UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD
VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
REGIÓN POZA RICA – TUXPAN
GENERACIÓN DE HIDROELECTRICIDAD: UNA DE LAS
TECNOLOGÍAS QUE PUEDE CONTRIBUIR A LA REDUCCIÓN DEL
CALENTAMIENTO GLOBAL
TRABAJO RECEPCIONAL BAJO
LA MODALIDAD DE:
TESINA
PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
PRESENTAN:
GERMAN AURELIO GARCÍA RIVERA
JOSE LUIS MEZA DEL ANGEL
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
ING. RAMON CHAZARO APARICIO
1
2
3
AGRADECIMIENTOS
A nuestros padres
Quien a base de sacrificios y amor me han dado la oportunidad, tanto sin esperar
nada a cambio, a quienes no es posible agradecer con palabras el apoyo y el
cariño tan grande de cada uno de ustedes me han brindado, sus palabras de
aliento en los momentos difíciles, su comprensión quienes me han dado el tesoro
mas valioso que puede dársele a un hijo, quienes sin escatimar esfuerzo alguno
han sacrificado gran parte de su vida para formarme y educarme quienes la
ilusión de su vida ha sido en convertirme en una mejor persona, triunfadora y de
provecho a quienes nunca podré pagarles todos sus desvelos ni con todas las
riquezas para ustedes con todo mi respeto, amor y eterno agradecimiento, los
quiero.
A nuestro asesor de tesis
Por su apoyo incondicional para la realización de este trabajo recepcional que
con sus conocimientos hemos superado esta etapa de la vida.
4
GENERACION DE HIDROELECTRICIDAD: UNA DE LAS TECNOLOGIAS QUE PUEDEN
CONTRIBUIR
A LA REDUCCION DEL CALENTAMIENTO GLOBAL
INDICE
PAG.
INTRODUCCION....................................................................................................
7
CAPITULO I
JUSTIFICACION.......................................................................................................
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO.........................................................
ENUNCIACION DEL TEMA...........................................................................................
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DE TRABAJO............................................................
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CAPITULO II
DESARROLLO DEL TEMA........................................................................................
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION..........................................................
MARCO CONTEXTUAL............................................................................................
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14
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SUB-TEMA:
1.-CONTAMINACION DEL MEDIO AMBIENTE Y DE LA ATMOSFERA DEBIDO A
LOS COMBUSTIBLES FOSILES..................................................................................
1.1.-EL EFECTO INVERNADERO.................................................... ............................
1.2.-CONSECUENCUENCIAS A CAUSA DE LA CONTAMINACION CON GASES DE EFECTO
INVERNADERO.....................................................................................................
1.3.-MEDIDAS PARA EVITAR LAS EMISIONES CONTAMINANTES A LA
ATMOSFERA................
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19
21
SUB-TEMA:
2.-ENERGIAS RENOVABLES.....................................................................................
23
2.1.-ENERGIA EOLICA..................................................... ........................................
2.2.-ENERGIA GEOTERMICA.....................................................................................
2.3.-ENERGIA SOLAR............................................................................. ................
2.4.-ENERGIA HIDRÁULICA......................................................................................
2.4.1.-HIDROELECTRICIDAD EN MEXICO......................................................................
2.4.2.-PROYECCIONES A FUTURO EN MEXICO..............................................................
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30
32
35
38
SUB-TEMA:
3.-CENTRALES HIDROELECTRICAS............................................................................
3.1.-CARACTERISTICAS DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA..........................................
3.2.-VENTAJAS DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS................................................
3.3.-TIPOS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS.................................................... ........
3.3.1.-CENTRALES DE AGUA FLUENTE........................................................................
3.3.2.-CENTRALES DE AGUA EMBALSADA...................................................................
45
46
46
47
47
47
SUB-TEMA:
4.-PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA............................... 49
4.1.-PRESAS........................................................................................................
49
4.1.1.-TIPOS DE PRESAS.........................................................................................
51
4.1.1.1.-PRESAS SEGUN SU ESTRUCTURA...................................................................
51
4.1.1.2.-PRESAS SEGUN SU MATERIAL DE CONSTRUCCION............................................. 53
4.1.2.- GRANDES PRESAS EN MEXICO Y EL MUNDO........................................................
54
4.1.2.1.-PRESA HIDROELECTRICA LA YESCA (MEXICO)...................................................
54
4.1.2.2.-PRESA HIDROELECTRICA EL CAJON (MEXICO)...................................................
56
4.1.2.3.-PRESA DE ITAIPU (BRASIL-PARAGUAY)............................................................
58
5
60
4.1.2.4.-PRESA DE LAS TRES GARGANTAS (CHINA)........................................................
4.1.3.-EFECTOS DEL EMBALSE DE UNA PRESA.............................................................
62
4.2.-SIFON INVERTIDO.......................................................................................... ..
63
4.3.-CAMARA DE REPOSO.......................................................................................
64
4.3.1.-GOLPE DE ARIETE.........................................................................................
65
4.4.-TUBERIAS DE PRESION.....................................................................................
66
4.4.1.-VALVULAS DE CONTROL.................................................................................
67
4.4.1.1.-VALVULA DE AGUJA....................................................................................
67
4.4.1.2.-VALVULAS DE MARIPOSA.............................................................................
68
4.4.1.3.-VALVULAS CONICAS................................................. ................................
69
4.4.1.4.-VALVULAS DE COMPUERTA.......................................................................
70
4.5.-COMPUERTAS...............................................................................................
71
4.6.-CASA DE MAQUINAS.....................................................................................
72
4.6.1.-TURBINAS HIDRAULICAS.............................................................................
73
4.6.1.1.-TIPOS DE TURBINAS.................................................................................
73
4.6.1.2.-TURBINAS PELTON...................................................................................
75
4.6.1.3.-TURBINAS FRANCIS..................................................................................
78
4.6.1.4.-TURBINAS KAPLAN..................................................................................
80
4.6.1.5.-CRITERIOS DE SELECCION DE LAS TURBINAS ........................................... ... 81
4.6.1.6.-ELECCION ENTRE PELTON Y FRANCIS.........................................................
84
4.6.2.-GENERADORES..........................................................................................
85
4.6.2.1.-DEVANADOS Y CAMPOS EN EL GENERADOR................................................ 85
4.6.2.2.-LA FORMA COMO TRABAJAN LOS GENERADORES...................................... 86
4.6.2.3.-LA POTENCIA MECANICA..................................................................... .....
88
4.6.2.4.-EL VOLTAJE INDUCIDO.............................................................................
89
4.6.2.5.-LAS
COMPONENTES
DE
UN
GENERADOR
DE
CORRIENTE
92
ALTERNA................
4.6.2.6.-LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO..............................................................
95
4.6.2.7.-LA EXITATRIZ..........................................................................................
96
4.7.-TUBO DE ASPIRACION.............................................................. .....................
98
4.8.-CANAL DE DESAGUE.....................................................................................
98
SUB-TEMA:
5.-FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA.............................................. 99
5.1.-IMPACTOS SOCIO-ECONOMICO-AMBIENTALES POR CAUSA DEL FUNCIONAMIENTO 100
DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA...........................................................................
CAPITULO III
CONCLUSIONES........................................... .........................................................
BIBLIOGRAFIA........................................................................................................
103
104
6
INTRODUCCION
La contaminación mundial es uno de los problemas más serios que esta creando
el hombre, debido a las consecuencias que este problema trae consigo. Uno de
ellos y el más importante es el calentamiento global.
El calentamiento global que se refiere al aumento de la temperatura media de la
superficie terrestre, es el principal causante de los cambios climáticos en nuestro
planeta. Este aumento de temperatura es ocasionado por el incremento de los
gases de efecto invernadero, que se encuentran circundando nuestra superficie
terrestre.
Los gases de efecto invernadero (oxigeno, hidrogeno, nitrógeno, dióxido de
carbono) y sus compuestos son la mezcla encargada de mantener la temperatura
media terrestre. El aumento desenfrenado de estos gases ocasiona que el
proceso natural de invernadero pierda su equilibrio natural.
El aumento en la concentración de estos gases es ocasionado principalmente
por la exagerada explotación y consumo de los combustibles fósiles, que se
encuentran en nuestra corteza terrestre (carbón y petróleo principalmente)
La demanda de electricidad es proporcional al consumo de combustible para
producirla.
Las medidas para generar electricidad sin la necesidad de contaminar, es el
principal tema a tratar en las conferencias internacionales por la salud de nuestro
planeta (cumbres de la tierra). Y se ha optado por producir electricidad sin la
necesidad de utilizar combustibles fósiles optando así por los combustibles
renovables.
7
8
JUSTIFICACION
Nuestro planeta esta sufriendo cambios cada vez mas drásticos en su
comportamiento. Algunos por efectos naturales y otros son ocasionados por la
intervención del hombre.
Estos cambios, los ocasionados por el hombre si bien no tienen marcha atrás,
pueden ser controlados hasta llegar a reducirlos utilizando métodos más
efectivos, y procurando no caer en el error de tratar de corregir una situación
empeorando otra, debemos actuar atendiendo varios aspectos (desarrollo
sustentable)
La energía eléctrica es una necesidad indiscutible, es uno de los mayores logros
de la humanidad. El problema radica en los métodos que se utilizan en la
actualidad para conseguirla, algunos de ellos causando daño a mediano y largo
plazo
Las energías renovables son la opción más apropiada para generar energía
eléctrica, tratando así de reducir las emisiones contaminantes hacia la atmósfera.
Debido a esto es necesario tener conocimiento del desarrollo y explotación de
los diferentes tipos de energía con los que se cuenta en la actualidad.
9
NATURALEZA SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
Es importante darnos cuenta del daño que le estamos causando al planeta y
conocer las posibles opciones para solucionarlos. Es por ello que surge la
necesidad de buscar una de estas opciones como lo es el uso de energía
hidráulica para la generación de electricidad, ya que es un recurso renovable,
considerando que el impacto ambiental es mínimo, comparado con las demás
centrales generadoras de electricidad.
Debido a que la información y aportaciones a la ingeniería sobre el tema de
energía hidráulica son bastante extensas, se opto por la selección de los
principales componentes que constituyen las centrales hidroeléctricas y su
forma más simple de operación. Para que toda persona interesada en el tema
pueda entender fácilmente el tema planteado y tenga una idea clara respecto a la
información.
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ENUNCIACION DEL TEMA
Con este tema se pretende llevar a cabo un estudio sobre la generación de
energía eléctrica mediante el uso de centrales hidroeléctricas ya que es una de
las opciones para un desarrollo sustentable evitando así el uso de combustibles
fósiles.
Las centrales hidroeléctricas son una alternativa cada vez mas utilizada por los
grandes países desarrollados y nuestro país cuenta con tecnología y experiencia
al respecto.
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EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DE TRABAJO
Tema: Generación de hidroelectricidad una de las tecnologías que pueden
Contribuir a la reducción del calentamiento global.
Este tema se desarrolla en cinco sub-temas
1.- Contaminación del medio ambiente y de la atmósfera debido a los
Combustibles fósiles.
2.-Energías renovables
3.-Centrales hidroeléctricas
4.-Principales componentes de una central hidroeléctrica
5.-Funcionamiento de una central hidroeléctrica
12
13
DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION
El desarrollo de este trabajo se encuentra dividido en cinco sub-temas que están
planteados de la siguiente manera:
En el primer sub-tema se hace énfasis al medio ambiente, la atmósfera y a los
principales problemas que provocan la alteración de estos. Conoceremos los
gases que componen la atmósfera (también llamados gases de invernadero) así
como su función y los factores que convierten a estos en nocivos para el medio
ambiente. Analizaremos las medidas para evitar las emisiones contaminantes en
el medio ambiente y la atmósfera.
El segundo sub-tema se ocupa de las energías renovables como son: la energía
solar, energía eolica, energía hidráulica, energía mareomotriz y energía
geotérmica. Estas energías han sido utilizadas por los humanos desde tiempos
remotos. Nos enfocaremos en la energía hidráulica desde sus orígenes.
El sub-tema tres trata sobre las centrales hidroeléctricas, la forma en la que
aprovechan la energía potencial del agua para la generación de hidroelectricidad,
mencionando las características que debe tener una central, sus ventajas y los
diferentes tipos de centrales que existen.
El sub-tema cuatro menciona los principales componentes de una central
hidroeléctrica como son: las presas, tomas de agua, canales de derivación,
túneles, tuberías, tipos de válvulas las diversas turbinas hidráulicas que se
pueden emplear y el generador.
El sub-tema cinco abarca el funcionamiento de una central hidroeléctrica
mencionando la utilización del agua que es el elemento primario utilizado en una
central de este tipo así como todo el proceso que se lleva a cabo para la
generación. También se toman en cuenta los principales impactos sociales,
económicos y ambientales, las causas de los problemas socioeconómicos más
comunes y las medidas a tomar para evitarlos. Así también como las ventajas y
beneficios que trae consigo un proyecto hidroeléctrico.
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MARCO CONTEXTUAL
El marco contextual de un trabajo, es la descripción del sitio físico, o lugar donde
se realiza una investigación. El estudio sobre este tema básicamente trata sobre
el funcionamiento de las centrales hidroeléctricas con la finalidad de aplicar el
conocimiento al problema conocido como: calentamiento global. No se contó con
algún lugar o sitio físico donde se haya desarrollado esta investigación.
15
SUB-TEMA:
1.- CONTAMINACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Y DE LA ATMÓSFERA DEBIDO
A LOS COMBUSTIBLES FÓSILES
El medio ambiente es un conjunto de elementos que integran la delgada capa de la tierra
llamada biosfera
Nuestro planeta a lo largo de su historia ha sufrido cambios importantes. Como la
separación de los continentes, los cambios de temperaturas y la aparición y
desaparición de distintas formas de vida. El último gran cambio fue el periodo glacial, en
el cual el clima subtropical desapareció influyendo en la vida vegetal y animal, dando
lugar al clima que hoy conocemos. Nos encontramos en la era postglacial o reciente y
durante este tiempo el medio ambiente del planeta se puede decir que es estable.
Científicamente los humanos comenzamos nuestra aparición en África, desde donde
empezamos a poblar la tierra. Gracias a nuestras capacidades físicas y mentales
pudimos superar algunas restricciones medioambientales que limitaban a otras
especies, logrando así pequeños cambios para adaptar el medio ambiente a nuestras
necesidades.
Al ir creciendo la población y aumentando la tecnología aparecieron problemas más
importantes. Este rápido avance termino en la revolución industrial, donde se
descubrieron el uso y explotación de los combustibles fósiles.
Los principales consumidores y explotadores de los combustibles fósiles son las
centrales eléctricas (termoeléctricas y carboeléctricas), las siderurgias, las acererías, las
refinerías de petróleo, las fabricas de cemento, las fabricas de acido nítrico así como las
de acido sulfúrico.
FIG. 1.1
La atmósfera que circula alrededor del planeta, es la que nos protege del exceso de
radiación ultravioleta y permite la existencia de vida. Se forma de una mezcla gaseosa de
nitrógeno, oxigeno, hidrogeno, dióxido de carbono, otros elementos compuestos y
partículas de polvo.
16
Uno de los impactos que ha producido en la atmósfera el uso de combustibles fósiles ha
sido la concentración de dióxido de carbono (CO2). La cantidad de CO2 había
permanecido estable aparentemente, pero desde 1950 se ha incrementado un 30%
aproximadamente. Este cambio puede provocar un aumento de la temperatura terrestre a
través del proceso conocido como efecto invernadero.
La contaminación atmosférica modifica el medio ambiente, también puede influir en las
temperaturas y en las precipitaciones.
1.1.- EL EFECTO INVERNADERO
El efecto invernadero es un fenómeno atmosférico natural que permite mantener la
temperatura del planeta, ya que retiene parte de la energía proveniente del sol. 46% de la
radiación solar que llega al planeta es absorbida por la superficie terrestre (23% por
componentes de la atmósfera: aire, polvo o nubes, y el resto reflejado por las nubes y la
superficie terrestre o dispersada hacia el espacio por moléculas de aire). Las superficies
de los océanos y los continentes pierden energía irradiando hacia el espacio exterior.
Parte de esta radiación es absorbida y vuelta a emitir en todas las direcciones, incluso
nuevamente hacia la tierra por algunos gases que componen la atmósfera. Estos gases
reducen la perdida del calor por la superficie terrestre y aumentan la temperatura. Los
gases intervinientes en este proceso se denominan “gases invernadero” (atrapan parte
de la energía infrarroja y reducen el enfriamiento de la tierra).
El efecto invernadero es indispensable para el desarrollo de las formas de vida que se
encuentran en nuestro planeta. Sin gases invernadero la temperatura media seria de
18ºC. bajo cero, comparando esto con el valor actual de la superficie terrestre que es de
15ºC.
Proceso del efecto invernadero
El vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2) y el gas metano (CH4) forman una capa
natural en la atmósfera terrestre que retiene parte de la energía proveniente del sol.
FIG. 1.2
17
La superficie de la tierra es calentada por el sol. Pero esta no absorbe toda la energía
sino que refleja parte de ella de vuelta hacia la atmósfera.
FIG. 1.3
Alrededor del 70% de la energía solar que llega a la superficie de la tierra es devuelta al
espacio. Pero parte de la radiación es retenida por los gases que producen el efecto
invernadero y vuelve a la superficie terrestre
FIG. 1.4
Como resultado del efecto invernadero, la tierra se mantiene lo suficientemente caliente
como para hacer posible la vida sobre el planeta. De no existir este fenómeno, los
cambios climáticos serian intolerables. Sin embargo una pequeña variación en el
delicado balance de la temperatura global puede causar graves estragos. En los últimos
100 años la tierra ha registrado un aumento de entre 0,4 y 0,8ºc en su temperatura
promedio.
FIG. 1.5
18
El uso de combustibles fósiles ha provocado el aumento de las concentraciones de CO2
y metano además de otros gases como el oxido nitroso que aumenta el efecto
invernadero.
El dióxido de carbono es producido por todos los organismos que obtienen su energía
del consumo de oxigeno y por los procesos de combustión natural o de origen humano.
Entre las fuentes de producción del metano se encuentran los procesos bacterianos que
se generan en los cultivos de arroz, las industrias del carbón, petróleo y gas natural. Los
clorofluorocarbonos son productos de síntesis humana que fueron usados como
disolventes y como gases refrigerantes.
Gases que producen el efecto invernadero
GAS
dióxido de carbono
(co2)
TABLA 1.
FUENTE EMISORA
combustibles
fósiles
T. DE %
VIDA
CONTRIBUCIÓN
500
años
54%
metano (ch4)
ganado, biomasa, y
escapes de gasolina
7-10
años
12%
oxido nitroso (no)
combustibles fósiles,
deforestación
99-200
años
6%
clorofluorocarbonos
refrigeración y aire
acondicionado
65-110
años
21%
La magnitud del efecto invernadero dependerá de la concentración de cada uno de los
gases.
1.2.- CONSECUENCIAS A CAUSA DE LA CONTAMINACIÓN CON GASES DE EFECTO
INVERNADERO
La concentración en la atmósfera de gases invernadero aumento desde el inicio de la era
industrial, por el aumento de combustibles fósiles y destrucción de las selvas,
provocando el aumento de la temperatura media.
El resultado es que nuestro planeta según explican los investigadores, esta sufriendo un
“calentamiento global” y debido a esto, un “cambio climático”, que se ha relacionado
con las catástrofes que han venido ocurriendo en varios países como el nuestro, las
tormentas, ciclones y huracanes, que traen consigo grandes inundaciones y daños a la
agricultura, ganadería y a los propios asentamientos humanos, afectados por estos
fenómenos. En el extremo opuesto, hay vastas regiones del globo en donde se han
acentuado las sequías y las temperaturas extremosas, la falta de producción en el
campo, la muerte del ganado por la escasez de agua y forrajes, las hambrunas,
enfermedades y desnutrición, entre otras serias consecuencias.
19
FIG. 1.6
FIG. 1.7
De no frenarse el problema del calentamiento de la tierra, se podría provocar un aumento
en la temperatura mundial (entre 1.4 y 5.8ºc) lo que ocasionaría el deshielo de los polos
glaciares y, como consecuencia, un aumento en el nivel de los océanos (entre 11 y 88
cm.) que afectaría a muchas zonas costeras de bajo nivel.
Esto pondría en riesgo a millones de seres humanos que habitan no solo poblados y
ciudades pequeñas sino también grandes urbes, como es el caso de Nueva York y Tokio,
entre otras. México no seria la excepción, pues basta recordar los miles de kilómetros
que conforman nuestras costas, los puertos, ciudades y pueblos que ahí se encuentran,
todo ello sin considerar la perdida de terrenos, playas y demás daños en nuestras áreas
bajas.
FIG. 1.8
En las figuras anteriores se pueden observar ejemplos de las consecuencias que trae
consigo la alteración de la temperatura del planeta, sin importar la zona de desastre,
afecta igual en zonas rurales como urbanas.
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1.3.- MEDIDAS PARA EVITAR LAS EMISIONES CONTAMINANTES A LA ATMÓSFERA
Casi todas las naciones del mundo, entre ellas México están decididas a tomar medidas
para hacer un frente común en contra de estos fenómenos que amenazan la vida del
planeta.
Encuentros internacionales, tema: Evitar la contaminación atmosférica
FIG. 1.9
16 de junio de 1972: Conferencia sobre medio humano de las naciones unidas
(Estocolmo, Suecia), primera cumbre de la tierra, donde se manifiesta por primera vez a
nivel mundial la preocupación por la problemática ambiental global.
1987: Informe Brundtland, con el lema “Nuestro Futuro Común” elaborado por la
Comisión Mundial Sobre Medio Ambiente y Desarrollo en el que, se formaliza por
primera vez el concepto de Desarrollo Sustentable.
Del 3 al 14 de junio de 1992: Se celebra la conferencia de la ONU sobre medio ambiente y
desarrollo (segunda cumbre de la tierra) en Rió de Janeiro, donde se aprueba el
convenio sobre la diversidad biológica (declaración de Rió). Se empieza a dar amplia
publicidad del término desarrollo sustentable al público en general. Se modifica la
definición original del informe Bruntland, centrada en la preservación del medio
ambiente y el consumo prudente de los recursos naturales no renovables, se plantea la
idea de “Tres Pilares” para el desarrollo sustentable: El Progreso Económico, La Justicia
Social y La Preservación Del Medio Ambiente.
2005: Entrada en vigor del protocolo de Kyoto sobre la reducción de las emisiones de
gases de efecto invernadero. En Kyoto Japón
2007: Cumbre de Bali que busca redefinir el protocolo de Kyoto y adecuarlo a las nuevas
necesidades respecto al cambio climático. En esta cumbre intervienen los ministros de
medio ambiente de casi todos los países del mundo aunque Estados Unidos de
Norteamérica y China (principales emisores y contaminantes del planeta) se niegan a
suscribir compromisos. La humanidad corre peligro, algunos especialistas opinan y
predicen el fin de la realidad que conocemos.
21
Los gobiernos a nivel mundial han reconocido a esta amenaza cada vez más cercana,
algo hay en claro, y es que estos problemas son imposibles de solucionar si no hay una
conciencia mundial del peligro que corremos.
FIG. 1.10
Se poseen las tecnologías y se conocen las políticas de actuación que serian eficaces
para reducir significativamente las emisiones de gases con efecto invernadero. Así, por
ejemplo se podrían tomar las siguientes medidas: Uso de combustibles y energías
alternativas que no incrementen las emisiones contaminantes. Construir edificios y
viviendas que usen la energía con mayor eficiencia. Uso más eficiente de los
combustibles fósiles para producir electricidad. Sustituir el carbón por petróleo y estos
dos por gas natural, en la medida de lo posible, reducir los escapes, especialmente de
metano, usar más energías renovables.
22
SUB-TEMA:
2.- ENERGÍAS RENOVABLES
FIG. 2.1
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales que son
prácticamente inagotables, unas por la gran cantidad de energía que contienen, y otras
por su capacidad de regenerarse por medios naturales.
Las fuentes renovables de energía las podemos dividir en no contaminantes o limpias y
en contaminantes, entre las no contaminantes contamos con las siguientes:
El sol: energía solar.
El viento: energía eólica.
Los ríos y corrientes de agua dulce: energía hidráulica.
El calor de la tierra: energía geotérmica.
Y las contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden
utilizar directamente como combustible (madera u otra materia vegetal sólida), o bien
convertida en biodisel o biogás mediante procesos de fermentación orgánica
Evolución histórica
Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por
los humanos, desde hace tiempo se aprovecha en: La navegación a vela, los molinos de
viento o de agua y en la construcción de edificios se toma en cuenta la ubicación de
estos para que tengan una mayor utilización posible de la energía solar.
23
Con el invento de la máquina de vapor se disminuyeron casi en su totalidad estas formas
de aprovechamiento de energía renovable, debido a que se consideraron inestables, por
lo que se utilizaron cada vez más los motores térmicos y eléctricos. En una época en que
el los motores eran escasos, no hacía prever un agotamiento de las fuentes, ni los
problemas ambientales que más tarde se presentaron. Hacia la década de los 70s. las
energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto
por su disponibilidad presente y futura garantizada (a diferencia de los combustibles
fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto
ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías
alternativas. Actualmente muchas de estas energías son una realidad, no una alternativa,
por lo que el nombre de alternativas ya no debe emplearse.
2.1. ENERGÍA EOLICA
FIG. 2.2
La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, aquella que se obtiene de la
energía cinética generada por efecto de las corrientes y vibraciones que el aire produce.
La energía eólica ha sido aprovechada desde tiempos de la
antigüedad para mover barcos impulsados por velas u otras
aplicaciones como hacer funcionar maquinaria para moler granos
o bombear agua, basta con recordar los famosos molinos de
viento, es un tipo de energía verde.
Esta energía del viento está relacionada con el movimiento de las
masas de aire, los vientos son generados a causa del
calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de
la radiación solar, el 1 y 2% de esta radiación proveniente del sol
se convierte en viento.
FIG. 2.3
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones de
velocidad del viento con la altura sobre el suelo, el comportamiento de las ráfagas en
espacios de tiempo cortos, y es importante recabar datos con una duración mínima de 3
años para conocer la velocidad máxima del viento. Para utilizar esta energía, es
necesario que alcance una velocidad mínima de 12 km/h, y que no supere los 65 km/h.
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Las máquinas eólicas tienen la capacidad de transformar la energía del viento en energía
mecánica de rotación utilizable, ya sea para el funcionamiento de máquinas de viento,
como para la producción de energía eléctrica, también son llamados “aeromotores”.
Para la generación de energía eléctrica, el sistema de conversión, (que comprende un
generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido
como aerogenerador.
Esquema de una turbina eólica:
1. Cimientos
2. Conexión a la red eléctrica
3. Torre
4. Escalera de acceso
5. Sistema de orientación
6. Góndola
7. Generador
8. Anemómetro
9. Freno
10. Caja de cambios
11. Pala
12. Inclinación de la pala
13. Rueda del rotor
FIG. 2.4
FIG. 2.5
25
Componentes de aerogenerador
El ejemplo más común de una instalación eólica son los "parques eólicos” que son un
conjunto de varios aerogeneradores, conectados a una única línea que los conecta a la
red eléctrica local o nacional. En estos la energía eólica mueve una hélice del
aerogenerador y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador,
que produce energía eléctrica. Si bien es cierto que los parques eólicos son
relativamente recientes, ya que se comenzaron a utilizar en las décadas de los 80-90s.
Desventajas de la energía eólica
El aire al ser un fluido de peso específico pequeño, lo cual implica fabricar máquinas
grandes y en consecuencia caras. La altura de la estructura del aerogenerador puede
igualar a la de un edificio de diez o mas pisos, en tanto que el tamaño total de sus aspas
alcanza los veinte metros, lo cual encarece su producción.
Desde el punto de vista estético, la energía eólica produce un impacto visual inevitable,
ya que por sus características son evidentes la presencia de las máquinas, por lo
general los parques eólicos son instalados en cerros y colinas. En este sentido, puede
producir una alteración clara sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en función de la
situación previa existente en cada localización.
También se debe de tener especial cuidado al seleccionar donde se va a instalar un
parque nos tenemos que asegurar que en los alrededores o cerca de la instalación no
habiten aves, por el riesgo de mortandad al impactar con las aspas, aunque existen
soluciones para evitar que estas choquen con las aspas, pintándolas decolores
llamativos, y colocar los aerogeneradores adecuadamente dejando espacio entre ellos
para así facilitar el paso de las aves, en casos extremos es necesario hacer un
seguimiento de las aves por radar llegando en ocasiones a parar las turbinas para evitar
que se impacten.
FIG. 2.6
Los materiales que tradicionalmente se han utilizado en la fabricación de las aspas de
los aerogeneradores han sido desplazados por la utilización de plásticos y resinas. La
fibra de vidrio se aplica al 99% de los grandes aerogeneradores. Existe una tendencia
clara hacia el uso de epoxy (generalmente resina de poliéster) reforzado de fibra de
vidrio o carbono. Las turbinas pequeñas, igualmente el 99 % usan materiales plásticos,
algunos fabricantes todavía utilizan aceros, la mayoría son de materiales plásticos, antes
de que se utilizaran los plásticos las palas eran de madera, acero y aluminio.
26
2.2. ENERGÍA GEOTÉRMICA
La energía geotérmica se obtiene mediante una serie de reacciones químicas naturales
que tienen lugar en el interior de la tierra, produciendo grandes cantidades de calor.
Estas reacciones a veces se presentan de forma violenta por fenómenos naturales como
el vulcanismo o los terremotos. El calor del interior de la tierra se debe a varios factores,
entre los que cabe destacar el aumento o disminución del calor de la tierra mejor
conocido como gradiente geotérmico.
Tipos de fuentes geotérmicas
Se obtiene energía geotérmica por la extracción del calor interno de la tierra. En áreas de
aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora por fracturas naturales de
las rocas básales o dentro de rocas sedimentarias. El agua caliente o el vapor pueden
fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y de vapor, el método a
elegir depende del que en cada caso sea económicamente rentable. Un ejemplo, en
Inglaterra, fue el "proyecto de piedras calientes (siglas en inglés: hdr, hot dry rocks),
abandonado después de comprobar su inviabilidad económica en 1989. Los programas
hdr se están desarrollando en Australia, Francia, Suiza y Alemania. Los recursos de
magma (rocas fundidas) ofrecen energía geotérmica de altas temperaturas, pero con la
tecnología existente no se pueden aprovechar económicamente esas fuentes.
En la mayoría de los casos la explotación debe hacerse con dos pozos (o un número par
de pozos), de modo que por uno se obtiene el agua caliente y por otro se vuelve a
reinyectar en el acuífero, tras haber enfriado el caudal obtenido. Las ventajas de este
sistema son múltiples.
FIG. 2.7
27
Hay menos probabilidades de agotar el yacimiento térmico, puesto que el agua
reinyectada contiene todavía una importante cantidad de energía térmica.
Tampoco se agota el agua del yacimiento, puesto que la cantidad total se mantiene.
Las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se manifiestan al
circular en circuito cerrado por las conducciones, lo que evita contaminaciones.
Tipos de yacimientos geotérmicos según la temperatura del agua
Energía geotérmica de alta temperatura. Estas existen en las zonas activas de la corteza.
Al inyectar agua las altas temperaturas que se encuentran en el interior producen vapor
en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad. Se requieren varias
condiciones para que se dé la posibilidad de existencia de un campo geotérmico, por
ejemplo. Una capa superior compuesta por una cobertura de rocas impermeables, un
acuífero, o depósito, de permeabilidad elevada, entre 0,3 y 2 km de profundidad, suelo
fracturado que permite una circulación de fluidos por convección, la transferencia de
calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático, entre 3 y 15 km de
profundidad, a 500-600 ºC. La explotación de un campo de estas características se hace
por medio de perforaciones utilizando técnicas casi idénticas a las de la extracción del
petróleo.
Energía geotérmica de temperaturas medias. En esta energía los fluidos de los acuíferos
están a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150 ºC. Por consiguiente,
la conversión vapor-electricidad se realiza con un rendimiento menor, estas fuentes
permiten explotar pequeñas centrales eléctricas, pero el mejor aprovechamiento puede
hacerse mediante sistemas urbanos reparto de calor para su uso en calefacción y en
refrigeración (mediante máquinas de absorción)
1. Perforación de extracción
de vapor
2. Inyección de agua fría
hasta roca caliente
3. Perforación de extracción
de vapor
4. Intercambiador de calor
5. Edificio de la turbina
6. Enfriamiento
7. Depósito de calor
subterráneo, para exceso
de temperatura
8. Medición de perforación
9. Conexión a red eléctrica.
FIG. 2.8
28
Energía geotérmica de baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a
temperaturas comprendidas entre 20 y 60 ºC. Esta energía se utiliza para necesidades
domésticas, urbanas o agrícolas.
El tipo de energía geotérmica que se necesita para producir electricidad con un
rendimiento aceptable la temperatura mínima está entre 120 y 180 ºC.
Ventajas
Es una fuente que evitaría la dependencia energética del exterior.
Los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto ambiental que los
originados por el petróleo o el carbón...
Inconvenientes
En ciertos casos hay emisión de ácido sulfhídrico que se detecta por su olor a huevo
podrido, pero que en grandes cantidades no se percibe y es letal.
En ciertos casos, la emisión de CO2, que aumenta el efecto invernadero; es inferior al
que se emitiría para obtener la misma energía por combustión.
Contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amoníaco, etc.
Contaminación térmica.
Deterioro del paisaje.
No se puede transportar (como energía primaria).
No está disponible más que en determinados lugares.
Usos
Generación de electricidad
Aprovechamiento directo del calor
Calefacción
29
2.3. ENERGÍA SOLAR
La característica general de la energía solar es que tiene una elevada calidad energética,
de pequeño o nulo impacto ecológico e inagotable; sin embargo existen algunos
problemas a la hora de su aprovechamiento ya que la energía llega a la tierra de manera
dispersa y semialeatoria, así como sus ciclos día-noche y estaciónales invierno-verano.
Dicho aprovechamiento puede hacerse de dos maneras: por captación térmica y por
captación fotovoltaica.
Solar térmica.
Se basa en la captación de la radiación por medio de un elemento llamado colector.
Existen tres técnicas diferentes para que la temperatura pueda alcanzar la superficie
captora. Y son los de baja temperatura, media temperatura y alta temperatura, según que
la captación. De bajo o alto índice de concentración.
Tecnología de baja temperatura se destina al calentamiento de agua por debajo de su
punto de ebullición. Tomando en cuenta los siguientes subsistemas:
Subsistema colector. Que se encuentran integrados por los siguientes elementos:
superficie captadora (normalmente de color negro), circuito por donde circula el fluido,
cubierta transparente, aislamiento térmico y caja protectora.
Subsistema de almacenamiento. Se integra por depósitos de dimensiones adecuadas,
siendo su objetivo almacenar el agua caliente que procede de los paneles para su uso
posterior.
Subsistema de distribución. Constituido por redes de tuberías, válvulas, bombas y
accesorios, y que tienen por finalidad transportar el agua caliente desde el sistema
colector al de acumulación y desde aquí a los puntos de consumo.
FIG. 2.9
Tecnología de media temperatura esta destinada a aquellas aplicaciones que requieren
temperaturas superiores a los 100º c. Este tipo de sistemas se puede utilizar para la
producción de vapor o para el calentamiento de otro tipo de fluido, pudiéndose alcanzar
hasta los 300º c.
30
La tecnología de alta temperatura está dirigida a aquellas aplicaciones que requieren
temperaturas superiores a los 300º c, principalmente para la producción de energía
eléctrica. En este caso se pueden emplear dos sistemas de concentración:
Paraboloides (que reflejan la radiación en un punto reducido donde se encuentra el
absorbedor)
Centrales de torre (formadas por un campo de espejos orientables que reflejan la
radiación sobre una caldera independiente y situada en lo alto de una torre). El calor
captado en el absorbedor es transferido a un fluido que suele ser vapor de agua a
presión
FIG. 2.10
Solar fotovoltaica.
Mediante el efecto fotoeléctrico la energía de los corpúsculos constituyentes de la luz
(fotones) se puede aprovechar para producir electricidad. Las expectativas de la energía
solar fotovoltaica son muy interesantes. Las nuevas tecnologías y materiales de
fabricación de las células ofrecen la posibilidad de conseguir importantes disminuciones
en el precio de los paneles, lo cual permitiría que su uso se hiciera más generalizado.
Actualmente las aplicaciones más interesantes son la electrificación rural referida al
sector doméstico, las aplicaciones agrícolas y ganaderas, como repetidores de radio y
televisión, radiógrafos, (que son señales radioeléctricas de un puerto o aeropuerto que
se utilizan para guiar a los barcos y aviones en su navegación), calculadoras, etc.
Clasificación energía solar por tecnologías y su correspondiente uso más general:
Energía solar pasiva: aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o
sistemas mecánicos.
Energía solar térmica: para producir agua caliente de baja temperatura, para uso
sanitario y calefacción.
Energía solar fotovoltaica: para producir electricidad
semiconductores que se excitan con la radiación solar.
mediante
placas
31
de
2.4. ENERGÍA HIDRÁULICA
La energía hidráulica es la que se obtiene de la caída del agua de una cierta altura a un
nivel inferior, lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas que se
ubican debajo del flujo de agua.
La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan
suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir, presas, canales de
derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar
electricidad. Toda esta instalación implica la inversión de grandes sumas de dinero, por
lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos,
aunque el costo de mantenimiento de una central térmica, debido al combustible, sea
más caro que el de una central hidroeléctrica. Sin embargo, el peso de las
consideraciones medioambientales centra la atención en estas fuentes de energía
renovables.
Origen
El origen de la energía hidráulica está en el ciclo hidrológico de las lluvias y, por tanto,
en la evaporación solar y la climatología que remontan grandes cantidades de agua a
zonas elevadas, alimentando los ríos. Este proceso está originado, por la radiación solar
que recibe la tierra.
Estas características hacen que sea aprovechable en regiones donde existe una
combinación adecuada de lluvias, desniveles geológicos y orografía favorable para la
construcción de represas. También la energía potencial contenida en las corrientes de
agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. Puede ser
utilizada para producir energía eléctrica mediante un salto de agua, como se hace en las
centrales hidroeléctricas.
FIG. 2.11
32
Historia
Los antiguos romanos y griegos se beneficiaban ya de la energía del agua; recurrían a
ruedas hidráulicas para moler trigo. Durante la edad media, las grandes ruedas
hidráulicas de madera producían una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía
hidroeléctrica debe su mayor adelanto al ingeniero civil británico John Smeaton, que
fabricó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.
FIG. 2.12
La hidroelectricidad adquirió importancia durante la revolución industrial. Promovió las
industrias textil y del cuero así como los talleres de construcción de máquinas a
principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor se encontraban desarrolladas, el
carbón era insuficiente y la madera poco aprovechable como combustible. La energía
hidráulica facilito el crecimiento de nuevas ciudades industriales que se establecieron en
Europa y América así comenzó la necesidad de construir canales y presas a mediados
del siglo XIX.
Las presas y los canales eran necesarios para el montaje de ruedas hidráulicas ya que
se ubicaban juntas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. La construcción de
grandes presas de contención todavía no era posible; el escaso caudal de agua durante
el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, forzaron a sustituir las ruedas
hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se consiguió disponer de carbón.
La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Gran Bretaña. El
renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador
eléctrico, también se perfecciono la turbina hidráulica aprovechando mas el flujo del
agua, esto fue necesario 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.
En los principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de
energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su
electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, este tipo de energía 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 (90%).
33
Características
La energía hidráulica tiene la cualidad de ser renovable, pues no agota la fuente primaria
al explotarla, y es limpia, ya que al utilizarse no produce contaminante de ningún tipo.
Sin embargo, el impacto medioambiental de las grandes presas, por la severa alteración
del paisaje e, incluso, la inducción de un microclima diferenciado en la zona donde se
ubica, ha desmerecido la bondad ecológica de este concepto en los últimos años.
Al mismo tiempo, la experiencia de la explotación hace que en los países desarrollados
no queden apenas ubicaciones atractivas por desarrollar nuevas centrales
hidroeléctricas, por lo que esta fuente de energía, que aporta una cantidad significativa
de la energía eléctrica en muchos países no permite un desarrollo adicional excesivo.
Recientemente se están realizando centrales mini hidroeléctricas, mucho más
respetuosas con el ambiente y que se benefician de los progresos tecnológicos,
logrando un rendimiento y una viabilidad económica razonables.
Ventajas
Se trata de una energía renovable y limpia, de alto rendimiento energético.
Inconvenientes
La constitución del embalse supone la inundación de importantes extensiones de
terreno, a veces áreas fértiles o de gran valor ecológico, así como el abandono del
pueblo.
FIG. 2.13
34
2.4.1. HIDROELECTRICIDAD EN MÉXICO
FIG. 2.14
La historia de la hidroelectricidad en México se toma hacia finales del siglo XIX. Durante
el Porfiriato y gracias al desarrollo hidroeléctrico, se presenta un gran cambio
tecnológico en la industria, así como una nueva forma de aprovechar los escurrimientos
hidráulicos. En 1889 se construyeron las primeras plantas de energía eléctrica, las
cuales surgieron en torno a la minería y la industria textil.
En la primera década del siglo XX el capital para la generación de energía eléctrica era
de origen nacional, pero se vio desplazado por la creciente inversión extranjera, ya que
para 1920 cuatro o cinco empresas generaban la mayor parte de la energía eléctrica en el
país, destacando la Mexican Ligth and Power Co. Ltd, la puebla Light and Power Co., la
Veracruz Electric and Co, entre otras.
En 1930 dos grupos dominaron la industria eléctrica: la compañía mexicana de luz y
fuerza motriz y la American Foreign Power Co, con capital canadiense. Sin embargo,
ante la ineficiencia operativa de esas compañías, el gobierno mexicano dictó medidas
administrativas para que mejoraran el servicio y redujeran las tarifas. El 2 de diciembre
de 1933 el presidente Abelardo l. Rodríguez envió al congreso de la unión una iniciativa
para la creación de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), el 19 de enero de 1934 se
autorizó su construcción y el 14 de agosto de 1937, durante el gobierno del general
Lázaro Cárdenas, se promulgó la ley que la instituyó.
Las primeras obras hidroeléctricas que realizó la CFE fueron llevadas a cabo en
Teloloapan, Guerrero, Pátzcuaro, Michoacán, Suchiate, Chiapas, Xia, Oaxaca Y Urea,
Altar en Sonora. También se inició la planeación de anteproyectos de otras centrales
como la de Ixtapantongo en el Estado de México.
35
Ante el aumento de la demanda de energía eléctrica y para hacer frente a ella, la CFE se
vio obligada a incrementar su capacidad, pero al mismo tiempo que se avanzaba en el
desarrollo tecnológico, se agravaban los problemas sociales que éste generaba. Debido
a la construcción de presas se hacia necesario desplazar la población que se encontraba
en la zonas bajas de la obra.
Los conflictos sociales ocasionaron fuertes polémicas entre los ingenieros defensores
de este tipo de obras en bien del desarrollo nacional, y los estudiosos sociales que han
cuestionado sus éxitos frente al alto costo social para los habitantes de las zonas
elegidas para la construcción de esos proyectos.
Los casos de mayor impacto de reacomodos de población debido a las hidroeléctricas
que se registran en la historia nacional, son los de Oaxaca: Temascal (hoy miguel
alemán) y Cerro de Oro (hoy miguel de la Madrid), ambas en la cuenca del río
papaloapan, se calcula que expulsaron a más de 20 mil pobladores en ambos casos. El
número de personas desplazadas por proyectos hidroeléctricos se incrementó, y en
algunos casos llegó a la cantidad de 35 mil habitantes.
De acuerdo con los datos proporcionados por la CFE existen 70 obras hidroeléctricas en
diferentes estados de la república mexicana, “tenemos representación en una de las
cuencas hidrológicas que registran mayor precipitación: la del río Grijalva. En ella se
localizan las centrales: Manuel Moreno Torres, (Chicoasén); la Belisario Domínguez, (la
Angostura); la de Malpaso y la de Peñitas, todas ubicadas en el estado de Chiapas. Las
últimas creaciones como la central hidroeléctrica del Cajón en Tepic, Nayarit y la presa
en construcción llamada “Yesca” junto con la central hidroeléctrica de Aguamilpa dan
realce a la ciudad de Nayarit.
36
En el siguiente mapa se muestran las regiones en las que esta dividida en país
deacuerdo a la disponibilidad del agua.
FIG. 2.15
Regiones hidrológicas de México
Nombre
Escurrimiento Escurrimiento
Área como
superficial
como % del
% del total
promedio (km3)
total
I Baja California
3,0
1%
7%
II noroeste
5,5
1
10
III pacífico norte
22,4
6
8
IV balsas
24,9
6
6
V pacífico sur
30,8
8
4
VI río bravo
7,2
2
19
VII cuencas centrales del norte
4,7
1
10
VIII Lerma–Santiago–Pacífico
29,6
7
10
IX norte del golfo
22,1
6
6
X centro del golfo
98,9
25
5
XI sur del golfo
139,7
35
5
XII Yucatán
4,3
1
7
XIII valle de México
2,0
1
1
Total de México
395,1
100%
100%
37
2.4.2. PROYECCIONES A FUTURO EN MÉXICO
Surgen nuevas propuestas empresariales interesadas en definir un esquema para el
desarrollo económico del país. La aparición del proyecto CEMAI, es una iniciativa
conocida como México siglo XXI-infraestructura para desarrollo del sureste de México,
propuesto al gobierno federal por el Consejo Empresarial Mexicano de Asuntos
Internacionales (CEMAI), centrado principalmente en Chiapas, el sur de Veracruz, el
oriente de Oaxaca y parte de los estados de Tabasco y Campeche.
La propuesta del CEMAI significa la realización de siete proyectos hidroeléctricos y la
construcción de seis vertientes de canales fluviales. Estos proyectos están definidos en
tres grandes líneas: agua y energía, para la generación de 29,000 millones kwh al año. Y
la recuperación de más de un millón de hectáreas de tierras en la planicie costera,
La iniciativa México siglo XXI infraestructura para desarrollo del sureste de México
propuesta por el CEMAI, retoma la propuesta formulada en 1998 por ingenieros
especialistas en la materia de un proyecto a nivel nacional con el nombre de México
Tercer Milenio (MTM).
México Tercer Milenio constituye una propuesta de desarrollo en materia de
infraestructura hidroenergética para todo el país, se integra por cincuenta obras de
infraestructura que buscan la optimización de recursos naturales, económicos y
financieros de México. Entre las cuales se encuentra la construcción de presas para
abasto de agua, electricidad y control de inundaciones, así como el restablecimiento de
la calidad-nivel de vida y el equilibrio natural en las mismas. En ese sentido, se propone
una regionalización del país en las que se establecerían complejos de desarrollo, que se
emplazarían en seis regiones costeras que disponen con abundantes recursos
hidráulicos y energéticos —tres en el Golfo de México y tres en el Océano Pacífico—.
Estas regiones son: complejo del pacífico noroeste, complejo del pacífico occidental,
complejo del pacífico sur, complejo del golfo centro y norte, complejo del sureste.
Para el sureste de México propone la ejecución de dos proyectos: sistema hidroeléctrico
del río Mexcalapa-Grijalva y proyectos de infraestructuras para la cuenca del río
Usumacinta, los cuales incluyen los siete proyectos hidroeléctricos de los que habla el
CEMAI.
Se trata, de un ambicioso megaproyecto nacional que busca el aprovechamiento de los
recursos hidrológicos del país. Considerando la creciente importancia estratégica del
agua, por ser un elemento que influye en la calidad y forma de vida de la sociedad. En
ese sentido, para el proyecto MTM, la consolidación del complejo del sureste constituye
una prioridad, dada su abundancia en recursos hídricos.
Sin embargo, el proyecto MTM al formular un modelo de desarrollo nacional basado en el
desarrollo hidroenergético, en realidad está retomando el modelo de desarrollo por
cuencas hidrológicas que implementara el gobierno federal entre 1947 y 1958, el cual
fundaba la industrialización del país en torno al desarrollo de infraestructura
hidroeléctrica. Para lo cual se integraron comisiones mixtas encargadas de la planeación
de las grandes cuencas hidrológicas, mediante ellas fue posible integrar programas de
38
desarrollo regionales, centradas en la construcción de presas, complejos hidroeléctricos
y distritos de riego a lo largo y ancho del país
.
Propuestas:
De los proyectos que forman el complejo de desarrollo del país a continuación se
presenta un resumen de sus funciones y características:
Sistema hidroeléctrico del río Mexcalapa-Grijalva:
Formado por los proyectos (de río arriba hacia aguas abajo): Belisario Domínguez (la
Angostura), Manuel Moreno Torres (Chicoasen), Netzhualcoyotl (Malpaso) y Ángel Albino
Corzo (las Peñitas), fue construido entre los años de 1959 a 1987. Con un
almacenamiento de 37,000 millones de metros cúbicos, contribuye con cerca del 30% de
los escurrimientos en la planicie costera de Tabasco. Al aportar una capacidad de 4800
megawatts (mw.), requiere sin demora, de renovados criterios de operación y obras
complementarias para fortalecer su participación y presencia interregional.
El proyecto la Angostura, Chiapas. Situado a 53 kilómetros al sureste de Tuxtla Gutiérrez
controla casi la mitad de la cuenca, lo cual otorga la suficiente confianza para regular los
escurrimientos normales y extraordinarios en la parte alta del río Grijalva. Al mantener
sus almacenamientos y niveles máximos en una variación de seis metros su operación
se traducirá en un aumento de la generación de electricidad -cada metro cúbico
disponible en su embalse representa un kilowatt•hora en el sistema-contando con que
garantiza siempre la potencia instalada.
Proyecto Chicoasen, Chiapas. A 21 kilómetros al norte de Tuxtla Gutiérrez, en la salida
del Cañón del Sumidero, su operación esta sujeta al proyecto la Angostura, lo que crea
las condiciones idóneas para funcionar con óptimos niveles. No obstante la
deforestación-erosión de la cuenca, reduce su capacidad y vida útil; Situación que hace
prioritario realizar presas para control de azolve sobre los ríos Suchiapa y Santo
domingo. Implica que la profundidad actual y a mediano plazo de sedimentos, definirá si
aún es conveniente instalar los tres equipos turbogeneradores de 300 mw. Para tener
una potencia instalada total en la central hidroeléctrica de 2400 mw.
El proyecto Malpaso, Chiapas. Por su ubicación a 115 kilómetros al suroeste de
Villahermosa- y lo relevante de su función es recomendable efectuar modificaciones a
fondo para optimizar sus índices hidroenergéticos. Al subir la presa doce metros se
contaría con un almacenamiento total de 18,000 millones de metros cúbicos -similar al
del proyecto la Angostura-, lo cual facilitaría adicionar 1,350 millones de kw•h. En un
puerto topográfico situado a 19 kilómetros al oeste de la presa se propone edificar una
nueva obra de excedencias que descargaría al río Uxpanapa-Coatzacoalcos y sustituir
así los actuales vertedores. También es conveniente sobre equiparlo con 540 mw., ya
sea ampliando la casa de máquinas o construir una nueva planta hidroeléctrica en la
margen izquierda.
Proyecto las Peñitas, Chiapas. Localizado a 83 kilómetros al suroeste de Villahermosa,
adquiere y concentra la responsabilidad de control de inundaciones. Con la
construcción del nuevo vertedor que controlaría-transferiría los volúmenes excedentes
de las centrales la Angostura, Chicoasen y Malpaso fuera de la cuenca del río Grijalva,
39
quedarían mejor protegidas las poblaciones y tierras agrícolas de la parte centro-norte
de Tabasco. Este cambio prescindiría del actual vertedor auxiliar y, si es viable, se
transformaría en una segunda casa de máquinas para sobre-equipar la central. También
el puerto-dique situado a tres kilómetros al noreste de la presa es una buena alternativa
para aumentar la capacidad. Con una potencia total de 720 mw., la producción se
elevaría a 1,850 millones de kw•h, lo que ofrecería mejor seguridad y servicio eléctrico.
Nuevos proyectos hidroeléctricos
Proyecto Malpaso 2, Chiapas. Es muy conveniente y oportuno, desarrollar un moderno y
competitivo proyecto hidroeléctrico sobre el río la Venta (principal afluente del río
Grijalva por la margen izquierda), justo en su unión con el río Negro. Ubicado a 28
kilómetros al suroeste de la presa Malpaso, crearía en profundos barrancos un embalse
de 3,750 millones de metros cúbicos. Con capacidad de 540 mw. Y generación de 1800
millones de kw·h por año, ampliaría la contribución del sistema hidroeléctrico del río
Mexcalapa-Grijalva) en el desarrollo local y regional, así como la disponibilidad
energética en los sistemas interconectados.
La central Mexcalapa, Tabasco Chiapas. Con la finalidad de mejorar en el proyecto las
Peñitas el control de inundaciones y, aprovechar todas las aportaciones en la
producción de electricidad, es recomendable si las diversas afectaciones e
indemnizaciones lo permiten- construir una central hidroenergética de baja carga, la cual
se ubicaría a 27.5 kilómetros aguas abajo de ese proyecto. Se formaría con un dique
carretero de 13 kilómetros y su planta hidroeléctrica, con capacidad de 300 mw. Y
generación de 950 millones de kw·h quedaría en el extremo oriente, a fin de canalizar al
río Mexcalapa sólo extracciones reguladas. Su vertedor, que estaría en el empotramiento
oeste de la presa, descargaría al río las Flores, afluente del río Tonala; condición que
eliminaría de todo riesgo asociado al sistema hidroeléctrico del río Grijalva de futuras
inundaciones en la planicie costera.
Con el proyecto Malpaso 2 y la central Mexcalapa se alcanzaría un uso integral de los
caudales de la cuenca del río Grijalva desde su origen en la república de Guatemala
hasta la llanura Tabasqueña; con lo cual el principal sistema hidroeléctrico en operación,
incrementaría sus beneficios para impulsar el desarrollo regional, en especial lo relativo
a proteger de recurrentes y catastróficas inundaciones las poblaciones, campos
agrícolas e industrias en esta parte de la vertiente del golfo.
Lo anterior, al conjuntarse con diversas acciones y uso racional de los recursos:
reforestación general, control de erosión y de la maleza acuática, evitar la invasión de
zonas de inundación, además de prolongar la capacidad y vida útil de todo el sistema, la
potencia aumentará en 43% y la producción en 41% y podrán revalorarse las cualidades
y ventajas de cada proyecto además se fomentarán a gran escala las actividades
turísticas, de esparcimiento, la piscicultura y la navegación en seis excelentes embalses
donde en sus riberas podrán establecerse nuevas y bien planificadas poblaciones.
40
El proyecto binacional Boca del Cerro, Chiapas-Tabasco y Guatemala. Por construirse
sobre el río Usumacinta -el más importante y caudaloso de México-, será la obra
hidroenergética mas distinguida del país. Con almacenamiento de 30,500 millones de
metros cúbicos -67% del área de embalse (1115 kilómetros cuadrados) y capacidad de
4200 mw. Para generar 17,400 millones de kw·h anuales equivalente al -67% de la actual
producción hidroeléctrica nacional-, que al sumarse con sus importantes beneficios
sociales y económicos (empleo, vivienda, distritos agropecuarios, vías de comunicación,
protección ambiental, transferencias a la península de Yucatán), permitirá que México y
Guatemala inicien un amplio desarrollo industrial-comercial-turístico e instaurará las
bases para una futura interconexión en alta tensión con los demás países de
Centroamérica y Colombia.
La central Nance, Chiapas. El sitio del proyecto localizado en los altos de Chiapas sobre
el río Tzanconejá, distará 7.5 kilómetros al sureste del municipio de Altamirano. Con una
potencia por instalar de 480 mw. Para producir 1000 millones de kw·h, contará con un
embalse de 14 kilómetros cuadrados y 360 millones de metros cúbicos. Por su atractiva
ubicación, será el nodo de concentración de transmisión y distribución eléctrica
regional, además de que permitirá incrementar la disponibilidad de potencia y energía de
picos. Asimismo, junto con los otros proyectos de la cuenca del río Usumacinta,
consolidará los programas propuestos para los nuevos centros de población en las
costas del golfo de México. Por lo que los valiosos recursos hidroeléctricos de la cuenca
del río Usumacinta -el sistema Usutulha y estos cinco proyectos aportarán una potencia
de 9520 mw. Y generarán 33,000 millones de kw·h, equivalentes al 27% y 20% con
respecto a los mismos conceptos en el ámbito nacional-, activarán de manera importante
y decisiva el progreso del país, tanto por producir un volumen significativo de energía
limpia y renovable, como para formar grandes y funcionales almacenamientos de agua
dulce. Así como proyectos y vías de comunicación complementarios.
41
Nombre de la central
N° de
unidades
Entrada en
operación
Cap efec
inst (Mw.)
Ubicación
Plutarco Elías Calles
(el novillo)
3
12-nov-64
135
Soyopa, sonora
Oviáchic
2
28-ago-57
19
Cajeme, sonora
Mocúzari
1
03-mar-59
10
Álamos, sonora
27 de septiembre
(el fuerte)
3
27-ago-60
59
El fuerte, Sinaloa
Salvador Alvarado
(sanalona)
2
08-may-63
14
Culiacán, Sinaloa
Humaya
2
27-nov-76
90
Badiraguato, Sinaloa
Bacurato
2
16-jul-87
92
Sinaloa de Leiva,
Sinaloa
Raúl j. Marsal
(comedero)
2
13-ago-91
100
Cosalá, Sinaloa
Luís Donaldo Colosio
(huites)
2
15-sep-96
422
Choix, Sinaloa
Boquilla
4
01-ene-15
25
San francisco conchos,
chihuahua
Colina
1
01-sep-96
3
San francisco conchos,
chihuahua
La amistad
2
01-may-87
66
Acuña, Coahuila
Falcón
3
15-nov-54
32
Nueva cd. Guerrero,
Tamaulipas
Infiernillo
6
28-ene-65
1,000
La unión, guerrero
Villita
4
01-sep-73
290
Lázaro cárdenas,
Michoacán
Cupatitzio
2
14-ago-62
72
Uruapan, Michoacán
Cóbano
2
25-abr-55
52
Gabriel Zamora,
Michoacán
Platanal
2
21-oct-54
9
Jacona, Michoacán
Botello
2
01-ene-10
13
Panindícuaro,
Michoacán
Tirio
3
01-ene-05
1
Morelia, Michoacán
Bartolinas
2
20-nov-40
1
Tacámbaro, Michoacán
Itzícuaro
2
01-ene-29
1
Peribán los reyes,
Michoacán
Zumpimito
4
01-oct-44
6
Uruapan, Michoacán
San pedro porúas
2
01-oct-58
3
Villa madero,
Michoacán
Puente grande
2
01-ene-12
12
Tonalá, Jalisco
Colimilla
4
01-ene-50
51
Tonalá, Jalisco
42
Luís m. Rojas
(intermedia)
1
01-ene-63
5
Tonalá, Jalisco
Manuel m. Dominguez
(santa rosa)
2
02-sep-64
61
Amatitlán, Jalisco
Jumatán
4
17-jul-41
2
Tepic, nayarita
Valentín Gómez Darías
(agua prieta)
2
15-sep-93
240
Zapopan, Jalisco
Aguamilpa
3
15-sep-94
960
Tepic, nayarita
Leonardo Rodriguez A.
(el cajón)
2
01-mar-07
750
Santa maría del oro,
Nayarit
Carlos Ramírez Ulloa
(el caracol)
3
16-dic-86
600
Apaxtla, guerrero
Ambrosio Figueroa
(la venta)
5
31-may-65
30
La venta, guerrero
Colotlipa
4
01-ene-10
8
Quechultenango,
guerrero
Portezuelos i
4
01-ene-01
2
Atlixco, puebla
Portezuelos i.e.
2
01-ene-08
1
Atlixco, puebla
Fernando h. Balderrama
(zimapán)
2
27-sep-96
292
Zimapán, hidalgo
Mazatepec
4
06-jul-62
220
Tlatlauquitepec, puebla
Temascal
6
18-jun-59
354
San miguel soyaltepec,
Oaxaca
Tuxpango
4
01-ene-14
36
Ixtaczoquitlán,
Veracruz
Chilapan
4
01-sep-60
26
Catemaco, Veracruz
Camilo Arriaga
(el salto)
2
26-jul-66
18
Cd. Maíz, san Luis
Potosí
Encanto
2
19-oct-51
10
Tlapacoyan, Veracruz
Electroquímica
1
01-oct-52
1
Cd. Valles, san Luis
Potosí
Ixtaczoquitlán
1
10-sep-05
2
Ixtaczoquitlán,
Veracruz
Micos
2
01-may-45
1
Cd. Valles, san Luis
Potosí
Minas
3
10-mar-51
15
Las minas, Veracruz
Texolo
2
01-nov-51
2
Teocelo, Veracruz
Manuel moreno torres
8
29-may-81
2,400
Chicoasén, Chiapas
(chicoasén)
43
Malpaso
6
29-ene-69
1,080
Tecpatán, Chiapas
Belisario Domínguez
(angostura)
5
14-jul-76
900
Venustiano Carranza,
Chiapas
Ángel albino corzo
(peñitas)
4
15-sep-87
420
Ostuacán, Chiapas
José Cecilio del valle
(el retiro)
3
26-abr-67
21
Tapachula, Chiapas
Bombaná
4
20-mar-61
5
Soyaló, Chiapas
Tamazulapan
2
12-dic-1962
2
Tamazulapan, Oaxaca
Schpoiná
3
07-may-53
2
Venustiano carranza,
Chiapas
Tepazolco
2
16-abr-53
0
Xochitlán, puebla
Las rosas
1
01-ene-49
0
Cadereyta, Querétaro
Huazuntlán
1
01-ago-68
0
Zoteapan, Veracruz
44
SUB-TEMA:
3. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Una central hidroeléctrica es aquella que es utilizada para la generación de energía
eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía potencial a partir del uso del agua
como fuerza motriz. Para generar esta energía, utiliza cuatro elementos fundamentales
que son: agua, caída, turbina y generador. Primero se reúnen las aguas disponibles de
lagos, ríos, para después embalsarlas en presas previamente construidas a un nivel mas
alto del que se encuentra la central esto para provocar y aprovechar la caída del vital
liquido, raramente el agua es utilizada directamente de sus causes ya que la presa
retiene el agua y con esto podemos liberarla a conveniencia según la demanda de
energía que se requiera en la central.
FIG. 3.1
Las aguas son conducidas por túneles y canales y luego por una tubería de presión, de
acero muy resistente y de un diámetro adecuado, por toda la pendiente que se tenga.
Esta caída es la base fundamental de las centrales hidroeléctricas ya que, junto con la
presión del agua, dan la potencia necesaria para mover las ruedas hidráulicas o turbinas.
El agua llega a una galería de distribución de donde es enviada para pasar por una serie
de válvulas hacia las turbinas.
Luego, el agua es inyectada a las turbinas. Provocando que estas empiecen a girar y a
través de ejes hacen girar a los generadores. En los generadores es donde se produce la
electricidad: la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.
La electricidad generada pasa por los transformadores y se conduce al exterior de la
central hacia una estación de salida donde se hallan los interruptores que se conectan a
las líneas de transmisión. Estas son las encargadas de llevar la electricidad a las
ciudades a través de las líneas de transmisión y las torres de alta tensión.
45
Las centrales son controladas desde una sala de mando dentro de la misma central
(casa de maquinas. Ese es el lugar donde se sincronizan y se regulan todas las acciones
y maniobras que el servicio requiere.
3.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Las características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de
su capacidad de generación de electricidad son:
La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el
nivel medio de las aguas debajo de la central.
El caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador.
La energía garantizada, en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, está
en función del volumen útil del embalse, y de el limite de potencia que tiene instalada la
central hidroeléctrica.
3.2. VENTAJAS DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
No requieren combustible, debido a que usan una forma renovable de energía,
constantemente proporcionada por la naturaleza de manera gratuita.
Es limpia, pues al utilizar el agua para la generación de hidroelectricidad no la contamina
y puede ser reutilizada, por que es devuelta al cauce de los ríos.
A menudo puede combinarse con otros beneficios en el lugar de instalación, 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.
La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en
marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costos de
mantenimiento, por lo general, reducidos.
Comparada con una central termoeléctrica, los benéficos al medio ambiente y en
consecuencia a la humanidad son mucho mayores en el caso de las centrales
hidroelectricas, debido a que no requieren combustibles fósiles para su explotación.
Contra estas ventajas deben señalarse ciertas desventajas:
El lugar de construcción de la central, 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 en la inversión y en los costos
de mantenimiento y pérdida de energía.
Los costos de capital por kilowatt instalado son con frecuencia muy altos.
46
La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con otras centrales.
La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.
Debido a la temporada de estiaje y en caso contrario la fuerte temporada de lluvias.
3.3. 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 presa. Se denominan central de agua fluente y central de agua
embalsada.
3.3.1. CENTRALES DE AGUA FLUENTE
Estas centrales también son llamadas 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 con reservas 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 época de estío que es cuando las aguas se encuentran en el nivel mas
bajo.
3.3.2. 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:
Son las que tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse de
represas en 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 o demanda de energía eléctrica.
47
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.
Estas centrales utilizan turbinas Pelton.
CENTRALES DE MEDIA PRESIÓN:
Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 20-200 metros aproximadamente.
Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.
En valles de media montaña, dependen de embalses.
Las turbinas son Francis
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.
Utilizan turbinas utilizadas son de tipo Kaplan.
48
SUB-TEMA:
4. PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Los elementos más característicos de una central hidroeléctrica son la presa, los
conductos de agua, (canales y tuberías) la cámara de reposo, la sala de máquinas, (las
turbinas, los generadores y los elementos de regulación y comando).
4.1. LA PRESA
El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa que se
encarga de detener y almacenar el agua. Con estas construcciones se logra un
determinado nivel del agua dependiendo de la contención de la presa, y existe otro nivel
diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.
FIG. 4.1
Se denomina presa, a un muro fabricado con piedra, hormigón o materiales sueltos, que
se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río, con la finalidad de
contener el agua en el cauce del rió para su posterior aprovechamiento, en
abastecimiento, o para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de
riego, y para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas.
Componentes de una presa:
*El embalse: es el volumen de agua que queda retenido por la presa.
*El vaso: es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada.
*La cerrada: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa.
*La presa: cuyas funciones básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la
construcción, soportando un empuje hidrostático del agua muy fuerte, y por otro no
permitir la filtración del agua hacia abajo.
49
A su vez, en la presa se distinguen:
Los paramentos: son las dos superficies principales que limitan el cuerpo de la presa, el
interior o de aguas arriba (paramento húmedo), que está en contacto con el agua, y el
exterior o de aguas abajo. (Paramento seco)
Los estribos: los laterales del muro que están en contacto con la cerrada contra la que
se apoya.
La cimentación: la superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga su peso al
terreno.
Vertedero de demasías: es la estructura hidráulica por la que sale el agua excedentaria
cuando la presa ya está llena.
FIG. 4.2
En toda central hidráulica es necesario disponer de dispositivos que permitan el paso
del agua desde el embalse hasta el cauce del río, aguas abajo de la misma, sin que ésta
tenga que ser turbinada. Cuando se producen grandes lluvias se pueden llegar a
alcanzar niveles en el embalse que sobrepasen el máximo permitido, dando lugar a
situaciones peligrosas. Es preciso tener la posibilidad de evacuar el agua que sobra sin
que pase por la central. La estructura que tiene el desagüe del agua sin turbinar es lo
que se denomina “vertedor de demasías”.
FIG. 4.3
La salida del agua por los vertedores se regula gracias a la presencia de grandes puertas
metálicas. La energía de caída del agua ha de ser disipada para evitar daños en su caída
a los terrenos emplazados aguas abajo de la presa. La instalación de cuencos de
amortiguación permite guiar la corriente. Para evitar que el agua pueda producir
50
desperfectos al caer desde gran altura, los vertedores se diseñan para que la mayoría del
líquido se pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de
amortiguación
Las tomas: son también estructuras hidráulicas, pero de mucha menos entidad, y son
utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser
abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad.
Válvula desarenadora: estas están situadas por debajo de la toma de agua con la
finalidad de evitar la acumulación de sedimentos (arenas, rocas y ramas) evitando que
obstruyan en la absorción del agua.
4.1.1. TIPOS DE PRESAS.
Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la
doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada
caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan
la elección del tipo de presa más adecuado.
Existen numerosos tipos, comenzando con que puede hablarse de presas fijas o
móviles, pero primero debemos clasificarlas en dos grandes grupos según su estructura
y según los materiales empleados en su construcción.
Existen también presas hinchables, basculantes y pivotantes pero son de mucha menor
entidad o han caído en desuso, por lo que no se consideran aquí.
4.1.1.1. PRESAS SEGÚN SU ESTRUCTURA
PRESAS DE GRAVEDAD
Son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del
agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que debe ser muy
estable capaz de resistir el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de
mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.
FIG. 4.4
51
Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va
estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos
el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una
diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se
debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta
forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie.
La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa
incremente su estabilidad.
PRESAS EN ARCO:
FIG. 4.5
Son todas aquellas en las que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del
agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas
de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las
represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se
necesita para su construcción.
FIG. 4.6
Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se
denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas, se construyen con hormigón y
requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a
sistemas constructivos poco comunes.
52
4.1.1.2. PRESAS SEGÚN SU MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
1.-PRESAS DE HORMIGÓN:
Son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden
hacer construcciones más estables y duraderas. Normalmente, todas las presas de tipo
gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y
las más antiguas son de ladrillo o de mampostería.
2.-PRESAS DE MATERIALES SUELTOS:
Son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y
suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que
consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para
contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción
son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más
destacan son las piedras y las gravas. Este tipo de presas tienen componentes muy
permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además,
estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus
materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento
puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una
pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien
aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las
aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse.
OTRAS
Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la función de retener
sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en
áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.
Presas de control de avenidas: son aquellas
cuya finalidad es la de laminar el caudal de las
avenidas torrenciales, con el fin de que no se
cause daño a los terrenos situados aguas abajo
de la presa en casos de fuerte tormenta.
Presas de derivación: son aquellas cuya
función es la de garantizar la permanencia de la
sección transversal del cauce, controlando la
sedimentación en él, de forma que no se
obstruyan las bocatomas de derivación. Este
tipo de presas son en general de poca altura
FIG. 4.7
53
4.1.2. GRANDES PRESAS EN MÉXICO Y EL MUNDO
Presa hidroeléctrica La Yesca (México)
Presa hidroeléctrica El Cajón (México)
Presa de Itaipu (Brasil-Paraguay)
Presa de Las Tres Gargantas (china)
4.1.2.1. PRESA HIDROELÉCTRICA LA YESCA (MÉXICO)
El martes 22 de enero del 2008, el Presidente Felipe Calderón Hinojosa puso la primera
piedra de la presa hidroeléctrica La Yesca;
El proyecto hidroeléctrico La Yesca, cuya cortina se construye en el municipio de La
Yesca, Nayarit, sera de gran magnitud su embalse que bañará también al estado de
Jalisco por la zona de Hostotipaquillo.
El camino de acceso está por Hostotipaquillo, Jalisco, por lo que es la ruta para ir a La
Yesca, la ruta tradicional: bajar a Plan de Barrancas, cruzar Hostotipaquillo, cruzar el río
Santiago para ir hacia La Yesca; esto también, en mediano plazo, habrá de ser muy útil:
será una nueva vía de comunicación que tendremos para esa región”.
La presa de La Yesca, en el estado de Nayarit es un logro del trabajo en equipo entre el
gobernador Ney González Sánchez y el Presidente Felipe Calderón, se construirá sobre
el cauce del río Santiago y será desarrollada bajo el esquema de obra pública financiada,
con una inversión aproximada de 8 mil 500 millones de pesos.
La presa La Yesca será la más alta de México, ya que su cortina tendrá una altura de 210
metros y para su construcción se colocará un volumen de 11.8 millones de metros
cúbicos de materiales; la capacidad de su embalse será de 2.3 millones de metros
cúbicos de agua.
Sumando las presas de Agua Milpa y El Cajón, La Yesca contribuirá al liderazgo de
Nayarit en la generación de energía eléctrica que requiere el país para su desarrollo; esta
magnífica obra dará empleo a 10 mil personas aproximadamente.
La compañía ICA (Ingenieros Civiles y Asociados) es la encargada de entregar la obra a
la paraestatal (CFE) en junio del 2012; la planta tendrá una capacidad de generación de
750 Megawatts.
54
FIG. 4.8
Imagen del río Santiago en el estado de Nayarit, y al fondo se percibe una humareda
ocasionada por alguna demolición con la finalidad de construir la presa.
FIG. 4.9
El presidente de México Felipe Calderón al lado de su homologo el Sr. Ney Gonzáles, al
momento de colocar la primer piedra para comenzar los trabajos de construcción de la
presa hidroeléctrica la Yesca
55
4.1.2.2. PRESA HIDROELÉCTRICA EL CAJÓN (MÉXICO)
El proyecto hidroeléctrico El Cajón construyéndose sobre el río Santiago, a 77
kilómetros aguas arriba del proyecto hidroeléctrico Agua Milpa en el estado de Nayarit,
presenta diferentes contradicciones de visión, concepto, planeación y técnicas, entre las
que se mencionan:
1. El cuestionamiento central se establece en sus deficiencias de concepto, que ponen
en duda su factibilidad energética, económica, técnica y social. Si la planificación es
incorrecta y los propósitos no son múltiples (únicamente generación de electricidad, de
disponerse con suficiente agua), su futuro funcionamiento y participación impedirán
cumplir con lo previsto, por lo que sera muy difícil recuperar las cuantiosas inversiones
de capital y, por consiguiente se complicará la situación de la industria eléctrica, que se
deriva entre otras causas por la equivocada selección de nuevas obras.
2. El Cajón estaría ubicado aguas arriba de el proyecto hidroeléctrico Agua Milpa lo cual
significa de entrada que perdería los caudales del rió Huynamoto principal afluente del
rió Santiago. Tampoco le llegarían los afluentes de los ríos de aguas arriba (rió Verde y
Juchipila) previstos para cubrir la demanda de agua en Guadalajara y parte del bajío. Si a
estas alturas Agua Milpa tiene problemas con el estiaje se espera lo mismo para El
Cajón.
3. Al considerar que el proyecto hidroeléctrico Agua Milpa tiene una producción actual
cercana al 60% de lo estimado por cuestiones de diseño -restricciones que no permite
aprovechar escurrimientos excedentes al finalizar la temporada de lluvias-, esto afecta
su funcionamiento durante el estiaje (del mes de noviembre al mes de mayo)-, que puede
esperarse en el proyecto hidroeléctrico El Cajón, con dos equipos turbogeneradores de
380 megawatts, generación probable anual de 1230 millones de kilowatts·hora y factor de
planta de 0.20 (características que en apariencia lo convierten en una obra atractiva y
confiable), si el problema esencial radica en garantizar el agua y almacenamiento
necesario para sustentar una operación normal. Lo anterior, al combinarse con un
embalse, área de captación y aportación menores en comparación con los del proyecto
hidroeléctrico Agua Milpa, se prevé que sea un proyecto de baja rentabilidad.
4. A pesar de que es un proyecto de infraestructura avalado por reconocidos expertos
nacionales e internacionales y en proceso de revisión por famosas instituciones
académicas, no es motivo para afirmar -debido a sus limitaciones de visión y planeación, que tendrá una operación continua y confiable; en especial durante la época de estiaje.
Además, por la baja capacidad de su embalse y la creciente deforestación, existirán
problemas de azolve a mediano plazo, lo cual reducirá su vida útil.
5. Ahora bien, de acuerdo con sus aspectos de diseño se requerirán 1900 millones de
metros cúbicos durante los meses de noviembre a mayo, a fin de asegurar un factor de
planta de 0.20 y los 760 megawatts de potencia instalada. Sólo que por sus
características técnicas no será posible contar con ese volumen, agudizándose su
participación en años con escurrimientos medios y mínimos. Esto, creará desequilibrios
en las áreas de generación occidental y noroeste, ya que al no contribuir a respaldar los
56
paros programados de las grandes centrales de vapor, sus efectos repercutirán en
mayores riesgos y contingencias de operación.
6. Con respecto a su estructura principal -la cortina- tiene características fisiográficas y
de diseño similar a la del proyecto hidroeléctrico Agua Milpa; argumento oficial central y
nivel de referencia, a fin de promover su construcción por la experiencia adquirida en
esa obra hidráulica. Desde luego, esto representa un concepto importante de ingeniería
e inclusive es acreditado por diferentes especialistas.
7. Asimismo su obra de control y excedencias, con una descarga máxima de 15000
metros cúbicos por segundo -deducida por presuponer enormes caudales de diseño, a
los cuales posteriormente se les tiene mucho respeto y precaución, donde la aportación
específica de esa norma de proyecto es encarecer todavía más las obras civiles y alterar
el funcionamiento futuro de la central hidroeléctrica en los meses de junio a octubre,
época donde se optimizaría su generación mayor, con relación al vertedor del proyecto
hidroeléctrico Agua Milpa; sin importar que el proyecto hidroeléctrico El Cajón se
ubicará río arriba y su superficie de cuenca es menor.
Así para el controvertido proyecto hidroeléctrico El Cajón -en noviembre de 1991 se
entregó en la dirección general de la Comisión Federal de Electricidad CFE el proyecto
de multifunciones Ixcam, Nayarit, propuesto desde entonces para consolidar e
incrementar la generación hidroeléctrica regional-, la respuesta oficial es ya no discutir
otros proyectos de infraestructura, pues la diversidad de estudios elaborados y la
aceptación de las áreas de gobierno respectivas lo justifican. Aún cuando las secretarías
de energía, hacienda y crédito público y medio ambiente y recursos naturales aprobaron
esta obra de infraestructura representativa del pasado sexenio, no inhibe que se revisen
y en su caso rectifiquen determinaciones.
México demanda inversiones productivas, recuperables y de beneficio general, no
obstáculos y cargas financieras que le dificulten avanzar. Por lo que resulta prioritario
definir con claridad y precisión, la línea de responsabilidad para no señalar a todo un
gobierno o institución por la toma de decisiones inapropiadas, sino a los funcionarios y
profesionistas directamente involucrados.
De ahí que sea congruente e inaplazable, colocar en las mesas de trabajo de las
dependencias del sector energético, las obras de infraestructura básicas oficiales -como
el proyecto hidroeléctrico El Cajón- y las recomendadas en el proyecto nacional México
Tercer Milenio (MTM). Este oportuno y fructífero debate y presentación, tiene la finalidad
invariable de elegir los planes, programas y proyectos hidroenergéticos más
convenientes al desarrollo del país.
57
4.1.2.3. PRESA DE ITAIPU (BRASIL-PARAGUAY)
La presa de Itaipú (del guaraní, "piedra que canta"), la primera en tamaño en operación
del mundo, es un emprendimiento binacional entre Brasil y Paraguay. Está ubicada
sobre el río Paraná en la frontera entre estos dos países, en la ciudad de Hernandarias, a
14 km al norte del puente de la amistad.
El área implicada en el proyecto se extiende desde Foz do Iguacu, en el Brasil, y Ciudad
del Este, en el Paraguay, al sur, hasta Guaíra (Brasil) y salto del Guairá (Paraguay), la
represa consta de 29 millones de m³ de agua, con unos 200 km de extensión en línea
recta, y un área aproximada de 1400 km². La potencia instalada en la represa es de 14000
mw, con 20 turbinas generadoras de 700mw c/ u.
En el 2000 la represa tuvo su récord de producción (93,4 mil millones de kwh) siendo
responsable del 95% de la energía eléctrica consumida en el Paraguay y el 24% de toda
la demanda del mercado brasileño.
HISTORIA
La represa de Itaipú es el resultado de intensas negociaciones entre los dos países
durante la década del 1960. El 22 de junio de 1966, el ministro de relaciones exteriores
del Brasil (Juracy Magalhães) y el de Paraguay (Sapena Pastor), firmaron el "Acta De
Iguazú", una declaración conjunta que manifiesta la predisposición para estudiar el
aprovechamiento de los recursos hidráulicos pertenecientes a los dos países, en el
trecho del río Paraná "desde el salto de sete quedas hasta el estuario del río Iguazú".
Una de las cláusulas del proyecto firmado por ambos países prevé que el excedente de
energía que no es utilizado por uno de los países será vendido en exclusividad al otro
país participante del proyecto en este caso Argentina.
INICIO DE LA OBRA
En 1970 el consorcio formado por las empresas Industrial Electric Company (IEco) de los
Estados Unidos y el Electroconsult S.P.A. de Italia, ganaron el concurso internacional
para la realización de los estudios de probabilidades y para la elaboración del proyecto
de la obra.
El 26 de abril de 1973, Brasil y Paraguay firmaron el tratado de Itaipú, instrumento legal
para el aprovechamiento hidroeléctrico del río Paraná por los dos países. El 17 de mayo
de 1974, fue creada la entidad binacional Itaipú, para la administración de la
construcción de la represa. El inicio efectivo de las obras ocurrió en enero del año
siguiente.
58
INICIO DE LAS OPERACIONES
El 5 de mayo de 1984, entró en operación la primera turbina de Itaipú, y se prosiguió con
la instalación al ritmo de dos a tres por año. La represa amplió su capacidad instalada de
12.600 mw. Para 14.000, con la entrada en operación de las dos últimas unidades
generadoras a inicios de 2007, completando el proyecto original de 20 turbinas
Itaipú produce en promedio 90 millones de megawatts-hora (mwh) por año. Con el
aumento de la capacidad y en condiciones favorables del río Paraná (la hidrología y el
consumo en el Brasil, principalmente durante los fines de semana y feriados, días en que
actualmente se produce una caída muy grande) se podrían llegar a generar a 95 millones
de mwh, rompiendo su propio récord mundial de 93,4 millones de mwh.
El aumento de la capacidad permitirá que 18 de las 20 turbinas proyectadas
permanezcan funcionando permanentemente, mientras dos permanecen en
mantenimiento (actualmente, 18 operan mientras se realiza el mantenimiento periódico
de dos)
Existen 20 unidades generadoras, estando diez en la frecuencia de la red eléctrica
paraguaya y diez en la frecuencia de la red eléctrica brasileña (60 hz).
FIG. 4.10
59
4.1.2.4. PRESA DE LAS TRES GARGANTAS (CHINA)
La presa de las Tres Gargantas está situada en el curso del río Yangzi en China y es la
planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo.
HISTORIA
La construcción de la represa está proyectada para durar 17 años, y comenzó en 1993. El
6 de noviembre de 2002 se logró cerrar el curso del río y en 2003 comenzó a operar el
primer grupo de generadores. A partir de 2004 se instalarán un total de 4 grupos de
generadores por año, hasta completar la obra.
El 21 de mayo de 2006 terminó de construirse el muro de la presa. Esta prevista su
finalización para el año 2009. Casi 1,900,000 personas fueron realojadas por el gobierno,
principalmente en los nuevos y modernos barrios de la ciudad de Chongqing.
El 6 de junio de 2006 fue demolido el último muro de contención de la presa, con
explosivos suficientes para derribar 300 edificios de 10 plantas. Cayó en 12 segundos
CARACTERÍSTICAS
La presa se levanta a orillas de la ciudad Yichang, en la provincia de Hubei, en el centro
de China. El futuro embalse llevará el nombre de Sandouping, y podrá almacenar 39,000
millones de m³. Contará con 32 turbinas de 700 mw cada una, 14 instaladas en el lado
norte de la presa, 12 en el lado sur de la y seis más subterráneas totalizando una
potencia de 22,5 gigavatios (gw), generando en conjunto una energía eléctrica de unos
100 twh al año.
La presa tiene como finalidad, además, mejorar las condiciones en el curso medio e
inferior de río, permitiendo controlar las inundaciones y mejorar la navegación fluvial.
Tendrá dos centrales hidroeléctricas que contendrán un total de 26 turbinas. La presa
tendrá 2.309 metros de largo y 185 metros de alto.
En los planes originales esta sola presa tendría la capacidad de proveer el 20% de la
demanda de energía eléctrica China. Sin embargo el crecimiento de la demanda ha sido
mayor del esperado y aun si estuviera completamente operativa hoy solo sería capaz de
proveer de energía al 14% del consumo interno chino
60
Esta monumental obra, la mayor presa del mundo dejará bajo el nivel de las aguas a 19
ciudades y 326 pueblos, afectando a más de 1,900,000 personas y sumergiendo unos 630
km2. De superficie de territorio chino
IMPACTO AMBIENTAL
El banco mundial, varias organizaciones no gubernamentales y algunos países han
criticado esta obra desde sus inicios, por el impacto medioambiental que supondrá.
La crecida de las aguas causada por la represa aflojaría las capas de tierra y roca
vulnerables, la sequía y lluvias torrenciales intensificarían los riesgos de aludes.
Algunos críticos dicen que el río llevará al embalse 530 millones de toneladas de
sedimento que podrían acumularse en la pared de la presa, tapando las entradas a las
tomas de agua.
La erosión y los corrimientos en las colinas alrededor de la presa, los conflictos sobre el
déficit de tierra y el "deterioro ecológico causado por el desarrollo irracional" son, las
principales amenazas del proyecto, con un presupuesto de unos 25.000 millones de
dólares.
Ubicada en el tercer río más largo del mundo, la presa de las Tres Gargantas, que ha
desplazado a la de Itaipú, compartida por Brasil y Paraguay, como la más grande del
mundo, ha comenzado ya a generar electricidad y estará totalmente finalizada el próximo
año
FIG. 4.11
61
4.1.3. EFECTOS DEL EMBALSE DE UNA PRESA
El embalse es una construcción en el lecho de un río o arroyo que cierra parcial o
totalmente su cauce.
La obstrucción del cauce puede darse por medios naturales, como por ejemplo el
derrumbe de una ladera en un tramo estrecho del río o arroyo, por acumulación de
placas de hielo, o por obras construidas por el hombre, como son las presas.
El área de influencia de una presa se extiende desde los límites superiores del embalse
hasta los esteros y las zonas costeras y costa afuera, e incluyen el embalse, la presa y la
cuenca del río aguas abajo de la presa.
Si bien existen efectos ambientales directos de la construcción de una presa (problemas
con el polvo, la erosión, el movimiento de tierras), los impactos mayores provienen del
embalse del agua, la inundación de la tierra para formar el embalse y la alteración del
caudal del agua, más abajo. Estos efectos tienen impactos directos para los suelos, la
vegetación, la fauna y las tierras silvestres y, especialmente, para las poblaciones
humanas de la aérea.
Los efectos indirectos de la presa, que, a veces, pueden ser peores que los directos, se
relacionan con la construcción, mantenimiento y funcionamiento de la misma (Ej. Los
caminos de acceso, campamentos de construcción, líneas de transmisión de la
electricidad) y el desarrollo de las actividades agrícolas, industriales o municipales,
fomentadas por la presa.
Además de los efectos ambientales directos e indirectos de la construcción de la presa,
deberán ser considerados los efectos que el medio ambiente produce en la presa. Los
principales factores ambientales que afectan el funcionamiento y la vida de la presa son
causados por el uso de la tierra, el agua y los otros recursos del área de captación
encima del embalse (la agricultura, la colonización, el desbroce del bosque) y éste puede
causar mayor acumulación de limos y cambios en la calidad del agua del reservorio y del
río, aguas abajo.
62
4.2.-SIFÓN INVERTIDO
Un sifón invertido consiste en un tubo en forma de “S” acostada, de manera que, al
desaguar, se llena la primera curva del tubo y la segunda actúa como un sifón, vaciando
la primera hasta que el nivel de agua baja y entra alguna porción de aire. En este
momento, el sifón deja de funcionar y retrocede el agua, que sube por la “S”, llenando la
primera curva del tubo y aislando el desagüe. Actualmente, se suelen llevar todos los
desagües a un sifón común, llamado “bote sinfónico”.
FIG. 4.12
Para las ocasiones en las que un canal tiene que atravesar una carretera, una vía de
ferrocarril o algún pequeño desnivel, se recurre a una construcción especial, que recibe
el nombre de “sifón invertido”.
Hay ocasiones en la que los sedimentos provocan serias obstrucciones, por lo cual es
necesario desarenar mediante válvulas o si es necesario se puede evitar el acceso de
agua al sifón para su mantenimiento.
FIG. 4.13
Algunas veces se coloca una rejilla antes de la entrada para detener la hojarasca que
puede caer en el canal y que obstruirá seguramente el sifón.
63
4.3.-CÁMARA DE REPOSO
La cámara de reposo también llamada chimenea de equilibrio o vaso, es un depósito que
puede ser de forma rectangular ovalada o circular. Esta se encuentra conectada con la
parte mas baja del canal de alimentación y la entrada a los tubos forzados.
Estas cámaras se construyen con el objetivo de conectar el canal de alimentación con
las tuberías forzadas debido a que son conductos de diferentes capacidades, además en
la cámara de reposo ocurre la decantación de arena por lo cual debe cumplir las
siguientes funciones:
1.-Debe ser lo bastante ancha y profunda para que la velocidad del agua baje hasta
.25m/s o menor que la velocidad de los materiales arrastrados.
2.-Debe ser larga para que una partícula en suspensión tenga tiempo de caer hasta el
fondo del tanque aunque se encuentre en la superficie del canal al desembocar, y en un
lugar donde la velocidad sea baja para que el agua no lo levante y lo arrastre.
3.-Debe ser muy amplia en la parte central para que las arenas depositadas durante un
periodo de operación continua, una semana o un mes no reduzcan el área original, ya
que esto podría ocasionar un aumento en la velocidad, por lo cual también tiene que
contar con algún dispositivo que permita la limpieza y evacuación de arenas.
4.-Debe tener la capacidad volumétrica suficiente para suministrar agua cuando las
maquinas absorben el caudal que en ese instante esta ingresando por el canal.
FIG. 4.14
Además de servir para darle mayor presión al agua a la entrada de las tuberías forzadas,
las cámaras de reposo tienen una función muy importante que es la de evitar la
formación de golpes de ariete en las tuberías, absorbiendo dichos golpes en su interior
debido al cierre inmediato de algún controlador en la tubería.
64
4.3.1.-GOLPE DE ARIETE
El golpe de ariete es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e
instalaciones hidráulicas.
El golpe de ariete se origina debido a que el agua es ligeramente elástica, y cuando se
cierra bruscamente una válvula instalada en el extremo de una tubería de cierta longitud,
las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen
inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión
que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en
el agua.
Esta sobrepresión tiene dos efectos: Comprime ligeramente el agua, reduciendo su
volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando toda el agua que circulaba en la tubería
se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse.
Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su
dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el
sentido contrario. El agua se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula
cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería.
FIG. 4.15
Todas estas presiones suponen la producción de una sobrepresión en el punto de
obturación (en nuestro ejemplo, la válvula cerrada), que actuará sobre el mismo hasta
que se produzca un movimiento de reacción en sentido contrario, lo que crea una
depresión en dicho punto. Esta sucesión de hechos se repite periódicamente hasta que
el rozamiento del agua en el conducto hace que se amortigüe, hasta desaparecer. La
propagación de estas depresiones y sobrepresiones da lugar al golpe de ariete.
La velocidad de propagación de la onda sobrepresión-depresión, depende del espesor
del material que forma la conducción, de la velocidad de desplazamiento del agua y de
su compresibilidad.
La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya
que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional
al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será
el golpe.
Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a ser
entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los
accesorios instalados en los extremos.
65
El golpe de ariete daña el sistema de abastecimiento de agua, a veces hace reventar
tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc., es por
ello que se utilizan los pozos de oscilación (cámara de reposo)
En las paradas de las bombas, en el cierre de las válvulas, etc., se produce esta
variación de la velocidad de la circulación del líquido conducido en la tubería.
En cualquier conducción, tanto en elevación como en descenso, se deberá calcular el
golpe de ariete y evitarlo o neutralizarlo, evitándose roturas en conducciones, daños en
grupos de bombeo e incluso posibles accidentes en el personal de servicio.
El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica,
y es resuelto generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el
comportamiento del sistema.
4.4.-TUBERIAS DE PRESION
Las tuberías de presión son las encargadas de transportar el agua hasta el cuarto de
maquinas, específicamente a las turbinas, y pueden ser construidas de diversos
materiales, pero estas deben cumplir las siguientes condiciones:
Debe ser capaz de resistir los esfuerzos por presión hidrostática, golpes de ariete y
flexiones del tubo, por lo cual es conveniente utilizar apoyos cada cierta distancia
dependiendo de la longitud y diámetro de la tubería.
Debe ser suficientemente elástico para soportar sin romperse, cambios bruscos de
presión. Una tubería elástica ayuda a disminuir la magnitud de los golpes de ariete
Debe ser impermeable para evitar fugas de agua, y evitar la acción corrosiva de los
disueltos en el agua a presión, o ácidos que arrastra consigo al pasar por campos de
café, ingenios o fábricas.
Además tiene que dar facilidades para efectuar uniones y estar provista de apoyos,
evitando así deformaciones. Teniendo en su interior obturadores controlados por
válvulas para controlar la entrada y salida de agua en caso de que sea necesario
ponerlas fuera de servicio para fines de operación y mantenimiento.
Debe resistir a la compresión que proviene de la dilatación por cambios de temperatura,
peso propio del tubo durante el transporte, o trabajo del tubo como viga apoyada en sus
soportes.
66
4.4.1.-VÁLVULAS DE CONTROL
Las válvulas de control son elementos de una tubería, que se encargan de cerrar el paso
del agua cada vez que sea necesario, ya sea con fines de operación, mantenimiento o
protección. Son instaladas en el principio o fin de una tubería según sea su propósito. Al
principio, las de protección o mantenimiento y al final, las de operación.
Las válvulas de protección o mantenimiento soportan presiones más bajas que las de
operación, y pueden también ser más rápidas.
Las válvulas de operación están situadas junto a las turbinas, con el principal objeto de
controlar el paso del agua durante la puesta en marcha de una unidad generadora o el
retiro de servicio de la misma.
FIG. 4.16
4.4.1.1.-VÁLVULA DE AGUJA
En la figura se presenta una válvula de aguja compuesta de un cuerpo ovoide de corto
espesor, sostenido por un eje que no obstruye, prácticamente el paso del agua entre.
Este tipo de válvulas son las llamadas de operación ya que son las encargadas de
impactar el chorro del agua contra las turbinas
FIG. 4.17
67
4.4.1.2.-VÁLVULAS DE MARIPOSA
La figura presenta una válvula de mariposa, compuesta de una caja de forma cilíndrica o
ligeramente esférica, de un diámetro algo mayor que el tubo a que se une y en cuyo
interior se encuentra una lenteja de acero fundido, hueca generalmente, y montada sobre
un eje vertical sostenido en cojinetes apoyados en la caja. El borde de la lenteja lleva
una guarnición de bronce que, al cerrar la válvula, aprieta contra otra guarnición similar
montada en el interior de la caja, haciendo un cierre casi perfecto la válvula de mariposa
es notable por su sencillez y economía de espacio.
La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco
circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación
FIG. 4.18
Recomendada para
* Servicio con apertura total o cierre total.
* Para accionamiento frecuente.
* Para baja ciada de presión a través de la válvula.
Ventajas
* Ligera de peso, compacta, bajo costo.
* Requiere poco mantenimiento.
* Numero mínimo de piezas móviles.
* No tiene bolas o cavidades.
* Circulación en línea recta.
* Se limpia por si sola.
Desventajas
* Alta torsión (par) para accionarla.
* Propensa a la cavitación.
Se pueden encontrar de disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa
completa. Otras aplicaciones son para, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos
en suspensión.
Los materiales más comunes en que se fabrican son. Cuerpo: hierro, aceros al carbono,
aceros inoxidables, bronce y monel. Disco: todos los metales.
68
4.4.1.3.-VÁLVULAS CÓNICAS
Están basadas en la “llave de macho” que usan los aparatos de química, y que cierran
perfectamente cuando se aprieta el “macho” contra la caja donde entra. La idea es muy
simple y efectiva; pero aplicada a tubos forzados con presiones de varias atmósferas, da
lugar a problemas muy serios de ajuste y fricción.
La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un
macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la
posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°.
FIG. 4.19
Recomendada para
* Servicio con apertura total o cierre total.
* Para accionamiento frecuente.
* Para resistencia mínima a la circulación.
Ventajas
* Alta capacidad.
* Bajo costo.
* Cierre hermético.
* Funcionamiento rápido.
Desventajas
* Requiere alta torsión (par) para accionarla.
* Desgaste del asiento.
Algunas otras aplicaciones son, servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores,
gases y agentes corrosivos.
Algunas de las variaciones en las que mas frecuente son utilizadas están: Lubricada, sin
lubricar y de orificios múltiples.
69
4.4.1.4.-VÁLVULAS DE COMPUERTA.
La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un
disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
FIG. 4.20
Recomendada para
* Servicio con apertura total o cierre total.
* Para uso poco frecuente.
* Para resistencia mínima a la circulación.
Ventajas
* Alta capacidad.
* Cierre hermético.
* Bajo costo.
* Diseño y funcionamiento sencillos.
* Poca resistencia a la circulación.
Desventajas
* Control deficiente de la circulación.
* Se requiere mucha fuerza para accionarla.
* Debe estar cubierta o cerrada por completo.
Algunas variaciones en las que se utiliza son: Cuña maciza, cuña flexible, cuña dividida,
disco doble.
Los materiales más empleados para su construcción son, Cuerpo: bronce, hierro
fundido, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable.
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4.5.-COMPUERTAS
Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua (canales - tuberías), así
como para regular el caudal de agua en dichas conducciones. Únicamente hay que tener
en cuenta que las compuertas que soportan grandes presiones (por ejemplo, en las
tomas de agua) habrán de ser de construcción más robusta que las compuertas que
resisten pequeñas presiones (por ejemplo, en los canales de derivación abiertos).
FIG. 4.21
Accionamiento de las compuertas
Para elevar una compuerta es necesario un esfuerzo que ha de ser superior al peso
propio de la compuerta y a los rozamientos originados por la presión hidráulica;
solamente las compuertas de pequeñas dimensiones pueden accionarse manualmente.
Para las compuertas de mayor peso se utilizan varios dispositivos
* Cremallera con rueda sencilla o varias ruedas.
* Cremallera con accionamiento de engranaje y tornillo sin fin.
FIG. 4.22
71
4.6.-CASA DE MÁQUINAS
Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) Y los
elementos de regulación y comando.
FIG. 4.23
Turbinas Pelton en el cuarto de maquinas y su respectivo generador
En la tercer imagen las computadoras que controlan y regulan la salida
De los chorros a través de los inyectores (válvulas de aguja)
FIG. 4.24
FIG. 4.25
72
4.6.1.-TURBINAS HIDRÁULICAS
Se denomina turbina al motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de
una corriente de agua. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta
con palas, hélices o cuchillas colocadas alrededor de su circunferencia, de tal forma que
el fluido en movimiento produce una fuerza que impulsa la rueda y la hace girar. Esta
energía mecánica se transfiere, a través de un eje para proporcionar el movimiento de
una maquina, por ejemplo un generador eléctrico.
La turbina hidráulica es el principal componente de una central hidroeléctrica y donde se
produce la transformación de la energía del agua en movimiento en trabajo en el eje que
acciona el rotor del generador.
Los elementos constitutivos de de una turbina son
1. Canal de llegada
2. Caja espiral (depende del tipo)
3. Distribuidor
4. Rodete
5. Tubo de aspiración
4.6.1.1.-TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
Sabiendo que existen varios tipos de centrales hidroelectricas y que su forma de operar
no siempre es la misma ya que puede haber diferentes tipos de embalsamiento del agua
y el agua puede tener diferente altura en su caída, se opto por idear diferentes tipos de
turbinas con el propósito deque cada turbina cubra una necesidad especifica. Teniendo
así varios tipos de turbinas hidráulicas.
Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:
1. Deacuerdo al modo de obrar del agua
Turbinas de acción o de chorro
Turbinas de reacción o de sobre presión
2. Según la dirección en que entra el agua
Turbinas axiales
Turbinas radiales
3. Según la dirección del eje
Horizontales
Verticales
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Turbinas de acción
Se entiende por turbinas de acción las turbinas, en las que se proyecta un chorro de
agua hacia ellas y el sentido de giro del rodete es el mismo al momento que el chorro
impacta las alabes del mismo.
FIG. 4.26
Representación esquemática del efecto de acción.
Las turbinas de acción fueron las primeras turbinas que se utilizaron, sin embargo el
desarrollo y el empleo de estas turbinas no empieza hasta la mitad del siglo XIX, primero
se empleo la denominada rueda tangencial introducida por el ingeniero Zuppinger en
1846 que bajo las formas modificadas de hoy se conoce como rueda pelton, es
importante mencionar que han sido muy eficientes.
Turbinas de reacción
Se consideran como turbinas de reacción, aquellas en las que cada una de las láminas
de fluido que se forman, después de pasar el agua a través de las palas fijas y
directrices, no se proyectan hacia los alabes del rodete de manera frontal, sino que, mas
bien, se trata de un deslizamiento sobre los mismos, de tal modo que el sentido de giro
del rodete no coincide con la dirección de entrada y salida del agua
FIG. 4.27
Representación esquemática del efecto de acción.
El agua, en su recorrido entre los alabes del rodete cambia de dirección, velocidad y
presión. Todo ello, provoca una reacción en el rodete, dando origen a la potencia
producida en la turbina, cuyo valor, está en función de la carga perdida por el líquido en
su desplazamiento. Como ejemplos de turbinas de reacción, están las Francis y Kaplan.
Tratándose de turbinas grandes, las de reacción suelen ser de mayor rendimiento que
las de acción, ocurriendo lo contrario en el caso de turbinas pequeñas. Estableciendo la
comparación para una misma potencia e igual altura de salto, una turbina de reacción
puede girar a mayor velocidad que una de acción, dando mayor rendimiento la primera.
74
4.6.1.2.-TURBINAS PELTON
Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el ingeniero norteamericano
Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que
constituye una evolución de la antigua rueda hidráulica. Tiene las mejores
características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de
funcionar con alturas superiores a 700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen
funcionamiento a carga parcial.
De la tubería forzada sale un chorro de agua a alta velocidad, el cual impacta sobre una
serie de cucharas o alabes montadas en la periferia de una rueda. El impacto y la
desviación del chorro provocan el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la
rueda, el agua sale de los alabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el
canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el
nivel máximo de crecida aguas abajo para asegurar el derrame libre.
Una instalación típica de turbinas pelton consta
De los siguientes elementos:
FIG. 4.28
1-. Válvula de admisión
2-. Cámara de distribución
3-. Válvula de aguja (reguladora)
4-. Carcasa
5-. Rodete
6-. Eje
7-. Cámara de descarga
Clasificación de turbinas pelton
La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas pelton es en tipos de eje
horizontal y tipos de ejes vertical ya que son las formas mas comúnmente utilizadas y de
las que se ha adquirido mayor experiencia.
75
1-. Turbinas pelton de eje horizontal:
En este tipo de turbinas pelton el número de chorros por rueda se reduce generalmente
a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de
alimentación y las agujas de inyección. Este sistema de montaje encuentra aplicación en
aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción
abrasiva. Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un
solo generador
FIG. 4.29
2-.turbinas Pelton de eje vertical:
En este tipo de turbinas pelton se facilita la colocación del sistema de alimentación en
un plano horizontal, lo que permite aumentar el numero de chorros por rueda (4 a 6); con
esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la
longitud del eje turbina-generador; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar
la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto
hace que la utilización de esta disposición en turbinas pelton sea más ventajosa que la
disposición horizontal. Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen
aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores,
debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen más difíciles.
Pero esta opción es mejor a la anterior.
FIG. 4.30
76
La rueda y los alabes en la turbina pelton
El rodete o rueda pelton, como se muestra en la figura, esta constituido por un disco de
acero con alabes periféricos en forma de doble cuchara. Estos pueden estar fundidos en
el disco en una sola pieza o individualmente, sujetándose después al disco por medio de
bulones. El diámetro de la rueda suele ser grande, quedando determinado por el
diámetro del chorro; La relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chorro,
suele oscilar entre 10 y 14 (10cm el chorro - 1m la rueda).
FIG. 4.31
Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la forma mas
tradicional, ya que no solo se facilita la construcción (fundición, maquinado y pulido de
piezas) sino que también hace posible la reposición de cucharas averiadas por la
erosión. Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco y
alabes en una sola pieza, (sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad
especifica.) Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en
la resistencia y montaje rápido además las ruedas resultan mas ligeras.
FIG. 4.32
Métodos modernos de fundición y de control de calidad permiten obtener piezas sin
grietas ni fisuras en el templado. El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la
corrosión y a la erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la
fundición de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son más drásticas debe
recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7% a 0.1%) molibdeno (0.3%). Los
aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferriticos (Cr 20%, Ni 8%, Mo 3%)
presentan una resistencia extraordinaria a la cavitacion y la abrasión. El material del
disco de la rueda es de acero fundido o forjado. El numero de alabes suele ser de 17 a 26
por rueda, dependiendo de la velocidad especifica de la turbina.
77
Si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo que exige alabes grandes,
y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda. El espacio requerido por
alabe suele estar entre 1.4 Do y 1.6 Do siendo Do el diámetro del chorro
4.6.1.3.-TURBINAS FRANCIS
En 1820 Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de flujo externo de alta eficiencia
(80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de la turbina provocando
su giro. Alrededor de 1826 Jean V. Poncelet diseñó una turbina de flujo interno que
usaba los mismos principios, y Sid. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en los Estados
Unidos para un diseño similar.
FIG. 4.33
En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% de
eficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina
más eficiente elaborada hasta la fecha. Lo más importante, sus métodos matemáticos y
gráficos de cálculo mejoraron el estado del arte en lo referente al diseño e ingeniería de
turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de alta
eficiencia. La llamada turbina Francis
FIG. 4.34
Teoría de operación
La turbina Francis es una turbina de reacción, lo que significa que el fluido cambia de
presión a medida que se desplaza a través de la turbina, perdiendo su energía. Se
necesita una carcasa para contener el caudal de agua.
78
FIG. 4.35
La admisión tiene forma de espiral. Los alabes directores dirigen el agua
tangencialmente hacia el rodete. Este flujo radial actúa sobre los alabes del rodete,
causando que éste gire. Los alabes directores, también conocidos como alabes
giratorios, pueden ser ajustables para permitir un funcionamiento eficiente en un rango
amplio de condiciones del caudal de agua.
A medida que el agua se mueve a través del rodete, su radio de giro disminuye, actuando
sobre él. Imagínese una bola girando atada a una cuerda alrededor de un círculo. Si se
empuja la cuerda para hacerla más corta, la bola gira más rápido. Esta propiedad ayuda
a las turbinas de flujo interno a extraer la energía del agua.
FIG. 4.36
En la salida, el agua actúa sobre unas tazas características situadas en el rodete,
dejándola sin remolinos y con muy poca energía cinética o potencial. El tubo de salida
tiene una forma especialmente diseñada para ayudar a decelerar el flujo de agua y
recuperar energía cinética.
79
4.6.1.4.-TURBINAS KAPLAN
Las turbinas tipo Kaplan fueron diseñado por el Técnico Víctor Kaplan (1876-1934) A
principios del siglo XX. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar
ambas alabes (los del rotor y los alabes de guía) para adaptar la turbina a diferentes
niveles del caudal. Los ejes son de orientación horizontal ó vertical. Se usa este tipo de
turbina en plantas de presión baja y mediana
Las turbinas Kaplan son turbinas de agua de reacción y de flujo axial, con un rodete que
funciona de manera semejante a la hélice de un barco, y deben su nombre a su inventor,
el austriaco Víctor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o
alabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta,
los alabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de
una hélice, mientras que los alabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si
ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo
son regulables los alabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina semi-Kaplan.
Las turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las semi-Kaplan pueden ser de
admisión radial o axial.
FIG. 4.37
Componentes de una turbina Kaplan.
Los principales componentes de una turbina Kaplan son, como en la Francis, la cámara
de alimentación o caracol, el distribuidor, el rodete móvil y el tubo de desfogue, ya que
es también una turbina de reacción.
La cámara de alimentación suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran
capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La sección tórrida puede ser circular o
rectangular.
El rotor de la turbina de forma de hélice, está constituido por un robusto cubo, cuyo
diámetro es el orden del 40% al 50% del diámetro total al extremo de los alabes, en el
cual van empotrados los alabes encargados de efectuar la transferencia de energía del
agua al eje de la unidad.
80
4.6.1.5.-CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LAS TURBINAS
Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de
turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns) cuyo valor exacto se
obtiene a partir de la siguiente ecuación:
Donde:
Ne son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la
altura neta. Estos son los valores para el rendimiento máximo.
La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina
semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser
instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio
comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se
emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en
los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la
construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los
actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton,
Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:
Velocidad
específica Ns
Tipo de turbina
De 5 a 30
Pelton con un inyector
De 30 a 50
Pelton con varios inyectores
De 50 a 100
Francis lenta
De 100 a 200
Francis normal
De 200 a 300
Francis rápida
De 300 a 500
Francis doble gemela rápida express
Más de 500
Kaplan o hélice
Tal como se mencionó anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas según su tipo.
De hecho, Ns se podría denominar más bien característica, puesto que indica el tipo de
turbina. Al analizar la ecuación 5.1 se comprueba que a grandes alturas, para una
velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad
específica baja como una rueda de acción. En cambio, una turbina de flujo axial con una
alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de acción puede
ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es
pequeño.
81
Además, en la EC. 5.1 se observa que la velocidad específica de una turbina depende del
número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse
en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el
que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función
a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia
y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más
adecuado.
Otra forma de clasificar las turbinas es deacuerdo al salto de agua
Grandes alturas de salto:
Turbinas Pelton
Más robustas
Menos peligro de erosión de los álabes
Reparaciones más sencillas
Regulación e presión y velocidad más fácil
Mejores rendimientos a cargas parciales
Infraestructura más sencilla.
Turbinas Francis
Menor peso
Mayor rendimiento máximo
Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de aspiración
Alternador más económico
Dimensiones en planta de la central más reducida
Alturas medias de salto:
Turbinas Francis
Mayor economía en la turbina.
Menos costo de excavación y cimientos.
Mejores rendimientos a cargas parciales que las hélices de palas fijas.
Menor peligro de cavitación.
Turbinas Kaplan
Mejores rendimientos a cargas parciales.
Mejores rendimientos con alturas de salto variables.
Menos obra de fábrica
Alternador más barato.
Las propiedades anteriores no deberán considerarse como las únicas, sino más bien
como las más probables con alturas de salto en que pueden quedar duda de emplear
uno u otro tipo de turbina.
82
Se puede decir que estando definido el campo de aplicación por la altura del salto
principalmente y por el caudal, deberá emplearse el tipo normal y rápido Francis para
saltos de pequeña y regular altura (hasta 200m), y Francis lenta para altura grande y gran
caudal, y para gran altura (mayor de 600m) y pequeños caudales la rueda Pelton.
Una caída alta entre 240m a 600m requiere una turbina de alta presión, de impulso o tipo
pelton. Si la caída es intermedia entre los 60m y 240 m entonces se escoge una turbina
de reacción tipo Francis. Para caídas bajas menores de 60 m se utiliza un tipo de turbina
de reacción tipo kaplan.
Iigualmente debe mencionarse la elección previa de la turbina, que se efectúa en el
proyecto provisional, en la que se determinan aproximadamente las dimensiones de la
turbina y de las obras de fábrica que la rodean, a fin de estimar el costo de éstas y
organizar los trabajos de construcción.
Finalmente, en la consulta dirigida a las casas constructoras se indicarán todos los
datos que se hayan determinado de antemano, como son: número de grupos, alturas de
salto máxima, media y mínima; caudales máximo y mínimo para un salto determinado
llamado crítico, utilización de la energía en el día y en el año, niveles máximo y mínimo
de agua abajo, naturaleza del agua, impurezas, temperatura, cota sobre el nivel del mar,
etc. Se examinarán las ofertas recibidas, comparando precios de turbinas y alternadores,
rendimientos y obras de fábrica necesarias, efectuando un estudio económico para ver
qué solución resulta más ventajosa, o sea para cuál es mínima la suma de gastos de
conservación anuales, costo de la energía perdida en el año e interés y amortización del
capital invertido.
Al igual que las turbinas Francis, las de tipo kaplan, son turbinas de admisión total,
incluidas así mismo en la clasificación de turbinas de reacción. Las características
constructivas y de funcionamiento, son muy similares entre ambos tipos. Se emplean en
saltos de pequeña altura (alrededor de 60 m. y menores), con caudales medios y grandes
(aproximadamente de 15 m3/s en adelante). Debido a su singular diseño, permiten
desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos,
incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las
turbinas kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Normalmente se
instalan con el eje en posición vertical, si bien se prestan para ser colocadas de forma
horizontal o inclinada
FIG. 4.38
83
4.6.1.6.-ELECCIÓN ENTRE PELTON Y FRANCIS
Con frecuencia, los dilemas en la elección del tipo de turbina se presentan entre las
pelton y las Francis, debido a su buena comercialización y las condiciones de
funcionamiento que ambas ofrecen. Por esta razón, resulta ser de gran ayuda hacer un
análisis específico de estas dos clases de turbinas, el cual se presenta a continuación:
En la elección del tipo de turbina de reacción (Francis) o de acción (Pelton) se presenta
una zona de indiferencia cuando ns se ubica en las proximidades de 50. Lo mismo puede
decirse respecto a la elección entre turbinas rápidas y de hélice cuando ns tiene un valor
máximo de 400. Entonces la elección depende de otras consideraciones de economía o
de circunstancias de explotación de la central. Por ejemplo, cuando las aguas arrastran
caudal sólido, que puede erosionar las turbinas, es más conveniente la turbina pelton, en
la que es muy fácil reponer la aguja y la boquilla de los inyectores a un bajo costo,
mientras que en la Francis la reposición es más costosa en dinero y tiempo. Si una
central está destinada a suministro de fuerza con carga muy variable, como los casos de
tracción eléctrica, es preferible emplear la pelton que la Francis, porque ésta, a carga
fraccionaria tiene mejor rendimiento.
FIG. 4.39
Campo de aplicación de las turbinas Francis y de las turbinas pelton.
En la figura se indican los campos de aplicación “pelton o Francis” para estos dos tipos
de turbina, existiendo como ya se mencionó anteriormente una zona intermedia en la
que decidirán sobre la elección entre pelton y Francis las condiciones locales, como
son: limpieza del agua, naturaleza de la carga que ha de atender la central, etc. Pero vale
la pena resaltar que esto no quiere decir que no existan turbinas Francis dentro de la
zona señalada para las pelton, funcionando en perfectas condiciones. El problema
adquiere mayor complicación, si al mismo tiempo que está indeterminado el tipo de
turbina, se puede variar el número de grupos (cantidad de turbinas en la central).
84
4.6.2.-GENERADORES
Los generadores cambian la energía mecánica en energía eléctrica. La operación básica
de un generador de corriente alterna consiste de una espira de alambre que se encuentra
libre para girar en el campo magnético. A la espira de alambre se le llama armadura y al
campo magnético se le llama el campo, la armadura gira mediante la flecha la cual esta
conectada en este caso a una turbina.
La espira de la armadura se conecta a anillos rozantes, que a través de unas escobillas
se conectan por conductos al exterior, mientras que la armadura gira en el campo, se
genera un voltaje que se conecta al exterior para alimentar un circuito al cual se
conectan las cargas. Los generadores de la corriente alterna son llamados alternadores.
FIG. 4.40
4.6.2.1.-DEVANADOS Y CAMPOS EN EL GENERADOR
En la siguiente figura, se muestran cuatro tipos de armado de generadores. Para generar
electricidad se debe empezar con un campo magnético principal, entonces, este campo
se debe cortar por un conductor, el campo principal se produce por un imán permanente
que puede ser parte del estator, como se muestra en la figura A, o bien, o bien puede ser
el rotor como se muestra en la figura B. El campo principal puede ser un campo
electromagnético en lugar de un imán permanente, la bobina que lo produce se le llama
el devanado de campo, o simplemente campo. El campo se puede devanar sobre el
estator, como se muestra en la figura C, o sobre el rotor, como se muestra en la figura D.
Los conductores en los que se induce la electricidad, forma el devanado de armadura.
En los generadores de corriente directa, el devanado de armadura está sobre el rotor o
parte giratoria; sin embargo, en la mayoría de los generadores de corriente alterna, el
devanado de armadura está en la parte estacionaria (estator).
FIG. 4.41
85
4.6.2.2.-LA FORMA CÓMO TRABAJAN LOS GENERADORES
Para estudiar la forma en cómo convierten los generadores le energía mecánica en
energía eléctrica, se puede usar la siguiente figura, que representa un generador
elemental, en donde el campo magnético principal viene de un par de imanes
permanentes. Obsérvese que la cara del polo norte se encuentra enfrente de la cara del
polo sur, la forma curvada de los polos produce el campo más intenso. La bobina de la
armadura está devanada sobre el rotor, cada extremo de la bobina está fijo a su propia
banda metálica, estas bandas se llaman anillos rozantes y es donde aparece el voltaje
generado.
FIG. 4.42
En los generadores de c.a. pequeños el voltaje se genera en la armadura
Para colectar el voltaje generado, se debe tener una trayectoria eléctrica de los anillos
rozantes a las terminales del generador, esto se hace con pequeñas piezas metálicas o
de carbón llamadas escobillas, que se encuentran fuertemente fijas a los anillos rozantes
por medio de resortes, en la medida que la bobina gira, los conductores cortan el campo
magnético, esto produce el voltaje inducido en la bobina.
Regla de la mano derecha para generadores.
Para determinar la polaridad de un generador, se deben conocer dos direcciones:
La dirección (norte a sur) del campo magnético.
La dirección en la cual el conductor se está moviendo y cómo corta al campo.
Siempre se pueden determinar las direcciones por medio del uso de la regla de la mano
derecha para generadores. El dedo pulgar apunta hacia arriba, el índice hacia la
izquierda y el dedo de en medio hacia el cuerpo.
El dedo índice indica la dirección del flujo magnético, el pulgar apunta a la dirección en
que se mueve el conductor y el dedo medio indica la dirección del flujo de corriente.
FIG. 4.43
86
FIG. 4.44
De la figura anterior, cuando la armadura de un generador de corriente alterna hace una
rotación completa a través del campo magnético, sucede lo siguiente:

Cuando la armadura alcanza la posición 2, la espira (armadura) se mueve en
forma perpendicular al campo magnético, por tanto, corta el máximo número
de líneas por segundo.

Cuando gira la armadura y pasa la posición 2, el voltaje cae cuando ya no está
perpendicular al campo magnético.

Al alcanzar la armadura la posición 3, su movimiento es otra vez paralelo al
campo y el voltaje de salida vuelve a ser cero.

Cuando la armadura gira de la posición 3 a la 4, el voltaje vuelve a alcanzar el
máximo valor.

Cuando la armadura completa su rotación y pasa a la posición 4, el voltaje cae
a cero otra vez.
El voltaje generado se aplica a la carga externa alimentada a través de un transformador
o tableros, como se muestra en la figura:
87
4.6.2.3.-LA POTENCIA MECÁNICA
Suponiendo que la turbina se acopla al rotor de un generador, si la fuerza de giro no es
lo suficientemente grande, no gira el rotor, es decir, aún cuando se aplica un par, no hay
potencia mecánica, para obtenerla se debe tener movimiento. La potencia es la
capacidad de usar energía, es decir, que la potencia mecánica depende de la velocidad y
del par.
FIG. 4.45
La cantidad de potencia producida es proporcional al par y la velocidad
En el sistema métrico de unidades, la potencia mecánica se mide en watts (w) y la
velocidad del rotor generalmente se mide en revoluciones por minuto (r.p.m.), esta es la
velocidad que resulta del par, la ecuación para el cálculo de la potencia es:
Pm 
NxT
9.55
EC. 1
Donde:
Pm= potencia mecánica en watts.
N= velocidad en revoluciones por minuto.
T= par en newton-metro.
9.55= constante en el sistema métrico de medición.
En el sistema inglés de unidades, la potencia mecánica se mide en caballos de fuerza
(hp) y se calcula con la expresión:
Pm 
NxT
,
5252
1hp = 746 watts, 1 watt = 0.00134 hp
Donde:
Pm = potencia mecánica en hp.
N = velocidad en revoluciones por minuto.
T = par en libras-pie.
5252 = constante en el sistema inglés.
Si se conoce la potencia y la velocidad, el par se puede calcular de la ecuación:
T
9.55 xPm
N
EC. 2
88
Ejemplo
Una turbina acciona a un generador, el par aplicado al eje del generador es: 4.07 n-m (3
lb-pie). El generador se acciona a una velocidad de 1750 r.p.m; calcular la potencia
mecánica entregada al generador en el sistema métrico de unidades y en el sistema
inglés.
Solución
El cálculo en el sistema métrico de unidades:
Pm( watts ) 
Pm 
t ( N  m) xN (r. p.m.)
9.55
EC. 3
4.07 x1750
 746W
9.55
4.6.2.4.-EL VOLTAJE INDUCIDO
Como cada espira de la bobina de la armadura se mueve de una parte del campo a otra,
eslabona un número diferente de líneas de flujo, es este el cambio en los
eslabonamientos de flujo que induce un voltaje en el conductor, el voltaje más grande se
induce en el instante que este cambio es el mayor, esto es, el instante en el que el
conductor corta el campo en un ángulo recto.
En la medida que el rotor gira a una velocidad constante, se induce una onda senoidal de
voltaje, el valor de este voltaje depende de la velocidad del rotor, a mayor rapidez el
voltaje es mayor.
El valor del voltaje depende también de la intensidad del campo magnético, a mayor
intensidad de campo, mayor voltaje inducido.
Para un generador trifásico, se debe tener tres bobinas de armadura que están
desplazadas entre sí 120°, a cada una de las bobinas o grupos de bobinas se les
denomina fase, de manera que se designan tres fases como: fase a, fase b y fase c.
FIG. 4.46
89
La magnitud del voltaje en cada fase se calcula como:
EC. 4
Emáx  Bmlwr (volts)
Bm = densidad de flujo máximo producido por el campo del rotor, expresado en tesla.
l = longitud de ambos lados de bobina en el campo magnético en m.
w = velocidad angular del rotor (=2π x frecuencia rad/seg.).
r = radio de la armadura en m.
Las ondas de voltaje obtenidas para cada fase se dan por los cambios en los
eslabonamientos del flujo magnético, cuando el campo está directamente opuesto a la
bobina se da el máximo cambio en los eslabonamientos de flojo y, el máximo voltaje
inducido se da en ese instante.
FIG. 4.47
Formas de onda del voltaje generado en un generador trifásico
FIG. 4.48
Un ciclo completo de un campo rotatorio de dos polos produce un ciclo de voltaje de
corriente alterna
FIG. 4.49
Onda senosoidal de la acción del generador.
90
Un generador de dos polos genera un voltaje trifásico de secuencia ABC, suponiendo
los datos siguientes: bm = 1.2 teslas, longitud de la armadura 0.5m, si el rotor gira a 1500
r.p.m y el diámetro interior del núcleo del estator es 0.4m.
Determine la magnitud del voltaje inducido por fase.
Solución
De la ecuación 4:
Emáx  Bmlwr ,
w
2N
60
Emáx  1.2 x(0.5  0.5) x
21500 0.4
x
60
2
Emáx037.7V
La frecuencia del voltaje generado:
La frecuencia del voltaje generado se mide en hertz y es 2 veces el número de
revoluciones por segundo, considerando que el número de polos es par siempre y que
una revolución del rotor produce dos ciclos de corriente alterna.
“la frecuencia del voltaje generado en hertz es siempre igual a la velocidad en
revoluciones por segundo por el número de pares en polos”.
f 
P N PxN
x

Hz
2 60 120
EC. 5
f = frecuencia generada en hz. N = velocidad del rotor r.p.m. P = Nº de polos sobre el
rotor.
Ejemplo
Un generador de corriente alterna de 4 polos opera a 1800 r.p.m.
¿A qué frecuencia genera?
¿Cuál debería ser la velocidad si la frecuencia fuera 50 hz?
Solución
f 
PxN 4 x1800

 60 Hz
120
120
N
120 xf 120 x50

 1500r. p.m.
P
4
91
4.6.2.5.-LAS COMPONENTES DE UN GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA
Las principales componentes de un generador de corriente alterna, son las que se indica
a continuación:
(1) estator.
(2) rotor.
(3) sistema de enfriamiento.
(4) excitatriz.
(1) estator.
Los elementos más importantes que se consideran como parte de las componentes del
estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes:
Componentes mecánicas.
Sistema de conexión en estrella.
Sistema de conexión en delta
a) Las componentes mecánicas de un generador de c.a. Son las siguientes:
La carcaza, el núcleo, las bobinas y la caja de terminales
b) Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator en un generador de c.a.
Están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura t1, t2, t3 representan las
terminales de línea (al sistema) y t4, t5 y t6 son las terminales que unidas forman el
neutro.
FIG. 4.50
Generador conectado en estrella
c) sistema de conexión en delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a
6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene
con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la
corriente de línea.
FIG. 4.51
Generador conectado en delta
92
(2) El rotor
Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de
paquetes de laminaciones de fierro magnético (para reducir las llamadas corrientes
circulantes) con conductores de cobre arrollados alrededor del hierro, estos polos están
excitados por una corriente directa. Los polos del rotor se arreglan por pares localizados
o separados 180°. Desde el punto de vista constructivo, los rotores se construyen del
tipo polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad).
FIG. 4.52
En el rotor se encuentran alojadas las bobinas del devanado de campo que inducen el
voltaje en el devanado de armadura, en donde se encuentran las bobinas que determinan
si el generador es monofásico o trifásico.
Voltaje de salida monofásico. Un generador que tiene un voltaje de salida monofásico, se
le conoce como un generador monofásico. Este voltaje de salida se obtiene con un
conjunto de bobinas de armadura en el estator, si se trata de un generador monofásico
de dos polos; entonces, se dice que estos polos son norte y sur con conductores que
son parte de los conductores de armadura continuos y que llena las ranuras del estator.
Las ranuras del estator están separadas mecánicamente y eléctricamente por 180°, de
modo que en la siguiente figura, cuando el flujo proveniente del polo norte intercepta el
lado a (1) del conductor, el flujo que retorna al polo sur intercepta el lado a (2) del
conductor, obteniéndose como resultado la generación de un pico de voltaje entre a (1) y
a (2). Cuando los polos norte y sur están perpendiculares con respecto al plano de los
conductores a (1) y a (2), no hay líneas de fuerza que intercepten los conductores y,
entonces, la diferencia de voltaje entre a (1) y a (2) es cera. Cuando el rotor completa una
revolución (360°) se dice que ha completado un ciclo.
FIG. 4.53
FIG. 4.54
93
Voltaje de salida trifásico
La salida trifásica se puede producir en un campo magnético rotatorio que tiene 2 ó 4
polos, como se muestra en la siguiente figura, este campo consiste de polos norte y sur.
Ahora, a diferencia del generador monofásico, se tienen tres grupos de conductores a (1)
y a (2), b (1) y b (2), c (1) y c (2) cada uno de estos grupos de conductores están
separados 120° con respecto a otro grupo de conductores monofásicos. Si el generador
es de cuatro polos, entonces se requieren dos polos norte y dos polos sur sobre el rotor,
con tres grupos de conductores en el estator.
FIG. 4.55
Generador trifásico con 2 y 4 polos
Los rotores de polos salientes se construyen del tipo laminados o polos sólidos, la
construcción de estos polos se usa en máquinas que operan a baja velocidad.
Los rotores de polos cilíndricos o lisos se usan en los generadores que operan con alta
velocidad, son de construcción más rígida y tienen capacidad para manejar corrientes de
campo más intensas.
94
4.6.2.6.-LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
Los tipos de enfriamiento normalmente usados en los generadores de corriente alterna
son los de aire enfriado, aire-agua cambiador de calor y el de gasto de agua con
cambiador de calor.
A) el método de aire enfriado
Los generadores que usan este método de enfriamiento, toman el aire del exterior a la
temperatura ambiente como medio de enfriamiento, el aire se circula a través del estator
y el rotor por medio de impulsores en ambos extremos del rotor. El aire caliente se
extrae por parte de atrás del generador para completar el ciclo, es decir, circula una sola
vez.
B) cambiador de calor aire-aire
Un generador con un intercambiador de calor aire-aire es diferente de uno del tipo con
enfriamiento natural, debido a que el intercambiador de calor constantemente recircula
el mismo aire a través del estator, este método tiene además la ventaja de que conserva
limpios los aislamientos, ya que el aire se cambia constantemente y con esto se elimina
la necesidad de los filtros de aire en el sistema.
C) cambiador de calor aire-agua
Un generador con un cambiador de calo aire-agua es diferente del que usa cambiador de
calor aire-aire, debido a que el calor que viene del rotor y el estator se circula través de
un enfriador que consiste de un cierto número de tubos de cobre con perforaciones de
circulación alrededor del diámetro exterior de los tubos. Es necesario tener una fuente
de agua de enfriamiento, que se debe hacer circular a través de estos enfriadores; este
sistema tiene la ventaja de que evita que se introduzcan al generador elementos
contaminantes para los devanados.
95
4.6.2.7.-LA EXCITATRIZ DE CORRIENTE DIRECTA
Las pequeñas plantas de emergencia usan aún sistemas de excitación a base de
pequeños generadores de corriente directa acoplados directamente al eje del generador,
estos pequeños generadores de corriente directa en realidad generan corriente alterna y
la rectifican por medio de un conmutador sobre el que se deslizan las escobillas.
FIG. 4.56
Uno de los problemas que presentan los sistemas de excitación a base de generadores
de corriente continua es que requieren de mayor mantenimiento que otros sistemas de
excitación que se denomina “rotatorios sin escobillas”, o bien, estáticos. Este
inconveniente ha hecho que para los generadores de tamaño relativamente grandes, no
sean recomendables para los servicios de emergencia, además de que, desde el punto
de vista de operación, presentan otros.
FIG. 4.57
Armadura y partes relacionadas en un generador de corriente continua usado como
excitatriz
96
Excitatriz sin escobillas
Otro tipo de sistemas de excitación llamado “excitatriz sin escobillas” opera bajo el
mismo principio que el anterior, sólo que ahora se eliminan las escobillas y el
conmutador, de hecho, la excitatriz es un generador de c.a. Con los polos de campo
estacionarios, el voltaje generado en c.a. En los devanados rotatorios se rectifica por
medio de diodos montados sobre la estructura rotativa. El voltaje en c.d. Producido por
los rectificadores rotatorios se aplica directamente a los devanados de campo del
generador, el regulador de voltaje controla la corriente de campo para obtener el voltaje
deseado en las terminales.
FIG. 4.58
Excitatriz estática
Otro sistema de excitación se le llama “excitatriz estática”, elimina la excitatriz rotatoria,
pero conserva los anillos rozantes y escobillas, la potencia para el campo se toma de la
salida del generador. El sistema de control de voltaje controla la corriente excesiva de
campo para regular el voltaje del generador. Los sistemas estáticos de excitación
proporcionan una respuesta más rápida que los otros sistemas de excitación, para
controlar el voltaje.
FIG. 4.59
97
4.7.-TUBO DE ASPIRACIÓN
El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el desagüe y para aprovechar,
además, el salto entre ambos elementos. Se construye de hormigón o de chapa de acero
y ha de tener una sección variable para conseguir la máxima recuperación de la energía
cinética del agua a la salida del rodete de la turbina.
FIG. 4.60
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, 6. Turbina hidráulica, 7.
Alternador, 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina, 9. Puente de grúa de la
sala de máquinas, 10. Salida de agua (tubo de aspiración), 11. Compuertas planas de salida. 12.
Puente grúa para maniobrar compuertas de salida, 13. Puente grúa para maniobrar compuertas
de entrada.
4.8.-CANAL DE DESAGÜE
El canal de desagüe recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla nuevamente
al río en el punto conveniente. A la salida de las turbinas, el agua tiene todavía una
velocidad importante y, por lo tanto, bastante poder erosivo y para evitar socavaciones
del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente el desemboque del agua de las
turbinas.
En saltos bajos en que conviene perder poco desnivel, el canal de desagüe ha de ser
corto. En saltos de gran altura y, especialmente en aquellos en que el agua arrastra poco
o ningún material sólido, el canal de desagüe puede ser de mayor longitud.
FIG. 4.61
98
SUB-TEMA:
5. FUNCIONAMIENTO DE UNA DE UNA CENTRAL
HIDROELÉCTRICA
Las centrales hidroeléctricas tienen como finalidad aprovechar, mediante un desnivel la
energía potencial contenida en forma de agua para convertirla en energía eléctrica.
El funcionamiento de una central hidroeléctrica es el siguiente: ubicar una presa en el
lecho de un rió para acumular una cierta cantidad de agua formando un embalse.
Teniendo la presa se sitúan en ella tomas de agua, normalmente equipadas con rejillas
que impiden el paso de cuerpos que pueden ocasionar daños en las conducciones o en
las maquinas que operan en la central.
El aprovechamiento del agua consiste, en llevar el agua de la presa por una serie de
conducciones ya sea un canal o una tubería con un cierto desnivel hasta un depósito
llamado cámara de reposo o bien chimeneas de equilibrio las cuales se utilizan para
regular la salida del agua y evitar la formación de golpes de ariete.
Utilizando tuberías de presión a la salida de la cámara de reposo se transforma la
energía potencial del agua en reposo en energía cinética es decir adquiere velocidad. Al
llegar a las maquinas, actúa sobre los alabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar y
así perdiendo energía el agua.
El rodete de la turbina esta unido por un eje al rotor del alternador, y en el mismo eje se
encuentra en generador de corriente continua, llamado excitatriz, que se utiliza para
excitar los polos del rotor del alternador que, al girar con los polos excitados por una
corriente continua induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador.
En las terminales del estator aparece así, una corriente eléctrica alterna de media tensión
y alta intensidad. Mediante un transformador es convertida en corriente de baja
intensidad y alta tensión para poder ser transportada en condiciones adecuadas.
El agua una vez que ha cedido su energía, es enviada al cauce normal del rió, aguas
abajo de la central.
FIG. 5.1
99
5.1. IMPACTOS SOCIO-ECONÓMICO-AMBIENTALES POR CAUSA DEL
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
La construcción y operación de la presa y el reservorio que es un embalse de agua
almacenado e interceptado por una presa, y esta, constituyen la fuente principal de
impactos del proyecto hidroeléctrico. Los proyectos de las represas de gran alcance
pueden causar cambios ambientales irreversibles, en unas áreas geográficas muy
extensas; por eso, tienen el potencial de causar impactos importantes.
Ha aumentado la crítica de estos proyectos durante la última década. Los críticos más
severos sostienen que los costos sociales, ambientales y económicos de estas presas
pesan más que sus beneficios y que, por lo tanto, no se justifica la construcción de las
presas grandes.
Otros mencionan que, en algunos casos, los costos ambientales y sociales pueden ser
evitados o reducidos a un nivel aceptable, si se evalúan cuidadosamente los problemas
potenciales y se implementan medidas correctivas que sean efectivas.
El área de influencia de una presa se extiende desde los límites superiores del embalse
hasta los esteros y las zonas costeras, e incluyen el embalse, la presa y la cuenca del
río, aguas abajo de la presa. Hay impactos ambientales directos asociados con la
construcción de la presa (el polvo, la erosión, problemas con el material prestado y de
los desechos), pero los impactos más importantes son el resultado del embalse del
agua, la inundación de la tierra para formar el embalse, y la alteración del caudal de
agua, más abajo. Estos efectos ejercen impactos directos en los suelos, la vegetación, la
fauna y las tierras silvestres, la pesca, el clima y la población humana del área.
Los efectos indirectos de la represa incluyen los que se asocian con la construcción, el
mantenimiento y el funcionamiento de la represa (los caminos de acceso, los
campamentos de construcción, las líneas de transmisión de energía) y el desarrollo de
las actividades agrícolas, industriales o municipales que posibilita la represa.
También cabe mencionar los efectos que crea el medio ambiente sobre el embalse Los
principales factores ambientales que afectan el funcionamiento y la vida de la presa son
aquellos que se relacionan con el uso de la tierra, el agua y los otros recursos en las
áreas de captación aguas arriba del embalse (la agricultura, la colonización y el desbroce
del bosque) que pueden causar una mayor acumulación de limos, sedimentos y cambios
en la cantidad y calidad del agua del embalse y del río.
FIG. 5.2
100
A pesar de estas afectaciones de ninguna manera se comparan con el gran daño que le
causan las centrales termoeléctricas al medio ambiente con la explotación de los
combustibles fósiles y no renovables.
El generar energía eléctrica sin que exista un proceso de combustión o una etapa de
transformación térmica supone, desde el punto de vista medioambiental, un
procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de problemas de contaminación, se
evitan los impactos originados por los combustibles durante su extracción,
transformación, transporte y combustión, lo que beneficia la atmósfera, el suelo, el agua,
la fauna, la vegetación, etc.
Evita la contaminación que conlleva el transporte de los combustibles; gas, petróleo y
carbón, reduciendo el intenso tráfico marítimo y terrestre cerca de las centrales, se
suprimen los riesgos de accidentes durante estos transportes como los desastres con
petroleros y traslados de residuos contaminantes.
El beneficio del proyecto hidroeléctrico claro es el de producir energía eléctrica, la
misma que puede apoyar el desarrollo económico y mejorar la calidad de la vida en el
área servida.
Los proyectos hidroeléctricos requieren mucha mano de obra y ofrecen oportunidades
de empleo, los caminos y otras infraestructuras pueden dar a los pobladores mayor
acceso a los mercados para sus productos, escuelas para sus hijos, cuidado de salud y
otros servicios sociales. Además, la generación de la energía hidroeléctrica proporciona
una alternativa para la quema de los combustibles fósiles, o la energía nuclear, ya que
permite satisfacer la demanda de energía sin producir agua caliente, emisiones
atmosféricas, ceniza y desechos radioactivos.
El embalse es realmente, una instalación de usos múltiples, estos beneficios pueden
incluir el control de las inundaciones y la provisión de un suministro de agua más
confiable y de más alta calidad para riego, y uso doméstico e industrial. La
intensificación de la agricultura local, mediante el uso del riego, puede, a su vez, reducir
la presión que existe sobre los bosques primarios, el hábitat intacto de la fauna, y las
áreas en otras partes que no sean adecuadas para la agricultura. Asimismo, las represas
pueden crear pesca en el embalse y posibilidades para producción agrícola en el área
del de instalación que pueden más que compensar las pérdidas sufridas por estos.
FIG. 5.3
101
102
CONCLUCIONES
La contaminación mundial es uno de los problemas más serios que esta creando el
hombre, debido a las consecuencias que este problema trae consigo. Uno de ellos y el
más importante es el calentamiento global.
Se deben crear métodos eficaces para reducir estos problemas ya que es imposible
pararlos, no solo se necesita crear métodos sino explotar los que ya conocemos y
algunos de estos procesos ya están en operación.
Uno de los principales contaminantes es la industria eléctrica y los procesos que se
llevan acabo para obtenerla.
Así como la generación de la energía eléctrica eléctrica contamina también es una de las
industrias que están avanzando para evitar esta contaminación. Un ejemplo claro es la
generación de electricidad mediante energías renovables como son:
Energía solar (colectores solares)
Energía eolica (Centrales Eoloelectricas)
Energía hidráulica (Centrales Hidráulicas)
Energía geotérmica (Centrales Geotérmicas)
La generación de electricidad mediante el uso de centrales hidráulicas es una de las
maneras para disminuir la contaminación ambiental, y en este tema se explica la forma
en la que operan y los procedimientos necesarios para llevar acabo una producción de
electricidad con desarrollo sustentable.
Es importante conocer los procedimientos que se llevan acabo para la generación de
electricidad por métodos renovables, en este tema se explican en breves espacios cada
uno de los métodos de generación eléctrica renovable con la finalidad de saber cual es
su forma de desarrollar sin contaminar.
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BIBLIOGRAFIA
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