Diseñar y construir con éxito una central hidroeléctrica, teniendo en cuenta las limitaciones de espacio del emplazamiento y sin interrumpir el tráfico comercial en una vía fluvial muy transitada, supuso un reto para una empresa de servicios públicos del Medio Oeste y para los ingenieros del proyecto. Es un ejemplo de cómo la colaboración y la innovación se unen para garantizar el éxito. Foto por cortesía: Stantec
Los proyectos hidroeléctricos exitosos requieren una cantidad significativa de planificación, con una serie de desafíos de ingeniería relacionados con el diseño, la construcción y la instalación. Los constructores deben tener en cuenta las características naturales, como las fallas de empuje y el lecho rocoso erosionado, los problemas medioambientales derivados de la escorrentía durante la construcción y la posibilidad de que se produzcan inundaciones durante las crecidas.
Imagínese eso, multiplicado por cuatro. Eso es lo que hizo American Municipal Power (AMP) cuando decidió añadir energía verde, en este caso hidroeléctrica, a su cartera para dar servicio a sus miembros en nueve estados. AMP contrató a MWH -que ahora forma parte de Stantec- para que diseñara y construyera cuatro proyectos hidroeléctricos a lo largo del río Ohio, junto a las esclusas y presas del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos.
Capturar la energía del río era primordial; el diseño tendría que maximizar el potencial de energía verde de baja altura en cada lugar. Además, las obras no podían interrumpir el tráfico en el río, que es el segundo río de Estados Unidos en cuanto a uso comercial.
La construcción de la central hidroeléctrica de Willow Island, cerca de St. Marys (Virginia Occidental), suponía un reto especial, ya que su diseño sería diferente al de las otras tres centrales debido a su ubicación en el río. Tendría una huella más pequeña, con el espacio limitado por un ferrocarril adyacente. Los remolques de construcción y los equipos de gran tamaño debían ubicarse fuera del emplazamiento.
La empresa Ruhlin, con sede en Ohio, fue la principal contratista del proyecto. La excavación y la construcción de la ataguía comenzaron en junio de 2011. La construcción de la central eléctrica se puso en marcha en diciembre de 2012. Cuando Willow Island entró en pleno funcionamiento comercial en febrero de 2016, fue la culminación de un proceso en el que participaron 485 trabajadores en su momento álgido, de varias empresas diferentes con una amplia gama de tareas. En la actualidad, la planta de 44 MW proporciona energía renovable limpia y, al proporcionar estabilidad a la red, también permite que se sigan desarrollando fuentes renovables intermitentes, como la eólica y la solar, en la región.
Un diseño de dos turbinas
Willow Island se construyó al mismo tiempo que otras tres centrales hidroeléctricas de AMP en el río Ohio. Pero Willow Island tiene una diferencia importante: cuenta con dos turbinas de bulbo (figura 1) mientras que las otras centrales -Cannelton (88 MW), cerca de Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW), cerca de Maysville, Kentucky; y Smithland (76 MW), cerca de Smithland, Kentucky- tienen cada una tres.
1. El funcionamiento interno. Este esquema de la central de Willow Island muestra cómo el agua del río Ohio entra en la instalación y pasa por la turbina para generar electricidad. La planta está diseñada para funcionar de forma casi autónoma durante todo el año, las 24 horas del día. El personal de la planta se encarga de las inspecciones diarias de seguridad y funcionamiento. Hay entre siete y diez empleados a tiempo completo, con un mínimo de dos trabajadores por turno. Hay personal adicional en un lugar de control central para supervisar la planta y otras instalaciones de generación de AMP. Cortesía: American Municipal Power
Stephen Panozzo, director del proyecto de Stantec para Willow Island, dijo a POWER que eso se debe a que «Willow Island está situada aguas arriba de los otros tres proyectos, y por tanto tiene caudales fluviales algo menores porque tiene una cuenca más pequeña. A medida que se avanza río abajo, hay una escorrentía adicional que contribuye al flujo ya existente en el río, por lo que hay más flujo disponible cuanto más se avanza río abajo».
La energía generada en Willow Island se mueve a través de una línea de transmisión de 1,6 millas que se conecta con una línea de transmisión existente en Virginia Occidental, según AMP.
Panozzo destacó «el deseo de mantener los generadores de turbina esencialmente del mismo tamaño en los cuatro proyectos debido a las economías a través del diseño, la fabricación y, en última instancia, la operación y el mantenimiento mediante el intercambio de piezas de repuesto y similares». Señaló que AMP quería «aprovechar el rango de flujo disponible en cada uno de los sitios utilizando las máquinas deseadas, y a través de un estudio de ingeniería se determinó que dos era el número óptimo de unidades de turbina-generador en Willow Island»
Las turbinas y generadores de la planta fueron diseñados y construidos por Voith Hydro, con sede en York, Pennsylvania. Panozzo dijo que las «turbinas tienen una potencia máxima garantizada de 21,8 MW a una altura neta nominal de 16 pies a una velocidad sincrónica de 58,06 rpm», y señaló que la potencia garantizada en el punto de mayor eficiencia es de 12,6 MW.
«Las dos unidades son de eje horizontal, de rodete tipo Kaplan, en la configuración de ‘bulbo’, y están doblemente reguladas con palas de rodete ajustables y compuertas», dijo. «Cada turbina tiene tres palas de rodete y 16 compuertas, con un diámetro de rodete de 7,7 metros, o unos 25 pies. Los generadores tienen una capacidad nominal de 23,72 MVA a una tensión nominal de 6,9 kV con un factor de potencia de 0,90. El rotor es de tipo disco con 124 polos y los devanados de campo están montados en el cilindro. Los sistemas de aislamiento del estator y de los devanados de campo son de materiales de clase F, pero funcionan a temperaturas de clase B para obtener una mayor vida útil. El generador está provisto de frenos de accionamiento neumático y un sistema de recogida de polvo de los frenos para minimizar la acumulación de polvo de los frenos en el bulbo».
Desafíos de la construcción
La construcción en Willow Island tuvo muchos desafíos más allá de la necesidad de ubicar los remolques de construcción y almacenar los equipos fuera de las instalaciones. Panozzo señaló que el hecho de tener cuatro proyectos en marcha al mismo tiempo «supuso una carga para los expertos en fabricación y construcción», aunque hubo una ventaja, ya que «permitió la transferencia de conocimientos y habilidades a la siguiente generación». También estaba la cuestión de la competencia por los trabajadores de la construcción con otras industrias locales, incluidas las operaciones de petróleo y gas.
La empresa de ingeniería Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE), con sede en Nueva York, dirigió un equipo que incluía a Geocomp, una empresa de servicios de diseño y supervisión geoestructural de Massachusetts, en el diseño de la ataguía, una estructura celular formada por 16 celdas de 63 pies de diámetro y 67 pies de altura. La ataguía era un recinto estanco que permitía realizar los trabajos de construcción por debajo de la línea de flotación. MRCE diseñó anclajes de roca de gran capacidad para estabilizar el corte de roca de 60 pies de profundidad para la construcción de la planta.
La construcción de la ataguía -y su retirada- fue sólo uno de los retos particulares de la construcción en un río. Según Panozzo, «el nivel del río en la presa de Willow Island es algo imprevisible, ya que sube y baja sin previo aviso. Esto supuso un reto tras la retirada de la ataguía, aunque la casa de máquinas está diseñada para ser sobrepasada durante las crecidas». Durante la fase final de la construcción, las compuertas de la casa de máquinas permanecieron abiertas para permitir el acceso a los equipos de turbinas y generadores. Varias veces fue necesario que el contratista desmovilizara su equipo de la casa de máquinas e instalara las escotillas del techo, a veces con no más de un día de antelación»
El condado de Pleasants, en el que se encuentra St. Marys, es conocido por sus rocas y cantos rodados de arenisca, así como por el terreno escarpado a lo largo de la orilla del río. De hecho, en una zona conocida como Raven Rock, antes de que se construyeran esclusas y presas en el río, las embarcaciones fluviales a menudo tenían que esperar en la zona cuando el nivel del agua era demasiado bajo para navegar. Las inscripciones, aparentemente escritas por viajeros del río que esperaban la subida del agua, salpican muchas de las rocas a lo largo de la orilla.
«Durante la excavación de la roca, se expuso una falla de empuje a lo largo de la cara de la excavación de la casa de máquinas», dijo Panozzo, lo que significó la necesidad de instalar pernos de roca, y también requirió el uso de hormigón proyectado. Dijo que en un principio se propuso que la excavación en roca para los cimientos de la casa de máquinas, junto con partes del canal de aproximación y del canal de cola que se extienden hacia el lecho de roca, se realizaría con perforación y voladura convencionales. Sin embargo, una vez que se completó la perforación de la línea a lo largo del perímetro de la excavación, se tomó la decisión de «excavar mecánicamente la roca utilizando topadoras, excavadoras con martillo y sierras de rueda de roca en lugar de perforación y voladura». Además, se utilizó una trituradora de asfalto para excavar o recortar las superficies verticales y horizontales de la roca hasta alcanzar la línea y el grado finales en los casos en que las topadoras no pudieron arrancar las superficies de roca dentro de las tolerancias requeridas.» Las grandes excavadoras retiraron finalmente unas 410.000 yardas cúbicas de roca.
Beneficios para la comunidad
Panozzo dijo que el proyecto de Willow Island proporciona energía a 79 comunidades miembros de AMP. Su generación de carga base garantiza la estabilidad de la red, permitiendo que se construyan más fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, en la región y se conecten a la red. Panozzo dijo que la planta de energía limpia compensa unas 146.000 toneladas de emisiones de dióxido de carbono al año.
Y hay beneficios más allá del suministro de electricidad. El proyecto también es responsable de la adición de una carretera de acceso, muelles de pesca, un refugio de picnic, aseos públicos, pasarelas de hormigón y aparcamientos como parte de una zona de recreo de 14 acres. Y debería suministrar energía hidroeléctrica durante años.
«Esta planta se diseñó pensando en la próxima generación», dijo Panozzo a POWER. «Con un mantenimiento rutinario funcionará durante al menos 60 o 70 años, lo que supondrá una energía limpia y fiable para nuestros nietos». ■
-Darrell Proctor es editor asociado de POWER.