temaiii. central hidraúlica - IES Al

TEMA III
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
3.1.-Centrales hidroeléctricas. Energía hidráulica
Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene
del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del
agua, saltos de agua o mareas
Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire, hace
que el agua de los mares, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y
se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia.
Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua
almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina
engranada con un generador de energía eléctrica
La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y
cinética contenida en las masas de agua que transportan los ríos, provenientes
de la lluvia y del deshielo. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se
hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un alternador
el cual la convierte en energía eléctrica.
La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en
Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:
Donde:
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.
3.2.-CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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.
Principio de funcionamiento:
La energía mecánica del agua (cinética o potencial) se transforma en energía
mecánica de rotación mediante una turbina hidráulica
La energía mecánica de rotación se emplea para accionar un generador
eléctrico y obtener energía eléctrica.
3.3.-FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Como ejemplo de funcionamiento de una central hidroeléctrica se ha elegido un
Salto a pie de presa, como la representada en la figura. Básicamente es el
siguiente: gracias a una presa (2), ubicada en el lecho de un río, se acumula
una cantidad de agua que forma un embalse (1). La energía potencial del salto
generado se transforma posteriormente en energía eléctrica. Para ello, se
sitúan en el paramento aguas arriba de la presa unas tomas de agua formadas
por una bocina de admisión, protegida por una rejilla metálica (3), y por una
cámara de compuertas que controla la entrada del agua a una tubería forzada
(4). Normalmente, ésta atraviesa el cuerpo de la presa y tiene por objetivo
llevar el agua desde las tomas hasta los equipos de la central eléctrica.
El agua, a presión de la tubería forzada, va transformando su energía potencial
en cinética, es decir, va adquiriendo velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa
sobre los álabes del rodete de la turbina (6), haciéndolo girar. El rodete de la
turbina está unido por un eje (7) al rotor del generador (8) que, al girar con los
polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna de
media tensión y alta intensidad.
Mediante transformadores (9), es convertida en corriente de baja intensidad y
alta tensión para poder ser enviada a la red general mediante las líneas de
transporte (10).
El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas abajo de
la central.
Normalmente, una central hidroeléctrica dispone de varios grupos turbinaalternador (5). El conjunto de éstos suele estar alojado en una sala de
máquinas o edificio de la central propiamente dicho.
Los elementos constructivos que forman una central hidroeléctrica son
los siguientes:
Presa, aliviaderos y tomas de agua, canal de derivación, chimenea de
equilibrio, tuberías de presión, cámaras de turbinas, canal de desagüe y sala
de máquinas y patio de conexiones...
Presa: Es el primer elemento que encontramos en una central
hidroeléctrica. Se encarga de cortar el agua de un río y almacenarla en
un embalse. Con esta construcción se consigue un determinado desnivel
del agua que es aprovechado para conseguir energía. Las presas se
pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en
presas de tierra y presas de hormigón. Las presas de hormigón son las
más resistentes y las más utilizadas. Hay de tres tipos en función de su
estructura:
Presa de gravedad: son presas de hormigón triangulares con una base
ancha que se va haciendo más estrecha en la parte superior. Son
construcciones de larga durada y que no necesitan mantenimiento. La
altura de este tipo de presas está limitada por la resistencia del
terreno.
Presa de vuelta: en este tipo de presa la pared es curva. La presión
provocada por agua se transmite íntegramente hacía las paredes del
valle por el efecto del arco. Cuando las condiciones son favorables, la
estructura necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero
es difícil encontrar lugares donde se puedan construir.
Presa de contrafuertes: tienen una pared que soporta el agua y una
serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared
y transmiten la carga del agua a la base. En general, se utilizan en
terrenos
poco
estables
y
no
son
muy
económicas.
Tubería forzada es la tubería que lleva el agua a presión desde el canal o el
embalse hasta la entrada de la turbina
.Los aliviaderos
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene 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 conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes
compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según lo
demande la situación.
Toma de agua
La toma de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, 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 de
derivación hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la
entrada a las turbinas con turbinas forzadas siendo por ello preciso que exista
una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería. Es
bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a
las tomas de agua de las prensas.
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 turbinas. A estas sobrepresiones se las
denomina golpe de ariete.
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 soleras
adecuadas.
Rebosaderos: son unos elementos que permiten liberar parte del agua que es
retenida sin que pase por la sala de máquinas. :
Válvulas: Las válvulas son unos dispositivos que permiten controlar y regular
la circulación del agua por las tuberías.
Chimeneas de equilibrio: La chimenea de equilibrio consiste en un pozo
vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobre
presión de agua 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.
Casa de máquinas: es la construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas,
alternadores, etc.) y elementos de regulación y control de la central
Casa de máquinas
Es el lugar en donde se encuentran los equipos encargados de realizar la
transformación de la energía del agua en energía eléctrica. Generalmente se
ubican en la casa de máquinas: La(s) turbina(s), generador(es),
transformador(es) de potencia y equipos auxiliares de la planta.
Patio de conexiones:
Se encuentran ubicados, en este sitio, los interruptores y seccionadores, el
barraje, pararrayos, transformadores de corriente y potencial y las líneas de
interconexión que salen de la planta, para conectarla al sistema nacional o a la
carga.
3.4. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
CLASIFICACIÓN
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:
o
Centrales de Regulación
o
Centrales de Bombeo.
Según la altura del salto de agua o desnivel existente:
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.
Presa de agua fluente en el río Urumea
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. Esta agua es utilizada según la demanda,
a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.
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.
Central de bombeo
Una central hidroeléctrica de bombeo, o reversible, es un tipo especial de
central hidroeléctrica que posee dos embalses. El agua contenida en el
embalse situado en la cota más baja –embalse inferior– puede ser elevada,
durante las horas valle, mediante bombas al depósito situado en la cota más
alta –embalse superior–, con el fin de reutilizarla posteriormente para la
producción de energía eléctrica.
Este tipo de centrales produce energía eléctrica durante las horas puntas del
consumo –las de mayor demanda de electricidad– mediante la acción que
ejerce un salto de agua sobre los álabes de una turbina asociada a un
alternador, es decir, funcionando como una central hidroeléctrica convencional.
Después, durante las horas valle –las de menor demanda–, se bombea el agua
que ha quedado almacenada en el embalse inferior al embalse superior, bien
mediante una bomba o bien mediante la turbina, si ésta es reversible, de
manera que el agua pueda volver a ser utilizada en un nuevo ciclo.
Para elevar el agua desde el embalse inferior hasta el depósito superior, la
central dispone de grupos moto-bombas o, en otros casos, sus turbinas son
reversibles, de modo que pueden actuar ellas mismas como bombas,
funcionando los alternadores como motores.
No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como
suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o
combustible.
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
aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.
En valles de media montaña, dependen de embalses.
200-20
metros
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.
3.5. TURBINA. TIPOS
Una turbo máquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete,
que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior.
La clasificación fundamental de una turbina (convierte la energía del flujo en
una energía mecánica en el eje) es las de acción y las de reacción.
Turbinas de acción: Se llaman así cuando la transformación de la
energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos
anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo
recibe energía cinética
Turbinas de reacción: Se llama así
cuando se transforma la energía
potencial en cinética íntegramente en el rodete. Este recibe solo energía
potencial. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina
industrialmente. Se llaman así aun que habría que considerarlas como un
tipo mixto.
En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales
hidroeléctricas son:
Pelton
(de acción)
Francis
(de reacción)
Hélice y Kaplan
(de reacción)
Turbina Pelton
El agua disponible en la parte alta de la instalación pasa por una tubería hasta
la parte inferior donde sale al exterior a través de una boquilla. Por la
diferencia de altura, el agua sale a gran velocidad y choca contra las paletas
del rodete haciendo que gire. Dependiendo de la instalación, pueden colocarse
varias boquillas distribuidas. Esta turbina está sometida a presión atmosférica,
por lo que no podrá ser sumergida.
Este tipo de turbinas son preferibles para instalaciones con un salto de agua
muy importante.
Turbina Francis
La circulación de agua se produce en sentido contrario. El agua entra por la
carcasa con forma de caracol que la hace girar y la conduce hacia el centro,
donde se encuentra con el rotor al que hace girar. La energía del agua es la
que hace girar el rotor.
Tienen un rendimiento muy alto en instalaciones con grandes caudales y
saltos menores que las Pelton. Aunque son caras, tienen bajo mantenimiento
y un tiempo de vida elevado.
Turbina Kaplan.
Se parece a los motores de barco. Consiste en una hélice situada en una
conducción, de manera que el paso del agua la hace girar. La energía
recuperada del agua a su paso es convertida, primero en energía mecánica de
rotación y, luego, en energía eléctrica.
Algunos equipos disponen de álabes móviles: se mueven automáticamente al
variar las condiciones de operación, lo que hace que la eficiencia se mantenga
prácticamente constante durante el funcionamiento.
Estos sistemas son ideales para saltos pequeños y caudales grandes,
siendo muy utilizadas en centrales minihidráulicas.
Son centrales minihidráulicas las centrales hidroeléctricas con potencia inferior
a 10MW.
CONFIGURACIONES TÍPICAS DE CENTRALES
3.6.VENTAJAS
E
HIDROELÉCTRICAS
INCONVENIENTES
DE
LAS
CENTRALES
Ventajas
•
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 hidrálica 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
Inconvenientes
depende de la climatología, por lo que su
aplicación puede resultar inviable en determinados lugares donde los recursos
hídricos sean escasos o en períodos de sequía.
La construcción de grandes embalses altera el medio natural
La construcción de grandes embalses altera el medio natural ya que debe
acometerse una obra civil para la construcción de la presa, el peso del agua
retenida en el embalse puede provocar movimientos del terreno y se producen
efectos sobre la climatología local por la gran masa de agua acumulada.
Cambio en las especies predominantes
Una presa supone una barrera que impide el movimiento de especies de agua
dulce. El movimiento del agua en los ríos y su escasa profundidad, favorecen la
disolución del oxígeno del aire, clave para la vida acuática. En los embalses,
donde el movimiento del agua es menor y hay gran profundidad, sólo se
alcanza una concentración de oxígeno adecuada en las capas superiores. Esta
intervención en la naturaleza provoca el cambio en las especies
predominantes. La descarga de agua desde el embalse ha de realizarse con
una agitación suficiente para garantizar la rápida oxigenación, para que el
cauce por debajo de la presa se recupere lo antes posible.
Las centrales minihidráulicas que operan con agua fluyente no presentan
estos problemas ya que únicamente toman una fracción de la corriente de
agua. Medioambientalmente son más aceptables.
Los costos de capital por Kilovatio instalado puede se muy alto
El potencial hidráulico español
España no se puede considerar como un país seco, lo que ocurre es que la
distribución de estos recursos es muy desigual en cuanto al tiempo y al
espacio.
La desigualdad en el tiempo es consecuencia del carácter torrencial de sus
ríos, con grandes fluctuaciones de sus caudales a lo largo de los diferentes
épocas del año. La irregularidad en el espacio resulta bien patente: las cuencas
del Norte producen más de la tercera parte de la aportación de los ríos en el
10% de la superficie del país, mientras que el 90% restante no presenta una
situación tan favorable en cuanto a recursos hidráulicos y ya entra dentro de la
categoría de región semiárida.
En la actualidad, el consumo eléctrico total español es de unos 140.000
GW.h/año, por lo que puede afirmarse que más de un 25% del mismo es de
origen hidroeléctrico. A este respecto conviene recordar que, con anterioridad a
1960, la producción hidroeléctrica anual suponía más del 80% de la producción
eléctrica total. En la década de los años sesenta comenzó a descender dicho
porcentaje, llegando en la de los años setenta a producirse por primera vez el
hecho de que dicho porcentaje se mantuviese por debajo del 50%.
La importante disminución de la producción hidroeléctrica respecto de la total
eléctrica, no se debió, ni se debe, al agotamiento de los recursos hidráulicos
disponibles en España, sino a motivos económicos, ya que para las empresas
eléctricas resultaban más rentables las centrales térmicas convencionales que
las hidroeléctricas.
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. .
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 HIDROELÉCTRICA DE ITAIPU
Rotor do Gerador de Itaipu - 1760 toneladas - 90 RPM
Todas las tuberías que lleva agua a las turbinas de Itaipú son 10,5 metros de
diámetro
y
un
caudal
de
690.000
litros
por
segundo.
El cierre repentino de una válvula puede causar la ruptura del tubo de presión
excesiva.
Turbina Francis de Itaipu - 743 MW - 1 millón de HP - 295 toneladas - 90 RPM
La mitad de la sala este de los generadores de Itaipú, con 1 km de longitud.
El
desplazamiento
de
los
empleados
se
hace
con
las
motos.
Prédio
de
Itaipu
Eje
de
la
turbina
de
Itaipú
-
285
toneladas
-
90
RPM
El ruido es tan fuerte que tiene que usar protección para los oídos
Sistema
hidráulico
que
controla
el
distribuidor
de
muebles
paletas
Se utiliza para subir y bajar la rotación de la turbina, aumentando y disminuyendo
el
flujo
Caja
Espiral
(Caracol)
El tubo verde toma de agua para enfriar el estator del generador
El agua de la caja espiral (caracol), pasa a través de la pre-distribuidor (paletas
fijas), pasa a través del distribuidor (lugar paletas de muebles), la turbina Francis
y
el
tubo
de
succión
La presa Hoover (4,0 GW), frontera de Nevada y Arizona, fue inaugurado en 1936
y
fue
el
más
grande
del
mundo