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Las turbinas Francis se usan especialmente en centrales hidráulicas.

Rodete de la turbina Francis en 3D, generado con el perfil hidráulico.

Dimensiones principales del rodete de la turbina.

Líneas de flujo de corriente que representan la velocidad relativa del agua respecto al rodete.

José David Trillos Sierra, magíster en Ingeniería – Automatización Industrial, de la Facultad de Ingeniería de la UNAL.

Aunque las turbinas son muy eficientes en la generación de la energía, con una mejora en la eficiencia del 1 o 2 %, representarían un gran ahorro económico.

Por ejemplo, si esta genera 1.500 MW (megavatios) de energía, con la optimización realizada por José David Trillos Sierra, magíster en Ingeniería – Automatización Industrial, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), puede llegar a los 1.700 MW, y esa diferencia puede significar una cantidad grande de dinero, que se ahorra solo modificando la geometría con la que se generó la turbina.

El investigador explica que en Colombia el diseño de turbinas Francis es importante porque la generación hidroeléctrica es su principal fuente de energía. De hecho, es el cuarto país del mundo en capacidad hidráulica, con un caudal de ríos de 52.075 m³ por segundo.

Agrega que “para aprovechar los amplios recursos hídricos del país es necesario usar de maquinaria hidráulica, y entre las disponibles para tal fin la turbina Francis es fundamental por su alta eficiencia, amplio rango de uso y versatilidad en términos de dimensiones y funcionamiento”.

Según el magíster –quien desarrolló esta iniciativa en asocio con la Universidad del Valle–, uno de los principales problemas en Colombia es que el agua de los ríos trae mucho sedimento, lo que destruye poco a poco la turbina, entonces, al optimizar su geometría, hace que esta no falle tan rápido, y si se tenía que reemplazar cada seis meses ahora se reemplazaría cada año.

En ese sentido, su trabajo de maestría presenta el desarrollo de una plataforma integral que permite diseñar rodetes de turbinas Francis con base en los parámetros de sitio (altura, caudal y velocidad de rotación), mediante la optimización de dos funciones: la eficiencia hidráulica y la resistencia a la erosión.

Con inteligencia artificial

Los investigadores desarrollaron un programa de computación al cual se le ingresaron los valores del ciclo de la turbina, es decir desde dónde se va a construir y generar un diseño inicial.

A partir de ahí, el programa hace un proceso de optimización variando ciertos aspectos de la geometría de la turbina, y calcula para esa variación específica cuánta es la eficiencia y la erosión que genera para esa alteración en particular.

El programa usa un algoritmo metaheurístico que hace una búsqueda variando los parámetros para determinar cuál es la mejor combinación en general para producir una turbina más eficiente.

Además el estudio se ayudó de estrategias de inteligencia artificial, como las redes neuronales artificiales para hacer las evaluaciones, debido a que el proceso de cálculo es muy costoso computacionalmente, es decir el computador tarda mucho tiempo para hacer ese tipo de cálculo.

Ventajas en el mercado energético

El estudio apunta al fortalecimiento de la diversidad de recursos energéticos y al aprovechamiento de la energía hidráulica en Colombia desde proyectos más pequeños.

El ingeniero señala que por lo general en el país la generación hidráulica se hace es por megaproyectos, como Hidroituango o Hidrosogamoso, y la idea es “contribuir para que se hagan proyectos a pequeña o mediana escala, que puedan beneficiar a muchas personas de áreas rurales, y que a su vez no se dependa tanto de algunas compañías dedicadas a hacer este proceso”.