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miércoles, 19 de enero de 2011

ENERGÍA HIDRÁULICA

Origen

La energía hidráulica es la energía cinética del movimiento de masas de agua, o la energía potencial del agua disponible a una cierta altura. Como la mayoría de las otras energías renovables, la energía hidráulica es una consecuencia de la radiación solar. El Sol inicia el ciclo hidrológico (figura 1) evaporando agua de la superficie de la Tierra (océanos, lagos, etc.) que, posteriormente, al precipitar y fluir por la superficie de los terrenos es capaz de proporcionar esta energía.

Figura 1. La energía hidráulica en el ciclo hidrológico

Si m kilogramos se elevan verticalmente una altura de H metros la energía potencial almacenada, Ep viene dada por la siguiente expresión:

Ep = mgH

Donde g es la aceleración de la gravedad. A partir de esta formula puede calcularse el limite superior absoluto de capacidad hidroeléctrica. En el mundo la precipitación anual se estima alrededor de 1017 litros, y la altura media del terreno sobre el nivel del mar es algo menos de 800 metros. La suma anual de energía almacenada es por tanto algo menos de 200.000 TWh al año. Esta energía equivale aproximadamente al doble del consumo anual de energía primaria en el mundo. Sin embargo, no existe tecnología que pueda capturar toda la cantidad de agua de lluvia que cae.
Una parte del agua será siempre inaccesible y otra se evaporará antes de que pueda usarse. Si se calcula el potencial hidráulico mundial a partir del caudal de agua de los ríos puede estimarse que el recurso total es del orden de 50.000 TWh anual. Es decir, una cuarta parte del estimado a partir de las precipitaciones; pero todavía representa cuatro veces la producción total anual de todas las actuales estaciones de potencia del mundo. Un cálculo más realista debería contemplar el uso de embalses y condiciones locales como topografía de los terrenos y pluviometrías. Estimaciones actuales del potencial hidroeléctrico técnicamente explotable en el mundo sugieren una capacidad del orden de 2-3 TW, con una producción anual de 10.000-20.000 TWh. En la actualidad la capacidad de generación hidroeléctrica instalada en el mundo, sin tener en cuenta los sistemas de pequeña escala y las instalaciones privadas, es aproximadamente de 630 GW, con una producción anual de 2.200 TWh, es decir un 10% del potencial técnico explotable.


Potencial

Cerca de un cuarto de la energía solar que incide sobre la tierra se consume en la evaporación de agua.
El vapor de agua en la atmósfera representa, por consiguiente, un enorme y continuo almacenamiento de energía renovable.
Desafortunadamente la mayor parte de esta energía no está disponible para ser usada: es reciclada en la atmósfera cuando el vapor de agua condensa para formar la lluvia o la nieve, y finalmente reradiada en el espacio.
Pero una pequeña fracción, menos de un diez por ciento del total de energía circulante, permanece potencialmente disponible cuando la lluvia cae en terrenos elevados, ya que el agua situada a una cierta altura contiene energía almacenada (energía potencial gravitacional).
La potencia en vatios de este recurso se estima mediante la expresión siguiente:
P=ρQgHη

Donde ρ es la densidad del agua en kg/m3, Q el caudal de agua en m3/s que circula por las tuberías que la conducen a las turbinas (figura 5), g la aceleración de la gravedad en m/s2 , H el desnivel en metros y η es el rendimiento del sistema. De la anterior expresión se deduce que puede obtenerse la misma energía aprovechando grandes caudales con pequeños desniveles o pequeños caudales y grandes desniveles. El rendimiento recoge las pérdidas de energía debidas al rozamiento y turbulencias del flujo del agua en los canales y tuberías. Estas pérdidas varían mucho de un sistema a otro, alcanzándose rendimientos que oscilan entre un 75% y un 95%. A estas pérdidas hay que añadir el rendimiento de los sistemas de transformación de la energía hidráulica en energía eléctrica, que aunque actualmente son muy eficientes, inevitablemente, son menores del 100%.
En la (figura 2) se muestra la potencia instalada frente a la potencia
instalable, para las seis grandes áreas del mundo.

Figura 2. Potencia instalada frente a la potencia instalable, para las
seis grandes áreas del mundo

Tecnología

Actualmente la energía hidráulica se destina fundamentalmente a la generación de electricidad. Las plantas hidroeléctricas actuales son el resultado de 2.000 años de avances tecnológicos, desde la rueda de madera, que convertía un bajo porcentaje de energía hidráulica en energía mecánica útil, a los modernos turbogeneradores que giran a 1.500 revoluciones por minuto y producen energía eléctrica con muy altos rendimientos. A diferencia de las otras energías renovables, la energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy bien establecida.
Para transformar la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación se utilizan dispositivos denominados turbinas hidráulicas, las cuales, acopladas al eje de un generador eléctrico, le imprimen el movimiento de giro necesario para que éste produzca energía eléctrica.
La tipología de las centrales hidroeléctricas es muy variada. Estas dependen
de:
• La altura útil del salto.
• La capacidad de generación.
• El tipo de tecnología.
• La localización y tipo de presa, embalse, etc.
Según el tipo de central las instalaciones hidráulicas pueden clasificarse
fundamentalmente en:
• Centrales de agua fluyente.
• Centrales con embalse.
Figura 3. Molino nórdico o griego

Existen muchos posibles usos de la potencia del agua que no contemplan la generación de electricidad. La energía hidráulica puede utilizarse directamente una vez transformada en energía mecánica; de hecho está ha sido la aplicación exclusiva de la potencia hidráulica hasta la mitad del siglo XIX. La energía hidráulica ha sido una de las primeras fuentes de energía utilizadas para reducir la carga de trabajo del hombre y de los animales. No se conoce con exactitud cuando se inventó la rueda de agua, pero los sistemas de irrigación existen desde hace al menos 5.000 años y parece probable que el primer aparato que utilizó la potencia hidráulica fue la noria, elevando agua desde un río a un tanque o a un sistema de canales.
Los primeros molinos de agua fueron probablemente molinos de eje vertical destinados a la molienda de grano, conocidos como molinos nórdicos o molinos griegos (figura 3),
Figura 4. Molino romano

los cuales se estima aparecieron durante el primer o segundo siglo antes de Cristo en el Medio Este y unos siglos después de Escandinava.
En la época del Imperio Romano se construyeron molinos más sofisticados. Estos, que disponían de una rueda de eje horizontal con engranajes y eran destinados a la molienda de grano, fueron descritos por Vitrubio (ingeniero y arquitecto romano) en el siglo I a.C. (figura 4)
La elevación de agua y la molienda de grano no fueron las únicas aplicaciones de los molinos de agua, ya que en los siglos siguientes la energía hidráulica tuvo aplicación en el trabajo del hierro, la fabricación de papel, y los procesos asociados con el trabajo de la madera y el algodón.
A finales del siglo XVIII existían tres tipos de ruedas. La rueda horizontal de empuje inferior, en la que las paletas inferiores se encontraban sumergidas en la corriente de agua que las empujaba; la rueda horizontal de empuje superior, la cual giraba gracias a que el agua caía sobre las palas desde arriba; y la rueda horizontal de empuje central, que era un compromiso entre las dos anteriores.
Sin embargo, el despegue de la aplicación de la energía hidráulica a la producción de electricidad ha sido fruto de extraordinarias series de descubrimientos científicos y desarrollos técnicos en electricidad ocurridos durante el siglo XIX, aunque los cambios significativos en lo que ahora se denomina hidro tecnología también jugó su papel a partir del año 1832 en que Benoit Fourneyron diseño la primera turbina, que operaba con rendimientos del orden del 80%.


Las centrales de agua fluyente aprovechan desniveles naturales del cauce de un río. Mediante una presa o un azud desvían parte del caudal del río por un canal de derivación hasta la llamada cámara de carga, donde está conectada la tubería forzada que conduce el agua con la mayor pendiente posible hacia el edificio de la central (figura 5), donde se encuentran las turbinas, los generadores eléctricos y demás aparatos de regulación y control.
Figura 5. Central hidroeléctrica de agua fluyente

El agua, una vez cede su energía a la turbina, se evacua por un canal de descarga devolviéndola de nuevo al cauce del río.
Estas centrales se caracterizan por disponer de un salto útil prácticamente constante, y un caudal utilizado por la turbina muy variable, dependiendo de la hidrología.
Por tanto, en este tipo de aprovechamiento, la potencia instalada es función directa del caudal que pasa por el río.
Las centrales con embalse son aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la posibilidad de almacenar las aportaciones de agua de un río. El almacenamiento del agua se lleva a cabo mediante la construcción de un embalse o utilizando embalses construidos para otros usos, como riego o abastecimiento de poblaciones. Estas centrales pueden regular el caudal de agua que se envía a las turbinas con el propósito de adaptar la energía eléctrica producida a la demanda. En función del volumen de agua almacenado en el embalse, la regulación de la energía generada puede ser horaria, diaria o semanal (figura 6)
Figura 6. Central hidroeléctrica con embalse

Gracias a la capacidad de almacenamiento y regulación de este tipo de centrales algunas de ellas utilizan el exceso de energía producido por las centrales térmicas y nucleares (que funcionan a ritmo continuo, ya que no pueden fácilmente regular su generación), o la energía variable generada por parques eólicos, para bombear agua desde un depósito inferior al embalse situado aguas arriba y así almacenarla en forma de energía potencial (figura 7)

Figura 7. Central hidroeléctrica con
hidrobombeo

De forma general pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes en una central hidroeléctrica:
• Obra civil.
• Turbinas hidráulicas y transmisiones mecánicas.
• Generadores eléctricos.
• Subsistema de regulación y control.
La obra civil se compone de forma general de(figura 5):
• Los elementos de retención (azudes y presas), destinados a retener el cauce de un río, y los elementos de seguridad para la evacuación de caudales, integrados por aliviaderos y compuertas.
• Los canales de derivación, cuya función es conducir el caudal de agua derivado hasta una cámara de descarga, pueden ser a cielo abierto, enterrados o una conducción a presión.
• La cámara de carga consiste en un depósito (mucho más pequeño que un embalse) ubicado en el otro extremo del canal. Estas cámaras alimentan a las tuberías forzadas.
• Las tuberías forzadas son las encargadas de conducir el agua desde la cámara de carga o desde el embalse hasta la turbina.
• El edificio central en cuyo interior se encuentran las turbinas, los generadores eléctricos y demás aparatos de regulación y control.
Su ubicación requiere adecuados estudios topográficos, geológicosgeotécnicos y de accesibilidad.

Un azud consiste en un muro situado transversalmente al curso del agua y que no poduce una elevación notable del nivel. Se construye de tierra cubierta con hormigón o de hormigón.
Las presas provocan una notable elevación del nivel de un río mediante la construción de un embalse. Estas pueden ser de gravedad (resiste el empuje del agua por su propio peso), presa bóveda (que tienen forma de arco y resisten el empuje del agua apoyándose sobre las riberas) y presas de bóveda múltiple (que son bóvedas de pequeño espesor realizadas en hormigón armado, con contrafuertes sobre los qe se apoyan), pero que no se aplican en minicentrales.
En toda presa se construye algún aliviadero, diseñado para el caudal máximo de la crecida, que tiene por objeto proteger el lugar y la presa misma contra las inundaciones. Estos aliviaderos pueden ser fijos, (vertederos, pozos o sifones) o móviles (compuertas). Las compuertas, que existen de diversos tipos (deslizantes, basculantes, de segmento, de sector, etc.), pueden ser accionadas de forma hidráulica, eléctrica, etc.

Un elemento esencial de una instalación hidroeléctrica es la turbina hidráulica.
En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos:
• Turbinas de acción.
• Turbinas de reacción.
Las turbinas de acción aprovechan la presión dinámica debida a la velocidad del agua en el momento de su acción en la turbina. Las turbinas de reacción aprovechan además la presión estática al trabajar en el interior de compartimentos cerrados a presión superior a la atmosférica.
Dentro del primer grupo pueden señalarse las denominadas turbina Ossberger o Banki-Michell (también conocida como turbina de flujo cruzado o de doble mpulsión), la turbina Turgo con inyección lateral y la turbina Pelton.
La turbina Pelton constituye la turbina de acción más ampliamente utilizada. Consta de una rueda o rodete, que dispone en su periferia una especie de cucharas o álabes. El chorro de agua, dirigido y regulado por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas en dirección tangencial al rodete y perpendicular a su eje de giro, que puede ser horizontal o vertical) provocando
el movimiento de giro de la turbina (figura 8)

Figura 8. Turbina Pelton

Este tipo de turbinas se suelen emplear en centrales hidroeléctricas que disponen de un gran salto (la altura mínima de agua debe ser de 25m.), independientemente de la variación de caudal. Estas turbinas suelen proporcionar rendimientos superiores al 90% en condiciones de diseño.
Dentro del segundo grupo pueden mencionarse la turbina Francis y la turbina Kaplan. La turbina Francis es la turbina más comúnmente utilizada en las actuales centrales hidroeléctricas. En la turbina Francis, que actualmente Turbina puede presentar variedad de formas, el agua es impulsada a los álabes del rodete de manera perpendicular al eje de giro (que puede ser horizontal o vertical) y expulsada axialmente en dirección paralela a dicho eje gracias a la torsión que presentan los álabes (figura 9) Para orientar el agua hacia el rodete existe un distribuidor de álabes fijos o móviles, y para lograr la componente radial del flujo de agua a la entrada del rodete existe una cámara (que puede ser abierta o cerrada) con forma espiral.

Figura 9. Turbina Francis

Para mantener la diferencia de presiones necesaria para la correcta operación de la turbina existe un tubo de salida o de aspiración.
La turbina Francis se adapta muy bien para distintos saltos y caudales y presenta un rango de operación considerable. Estas turbinas se pueden encontrar en instalaciones con saltos de 2 metros o en instalaciones con saltos de 200 metros.
El rendimiento de una turbina Francis depende del porcentaje de caudal de equipamiento, es decir del caudal máximo que puede enviarse a la turbina. En condiciones óptimas de operación este rendimiento puede ser superior al 90%. Asimismo, es necesario señalar el rendimiento de las turbinas de reacción aumenta con el tamaño de las mismas.
Para transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica se utilizan generadores eléctricos. El generador puede ser de corriente continua (dinamo) o de corriente alterna (alternador). Estos últimos son los únicos que se utilizan.
El alternador está compuesto de dos partes fundamentales: el rotor o inductor móvil, encargado de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina y el estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de corriente alterna típicamente utilizadas se clasifican en máquinas síncronas y máquinas asíncronas o de inducción. La mayor desventaja de los generadores síncronos es que necesitan de una batería de condensadores conectada a la salida, la cual compense la energía reactiva generada. Para la creación del campo magnético el generador asíncrono debe estar conectado a la red y tomar de ella la corriente. Los generadores síncronos necesitan que se les excite con una corriente continua, que se puede generar internamente (autoexitación) o con una dinamo auxiliar.
En la mayoría de los diseños de centrales hidroeléctricas la velocidad de giro de la turbina es menor que la velocidad a la que debe girar el generador eléctrico. Por este motivo es necesario instalar una caja multiplicadora de la velocidad entre la turbina y el generador.
Las centrales hidroeléctricas disponen de diversos dispositivos de regulación, control y protección adecuados al tipo de tecnología empleada y del funcionamiento previsto. Fundamentalmente controlan la turbina (caudal utilizado por las turbinas, regulación de potencia de centrales aisladas, etc.) y el generador (regulación de la tensión de generadores síncronos, batería de condensadores de grupos asíncronos, etc.). Las protecciones, que pueden ser mecánicas y eléctricas) de los diferentes subsistemas actúan cuando existe una anomalía en su funcionamiento.
Actualmente existen en el mundo instalaciones hidroeléctricas cuya capacidad instalada se encuentra en el rango de unos pocos cientos de vatios (figura 10) a más de 10.000 MW (figura 11). En función de la potencia instalada las centrales hidroeléctricas se clasifican en centrales y
minicentrales, asignándose a este segundo grupo aquellas centrales cuya potencia es igual o inferior a 10.000 KVA.

Figura 10. Central hidroeléctrica El Mulato (La Palma)

La minicentral hidroeléctrica de El Mulato (figura 10), en la isla de La Palma, dispone de un salto
de 450 m y tiene una potencia instalada de 820 kW, pero normalmente solo utiliza entre 300 y 500 kW. En épocas pasadas las minicentrales de Tazacorte (400 kW), El Remolino (100 kW) y El Mulato, las dos primeras actualmente sin explotar, generaban suficiente energía para cubrir la demanda de toda la isla.
La central hidroeléctrica de Itaipu, en el río Parana entre Brasil y Paraguay, es la mayor del mundo. La altura efectiva es de 120 metros y el caudal medio de agua es de 9 000 m3/s, con picos de más de 30 000 m3/s. Cada generador tiene una capacidad de 700 MW y dispone de 18 unidades, representando una capacidad de 12,6 GW. (Figura 11)

Figura 11. Central hidroeléctrica de Itaipu (Brasil)


Costes

La energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy conocida. Los sistemas de control del agua y los turbogeneradores para extraer la potencia constituyen tecnologías estándar. Las instalaciones existentes cubren un rango de potencia que abarca desde cientos de vatios a miles de megavatios. Sin embargo, a pesar de los datos disponibles, es muy difícil si no imposible
generalizar todos los costes de las centrales hidroeléctricas.
El coste de cada kilovatio-hora obtenido mediante un sistema hidroeléctrico depende del coste de la instalación, la cual debe amortizarse a lo largo de la vida; del coste de explotación; y de la energía producida, que depende en gran medida del caudal de agua en el emplazamiento (para una altura dada)
El coste de la instalación depende fundamentalmente del coste de los siguientes elementos: Maquinaria (turbinas, generadores, multiplicadores, etc.), obra civil (accesos, embalses, canales, tuberías, edificaciones, etc.), sistema eléctrico (líneas eléctricas, transformadores, sistema de control, regulación y protección), e ingeniería y dirección.
El coste dominante lo constituye la instalación, y una gran parte de este coste lo genera los costes de la obra civil los cuales varían notablemente de un lugar a otro. De media, la obra civil puede significar quizás dos tercios del coste de la instalación. Pero podría alcanzar el 80%, o solo el 25%, si la central puede hacer uso de presas existentes y embalses.
Si se consideran los costes de la maquinaria como una cantidad fija para una capacidad de central dada, el costo de la instalación puede variar entre menos de la mitad y más del doble de la media. Este margen puede establecer la diferencia entre viabilidad o no viabilidad del proyecto.
Los costos específicos de la instalación dependen de la capacidad instalada de la central.

La inversión necesaria para llevar a cabo la instalación de una minicentral
hidráulica puede estimarse descompuesta en cuatro grandes partidas, cuyos
porcentajes medios estimativos se reflejan en la (figura 12.)

Figura 12. Distribución de los costes de inversión

Los costes de explotación se desglosan en costes por alquiler de terrenos, costes de operación y mantenimiento (personal, repuestos y consumibles), costes de gestión y administración y costes de seguros e impuestos. Estos representan una muy pequeña cantidad comparados con los costes de inversión de la instalación.
Un factor determinante cuando se pretende calcular el coste del kWh producido es el denominado factor de capacidad anual de la central, es decir, el porcentaje respecto de la potencia instalada en que opera la central. Ya que puede existir una gran diferencia, en cuanto a producción se refiere, entre la generación de la central funcionando constantemente a plena capacidad, y funcionando intermitentemente, usando una fracción de la capacidad instalada. Las centrales hidroeléctricas suelen operar con un factor de capacidad medio algo bajo (40%), si se compara con el de las centrales convenciones que utilizan combustibles fósiles o energía nuclear
(60%-80%)
En general, las centrales adecuadamente instaladas están sin duda produciendo la energía más barata de muchos países. En Escocia, por ejemplo, con una gran proporción de centrales hidroeléctricas, el coste medio del kWh producido es más o menos dos tercios del coste de todas las energías generadas en el Reino Unido. También ocurre algo similar en la mayoría de las centrales hidroeléctricas instalados en Estados Unidos.

Impacto ambiental

La incidencia que las instalaciones de aprovechamiento hidroeléctrico pueden tener sobre el medio ambiente hay que analizarlos desde dos vertientes:
a) Desde el punto de vista de los beneficios que supone producir energía eléctrica disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y, por tanto, reduciendo los efectos negativos de éstos sobre el medio ambiente (emisión de CO2 y NOx, lluvia ácida, residuos tóxicos, etc.); b) desde el punto de vista de la afectación al medio ambiente.
Entre las posibles alteraciones del medio físico que las instalaciones hidroeléctricas pueden generar durante la etapa de construcción y la etapa de explotación se encuentran:
• La inundación de extensas zonas, con el consiguiente impacto ambiental.
• Pérdidas de suelo agrícola, ganadero o/y forestal por erosión e inundación.
• Cortes de vías de comunicación.
• Reajustes de las corrientes de agua y los efectos asociados sobre la calidad y cantidad de agua y fauna acuática.
• Reducción de la diversidad biológica.
• Desaparición de especies animales por degradación o destrucción de su hábitat.
• Alteraciones bioclimáticas locales.
• El proceso de construcción en si mismo puede causar alteraciones generales, y aunque el periodo de edificación puede durar solo unos pocos años, el efecto sobre un ambiente frágil puede ser más prolongado. Incluso la presa en si misma puede ser objeto de preocupación, tanto por su impacto visual como por la posibilidad de su fallo catastrófico.