Energía hidráulica by Investigación ambiental

Claudia Leiva Bautista

Energía hidráulica Se obtiene del aprovechamiento de la energía cinética y potencial de la corriente de los ríos y los saltos de agua. La energía hidráulica se puede transformar a muy diferentes escalas, por ej.: la corriente de un río mueve un pequeño molino rural de trigo Sin embargo, la aplicación más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas El origen de la energía hidráulica está en el propio ciclo hidrológico de las lluvias Este proceso está originado por tanto, de manera más primaria, por la radiación solar terrestre. Es posible sólo en regiones donde se combinan abundantes lluvias con desniveles geológicos importantes, con valles profundos y cerrados para la construcción de presas. Alrededor del 20% de la electricidad usada en el mundo procede de esta fuente.

UN POCO DE HISTORIA •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 energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.

• La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textil y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible.

• La energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio.

• Las presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. La construcción de grandes presas de contención todavía no era posible; el bajo caudal de agua durante el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.

Desarrollo de la energía hidroeléctrica:

•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. • El diseño de las turbinas depende del caudal de agua. • Las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios o bajos. • Las turbinas Pelton se utilizan 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.

CENTRAL DE ITAIPU (BRASIL)

CENTRALES HIDROELECTRICAS

¿Qué es una central hidroeléctrica? Las centrales hidroeléctricas son aquellas centrales que obtienen la energía eléctrica o la electricidad a partir de la energía potencial del agua que está retenida en una presa. Su objetivo es aprovechar, mediante un desnivel, la energía potencial contenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a alternadores.

¿Qué es una central hidroeléctrica? La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. 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. Luego el agua sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y van conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua.

Características de una central hidroeléctrica Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son -La POTENCIA, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la transformación -La ENERGÍA garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

EVALUACIÓN DE LA DIFERENCIA DE POTENCIAL  ab

d  dt

• Para encontrar el potencial en una espira, la ley de Faraday nos dice que: “el potencial eléctrico en los extremos de una espira es igual a menos el cambio del flujo de densidad magnética con respecto al tiempo”

ESQUEMA DE GENERACIÓN Y TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

USO DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA

TURBINA HIDRÁULICA Y GENERADOR ELÉCTRICO ACOPLADOS POR UN EJE

DIFERENTES TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS

Tipos de turbinas • • • • • • •

PELTON 1.-Rodete 2.-Cuchara 3.-Aguja 4.-Tobera 5.-Conducto de entrada 6.-Mecanismo de regulación • 7.-Cámara de salida

Turbinas de Centrales embalsadas

Rodete Francis para gran potencia (izquierda) y rueda Pelton de una central de EEUU (derecha).

Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales:  Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande)  Pelton (saltos grandes y caudales pequeños)  De hélice

FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS

EFICIENCIAS DE LAS TURBINAS HIDROELÉCTRICAS • Las turbinas modernas están diseñadas de forma que la conversión de energía hidráulica se transforma en energía mecánica en un 95%

PLANTA CON TURBINAS HIDROELÉCTRICAS (Oregon USA)

SELECCIÓN DE TIPO DE TURBINA 

VE  n

W H

• Para seleccionar el tipo de turbina se calcula la velocidad específica VE, definida por la relación de arriba, donde n es la velocidad en rpm, W punto es la potencia en kW, H es la altura de entrada del fluido en m. • Después se selecciona la turbina de acuerdo con la descripción siguiente:

SELECCIÓN DE TIPO DE TURBINA Turbina Francis 500 Turbina de propelas 900 Kaplan 1000 Peltón 1-jet Peltón 2-jet Turgo

VE ················· 70VE ················600VE ················350VE ················10-35 VE ················10-45 VE ·················20-80

RANGO DE APLICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDROELÉCTRICAS

Potencia de una central hidroeléctrica La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en MEGAVATIOS (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:

Pe = potencia en vatios (W) ρ = densidad del fluido en kg/m³ ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0,75 y 0,90) ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0,92 y 0,97) ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0,95/0.99) Q = caudal turbinable en m3/s H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros (m) En una central hidroeléctrica se define: Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible. Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.

TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA EN ENERGÍA MECÁNICA 1  2  ET  M V  M gH 2

• La turbina es una maquina que transforma la energía contenida en el fluido, por velocidad o altura, en energía mecánica de movimiento de rotación. la energía disponible es la relación presentada arriba.

CAPACIDAD DE UNA INSTALACIÓN HIDROELÉCTRICA P  MgH • La capacidad de una instalación hidroeléctrica esta determinada por la relación del producto de la masa total utilizable por la constante gravitacional y por la altura de la caída de altura.

LA MINIHIDRÁULICA Y MICROHIDRÁULICA • Se definen las centrales en función de su capacidad como: Micro hidráulica si la central es menor de 1 MW. Mini hidráulica si la central tiene entre 1 y 5 MW. Pequeña central si la central tiene entre 5 y 30 MW .

Los pa铆ses con mayor capacidad instalada en operaci贸n de centrales (2-10 MW) son: Pa铆s Centrales Capacidad Potencial (MW) (MW) China 2178 6040 71994 Jap贸n 597 2852 13332 Austria 2200 500 8847 Francia 1720 2250 3424 Italia 1493 2022 18550 Suiza 1003 737 1569

País Noruega Rumania Finlandia España México

Centrales 530 263 235 175 17

Capacidad (MW) 879 273 300 835 74.26

potencial (MW) 2283 1255 428 1997 nd

Países que tienen mayor capacidad instalada de micro hidráulica en el mundo País Centrales Capacidad (MW) China 1119 1476 Japón 638 494 Austria 1900 430 Francia 1500 750 Italia 1031 322 Suiza 892 450

País España Noruega Rumania Finlandia Brasil México

Centrales Capacidad(MW) 513 376 231 190 173 16

317 169 128 90 114 15.76

Funcionamiento: El agua cae desde la presa hasta unas turbinas que se encuentran en su base. Al recibir la fuerza del agua las turbinas comienzan a girar. Las turbinas est谩n conectadas a unos generadores, que al girar, producen electricidad. La electricidad viaja desde los generadores hasta unos transformadores, donde se eleva la tensi贸n para poder transportar la electricidad hasta los centros de consumo.

CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Tipos de centrales hidroeléctricas Según su régimen de flujo:

.Centrales de embalse: Son las centrales hidroeléctricas mas habituales. Se usa un gran embalse para retener el agua y disponer de caudal suficiente para generar energía eléctrica durante todo el año.

.Centrales de agua fluyente o derivación:  Tienen pequeños embalses que prácticamente no afectan a la generación de electricidad. Turbinan el agua disponible en ese momento. Dependen absolutamente del caudal de río. Es indispensable para un rendimiento optimo de la central hidroeléctrica que el río tenga un caudal constante durante todo el año.

Según su concepción arquitectónica:

.Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas por medio de una tubería en presión.

.Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías en presión, o por la combinación de ambas.

Según su altura de caída del agua:

•

Centrales de alta presión Que corresponden con el high head, y que son las centrales de más de 200 m de caída del agua, por lo que solía corresponder con centrales con turbinas Pelton.

•

Centrales de media presión Son las centrales con caída del agua de 20 a 200 m, siendo dominante el uso de turbinas Francis, aunque también se puedan usar Kaplan.

•

Centrales de baja presión Que corresponden con el low head, son centrales con desniveles de agua de menos de 20 m, siendo usadas las turbinas Kaplan.

•

Centrales de muy baja presión Son centrales correspondientes con nuevas tecnologías, pues llega un momento en el cuál las turbinas Kaplan no son aptas para tan poco desnivel. Serían en inglés las very low head, y suelen situarse por debajo de los 4m.

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 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 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

1.Embalse superior 2. Bomba 3.Galería de conducción 4.Tubería forzada 5. Tubería principal 6. Central 7. Turbinas y generadores 8. Desagües 9. Líneas de transporte de energía eléctrica 10. Embalse inferior o río

Principales componentes de una Central Hidroeléctrica 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: 1.Presa de tierra 2.Presa de hormigón

1.Presa de tierra

2.Presa de hormig贸n

Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misi贸n liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de m谩quinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie. La misi贸n de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.

Los Aliviaderos

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 llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías. 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.

Chimeneas de equilibrio

Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías 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 hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía

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 turbina 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.

Turbinas Hidráulicas 1.Rueda PELTON: 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.

2.Turbina FRANCIS: 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

3.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

Alternador

Centrales HidroelĂŠctricas en el mundo -Three Gorges 18.460 MW, China

-Itaipu 14.750 MW, Brazil/Paraguay

-Sayanao-Shushenskaya 6.500 MW, Russia

Grand Coulee 6.495 MW, USA

GENERACION DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA EN EL MUNDO

COSTOS DE GENERACION DE ENERGÍA HIDROELECTRICA • LOS COSTOS DE INSTALACION POR KWH PARA 50 AÑOS DE VIDA ÚTIL SON DE 2.9 USD . • LOS COSTOS DE INSTALACION POR KWH PARA 20 AÑOS DE VIDA ÚTIL SON DE 3.4 USD. • LOS COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO SON REDUCIDOS PARA UNA PLANTA HIDROELECTRICA.

IMPACTO AMBIENTAL • EL IMPACTO AL AMBIENTE ES REDUCIDO. • EL IMPACTO SOCIAL SI ES APRECIABLE SOBRE TODO CUANDO SE INICIA LA CONSTRUCCION CAUSANDO INCERTIDUMBRE A LA COMUNIDAD. • GENERACIÓN DE METANO EN BAJA PROPORCIÓN. • A MEDIANO PLAZO LOS DAÑOS, PRODUCIDOS AL AMBIENTE POR LA CONSTRUCCION DE LAS PRESAS, SE REPARAN CON EL CRECIMIENTO DE FLORA NATURAL.

Crear embalses de gran volumen podría ser una ayuda para compensar, en lo posible, el aumento del nivel de las aguas del mar, que se está produciendo debido al cambio climático. El aumento se debe a la fusión del casquete polar antártico (el ártico está sobre el mar y su fusión no aumentaría el nivel) y de los glaciares de las montañas, que forman una reserva de agua en la tierra. Podrían sustituirse estas reservas de agua helada por embalses de gran tamaño de agua líquida, de modo que una gran cantidad no llegue al mar, lo que evitaría, hasta cierto punto, la crecida de nivel.

• Muy probablemente, evitar la inundación de miles de kilómetros cuadrados de tierras con poca elevación sobre el nivel del mar (que afectaría muy especialmente a países pobres) evitaría unos importantes daños ecológicos en las zonas costeras, que compensarían otros daños ecológicos que pudieran producirse en las zonas del interior.

• Se calcula que las aguas retenidas en los grandes embalses construidos recientemente, han reducido el crecimiento del nivel del mar a la mitad de lo que hubiera podido crecer. Sin embargo, esta solución sería muy costosa porque las previsiones de dentro de 50 años estiman que el nivel del mar subirá unos 3 metros.

Ventajas e inconvenientes de la energĂa hidrĂĄulica

VENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA • No requiere combustible. • Los costos de mantenimiento y de explotación son bajos. • Las obras de ingeniería para aprovechar la energía tienen una duración muy larga. • Se tiene flexibilidad de operación. • Tiene bajo mantenimiento. • Da beneficios adicionales a la comunidad.

• Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure. • "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. • 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.

• Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc.). Las centrales no impiden bañarse ni estar en el agua. • Evita inundaciones por regular el caudal. Las centrales no generan inundaciones. • No se consume. Se toma el agua en un punto y se devuelve a otro a una cota inferior. • Genera experiencia y tecnología fácilmente exportables a países en vías de desarrollo.

DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA 1. Los costos por kW instalado son muy altos. 2. Como las plantas están lejos de los centros de consumo, las inversiones crecen adicional a la central hidroeléctrica. 3. La construcción lleva más tiempo que una central termoeléctrica. 4. La disponibilidad fluctúa durante las diferentes estaciones del año.

• 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. • Altera el normal desenvolvimiento en la vida biológica. Impide el normal desarrollo de la vida los animales.

• En el caso de las centrales de embalse construidas en regiones tropicales, estudios realizados han demostrado que generan, como consecuencia del estancamiento de las aguas, grandes enfermedades. • Las centrales hidráulicas cuestan mucho dinero en construir y no son competitivas comparado a las fuentes fósiles ya que estas son bastante mas baratas. • Dependen de los factores climáticos. Por ejemplo: si en un río se instala una central hidráulica y se produce una sequía, esta ya no funciona