Los azudes tiroleses han sido una solución estándar para la energía hidroeléctrica de montaña durante más de un siglo. Son baratos de construir, mecánicamente sencillos y funcionan: hasta el día en que fallan.
Ese día llega durante las crecidas. La reja de gruesos plana del azud tirolés se dispone horizontal sobre un azud inclinado, con una separación entre barras lo bastante amplia como para dejar pasar residuos flotantes pequeños y sedimentos. Cuando una crecida arrastra troncos, ramas, grava o una aportación sostenida de sedimentos, la reja se obstruye en cuestión de minutos. La generación de energía cae a cero. Un operador tiene que bajar con herramientas manuales y limpiar la reja: a veces durante la crecida, a veces durante los días siguientes. Muchos operadores de centrales minihidráulicas (SHP) nos cuentan lo mismo: perdieron más generación anual por episodios de obstrucción que por cualquier otro problema de explotación.
Por eso la modernización de azudes tiroleses con rejillas Coanda se ha convertido en uno de los tipos de proyecto más habituales de ADENCO. Las rejillas Coanda se autolimpian durante las mismas crecidas que inutilizan los azudes tiroleses. Emplean ángulos de rejilla más pronunciados (hasta 50° frente a los 17° típicos de un azud tirolés) y anchos de ranura menores para generar un flujo cortante a través de la rejilla, mientras los residuos flotantes se deslizan por la superficie de la rejilla y salen por el borde inferior (borde de descarga) por su propio peso.
Esta guía analiza la decisión de modernización: cuándo es la opción correcta, qué obra civil (hormigón) se necesita, tres tipos de modernización que hemos ejecutado y los errores habituales que convierten una modernización sin complicaciones en una lección cara.
Por qué los operadores modernizan las tomas con azud tirolés
La justificación económica de una modernización es casi siempre el mismo cálculo, solo que con cifras distintas.
Una central hidroeléctrica con un azud tirolés en la región del Mar Negro registró su producción perdida a lo largo de tres años. Las obstrucciones anuales por crecidas supusieron una media de 11 días de producción nula, más otros 19 días de producción reducida mientras el operador retiraba obstrucciones parciales. En una central de 4 MW con un factor de capacidad del 40 % y una tarifa regulada de unos 0,075 € por kWh, esos 30 días de producción perdida y reducida equivalieron a unos 25.000 € de ingresos perdidos al año, sin contar el coste de mano de obra de la limpieza manual ni el desgaste de la propia reja de gruesos causado por los operadores al forzar herramientas entre las barras para desprender los residuos.
Ese es el tipo de pérdida frecuente y de daño bajo. Existe además un tipo raro pero grave: una única crecida importante que deforma físicamente la reja de gruesos. Cuando un tronco queda atrapado entre las barras a la velocidad del caudal de diseño, puede doblarlas de forma permanente. Sustituir la reja cuesta 30.000-80.000 € según la estructura. Un mal año combina ambos tipos.
En una modernización con Coanda, se cambia ese coste continuo por un gasto de capital único. La propia rejilla de modernización representa una fracción del coste de capital (CAPEX) de la central hidroeléctrica. La obra de hormigón depende del tipo de modernización (más sobre esto a continuación). Y una vez instalada, la rejilla funciona hasta 25 años en servicio de agua limpia (de 15 a 20 años en ríos con alta carga de sedimentos y propensos a crecidas) junto a la estructura de hormigón original.
Los operadores que retrasan la modernización suelen hacerlo porque no saben que una rejilla Coanda es una opción para la geometría de azud que ya tienen. La buena noticia es que la mayoría de los azudes tiroleses existentes admiten modernización: a veces sin ningún cambio en el hormigón.
Cuándo la modernización es la opción correcta
Cinco condiciones, por orden de importancia:
1. La obstrucción es su principal problema operativo. Si pierde más generación de energía por obstrucción que por cualquier otra causa (paradas, temporadas de aguas bajas, incidencias de red), la modernización recupera su coste rápidamente. Si la obstrucción es una molestia menor frente a otro cuello de botella, resuelva ese primero.
2. El emplazamiento dispone de al menos 0,45 m de carga hidráulica (altura de caída) por debajo de la cresta del azud. Las rejillas Coanda necesitan esta caída para mantener un flujo supercrítico (número de Froude > 1) sobre la rejilla y ser autolimpiantes. La mayoría de los azudes tiroleses tienen entre 1 y 2 m de carga disponible, por lo que normalmente la respuesta es sí. Si su carga es ajustada, una revisión por un ingeniero de ADENCO le dirá si la geometría funcionará.
3. Su azud tiene al menos 150 mm de ancho. Esa es la unidad Coanda estándar más pequeña (ADENCO-45-0.15), y por debajo de ella no recomendamos una rejilla. Los azudes más anchos no son un problema: las baterías de varias unidades admiten cualquier caudal mayor.
4. La obra de toma de hormigón está en condiciones de servicio. Una modernización Coanda no arregla un hormigón deteriorado. Si su azud está agrietado, socavado o presenta una erosión importante, repárelo primero o presupueste la reconstrucción como parte del proyecto de modernización.
5. Merece la pena mantener la central hidroeléctrica en operación al menos 10 años más. Los costes de modernización se amortizan con la generación futura de energía. Una central al final de su concesión y sin renovación a la vista es una decisión distinta.
Si se cumplen las cinco condiciones, la decisión de modernizar es sencilla. Si se cumplen tres o cuatro, hable con un ingeniero. Si se cumplen dos o menos, la modernización probablemente no sea su medida más eficaz.
Qué se mantiene y qué cambia
La sorpresa agradable de la mayoría de las modernizaciones de azud tirolés a Coanda es cuánta infraestructura existente se mantiene en su sitio.
Se mantiene (en la mayoría de las modernizaciones):
- La estructura del azud de hormigón (el propio umbral).
- La cámara de recogida de agua aguas abajo de la rejilla.
- El aliviadero de bypass, si existe.
- La conexión de la tubería forzada (entrada).
- El muro frontal y la geometría de aproximación, en la mayoría de los casos.
Cambia (siempre):
- El propio panel de rejilla. La reja de gruesos tirolesa se retira y se sustituye por una rejilla Coanda de alambre en cuña.
- A menudo también el bastidor de soporte de la rejilla, dimensionado según la nueva geometría de la rejilla.
Puede que haya que cambiar (según el emplazamiento):
- La sección transversal de la cresta del azud, si el azud tirolés estaba configurado para aportar un flujo de aproximación subcrítico y la rejilla Coanda necesita flujo supercrítico.
- El ángulo del soporte de la rejilla, si el azud tirolés estaba a 15-20° y el diseño de la rejilla Coanda exige un ángulo más pronunciado (40-50°).
- La altura del muro frontal, si es necesario elevar el nivel de agua aguas arriba para lograr la geometría de aproximación correcta.
La cantidad de obra de hormigón es lo que determina el tipo de modernización. Tres tipos cubren la mayoría de los emplazamientos.
Tres tipos de modernización
Tipo 1: sustitución directa del panel
La modernización más económica. El nuevo panel de rejilla Coanda encaja en el soporte de rejilla existente, atornillado en el lugar que ocupaba la antigua reja de gruesos. Sin cambios en el hormigón. La fabricación es de 2 a 4 semanas para pedidos estándar (hasta 6 semanas para matrices de varias unidades y hasta 8 semanas para matrices de más de diez unidades); la instalación, de 1 a 2 días; la puesta en marcha, el mismo día.
Cuándo funciona: cuando la geometría del azud existente ya aporta un flujo de aproximación dentro de los límites de diseño de una rejilla Coanda (carga hidráulica ≥ 0,45 m, velocidad de barrido de 1,8-3,7 m/s al caudal de diseño) y el soporte de rejilla existente es dimensionalmente compatible con un panel Coanda.
Ejemplo real: la modernización de TISKI Trabzon para TISKI (Administración de Agua y Alcantarillado de Trabzon): 64 rejillas Coanda suministradas en dos fases, en sustitución de las placas de toma tirolesas existentes en obras de toma de agua municipales envejecidas. Sin necesidad de reconstruir el azud.
Tipo 2: modificación parcial del azud
El tipo intermedio. Se sustituye el panel de rejilla Y se remodela la cresta del azud o se modifica el ángulo del soporte de la rejilla. La obra de hormigón se limita a unos pocos metros cúbicos: un cambio en la sección transversal de la cresta del azud, o un nuevo soporte de rejilla con un ángulo más pronunciado atornillado al azud existente.
Cuándo funciona: cuando el azud existente es estructuralmente sólido pero geométricamente inadecuado: normalmente un azud tirolés a 15-20° que debe pasar a ser una rejilla Coanda a 40-50° para lograr un flujo cortante correcto. La estructura existente aporta la cimentación; la modificación aporta la geometría.
Ejemplo real: la modernización de la central hidroeléctrica Seydioğlu de Trabzon: el azud tirolés original de 17° se sustituyó por una rejilla Coanda de 50°, lo que exigió un rediseño completo de la sección transversal del azud. La base de hormigón original se mantuvo; la parte que soporta la rejilla se reconstruyó con la geometría correcta.
Tipo 3: reconstrucción completa de la toma
El tipo más pesado. El diseño de la rejilla Coanda obliga a un azud nuevo, un muro frontal nuevo, todo nuevo. La obra de hormigón es del orden de decenas de metros cúbicos de hormigón más armadura.
Cuándo funciona: cuando la toma existente está en mal estado estructural, O cuando la geometría existente está tan lejos de ser compatible con una rejilla Coanda que modificarla por partes cuesta más que reconstruirla desde cero.
Este tipo es menos frecuente que los dos primeros. La mayoría de las modernizaciones de azudes tiroleses corresponden al Tipo 1 o al 2.
Recorrido por un proyecto de modernización de ADENCO: TISKI Trabzon
El proyecto de TISKI Trabzon es un caso práctico útil porque muestra de principio a fin cómo es una modernización de Tipo 1 bien ejecutada.
Emplazamiento: tomas municipales de agua bruta envejecidas en la red de TISKI. Varios puntos de toma en un sistema regional. Las rejas de gruesos originales eran placas de tipo tirolés, con una separación entre barras demasiado ancha para una filtración fina y un ángulo demasiado tendido para ser autolimpiantes.
Problema operativo: obstrucción persistente durante episodios de gran cantidad de residuos flotantes. La limpieza manual era el procedimiento habitual de operación. TISKI dedicaba horas de operario cada semana a la limpieza en toda la red.
Decisión de modernización: sustitución directa del panel en cada punto de toma. Los azudes de hormigón y las estructuras de soporte existentes estaban en buen estado. Solo era necesario cambiar los paneles de cribado.
Trabajo de ingeniería: ADENCO inspeccionó cada punto de toma, midió y registró la geometría existente y diseñó rejillas Coanda que se ajustaban a las dimensiones de montaje existentes. Cuando las dimensiones variaban entre tomas, las rejillas se personalizaron en lugar de imponer un único diseño a todas las tomas.
Fabricación: Dos etapas de entrega: Etapa 1 (22 rejillas), después Etapa 2 (42 rejillas). 64 en total. Todas en acero inoxidable 304.
Instalación: Sin obra de hormigón. Las placas de gruesos existentes se desatornillaron; las nuevas rejillas Coanda se atornillaron en los mismos soportes. En cada toma de agua, el tiempo total de parada fue inferior a medio día.
Resultado: Consumo eléctrico nulo (las rejillas son pasivas). Autolimpiante en todo el rango de caudal de funcionamiento. Las horas de operador dedicadas a la obstrucción en la red bajaron a un nivel que TISKI describe como «insignificante».
La inversión total del proyecto resultó un orden de magnitud inferior a la reconstrucción de las obras de toma afectadas. Esa es la comparación de costes de la modernización en la práctica.
Errores habituales en una modernización
En 12 años de modernizaciones Coanda se repiten los mismos cinco errores. Evítelos y el proyecto avanzará sin contratiempos.
Error 1: Especificar la ranura demasiado fina. La tentación es elegir una ranura más estrecha de lo que exige la aplicación, partiendo de la idea de que «cuanto más estrecha, mejor». No es así. Las ranuras más estrechas se ensucian antes, aumentan la pérdida de carga y requieren una inclinación del alambre en cuña menor que limita la velocidad de barrido. Elija el ancho de ranura en función de la aplicación: normalmente 1,0 mm para energía hidroeléctrica con residuos flotantes moderados, y más estrecha solo para protección de peces o para retirar partículas finas. Una ranura más ancha solo si tiene residuos flotantes abundantes y no necesita una filtración fina.
Error 2: Ignorar la geometría de aproximación. Una rejilla Coanda solo es tan buena como el flujo que la alcanza. Si la aproximación es turbulenta (cresta del azud irregular, balsa asimétrica detrás del azud, vertidos no previstos sobre el azud), la rejilla se obstruirá por pulsos en lugar de autolimpiarse. Mida y registre la geometría de aproximación con precisión durante la fase de ingeniería, no el día antes de la instalación.
Error 3: Omitir la revisión por un ingeniero en emplazamientos poco habituales. La mayoría de las modernizaciones de azudes tiroleses son de manual. Algunas no lo son: valores de carga hidráulica poco habituales, anchos de azud poco habituales, tipos de residuos flotantes poco habituales, caudales de diseño muy altos o muy bajos, modernizaciones combinadas con requisitos de protección de peces. Estos emplazamientos son precisamente donde la revisión por un ingeniero amortiza su coste. Nuestra Herramienta de dimensionamiento muestra un aviso automáticamente ante estas condiciones y las envía a un ingeniero de ADENCO para su revisión antes de que empiece la fabricación.
Error 4: Especificar un grado de material insuficiente. El acero inoxidable 304 es la opción estándar para arroyos de montaña de agua dulce; el 316L se selecciona cuando el agua presenta cloruros o influencia de agua de mar. Ninguno de los dos es la opción correcta para aguas agresivas con alto contenido en cloruros (geotérmicas, estuarinas costeras, salobres cálidas). Elegir un grado austenítico para una química del agua que exige Duplex 2205 o Super Duplex 2507 convierte una rejilla diseñada para 25 años en una que dura 5. Confirme la química del agua (un análisis medido, no una suposición) antes de la fabricación.
Error 5: No instalar barras de protección donde hacen falta. Los entornos de explotación con «residuos flotantes abundantes» y «riesgo de crecidas» necesitan barras de protección aguas arriba (barras de acero inoxidable montadas delante del alambre en cuña que reciben el impacto de rocas y madera). Los troncos y la grava gruesa pueden dañar los paneles de alambre en cuña a las velocidades de flujo propias de una crecida. Las barras de protección cuestan una pequeña fracción de la rejilla que protegen. Si su emplazamiento tiene algún antecedente de grandes residuos flotantes durante las crecidas, inclúyalas.
Lista de comprobación de la solicitud de oferta (RFQ) para la modernización de un azud tirolés
Cuando esté listo para solicitar oferta para la modernización de un azud tirolés, envíe estos datos a la ingeniería de ADENCO. Cuanto más completa sea la información que facilite, más precisa será la propuesta revisada por un ingeniero.
- Geometría del azud existente: ancho, sección transversal del umbral, ángulo actual de la reja de gruesos, carga hidráulica disponible (altura de caída) por debajo de la cresta del azud.
- Caudal de diseño en l/s o m³/h. Tanto el caudal máximo de funcionamiento como el caudal mínimo de funcionamiento.
- Datos de la reja de gruesos actual: separación entre barras, superficie total, disposición de los soportes.
- Tipo de masa de agua: río / arroyo de montaña / canal / embalse; régimen estacional de caudales; antecedentes de formación de hielo, si los hay.
- Tipo y carga de residuos flotantes: qué queda retenido actualmente (hojas / ramas / grava / limo / mezcla); antecedentes de crecidas.
- Química del agua: pH, contenido en cloruros (mg/L), sólidos disueltos totales (TDS), carga de sedimentos. Análisis de laboratorio si se dispone de él.
- Requisitos de protección de peces, si los hay. Criterios de cumplimiento del organismo regulador local.
- Fotografías: toma de agua actual, azud, detalle de la reja de gruesos, geometría de aproximación, recogida aguas abajo.
- Calendario de licitación o de entrega: fecha deseada de puesta en marcha, estructura del contrato o subcontrato.
Puede enviarlo como RFQ en formato libre a través del Formulario de contacto o introducirlo primero en la Herramienta de dimensionamiento para obtener una configuración preliminar antes del RFQ formal. El resultado de la herramienta de dimensionamiento tiene calidad de ingeniería y merece los 5 minutos; elimina la mayor parte del intercambio de mensajes del ciclo de oferta.
La modernización de un azud tirolés a Coanda es una de las mejoras de capital de mayor rendimiento disponibles para una central minihidráulica de tamaño medio. La cantidad de obra de hormigón suele ser pequeña. La ganancia operativa suele ser grande. Y la comparación de costes de la modernización es favorable en casi todos los emplazamientos donde la obstrucción es el principal problema operativo.
Cuando el azud tirolés le está costando producción, modernícelo. La nueva rejilla amortiza su coste rápidamente.