulación
La turbina produce energía mecánica (giro del eje). Para convertirla en electricidad hay varias opciones según la escala:
- Motor DC como generador (<100 W): Un motor de DC de imanes permanentes (ej. de taladro, patinete eléctrico) funciona como generador al girar su eje. Genera voltaje proporcional a las RPM. Un motor de 24 V DC a 3 000 RPM genera ~24 V a esas RPM. Eficiencia: 60-75%. Barato y simple, pero requiere ajustar la relación de transmisión.
- Alternador de coche modificado (100-500 W): Los alternadores de coche generan 14 V DC. Problema: necesitan excitación (corriente en el rotor), consumen 2-5 A solo para excitarse, y necesitan >1 500 RPM para generar. Solución: rebobinar el rotor con imanes de neodimio para convertirlo en imanes permanentes. Tras la modificación, generan desde 500 RPM sin excitación externa.
- Generador de imanes permanentes (PMG) (100 W-5 kW): Generadores específicos para microhidro, giran a baja velocidad (200-1 500 RPM). Generan AC trifásica que se rectifica a DC. Eficiencia: 80-90%. Precio: 100-500 € según potencia. La mejor opción si la inversión es viable.
La regulación es necesaria porque el voltaje y frecuencia varían con la carga. El método más simple es un regulador de carga tipo "dump load": un controlador que desvía el exceso de energía a una resistencia (ej. un calentador de agua), manteniendo la carga sobre el generador constante y el voltaje estable.