Tecnología PAT (pumps as turbines)

Como sistema alternativo para regular la presión en la red de acueducto de EPM y aprovechar sus excesos en generación de energía eléctrica.

Tecnología PAT (pumps as turbines) como sistema alternativo para regular la presión en la red de acueducto de EPM y aprovechar sus excesos en generación de energía eléctrica

Beatriz Munera y Elizabeth Naranjo
Beatriz.Munera@epm.com.co
Elizabeth.Naranjo@epm.com.co

Gerencia Desarrollo e Innovación, EPM

El agua que abastece a la ciudad de Medellín y su área metropolitana es captada por EPM de los embalses Río Grande II, Piedras Blancas y la Fe, ubicados por encima de los 2150 msnm (metros sobre el nivel del mar). La ciudad de Medellín se encuentra a una altitud media de 1.495 msnm, y por esta diferencia de altura, es posible transportar el agua hasta el punto de consumo por gravedad. No obstante, dadas las características topográficas y la magnitud del gradiente de altura entre los puntos de captación y los de abastecimiento, la presión inducida por la columna de agua es tan alta que es necesario el uso de dispositivos que reduzcan la presión al interior de la red de transporte para evitar roturas de las tuberías y, en consecuencia, fugas de agua.

Los dispositivos más comúnmente usados para reducir la presión en redes de acueducto son las válvulas disipadoras y reguladoras de presión.

Las reguladoras de presión tienen como función reducir una elevada presión aguas arriba de la válvula a un valor menor constante aguas abajo de la misma, empleando una compuerta interna que se cierra o se abre, según los requerimientos de la red. En el caso de las disipadoras, el estrangulamiento al que es sometido el fluido al interior de la válvula hace que la energía que trae consigo hasta ese punto de la red se disipe y siga fluyendo con una energía menor.

Con el propósito de aprovechar esta energía, en lugar de disiparla, se han desarrollado dispositivos que la transforman en electricidad. Este tipo de dispositivos son conocidos como turbinas y pueden ser de dos tipos, hidrocinéticas o hidráulicas.

La tecnología PAT (pumps as turbines)

Una desventaja de las turbinas hidráulicas convencionales para aplicaciones de pequeña magnitud de generación obedece a que tienen un costo muy elevado en comparación con la magnitud de generación, por lo que se requiere innovar con tecnologías eficientes y de bajo costo mediante la conversión de bombas en turbinas hidráulicas, lo cual es conocido como PAT (bombas como turbinas por sus siglas en inglés).

La tecnología PAT consiste en adaptar una bomba centrifuga convencional para que opere en sentido contrario y en lugar de impulsar el agua (bomba), reciba el impulso del agua para generar energía (turbina), lo cual ofrece las siguientes ventajas:

Las bombas tienen una producción industrial que cubre una amplia gama de caudales y presiones que al convertirlas en PAT, permiten aplicarlas en condiciones donde no es viable hacerlo con turbinas hidráulicas convencionales, lo cual hace que su costo por kilovatio sea menor.
Las bombas como turbina (PAT) generan energía significativa en aplicaciones de tuberías a presión en diámetros desde 1,5 m, hasta diámetros tan pequeños como 1 pulgada.
Tanto las turbinas hidráulicas convencionales como las bombas como turbina tienen una larga trayectoria de funcionamiento práctico y confiable a lo largo de los años.

El Proyecto Piloto

Actualmente EPM cuenta con 704 válvulas reguladoras de presión y 34 válvulas disipadoras de energía instaladas en la red de acueducto de la ciudad de Medellín, y tiene planeado instalar aproximadamente 500 válvulas reguladoras y 10 disipadoras más. Teniendo en cuenta que con la instalación de sistemas PAT sería posible, además de regular la presión en la red, generar ingresos adicionales por la venta o ahorros por autoconsumo de energía eléctrica, es de interés de la Gerencia Desarrollo e Innovación – GDI y la Gerencia Provisión Aguas, avanzar en el conocimiento de tecnologías de generación de electricidad que aprovechen los excesos de presión que se presentan en la red de acueducto de la ciudad de Medellín, por lo que han venido trabajando en la estructuración de un proyecto piloto que tenga como base evaluar la viabilidad de implementación de la tecnología PAT y su compatibilidad con los sistemas actuales instalados en la red, además de adquirir conocimiento, capacidades y competencias técnicas y organizacionales asociadas con esta tecnología para su potencial integración a los modelos de operación de la red de acueducto y de gestión de la energía de EPM, de cara a configurar un caso de negocio de contribución al EBITDA por los ingresos adicionales que se obtendrían de la venta de energía eléctrica.

Para desarrollar el proyecto mencionado, se celebró un contrato entre Liquim Ingeniería S.A.S y Empresas Públicas de Medellín E.S.P. que consistió en la generación de energía en dos sitios definidos conjuntamente entre las Partes, con aplicación en válvulas reguladoras de presión (VRP) y válvulas disipadoras de energía (VDE), considerando:

Un sitio de la red del acueducto, en donde se encuentre instalada una válvula reguladora de presión (VRP) y que ofrezca un potencial de generación de alrededor de 25 kilovatios (kW) o superior, para instalar un sistema de generación con una bomba como turbina de 25 kW.
Un sitio de la red del acueducto en donde se encuentre instalado un sistema de válvula(s) disipadoras de energía (VDE) (normalmente ubicadas a la entrada de algunos tanques de almacenamiento) y que ofrezca un potencial de generación mayor o igual que 75 kW, para instalar un sistema de generación con bombas como turbina para generar hasta alrededor de 75 kW, preferiblemente con una configuración de varias PAT instaladas en paralelo.

El piloto se encuentra en ejecución desde el 21 de mayo de 2018 y tendrá una duración de 850 días calendario, y comprende las siguientes actividades:

Ejecución de mediciones de variables hidráulicas previas, para determinar la capacidad de generación de cada sitio y el número de horas al día en que se espera la generación en el rango de diseño.
Cálculos de ingeniería y diseño detallado de los sistemas de generación mediante bombas centrífugas adaptadas para trabajar como turbinas. Esta actividad comprende a su vez, los cálculos hidráulicos de los sistemas de generación, la selección de los equipos adecuados, y el establecimiento de sus curvas de desempeño de acuerdo con la capacidad hidráulica de los sistemas de tuberías existentes en cada caso.
Procura de equipos y componentes, y suministro de dichos equipos y componentes
Pruebas hidráulicas, adaptaciones y ajustes de los equipos a las condiciones esperadas de operación
Instalación o montaje de los equipos
Pruebas de desempeño en el sitio de instalación
Puesta en marcha de los sistemas
Capacitación en la operación y mantenimiento de los sistemas PAT instalados
Evaluación de la compatibilidad y efectividad de la tecnología para reducir la presión en la red de acueducto a los niveles requeridos y determinar las ofertas de potencia y tiempos en el sitio.

Asesoría o acompañamiento por espacio de un año, para seguimiento, registro, evaluación y análisis de las variables de desempeño, para que el proyecto piloto pueda ser adaptado a las necesidades específicas y pueda ser difundido a los demás sitios de la red de acueducto de EPM, donde sea aplicable.