Todo comenzó el 2006, cuando Patricio Mendoza, en ese entonces profesor auxiliar de Ingeniería Eléctrica, buscaba un tema de memoria. Paralelamente, el estudiante Javier Larios, del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica (DIMEC), se encontraba en la misma tarea.
Patricio, motivado por su inclinación hacia la electrónica y los sistemas de energía, quiso desarrollar la idea de un controlador de una pequeña planta hidroeléctrica. Fue así como en su tesis “Control electrónico de una central microhidráulica para su aplicación en generación distribuída”, guiada por Rodrigo Palma y con la que se graduó en enero de 2007, estudió detalladamente “el estado del arte en tecnologías de generación micro-hidráulica, con un foco en sus componentes eléctricos, lo que incluye los generadores y tipos de controladores actualmente utilizados”.
Javier, en tanto, se centró en los aspectos de ingeniería mecánica de la microcentral, guiado por el profesor del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica Carlos Gherardelli (q.e.p.d), para titularse al mismo tiempo con la memoria “Diseño, montaje y pruebas de un prototipo de microcentral Hidroeléctrica con turbina Pelton” .
Más tarde, Patricio viajaría a Estados Unidos a cursar un doctorado y Javier trabajaría en importantes empresas nacionales del rubro del acero, pero el proyecto seguiría su rumbo. Esta vez, bajo el amparo de diferentes proyectos públicos y privados: el proyecto Jelare, que reúne a universidades europeas y latinoamericanas con el propósito de investigar e innovar en energías renovables, financiado por la Unión Europea; un proyecto Fondef y un proyecto Conicyt de cooperación con una de las instituciones más reconocidas del mundo en tecnologíaa de maquinarias hidráulicas, la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suiza, junto a la Universidad Católica.
En el marco del proyecto con Suiza, se suman el ingeniero Juan Antezana y el profesor Juan Carlos Elicer del DIMEC, quienes comienzan en paralelo las gestiones para poder mejorar la eficiencia de la microcentral, basada en una turbina hidráulica de tecnología tipo Turgo. En esta etapa, participan también los - en ese entonces - estudiantes del DIMEC, Kim Hauser y Lorena Ferrada, desarrollando sendas memorias de titulación bajo la supervisión del Porfesor Elicer. Al estudiante Kim Hauser le correspondió realizar los ensayos experimentales de la turbina Turgo, mientras que a la estudiante Lorena Ferrada se le asignó la tarea de diseñar numéricamente una micro turbina Pelton.
A esta aventura se suma también la empresa familiar Apacom, compuesta por los hermanos Claudio, Gastón y Daniel Held, dos de ellos beauchefianos e inspirados por el proyecto. Su principal aporte fue traer la primera turbina a ser utilizada para la microcentral, además de participar en reuniones periódicas para ayudar en el desarrollo de la investigación y en el modelo de operación de negocios para la siguiente fase. Por razones de costo, esta primera turbina fue importada desde China y permitió tener un primer prototipo funcional, en que se integren los desarrollos, se hagan pruebas en terreno y se pueda presentar a posibles interesados. El objetivo final siempre fue tener una microcentral Plug-and-Play eficiente y con un costo lo más atractivo posible.
Así fue como desde 2008 a 2011 se fue construyendo y haciendo las primeras pruebas de la central hidroeléctrica de baja escala para suministrar de energía a zonas rurales en el sur del país.
De izq. a der.: Carlos Aedo, René Rosati, Juan Carlos Arís y Enrique Espina, junto al profesor Juan Carlos Elicer.
La dinámica de la microcentral es la de generar electricidad impulsado por una micro turbina mediante agua a gran velocidad. Para esto, el agua es captada del río mediante una estructura menor, no invasiva y respetuosa con el medio ambiente, constituida por una bocatoma, estructura que a través de una compuerta controla el paso del agua; una rejilla, que atrapa los objetos pesados que puedan interrumpir el curso del agua captada; un desarenador, en donde el agua se libera de sedimentos por medio de un proceso de decantación y una cámara de carga conectada a una cañería de presión, proveyendo el potencial de energía hidráulico para el funcionamiento de la turbina. La energía hidráulica es primeramente convertida en energía cinética por el inyector (estator) de la turbina y enseguida en energía mecánica por el rotor de la turbina. La energía mecánica se transmite al generador eléctrico para convertirla en definitiva en energía eléctrica. Finalmente, el agua se devuelve al río por el ducto de restitución.
La microcentral, por medio de un sistema de control electrónico, proporciona energía eléctrica a zonas aisladas que no poseen conexión a un sistema eléctrico, regulando de manera autónoma que el voltaje y la frecuencia de suministro se mantengan en los rangos definidos por la normativa nacional. Además, es capaz de operar sincronizadamente con un sistema eléctrico, autoabasteciendo el consumo local y, eventualmente, inyectando el excedente a la red, lo que presenta un alto potencial de desarrollo gracias a la entrada en vigencia de la Ley que permita valorización de inyecciones de energía en baja tensión.
La microcentral hidroeléctrica se ha ido perfeccionando en el tiempo y cuenta para ello con un equipo multidisciplinario de ingenieros eléctricos, mecánicos y diseñadores industriales encargados de hacer de éste un proyecto cada vez más eficiente y de fácil instalación para las zonas rurales del área centro sur de Chile.
La incorporación de la disciplina del diseño industrial ha sido una de las ventajas que ha tenido el proyecto a medida que ha avanzado desde sus primeros prototipos. “Una de las principales tareas fue disminuir la complejidad de instalación de la microcentral, para así reducir los costos totales del proyecto; por otro lado, acercar las herramientas al operador para que éste no tenga problemas al momento de utilizarla”, explica José Antonio Marín, diseñador industrial del Centro de Energía de la FCFM, a la vez que destaca que el proyecto completo sea “Plug-and-Play, lo que quiere decir que todos los componentes necesarios se estandarizan permitiendo una fácil implementación y uso, ya que dada su condición de operación automática simplifica esta tarea a quien desee instalar esta solución tecnológica”.
El equipo actual se completa con la participación de los memoristas de ingeniería eléctrica René Rossati y Carlos Aedo. Por su parte, el ingeniero de la Universidad de Santiago Enrique Espina está a cargo del diseño de control de frecuencia del generador, con el apoyo del profesor Robero Cárdenas del Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Una de las últimas novedades del proyecto ha sido el perfeccionamiento del diseño de la microcentral, cuyo objeto es el de reemplazar la turbina tipo Turgo por una de tecnología tipo Pelton. Según Juan Carlos Elicer, “la primera unidad que se probó de tecnología tipo Turgo, fabricada en China, tuvo un rendimiento cercano al 50%. La idea de cambiar a la tecnología Pelton fue sugerida por nuestros colaboradores suizos de la EPFL, por tener mejores condiciones de rendimiento”.
La idea, destaca el Prof. Elicer, es encontrar las condiciones de diseño óptimo para esta tecnología en la micro generación hidráulica, ya que “en microhidro, esta tecnología no tiene mucho desarrollo, y nosotros esperamos tener mínimo un 70% de rendimiento, aunque nuestro diseño teórico predice un rendimiento del orden del 85%”. Aquí ha sido relevante la participación del alumno Juan Carlos Ariz, quien se sumó al equipo del Prof. Elicer como alumno tesista desde 2012 y que ha abarcado diseño, construcción y pruebas.
En definitiva, la microcentral hidroeléctrica desarrollada por FCFM es una solución ecológica y práctica para generar energía, que no altera los cursos de agua y que puede ser supervisada fácilmente por el operario. Además, no genera residuos ni gases, en sintonía con las nuevas necesidades energéticas de un mundo que aspira cada vez más a la sustentabilidad.
Publicación de Revista Beauchef Magazine (1er semestre 2014)
