CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

1.Introducción:

Una central hidroeléctrica es aquella central destinada a la generación de energía mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una presa situada a un nivel más alto río arriba.

El agua es conducida por una tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde se produce la generación de energía eléctrica en alternadores mediante el movimiento de enormes turbinas hidráulicas.

La primera central hidroeléctrica del mundo se construyó en 1880 en el condado de Northumberland, Gran Bretaña. A principios de la década de los años veinte gran parte de la producción total de electricidad era generada en gran parte por centrales de este tipo.

A principios de los noventa, las primeras potencias mundiales en producción hidroeléctrica eran los Estados Unidos y el Canadá. En todo el mundo, este sistema de producción eléctrica representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad. Los países en los que constituye la fuente de energía más importante son Noruega (99%), la República Democrática del Congo (97%) y el Brasil (96%).

2.Funcionamiento

La energía se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior, lo que provoca el movimiento de turbinas hidráulicas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere la construcción de pantanos, presas y canales de derivación; y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para la generación de electricidad.

2.PRINCIPALES COMPONENTES

-Presa: El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que tiene como función atajar el río y remansar las aguas.

Con estas construcciones se logra un determinado nivel de agua antes de la contención y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.

Las presas pueden clasificarse según su material de construcción en presa de tierra y presas de hormigón. Estas últimas son las más utilizadas y pueden dividirse en presas de gravedad (las que tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua) y presas de bóveda (necesitan menos material que las otras y se suelen utilizar en gargantas estrechas).

-Aliviaderos: Son elementos vitales de la presa y tiene la misión de liberar el agua embalsada sin que ésta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

La función asignada a los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca de amortiguación que se encuentra a pie de presa. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad según requiera una determinada situación.

-Tomas de agua: Son construcciones que permiten recoger el agua para llevarla hasta las turbinas a través de diversas conducciones.

El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas. Es necesario hacer la entrada a las turbinas por conducción forzada y por ello es necesario que exista una cámara de presión en la unión entre el canal y la turbina. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente la tubería forzada a las tomas de agua de la presa.

Debido a variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones.

Las estructuras forzadas suelen ser de aceros con refuerzos regulares a lo largo de su longitud.

-Casa de máquinas: es la construcción donde se ubican las máquinas y los elementos de regulación y comando. Está construida de manera compacta y la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma presa. Las compuertas de entrada y de salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de máquinas en caso de reparación o montajes.

-Turbinas: Hay tres tipos de turbinas hidráulicas que desarrollaremos en el apartado especifico para ellas. Éstas son:

-La rueda Pelton

-La turbina Francis

-La hélice o turbina Kaplan

3.TIPOS DE TURBINA

Como acabamos de decir, hay tres tipos de turbinas hidráulicas (Pelton, Francis y Kaplan). Cada una de ellas está aconsejada para los distintos casos de salto de agua y potencia de la turbina. En términos generales cada una se usa así:

-La rueda Pelton para saltos grandes.

-La turbina Francis para saltos de tamaño medio.

-La turbina de hélice, también denominada turbina Kaplan, para saltos pequeños.

-Rueda Pelton: En ellas, un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado incide sobre las cucharas de la rueda. El agua se desvía sin chocar mientras cede toda su energía cinética para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina.

Esta es la turbina del tipo Pelton expuesta en la central de Río Blanco.

-Turbina Francis: son de reacción y se emplean en saltos medianos. Estas turbinas tienen una corona distribuidora de aguas en vez de toberas. Esta corona rodea por completo al rodete, y para lograr que el agua entre radialmente a este rodete existe una cámara espiral que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del fluido.

-Turbina Kaplan: En los casos en los que el agua sólo circula en dirección axial se ponen este tipo de turbinas. Tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga. Estas turbinas aseguran un buen rendimiento aunque tengan bajas velocidades de rotación.

4.VENTAJAS E INCONVENIENTES

-Ventajas:

Es renovable.

No se consume, ya que se toma el agua en un punto y se devuelve a otro en cota inferior.

Es autóctona y no es necesario importar nada para producir energía.

Es completamente segura para los seres vivos.

No genera calor ni emisiones contaminantes.

Genera muchos puestos de trabajo en su construcción.

Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.

Requiere inversiones muy cuantiosas que se realizan normalmente en comarcas de montaña muy deprimidas económicamente.

La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez; y además requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

A menudo puede combinarse con otros beneficios como la irrigación, la protección contra las inundaciones, el suministro de agua, navegación y ornamentación del terreno para generar turismo.

También genera experiencia y tecnología fácilmente exportables a países en vías de desarrollo.

-Inconvenientes:

Altera el normal desenvolvimiento en la vida biológica del río.

Las centrales de embalse tienen un serio problema con la evaporación de agua.

En el caso de centrales construidas en zonas tropicales, está demostrado que en los grandes pantanos en la selva se generan muchas epidemias e infecciones.

Los costos de capital por kilovatio instalado suele ser muy altos.

El emplazamiento lo determinan características naturales y esto da lugar a que puedan estar lejos de los centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad muy caro.

La construcción lleva largo tiempo en comparación con la de las centrales térmicas.

La disponibilidad de la energía puede fluctuar entre las estaciones debido a la variación en el caudal de los ríos.

5.TIPOS DE CENTRALES

-Central hidroeléctrica de pasada: Es aquella en la que no existe una acumulación de agua apreciable río arriba de las turbinas.

En una central de este tipo, las turbinas deben aceptar el caudal disponible del río, con sus variaciones de estación en estación; o si es imposible, el agua sobrante se pierde por rebosamiento.

En ocasiones, un embalse relativamente pequeño bastará para impedir esa pérdida por rebosamiento.

El esquema de una central de este tipo puede ser el siguiente:

En la misma se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra de la casa de máquinas puede estar integrada en la misma presa.

El desnivel entre “aguas arriba” y “aguas abajo” es reducido y, si bien se forma un remanso de agua a causa del azud, no es demasiado grande.

Este tipo de central requiere un caudal suficiente de manera constante para asegurar una potencia determinada a lo largo del año.

-Central hidroeléctrica con embalse de reserva: En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido río arriba de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales (pantanos).

El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que se puede hacer pasar por las turbinas.

Al tener embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada.

Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos.

Pueden existir dos variantes de estas centrales hidroeléctricas:

a) La casa de maquina a pie de presa

b) Aprovechamiento por derivación del agua

-Centrales hidroeléctricas de Bombeo: Las centrales de Bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país.

Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel a lo largo del día, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía.

Al caer el agua almacenada en el embalse superior hace girar un rodete de la turbina asociada a un alternador.
Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.

6.Las presas según su aplicación:

Presa de derivación en el río Mosa

- Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.

- Presas de control de avenidas: son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.

- Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.

En la foto, la bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la bocatoma.

6.1Definiciones relativas al apartado:

Bocatoma: Una bocatoma, o captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar desde un curso de agua, río, arroyo, o canal; o desde un lago ; o incluso desde el mar, una parte del agua disponible en esta, para ser utilizada en un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, acuicultuta, enfriamiento de instalaciones industriales, etc.

7.Lugares de presas importantes:

Mundo:

La presa de las Tres Gargantas está situada en el curso del río Yanki en China y es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo.

La presa tiene como finalidad, además, mejorar las condiciones en el curso medio e inferior de río, permitiendo controlar las inundaciones y mejorar la navegación fluvial. Tendrá dos centrales hidroeléctricas que contendrán un total de 26 turbinas. La represa tendrá 2.309 metros de largo y 185 metros de alto.

España:

La central hidroeléctrica de Villarino tiene por fin aprovechar, mediante un desnivel, la energía potencial contenida en forma de agua para convertirla en energía eléctrica utilizando unas turbinas acopladas a unos alternadores.
La gran cantidad de agua que se retiene, es mediante una presa, la presa de Almendra, formando así un embalse o lago artificial del que se generará un salto de agua, para liberar eficazmente la energía potencial de la masa de agua y transformarla posteriormente en energía eléctrica, este tipo de centrales hidroeléctricas se llaman centrales con regulación.
El aprovechamiento del agua, consiste en llevar el agua de la presa por una galería de conducción con apenas desnivel, hasta un depósito llamado chimenea de expansión. De esta chimenea arranca una tubería forzada que conduce el agua hasta la sala de máquinas de la central. Posteriormente el agua es restituida al rio Duero, utilizando un canal de descarga de agua abajo.
En la central propiamente dicha, se encuentran los equipos eléctricos formados por los grupos turbina-alternador. El agua que llega por la galería forzada es conducida hasta los álabes de la turbina, que unida por un eje al alternador hacen que el rotor de éste gire, induciendo en el estator una corriente eléctrica de alta intensidad y media tensión. Ésta mediante un transformador, pasará a ser de baja intensidad y alta tensión, apta por lo tanto para su transporte y distribución a los centros de consumo.

Galicia:

Es la central hidroeléctrica de la Castellana en Coruña. Construcción de Edificio de Control y construcción de 609 metros lineales de Canal de hormigón armado rectangular de 3,20 m. de base y 2,80 m. de altura .