Propuesta de mejora de la central hidroeléctrica de Cedillo

El proyecto surge a raíz de la problemática actual de explotación masiva de los recursos naturales y de los combustibles fósiles, que puede estar llevando al planeta a una situación de daño irreversible al medio ambiente. Motivado por eso y el interés del alumno en la energía hidráulica, se presenta una serie de mejoras para una central hidroeléctrica en el territorio nacional, en concreto la central hidroeléctrica de Cedillo, propiedad del grupo Iberdrola S.A. colaborador del proyecto al aportar información de dicha central.
Siendo consciente del problema de generación de energía al que se enfrenta el mundo, la energía renovable se presenta como una parte de la transición hacia un futuro más sostenible. Dentro de las renovables, en España, la generación hidráulica se encuentra en segunda posición en lo que a potencia instalada en el territorio siguiendo de cerca de la energía eólica, pero ¿por qué nos centraremos en la energía hidráulica? Porque se trata de una energía que proporciona a la red una generación constante al contrario que otras renovables como la eólica antes comentada o la solar. Además, en el caso de las centrales de bombeo, cuenta con un factor equilibrador del sistema eléctrico.
Desde los organismos internacionales, concienciados del problema, se está fomentando el impulso de estas tecnologías fijando unos objetivos de reducción de emisiones para paliar las consecuencias del cambio climático y la acción del hombre. Desde Europa se fijan los objetivos para 2020, a punto de cumplirse, 2030 y 2050 a los que España se adapto por medio el PER, programa de energías renovables. Otros mecanismos como la ONU, cuentan con los Objetivos del Desarrollo Sostenible, cuyo objetivo es concienciar a la sociedad sobre problemas sociales además de medioambientales.
Aterrizando en el caso particular que nos atañe, la central de Cedillo entró en funcionamiento en 1976 por lo que se muestra como necesario la actualización de la central a los tiempos actuales. Para ello se proponen medidas que van en tres direcciones: Alargar la vida útil de la central actualizando sus elementos; Reducir en impacto medioambiental por medio de la eliminación del aceite; y Equilibrar el sistema eléctrico por la reciente construcción de un gran parque solar en la comunidad autónoma a la que pertenece.
A continuación, se procede a exponer las propuestas llevadas a cabo y las conclusiones que su estudio ha generado.
Para la propuesta para alargar la vida útil de la central se realiza, en primer lugar, una justificación de la selección de la turbina con el fin de cerciorarse que la tecnología de la central es la adecuada para las condiciones que se dan en el central. Esta se encuentra en el curso bajo del río Tajo recibiendo un caudal del 1500 m3/s con una altura de 48.15 metros con lo que se comprueba que las turbinas Kaplan son las más adecuadas en esta aplicación. Por otro lado, se realiza un análisis del ciclo de vida del rodete de una de sus cuatro turbinas Kaplan, elemento generador de energía, por medio del estudio del LCC (Life Cycle Cost) en el que se tienen en cuenta los costes de: equipamientos, instalación, mantenimiento, operativo, retirada y ambientales. Con esto se obtiene que el coste del ciclo de vida para un rodete es de cuarenta mil trescientos veintinueve euros 40.329€ que teniendo en cuenta que son cuatro el número de rodetes con los que cuenta la central harían ascender esta cifra a ciento sesenta y un mil con trescientos dieciséis euros. Tras esto se concluye que al llevar 43 años la central en funcionamiento siendo de 50 años el ciclo de vida útil de un rodete, se cree necesaria la sustitución del rodete. Además, dentro del análisis de los costes, se puede comprobar que el gasto en equipamientos o coste inicial representa más de la mitad del coste completo.
Para reducir el impacto ambiental, se estudia el sistema de lubricación de la central. La central cuenta actualmente con un sistema de inyección por aceite por un cabezal situado en el eje de la turbina del que se estima que inyecta al sistema una cantidad de 2000 litros. Ese aceite se aloja en la cámara del rodete, donde sufre riesgo de fuga por los muñones de los álabes; en el eje, cojinetes y rodamientos y en el servomotor que acciona las palas directrices móviles. En el caso de los rodamientos, se estudian rodamientos autolubricado o compatibles con lubricación con agua y se determina que el cojinete HPM de GG Bearings cumple con las condiciones expuestas. Para la cámara del rodete y la lubricación de eje, se estudian dos posibilidades. En primer lugar, se estudia la sustitución del aceite mineral actual por un aceite bio lubricante con etiqueta europea ECOLABEL que certifique que su impacto en el medio es nulo. Tras el estudio, se determina que dentro de los aceites bio, el Shell Naturaelle HF E46 reduce las consecuencias de la contaminación del agua con riesgo de fuga y se calcula, además, que el coste del aceite es de trecemil cuatrocientos noventa y uno con cinco euros 13 491.5€. La segunda posibilidad estudiada es la sustitución del aceite por agua. Esta propuesta es más ambiciosa puesto que conlleva la sustitución de todos los elementos de fácil oxidación como los de hierro y acero. Para ello se lleva a cabo un estudio de los materiales aptos en caso de la lubricación con agua y se determina que el idóneo sería el acero inoxidable dúplex con un PREN superior a 38. Se deberían, por tanto, fabricar los elementos en contacto con el agua como son el rodete y aquellos elementos en el interior de la cámara de él, que al no oxidarse, reduce al máximo el mantenimiento. También serían aplicables aquí los cojinetes HPM de GG Bearings estudiados anteriormente. Teniendo en cuenta que sería también necesario dotar a la central de un sistema de bombeo para la lubricación por agua, se concluye que la sustitución del aceite por agua se trata de un proyecto que requiere de la sustitución de muchos de los elementos ya existentes. Pero, tras alcanzarse la vida útil de la central, cuando se sustituyera el rodete como anteriormente se planteaba, se podría realizar la sustitución completa de los elementos donde se podría dar la corrosión.
Por último, por la próxima construcción del parque solar más grande de Europa en la misma comunidad en la que se encuentra la central, se propone convertir la central en una de bombeo para aprovechar la energía de las horas valle para bombear agua al embalse superior. Esta reconversión puede ser: añadiendo un circuito externo de bombeo, haciendo funcionar a la turbina como turbino bomba o añadiendo una bomba al eje turbina alternador. Se descartan las dos últimas debido a la dificultad de conseguir rendimientos altos utilizando la misma turbina como bomba y porque el caudal turbinado es demasiado alto como para encontrar una bomba que eleve de vuelta ese volumen. Se trabaja más a fondo en la primera opción. Se determina que el caudal que se quiere bombear será el mismo que evacue la central con el fin de mantener constante el nivel del embalse superior. Tras realizar una comparativa entre la gama de bombas Jumbo de Sulzer se selecciona la J604 HD al ser la que más caudal puede bombear para la altura del punto de funcionamiento. Se descarta la posibilidad de contar con una única bomba que eleve los 1500 m3/s que turbina la central para evitar que toda esta labor recaiga sobre un único elemento crítico. Para calcular el número de bombas necesarias se realiza un estudio del número de horas en las que la central no se encuentra generando y se calcula que el caudal turbinado por la central es de veintiún mil seiscientos millones de litro al día 21 600 000 000 litros/día funcionando durante 4 horas. Calculamos entonces el caudal bombeado por una única bomba J604 HD en las 20 horas restantes y obtenemos que serían necesarias 910 bombas para bombear toda el agua turbinada. El coste de la instalación del sistema externo para una única bomba sería de sesenta y tres mil ochocientos sesenta euros 63 860€. Con todo esto, se concluye en primer lugar que debido a la situación de la central el suministro de caudal a la central está asegurado por lo que no sería necesario dotar a la central de un sistema de bombeo. Además, en el caso del sistema externo, debido al número de bombas requeridas y el coste del sistema se presenta incoherente llevar a cabo este sistema.

The project arises from the current problem of massive exploitation of natural resources and fossil fuels, which may be leading the planet to a situation of irreversible damage to the environment. Motivated by that and the interest of the student in the hydraulic energy, a series of improvements for a hydroelectric power station in the national territory is presented, in particular the hydroelectric power station of Cedillo, property of the group Iberdrola S.A. collaborator of the project when contributing information of said central.
Being aware of the problem of energy generation facing the world, renewable energy is presented as a part of the transition towards a more sustainable future. Within the renewables, in Spain, hydraulic generation is in second place in terms of installed power in the territory following close to wind energy, but why should we focus on hydraulic energy? Because it is an energy that provides the network with a constant generation, unlike other renewable sources, such as the wind energy or solar energy. In addition, in the case of pumping stations, it has a balancing factor for the electrical system.
From the international organizations, aware of the problem, the promotion of these technologies is being promoted by setting emission reduction objectives to mitigate the consequences of climate change and human action. From Europe the objectives for 2020 are set, about to be met, 2030 and 2050 to which Spain was adapted through the PER, renewable energy program. Other mechanisms, such as the UN, have the Sustainable Development Goals, which aim to raise society's awareness of social as well as environmental problems.
Landing in the case that concerns us, the Cedillo power station came into operation in 1976, so it is necessary to update the plant to current times. To this end, measures are proposed that go in three directions: Extend the useful life of the plant by updating its elements; Reduce environmental impact through the elimination of oil; and Balance the electrical system by the recent construction of a large solar park in the autonomous community to which it belongs.

Next, we proceed to expose the proposals carried out and the conclusions that their study has generated.
For the proposal to extend the useful life of the plant, first, a justification of the turbine selection is made in order to ensure that the technology of the plant is adequate for the conditions that occur in the plant. This is in the lower course of the Tagus River receiving a flow of 1500 m3 / s with a height of 48.15 meters, which shows that the Kaplan turbines are the most suitable in this application. On the other hand, an analysis of the life cycle of the impeller of one of its four Kaplan turbines is made, an element that generates energy, through the study of the LCC (Life Cycle Cost) in which the costs of: equipment, installation, maintenance, operation, removal and environmental are taken into account. With this you get that the cost of life cycle for a runner is forty thousand three hundred and twenty nine euros 40,329 € that taking into account that there are four the number of runners with which the power plant would raise this figure to one hundred and sixty one thousand with three hundred and sixteen euros. After this, it is concluded that after 43 years of operation of the plant, the life cycle of a runner being 50 years old, the substitution of the impeller is considered necessary. In addition, within the analysis of costs, it can be verified that the cost of equipment or initial cost represents more than half of the total cost.

To reduce the environmental impact, the lubrication system of the plant is studied. The plant currently has an oil injection system by a head located on the shaft of the turbine which is estimated to inject an amount of 2000 liters into the system. That oil lodges in the chamber of the impeller, where it suffers risk of leakage by the stumps of the blades; in the shaft, bearings and bearings and in the servomotor that drives the mobile guide blades. In the case of bearings, self-lubricating or compatible bearings with water lubrication are studied and it is determined that the HPM bearing of GG Bearings complies with the exposed conditions. For the impeller chamber and shaft lubrication, two possibilities are studied. In the first place, the substitution of the current mineral oil for a bio-lubricating oil with European label ECOLABEL certifying that its impact on the environment is zero is studied. After the study, it is determined that within the bio oils, the Shell Naturaelle HF E46 reduces the consequences of water pollution with risk of leakage and it is also estimated that the cost of the oil is thirteen thousand four hundred ninety-one with five euros 13 491.5 €. The second possibility studied is the replacement of oil with water. This proposal is more ambitious since it involves the replacement of all elements of easy oxidation such as iron and steel. For this, a study of the suitable materials is carried out in the case of water lubrication and it is determined that the ideal one would be duplex stainless steel with a PREN greater than 38. Therefore, the elements in contact with the water as they are the impeller and those elements in the interior of the chamber of it, that by not rusting, reduces maintenance as much as possible. The HPM bearings of GG Bearings studied above would also be applicable here. Bearing in mind that it would also be necessary to equip the plant with a pumping system for water lubrication, it is concluded that the replacement of oil with water is a project that requires the replacement of many of the existing elements. But, after reaching the useful life of the plant, when replacing the impeller as previously stated, it could be carried out the complete replacement of the elements where corrosion could occur.

Finally, for the next construction of the largest solar park in Europe in the same community in which the plant is located, it is proposed to convert the plant into a pumping station to take advantage of the energy of the valley hours to pump water to the upper reservoir. This reconversion can be: adding an external pumping circuit, operating the turbine as a turbine pump or adding a pump to the alternator turbine shaft. The last two are discarded due to the difficulty of achieving high yields using the same turbine as a pump and because the turbine flow is too high to find a pump that will raise that volume back. We work more thoroughly on the first option. It is determined that the flow to be pumped will be the same as the plant evacuates in order to maintain the level of the upper reservoir constant. After making a comparison between the range of Sulzer Jumbo pumps, the J604 HD is selected as it is the one that can pump the most flow for the height of the operating point. The possibility of having a single pump that raises the 1500 m3 / s that turbine the plant to avoid that all this work falls on a single critical element is discarded. To calculate the number of pumps required a study is made of the number of hours in which the plant is not generating, and it is estimated that the flow turbinado by the plant is twenty-one thousand six hundred million liter per day 21,600,000,000 liters / day running for 4 hours. We then calculate the flow rate pumped by a single J604 HD pump in the remaining 20 hours and obtain that 910 pumps would be required to pump all the turbinado water. The cost of installing the external system for a single pump would be sixty-three thousand eight hundred and sixty euros 63,860€. With all this, it is concluded firstly that due to the situation of the plant the supply of flow to the plant is assured so it would not be necessary to provide the plant with a pumping system. In addition, in the case of the external system, due to the number of pumps required and the cost of the system it is inconsistent to carry out this system.