sábado, 30 de octubre de 2010

Energía Hidraúlica: Energía Renovable Fundamental

Concepto Físico

La energía hidráulica es la energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Por lo tanto la energía hidráulica es el aprovechamiento de la energía del agua en movimiento .
Nota: La palabra griega hidros significa agua.



Antecedentes Históricos

Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo XII. Durante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos.
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En la entrada en el siglo XX originan una gran dependencia de la electricidad en aquellos países donde el avance de la industria era imparable.  Por aquel entonces la principal fuente de energía era el carbón, pero según fue pasando el tiempo se descubrieron nuevas formas para la producción de energía eléctrica. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

Centrales Hidroeléctricas: Principales Componentes

La Presa

El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y remansar las aguas.
Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.
Las presas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en:
  • Presa de Tierra

  • Presa de Hormigón

Las presas de hormigón son las más utilizadas y se puede a su vez clasificar en:
  • De gravedad:  Como se muestra en la figura tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua.

  • De bóveda: Necesita menos materiales que las de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas.
    En estas la presión provocada por el agua se transmite integramente a las laderas por el efecto del arco.


Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas.
Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.
La misisón de 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 que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación.
Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.

Tomas de agua

Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para lleverlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberias.
Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberias, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.

El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central.
Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con conducción forzada siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la turbina.
Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberias forzadas a las tomas de agua de las presas.

Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberias forzadas y álabes de las turbinas. A estas sobrepresiones se les denomina "golpe de ariete".

Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva, ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua.

La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con esto se consigue evitar el golpe de ariete.

Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidraúlico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.

Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante solera adecuada.

Casa de máquinas

Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.
En la figura siguiente tenemos el corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caida. La presa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas.
Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la trubina se hace por medio de una cámara construida en la misma presa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.

  1. Embalse
  2. Presa de contención
  3. Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja
  4. Conducto de entrada del agua
  5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas".
  6. Turbina hidraúlica
  7. Alternador
  8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina
  9. Puente de grua de la sal de máquinas.
  10. Salida de agua (tubo de aspiración
  11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas"
  12. Puente grúa para maniobrar compuertas salida.
  13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada.

Turbinas Hidraúlicas

Hay tres tipos principales de turbinas hidraúlicas:

La rueda Pelton
La turbina Francis
La de hélice o turbina Kaplan
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.
En términos generales:


La rueda Pelton conviene para saltos grandes.
La turbina Francis para saltos medianos.
La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños.



Tipos de Centrales Hidroeléctricas

Se pueden clasificar según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.
En primer lugar hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denominan:



  • Centrales de Agua Fluente (o de pasada)



  • Centrales de agua embalsada, clasificadas a su vez:

      • Centrales de Regulación
      • Centrales de Bombeo.
    Según la altura del salto de agua o desnivel existente:


  • Centrales de Alta Presión




  • Centrales de Media Presión.




  • Centrales de Baja Presión



  • Según la potencia eléctrica generada:
    • Gran hidráulica a aquellas centrales con una potencia >10 MW;
    • Minihidráulica, centrales con una potencia entre 1 MWy 10MW;
    • Microhidráulica, centrales con una potencia menor a 1MW
    Centrales de Agua Fluente:
    Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.

    No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.

    Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.

    En la misma se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra del edificio de la central (casa de máquinas) puede formar parte de 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 suficientemente constante para asegurar a lo largo del año una potencia determinada.
    Esquema de Planta
    Esquema de Alzado


    Centrales de Agua Embalsada:
    Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.

    El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas.
    Con 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.
    • Centrales de Regulación:
    Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales.
    Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.
    • Centrales de Bombeo:
    Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidraúlicos 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.
    Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible.
    La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.



    Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el 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 hace rel 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.

     
    Centrales de Alta Presión:
    Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina.
    Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud.
    Utilizan turbinas Pelton y Francis.

    Centrales de Media Presión:
    Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200-20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.
    En valles de media montaña, dependen de embalses.
    Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes.

    Centrales de Baja Presión:
    Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300m3/s.
    Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan.



    Vida Útil de una Central Hidroeléctrica
     Superior a los 30 años.

    Emisiones de C02 de una Central Hidroeléctrica
    Sólo se imputan emisiones en la construcción de la central. La gereración de energía hidráulica tiene una emisión equivalente de C02 nula. Es una energía totalmente limpia.


    Ventajas de la Energía Hidraúlica

    • Energía de regulación fiable: Su capacidad de bombeo, la convierte en el instrumento más efectivo para cubrir oscilaciones en la demanda. Es una energía fundamental para Red Eléctrica.
    • Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure. Se puede almacenar.
    • Rentabilidad por bajo coste de generación: Una vez construida la central, se aprovecha la energía potencial del agua.
    • Contribuye a reducir el déficit en la balanza exterior de pagos: Su producción no depende del suministro de ningún combustible.
    • "No contamina" (en la proporción que lo hacen el petróleo, carbón, etc.): Nos referimos a que no emite gases "invernadero" ni provoca lluvia ácida, es decir, no contamina la atmósfera, por lo que no hay que emplear costosos métodos que limpien las emisiones de gases.
    • Seguridad:  Las centrales hidroeléctricas no plantean problemas de seguridad relativos a las personas o el entorno, salvo en el caso de que cuenten con embalses deteriorados. Más aún, los embalses pueden ser considerados como un mecanismo de seguridad que ayuda a controlar crecidas imprevistas, regulando el caudal del río.
    • Produce trabajo a la temperatura ambiente: No hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan, por lo que es más rentable en este aspecto.
    • Almacenamiento de agua para regadíos
    • Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc)

    Inconvenientes de la Energía Hidraúlica

    Su rendimiento depende de las condiciones meteorológicas:
    Si la región donde se instala una central hidráulica sufre una severa sequía, el ritmo de producción de energía disminuirá

    El resto de inconvenientes son tipo de ambiental y se pueden tomar adoptar de mitigación:
    • Las presas : Obstáculos insalvables
    Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar.
    • "Contaminación" del agua
    El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río.
    • Privación de sedimentos al curso bajo
    Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.

    • Inundaciones de terrenos
    La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que significa perdida de tierras del valle, generalmente las más fértiles.

    En el pasado se han construido embalses que han inundado pueblos enteros.  


    Datos Releventes de la Energía Hidraúlica 

    Generación de Energía Hidraúlica en el Mundo

    La energía hidráulica es la fuente renovable de electricidad más importante y más utilizada en el mundo. Representa un  19% de la producción total de electricidad, siendo  Canadá el productor más importante de energía hidroeléctrica, seguido por los Estados Unidos y Brasil.

    Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas.

    Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), República Democrática del Congo (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Acciona hasta 14.000 MW dispuestos a pie de presa (el doble de la potencia nuclear instalada en España).

    Aproximadamente dos tercios del potencial hidroeléctrico económicamente viable quedan aún por desarrollar. La energía hidráulica no aprovechada es todavía muy abundante en América Latina, África central, India y China.


    La Energía Hidraúlica en España

    Representó en 2009 y el 1,7% de nuestra energía primaria y el 9% de nuestra producción eléctrica. Todos los datos relevantes de las centrales hidroeléctricas españolas y su peso relativo en el sistema energético y en el mix eléctrico, se muestran a continuación.


    En 2010, según datos de UNESA, se está produciendo se está produciendo un aumento del 74%  en la produción de energía hidráulica, pero como vamos a ver, la característica más importante, debido a las diferencias en las precipitaciones anuales, ha causado la variabilidad de esta energía en España.









     




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