La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. El esquema general de una central hidroeléctrica puede ser: Esquema Central Hidroeléctrica
Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica. Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son evidentes: No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos. Las obras de ingenieria necesarias para aprovechar la energía hidraúlica tienen una duración considerable. La turbina hidraúlica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.
Contra estas ventajas deben señalarse ciertas desventajas: Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos. El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía. La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas. La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.
Una central de pasada es aquella en que no existe una acumulación
apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas. En una central de
este tipo las turbinas deben aceptar el caudal disponible del río "como
viene", con sus variaciones de estación en estación, o si ello 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:
PLANTA
CORTE
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.
En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido
"aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas
que forman lagos artificiales. 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.
Pueden existir dos variantes de estas centrales hidroeléctricas:
La de casa de máquina al pie de la presa:
En las figuras
siguientes observamos en PLANTA y CORTE el esquema de una central de este
tipo:
PLANTA
CORTE
La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el dibujo, en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de caracter mediano.
Aprovechamiento por derivación del agua:
En las figuras siguientes tenemos un esquema en PLANTA y CORTE de una central de este tipo:
PLANTA
CORTE
En el lugar apropiado por la topografía del terreno, se ubica la obra de toma de agua, y el líquido se lleva por medio de canales, o tuberias de presión, hasta las proximidades de la casa de máquinas.
Los desniveles en este tipo de central suelen ser mayores comparados con los que se encuentran en los tipos anteriores de centrales.
Centrales Hidroeléctricas 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.
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.
Situada en el curso alto del Aragón, casi en su cabecera, la Central de Ip es la más importante de las obras realizadas para la regulación y aprovechamiento hidroeléctrico de las aguas de este río, procedentes de los deshielos de las cumbres pirenaicas. Consta, en síntesis, de un embalse superior -utilizando el ibón de Ip- capaz de regular las aportaciones naturales de la pequeña cuenca propia, la del vecino ibón de Iserías y otros de posible captación, y de recibir, a la vez, la aportación por bombeo que se produzca. Un embalse inferior sobre el Aragón permite tanto la recepción del agua turbinada y su almacenamiento hasta la hora aconsejable de bombeo como la regulación de parte de las aportaciones naturales del río
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
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 misión 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.
Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas,
alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.
En la figura siguiente mostramos el croquis de una central de
baja caida y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores
denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento.
En la figura que sigue se muestra el corte esquemático de una
central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas
al pie de la presa. El agua ingresa por las tomas practicadas en el mismo
dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos
embutidos en el dique.
En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de
alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye
alejadas de la presa.
Hay tres tipos principales de turbinas hidraúlicas:
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
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 cemnto armado,
reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno
mediante solera adecuadas.
Casa de máquinas
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.
El agua llega por medio de una tuberia a presión
desde la toma, por lo regular alejada de la central, y en el trayecto suele
haber una chimenea de equilibrio.
La alta presión del agua que se
presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y
cierre , capaces de soportar el golpe de ariete.
Turbinas Hidraúlicas
La rueda Pelton
La turbina Francis
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la
potencia de la turbina. La de hélice o
turbina Kaplan.
En términos generales:
Rueda PELTON:
En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto
para poder apreciar la distribución de los componentes fundamentales.
Un
chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las
cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la
periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvia
sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la
parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de
una aguja colocada dentro de la tubera.
Este tipo de turbina se emplea
para saltos grandes y presiones elevadas.
Rodete y cuchara de una turbina Penton
Turbina Penton y alternador
Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción.
Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua. Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del agua. El rodete tiene los álabes de forma adecuada como para producir los efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de caracter hidrodinámico.
Turbina KAPLAN:
En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial
por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan. Las
turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la
carga.
Esta turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas
velocidades de rotación.
La figura muestra un croquis de turbina a hélice
o Kaplan.
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 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (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.
Presa de Itaipú. En esta fotografía aérea puede observarse la presa de Itaipú, proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8 km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes. En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
Javier de Lucas