la central hidroeléctrica

Revista digit@l
Eduinnova
Nº 34 – ENERO 2012
ISSN 1989-1520
Depósito Legal: SE 7617-2010
LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
AUTOR: ANTONIO ELÍAS JURADO PEREA
DNI: 44.253.518T
ESPECIALIDAD: TECNOLOGÍA
Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que aprovechan la energía potencial
contenida en el agua transportada por los ríos, para convertirla en energía eléctrica.
Para ello, emplean un sistema de turbinas acopladas a alternadores.
Las centrales hidroeléctricas actúan a partir de la energía potencial del agua
embalsada a niveles superiores con respecto al punto donde se encuentra situada la
central. Durante la caída, el agua se transforma en energía cinética, que se aplica al
movimiento de turbinas hidráulicas unidas a generadores, para su transformación en
energía eléctrica. Una turbina hidráulica es una rueda formada por paletas curvas
denominadas álabes, sobre las que actúa la corriente de agua, poniéndolas en
movimiento.
Un ejemplo de las ventajas del uso de la energía hidroeléctrica es que la
potencia generada por este medio, deja de generarse mediante la combustión en
centrales térmicas de combustibles fósiles, lo cual supone un ahorro económico, una
menor dependencia de los recursos no renovables y una menor contaminación
ambiental.
En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que
tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20
centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia
hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas
instalaciones con potencias menores de 20 MW. La potencia hidroeléctrica total
instalada en el año 2000 era algo más de 20.000 MW.
Hay que recordar que un generador funciona sobre la base de los principios de
inducción electromagnética, descubierta en 1831 por Michael Faraday, fue un físico y
químico británico que estudió el electromagnetismo y le electroquímica. Logró crear
una corriente eléctrica al mover un imán junto a un circuito eléctrico cerrado. La
inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza
electromotriz (f. e. m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético
variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así,
que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este
fenómeno está recogido en la Ley de Faraday, que expresa que la magnitud del voltaje
inducido es proporcional a la variación del flujo magnético.
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Por otra parte, Heinrich Lenz, que fue un físico alemán, comprobó que la
corriente debida a la f. e. m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma
tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que
la intensidad del flujo varíe, o que le cuerpo conductor se mueva respecto de él. Lenz,
formuló la ley que dice: “El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es
tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo”.
Existen dos tipos de generadores, los que originan una corriente eléctrica continua,
llamados dinamos, y los que crean una corriente alterna, denominados alternadores.
La potencia de una central hidroeléctrica viene determinada por el producto del
caudal, el volumen de agua que puede ser desalojado por segundo y el salto, la
diferencia de altura existente entre la situación del agua y el lugar donde se sitúa la
turbina.
El emplazamiento
Dado que normalmente, el caudal de los ríos no asegura una aportación
regular de agua, excepto en los grandes ríos, la construcción de una central
hidroeléctrica requiere del embalse previo de agua en una presa. Se forma así un lago
artificial en el que puede generarse un salto a partir del cual se libera la energía
potencial de la masa de agua, que se transforma posteriormente en energía eléctrica.
El emplazamiento de una central hidroeléctrica viene condicionado, en primer lugar por
las características y peculiaridades orográficas del terreno. No obstante, existen dos
modelos
básicos:
el
aprovechamiento
por
derivación
de
las
aguas
y
el
aprovechamiento por acumulación.
Aprovechamiento por derivación
En este primer caso, las aguas del río se desvían mediante la construcción de
una pequeña presa hacia un canal que las conduce hasta un depósito, la cámara de
descarga, procurando que la pérdida de nivel sea mínima.
Aprovechamiento por acumulación
En las centrales de aprovechamiento por acumulación se construye una presa
a altura determinada, en un tramo del río que presenta un desnivel apreciable. De esta
manera, el desnivel del agua se sitúa en un punto cercano al extremo superior de la
presa. Para aprovechar el volumen de embalse de la cota superior, a media altura se
sitúa la toma de aguas, en la base inferior se emplaza el sistema de turbina-alternador.
Funcionamiento de una central hidroeléctrica: componentes principales
La presa
Se trata de un elemento esencial en los aprovechamientos hidráulicos. Existen
dos grandes tipos de presas, las construidas con el sistema de gravedad y las de
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bóveda. En el primer caso, el propio peso del muro de la presa sirve para contener el
agua. En las presas de bóveda, la contención de las aguas se consigue mediante el
empuje que ejercen los dos extremos del arco formado por la presa sobre las paredes
laterales de la roca.
Los aliviaderos
En la pared principal de la presa existen puntos donde parte del agua retenida
se libera sin necesidad de que pase previamente por la sala de máquinas, donde se
localiza el sistema de turbina-alternador. Los aliviaderos entran en funcionamiento
cuando se producen grandes avenidas en el río o para asegurar las necesidades de
riego. La salida del agua por los aliviaderos se regula gracias a la presencia de
grandes compuertas metálicas. La energía de caída del agua ha de ser disipada para
evitar que cause daños en su caída a los terrenos emplazados aguas debajo de la
presa. La instalación de cuencos de amortiguación permite guiar la corriente.
Tomas de agua
Se sitúan en la pared anterior de la presa, la que da al embalse, al agua. Desde
las tomas de agua parten diversas conducciones que se dirigen hacia las turbinas. Un
sistema de compuertas permite regular el volumen de agua que llega a la sala de
maquinas; por otra parte, la existencia de rejillas metálicas impide el acceso de
elementos extraños, tales como troncos o ramas, que podrían dañar la maquinaria.
Desde las tomas, el agua pasa a una tubería forzada que atraviesa el cuerpo de la
presa y conduce el agua hacia las máquinas de la central. En el interior de la tubería,
el agua transforma su energía potencial en cinética, es decir, al caer desde cierta
altura adquiere velocidad.
La sala de máquinas: turbina y alternador
La turbina y el alternador son los mecanismos esenciales de la central
hidroeléctrica. Cuando el agua llega a las máquinas, actúa sobre los álabes de la
turbina, haciendo girar el rodete y perdiendo energía. El rodete de la turbina
permanece unido por un eje al 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. Cuando el agua ha cedido su energía, es restituida al curso del
río, aguas abajo de la instalación.
Unido al eje de la turbina y el alternador gira un generador de corriente
continua, empleado para excitar los polos del rotor del alternador. De esta manera, en
los terminales del estator aparece una corriente alterna de media tensión y alta
intensidad. Mediante un transformador, esta corriente altera sus propiedades y pasa a
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ser de alta tensión y baja intensidad. Se encuentra ya disponible para ser transportada
mediante líneas de alta tensión hacia los centros de distribución y consumo.
Centrales hidroeléctricas de bombeo
Las centrales de bombeo constituyen un tipo específico de instalaciones
eléctricas. Están pensadas para lograr el máximo aprovechamiento de la energía del
agua. Una central hidroeléctrica de bombeo consta de dos embalses emplazados a
diferente altura. En las horas en que la demanda de electricidad en más alta o
máxima, el funcionamiento del sistema no cambia respecto de las centrales
hidroeléctricas convencionales. Así, el agua almacenada en el embalse superior
provoca con su caída el giro de una turbina que se encuentra asociada a un
alternador. Finalizada esta operación, el agua permanece almacenada en el embalse
ejecutado en un nivel inferior.
Cuando la demanda de electricidad disminuye, el agua almacenada en el
embalse de cota inferior, se bombea hacia el superior, haciendo posible que el ciclo se
reinicie. Para ello, la central está provista de motobombas o bien turbinas reversibles
que pueden actuar como bombas y alternadores que funcionan como motores.
Las centrales termoeléctricas no pueden adaptarse a los cambios de demanda
señalados, puesto que están diseñadas para producir de manera estable electricidad.
Puede darse el caso de que, en un momento de poca demanda, se esté generando un
volumen de energía eléctrica excesivo. Dado que la energía no puede almacenarse,
en las centrales de bombeo puede aprovecharse la generada en la central
termoeléctrica, funcionando a su mínimo técnico, para elevar el agua desde el
embalse inferior al superior.
Una vez que el agua ha sido recuperada, la central de bombeo se utiliza
nuevamente como central hidroeléctrica convencional, a lo largo del periodo del día en
que la demanda es mayor. En suma, las instalaciones hidroeléctricas de bombeo
evitan la pérdida de una parte importante de energía, optimizando el aprovechamiento
de los recursos hidráulicos.
En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que
tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20
centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia
hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas
instalaciones con potencias menores de 20 MW.
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La potencia hidroeléctrica total instalada en el año 2000 era algo más de
20.000 MW. El criterio de distribución de las centrales obedece a la existencia de
caídas de agua con la suficiente altura y energía. Existen, por lo tanto, densas
concentraciones de centrales en las montañas del ángulo noroeste y en el Pirineo,
donde empezaron a construirse desde principios del siglo XX para abastecer de
energía a la industria catalana.
Otras centrales se reparten más aleatoriamente por las montañas del interior
de la península, aprovechando los puntos donde existe agua y desnivel suficientes
ligados a núcleos montañosos. La mayor concentración de grandes centrales se da en
la caída de los ríos Duero y Tajo cuando abandonan la meseta, ya en la frontera con
Portugal. Las centrales de Villarino, Saudelle, Aldeavilla, José María de Oriol y Cedillo,
suman nada menos que el 20% del total de la potencia hidráulica instalada en el país,
y el 7% de la potencia eléctrica total.
El mapa representa las centrales mayores de 20 MW. Se indica el nombre de las 10 centrales
mayores de 300 MW.
Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto
de vista de su capacidad de generación de electricidad son:
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1.- La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio
del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo
que se puede dirigir hacia las turbinas, además de las características de las turbinas y
de los generadores usados en la transformación.
2.- La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente
un año, que está en función del volumen útil del embalse y de la potencia instalada.
La potencia de una central hidroeléctrica puede variar desde unos pocos MW
(megavatios), hasta los 14.000 MW que tiene la central de Itaipú, situada en la frontera
entre Brasil y Paraguay, sobre el río Paraná, dónde se encuentra la segunda mayor
central hidroeléctrica del mundo, que tiene instaladas 20 turbinas de 700 MW cada
una. La mayor es la Presa de las Tres Gargantas, en China, con una potencia
instalada de 22.500 MW.
Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas (que usan combustibles
fósiles) producen energía de una manera muy similar. En ambos casos la fuente de
energía es usada para impulsar una turbina que hace girar un generador eléctrico, que
es el que produce la electricidad. Una central térmica usa calor para, a partir de agua,
producir el vapor que acciona las paletas de una turbina, en contraste con la planta
hidroeléctrica, la cual usa la fuerza del agua (energía potencial) directamente par
accionar la turbina.
Un ejemplo de las ventajas del uso de la energía hidroeléctrica es que la
potencia generada por este medio, deja de generarse mediante la combustión en
centrales térmicas de combustibles fósiles, lo cual supone un ahorro económico, una
menor dependencia de los recursos no renovables y una menor contaminación
ambiental. Un ejemplo de esto es el proyecto Palomino, ubicado en la República
Dominicana, se espera obtener una generación anual de aproximadamente 184
GWh/año, lo cual le ahorrará al país 400.000 barriles de petróleo con un valor cercano
a los 60 millones de dólares.
Grandes centrales hidroeléctricas del mundo
La central hidroeléctrica Simón Bolívar, también conocida como Represa del
Gurí y antes llamada central hidroeléctrica de Raúl Leoni, esté situada en el Cañón de
Necuima, a cien kilómetros de la desembocadura del río Caroní en el Orinoco, en
Venezuela. La generación de energía eléctrica de esta planta supera los 50.000 GWh
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al año, que son capaces de abastecer un consumo equivalente de unos 300.000
barriles de petróleo diarios, lo que ha permitido la sustitución de energía procedente de
la generación mediante centrales térmicas por la hidroelectricidad, que permite la
finalidad de ahorrar combustibles líquidos, petróleo, que se pueden conservar para
otros fines, o en el caso que nos ocupa de Venezuela, para su exportación.
La ejecución de esta obra comenzó en 1963 y finaliza en 1978, fue inaugurada
en su totalidad en 1986. En una primera fase tubo una potencia total instalada de
2.065 MW producida por 10 unidades generadoras, más tarde, en la etapa final, se
construyó una segunda casa de máquinas, donde se instalaron otras 10 unidades
generadoras de 730 MW cada una. Actualmente es la tercera central hidroeléctrica
más grande del mundo, alcanzando la capacidad instalada los 10.000 MW, sólo
superada por Itaipú (Brasil y Paraguay) y Las Tres Gargantas (China).
La represa hidroeléctrica de Itaipú, está situada en la frontera entre Paraguay y
Brasil, sobre el cauce del río Paraná. Está construida con hormigón, roca y tierra. Es la
central hidroeléctrica más grande de los hemisferios sur y occidental, y la segunda
más grande del mundo, sólo superada por la presa de Las Tres Gargantas. El agua
embalsada es de 29.000 Hm3 y ocupa un área aproximada de 1.400 Km2, con unos
200 Km. de extensión en línea recta. Se calcula que ha tenido un coste aproximado de
15.000 millones de €.
La potencia total de generación electro-hidráulica instalada es de 14.000 MW,
formada por 20 turbinas generadoras de 700 MW, cada una. Esta central hidroeléctrica
ha tenido picos de producción anual muy altos, durante el año 2000, se produjeron
93.400 GWh año, para que nos hagamos una idea de la magnitud, se generó el 95 %
de energía eléctrica que consume Paraguay y el 24 % de la que consume un gigante
como Brasil, con sus casi 193 millones de habitantes y sus cerca de ocho millones y
medio de kilómetros cuadrados de superficie, comparativamente, en extensión es 17
veces más grande que España y su población es 4,168 veces la nuestra.
Las obras de Itaipú comenzaron en 1978 con los trabajos para desviar el río
Paraná de su cauce con el fin de secar el lecho original del río para poder construir la
presa principal realizada con hormigón. Que se terminó en 1982, cuando fueron
concluidas las primeras obras de la represa y las compuertas del canal de desvío
fueron cerradas. Las aguas embalsadas subieron 100 m en apenas 15 días debido a
las fuertes lluvias ocurridas en aquella época.
Itaipú produce una media de 90 millones de megavatios-hora (MWh) por año,
aunque en condiciones favorables del caudal del río Paraná se pueden llegar a
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incrementar esa cantidad. Durante el año 2008, la represa de Itaipú alcanzó un nuevo
récord histórico de producción de energía, se alcanzaron los 94,7 millones de MWh
producidos. Esta capacidad de producción se obtiene con 18 unidades de generación
en
funcionamiento
constante,
mientras
que
dos
unidades
permanecen
en
mantenimiento. Se optimiza al máximo la producción mediante un eficiente programa
de mantenimiento de las máquinas y el control permanente del sistema de generación
de energía que evita fallos y pérdidas en la producción. Esta cantidad de energía
nunca ha sido alcanzada por ninguna otra central hidroeléctrica del mundo. La central
china de las Tres Gargantas situada sobre el río Yang Tse, con la potencia instalada
de 22400 MW, no podrá exceder a Itaipú en la producción anual de energía, ya que el
caudal del río Paraná tiene un alto volumen de agua durante todo el año.
La presa de las Tres Gargantas, está situada en China, sobre el cauce del río
Yang Tse, es la central hidroeléctrica más grande del mundo. La presa se levanta a
orillas de la cuidad de Yichag, en el centro de China, el embalse podrá almacenar
unos 39.300 millones de m3, la presa mide 2.309 metros de longitud, una anchura de
126 m y una altura de 185 metros. Está diseñada para evitar las inundaciones que el
río sufría en sus orillas cada cierto tiempo y para mejorar el control del cauce del río y
proteger a los 15 millones de chinos que habitan en sus orillas. Está dotada con 32
unidades de generación, turbinas de 700 MW cada una, de las que 14 unidades se
han colocado en lado norte de la presa, 12 unidades en el lado sur y las 6 restantes
subterráneas, alcanzando los 22.500 MW instalados al estar terminada.
Esta central tiene el título de la mayor represa para generación de energía del
mundo. Será el mayor proyecto hidroeléctrico en el mundo con una capacidad total de
18,20 millones de kilovatios y una producción anual de 84.680 millones de kilovatios
hora. Los especialistas en energía hidroeléctrica predicen que la capacidad de
generación de electricidad de este proyecto permanecerá sin igual internacionalmente
durante muchos años.
Se calcula que se requerirían 50 millones de toneladas de carbón sin refinar ó 25
millones de toneladas de petróleo crudo para producir la misma cantidad de energía que la
producción anual del Proyecto de las Tres Gargantas. Por lo tanto, el proyecto evitará la emisión
de entre un millón y dos millones de toneladas de dióxido de azufre, de 300.000 a 400.000
toneladas de óxido de nitrógeno, 10.000 toneladas de monóxido de carbono y 150.000 toneladas
de hollín al aire anualmente. Además del importante coste económico de los combustibles
fósiles que se dejan de necesitar. También es importante mencionar el costo aproximado de
29.000 millones de $, aunque en este caso, está fuera de toda duda, que también es una obra de
propaganda política.
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Los datos relativos a nuestro país, según datos aportados por el Ministerio de Industria y
Energía, pertenecientes al año 2010, son: la potencia total instalada correspondiente a las
centrales hidroeléctricas fue de 19.553 MW, que generaron un total de 45.446 GWh, para una
demanda total de 279.996 GWh. Si analizamos los datos y los comparamos con las cifras de
estas tres grandes centrales hidroeléctricas, vemos que teniendo una potencia instalada que casi
dobla a la de la central Venezolana Simón Bolívar, sin embargo producimos unos 5.000 GWh
/año menos. Debemos tener en cuenta que la producción depende de la cantidad de agua
embalsada o de la regularidad de agua en el cauce, que es lo que hace que la central de Itaipú
sea la más eficiente si comparamos la potencia instalada y la producción de energía conseguida.
Conclusión:
Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que aprovechan la energía
potencial contenida en el agua transportada por los ríos, para convertirla en energía
eléctrica. Para ello, emplean un sistema de turbinas acopladas a alternadores.
Las centrales hidroeléctricas actúan a partir de la energía potencial del agua
embalsada a niveles superiores con respecto al punto donde se encuentra situada la
central. Durante la caída, el agua se transforma en energía cinética, que se aplica al
movimiento de turbinas hidráulicas unidas a generadores, para su transformación en
energía eléctrica. Una turbina hidráulica es una rueda formada por paletas curvas
denominadas álabes, sobre las que actúa la corriente de agua, poniéndolas en
movimiento.
En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que
tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20
centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia
hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas
instalaciones con potencias menores de 20 MW. La potencia hidroeléctrica total
instalada en el año 2000 era algo más de 20.000 MW.
Bibliografía y fuentes consultadas:
Energía hidroeléctrica
José Francisco Sanz Osorio
Universidad de Zaragoza, 2008.
*
Ministerio de Industria, Energía y Turismo
www.minetur.gob.es
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La energía en España 2010
*
Red Eléctrica Española
www.ree.es
*
Asociación Española de la Industria Eléctrica
www.unesa.es
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