Energía Hidroeléctrica: prácticas y proyectos

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ENTREGA 1
Energía Hidroeléctrica: prácticas
y proyectos
Tal como dice el Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable, Comisión Nacional de Energía Atómica,
“Cuando encendemos una luz, ponemos en funcionamiento un artefacto eléctrico como por ejemplo un
televisor, estamos utilizando Energía Eléctrica y una de las formas de obtener este tipo de Energía es a través de una central hidroeléctrica. En las centrales hidroeléctricas la energía se obtiene de la caída del agua
desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La
energía hidráulica tiene su origen en el “ciclo del agua”, generado por el Sol, al evaporar las aguas de los
mares, lagos, etc. Las microcentrales hidroeléctricas son pequeños sistemas energéticos que aprovechan la
energía renovable de pequeños y medianos cursos de agua y la transforman en energía eléctrica. Funcionan
con desniveles de 2 a 200 metros y caudales de 0,5 a 3000 litros/seg. Proporcionan energía eléctrica en corriente continua o alterna en un rango de 0,5 hasta 150kW de potencia. Las microcentrales hidroeléctricas
constituyen una alternativa energética viable, cohabitando en perfecta armonía con el hombre y el medio
ambiente. No contaminan, producen “energía limpia” sin causar daños hidrológicos. En este artículo veremos algunos aspectos generales sobre la producción de energía hidroeléctrica y le proponemos el armado
“artesanal” de un pequeño generador Hidroeléctrico.
Elaborado por Ing. Horacio D. Vallejo
En general, podemos decir que las
centrales hidroeléctricas son confiables, de construcción sencilla, larga
vida útil y mínimo mantenimiento. Favorecen el asentamiento humano mejorando las condiciones de calidad de
vida y promueven el desarrollo industrial, económico y social, logrando el
equilibrio entre tecnología y naturaleza.
Están llamadas a cumplir un rol cada
vez más importante en la solución de
los problemas energéticos en el ámbito
rural, donde arribar con una línea de co-
rriente eléctrica implica costos muy altos.
Los lugares de aplicación más comunes de las centrales hidroeléctricas
son en zonas alejadas de la red de
suministro eléctrico y centros de distribución; y en sitios donde se desea
aprovechar un recurso hídrico disponible para generar energía a los efectos de iniciar alguna explotación agrícola/ganadera, forestal, industrial, minera o turística:
 Estancias agrícola/ganaderas.
 Complejos hoteleros.
Aduanas en zonas fronterizas.
Puestos de Gendarmería nacional.
Seccionales de guardaparques.
Refugios de montaña.
Campamentos viales, mineros, forestales, etc.
 Poblaciones rurales.
 Pobladores particulares.





Sin embargo, se puede aprovechar la
energía propia del movimiento del agua
para generar energía eléctrica por medio
de una gran cantidad de proyectos relacionados con pequeños molinos caseros.
Centrales hidroeléctricas
Las Centrales Hidroeléctricas o Hidráulicas se construyen en los cauces de
los ríos, en zonas donde el caudal de
agua en movimiento es suficientemente abundante y continuo, para poder
aprovechar la fuerza gravitacional de
un salto o el fluir del agua.
El aprovechamiento hidráulico de los
ríos, se basa en el principio fundamental de que la velocidad del flujo de és26 |
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tos es básicamente constante a lo largo de su cauce. Pero la energía potencial no se convierte íntegramente en cinética como sucede en el caso de una masa en caída libre, la cual
se acelera, sino que ésta es invertida
en las llamadas pérdidas, que sucede
cuando la energía potencial se “pierde” en vencer las fuerzas de fricción
con el suelo, en el transporte de partículas, en formar remolinos, etc.
Las Centrales Hidroeléctricas se encargan de evitar estas pérdidas, aprovechando casi toda la energía potencial.
A medida que la tecnología ha avanzado, se ha ido perfeccionando la maquinaria para aprovechar mejor el salto de
agua en su producción de energía y perder la menor cantidad posible de ésta.
En el pasado, con los aparatos primitivos se llegaba a perder hasta el 70%
de la energía potencial, mientras que
en la actualidad, las turbinas modernas
permiten un rendimiento del 85 al 91%.
Uno de los tipos de centrales más comunes son las Centrales de Embalse,
que con presas de contención reservan agua en un embalse.
Estas centrales permiten aprovechar la
energía potencial de la caída del agua
entre dos niveles (salto geodésico), que
pasa a convertirse en energía cinética.
El agua es impulsada a través de la tubería forzada, entrando de este modo
en las turbinas hidráulicas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que produce energía mecánica,
que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores eléctricos (alternadores).
Figura 1
Figura 2
Elementos de la energía hidroeléctrica
Una masa de agua situada a una determinada altura posee una energía potencia igual al producto de la masa (m), la
aceleración de la gravedad (g) y la altura desde donde cae el agua (h), que se
transforma en energía cinética al dejarla
caer libremente (1/2 mv2). Se entiende
como energía hidráulica la energía asociada a las corrientes o saltos de agua,
siendo las centrales hidroeléctricas las
encargadas de aprovechar esta energía y transformarla en energía eléctrica.
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Figura 3
Para poder obtener energía eléctrica
a partir de la energía asociada con el
movimiento del agua son necesarios
los siguientes elementos.
Embalse
Un embalse es el lugar donde se almacena el agua (figura 1), y consta de
la presa y los desagües.
a) Presa
Es una barrera interpuesta en el cauce de un río para retener y almacenar
su agua, elevando el nivel considerablemente y regulando el caudal de salida (figura 2).
Atendiendo a la forma de resistir el empuje de la corriente hay dos tipos de
presa: presas de gravedad, en las que
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Figura 4
Se encuentran en la parte superior de
la presa y tienen la función de regular
el nivel del agua para evitar el desbordamiento. Pueden ser de tres clases
en función del tipo de compuerta utilizada: de compuerta vertical, construida con materiales que resisten la presión del agua (como la chapa reforzada) que se desliza sobre raíles; de
compuertas de segmento, que están
formadas por una estructura metálica sujeta a un eje de giro cuyo extremo tiene forma de superficie cilíndrica, se utilizan en caudales no muy elevados; y válvulas de retención (clapetas), compuestas de una báscula unida por uno de sus extremos a la parte
superior de la compuerta de tal forma
que cuando la compuerta desciende
se abre y fluye el agua.
Figura 5
el empuje del agua se contrarresta con
el peso del muro que forma la presa, y
presas de bóveda, en forma de arco,
con lo que se consigue soportar mejor la presión del agua.
Una presa sólo puede retener a un cauce natural, si retuviera un canal sería
considerada una balsa. Las presas de
hormigón son las más comunes y según su diseño hay 4 tipos diferentes:
Presas de Gravedad, Presas de Con30 |
trafuertes, Presas de Arco-Bóveda y
Presas de Tierra o Escollera.
b) Desagües.
Son aperturas dispuestas en la pared
principal de la presa (figura 3) a través
de las cuales se controla la salida del
agua. Existen tres tipos de desagües: de
superficie, de medio fondo y de fondo.
-Desagües de superficie o aliviaderos.
-Desagües de medio fondo. Son desagües que se alimentan a media altura de la presa.
-Desagües de fondo. Son desagües situados en la parte inferior de la presa.
En la figura 4 podemos apreciar una gráfica simplificada de una central Hidroeléctrica con sus componentes básicos.
Tuberías de conexión
Desde las tomas de agua se conduce
el agua de la presa hasta estas tuberías
de conexión (figura 5) que se encargan de llevar el agua hacia las turbinas.
Están construidas con materiales de
gran resistencia como acero, fundición,
fibrocemento o plástico reforzado con
fibra de vidrio. El diámetro y grosor de
las tuberías dependen del caudal de la
presa, y se sostienen en el suelo mediante apoyos y con anclajes de hormigón en los cambios de dirección; pueden ser aéreas o subterráneas.
Como dijimos, también, hay aliviaderos, compuertas y válvulas de control.
Todas las centrales hidroeléctricas disponen de dispositivos que permiten el
paso del agua desde el embalse hasta el cauce del río, aguas abajo, para evitar el peligro por desbordamiento que podrían ocasionar las crecidas.
Figura 6
Figura 7
En esos casos es necesario poder evacuar el agua sobrante sin necesidad
de que pase por la central (figura 6).
Planta transformadora o sala de
máquinas
Son las instalaciones donde se transforma la energía cinética del agua en
energía eléctrica. Las partes que componen una planta transformadora son
los elementos de cierre y reguladores
y las turbinas (figura 7).
ser de flujo cruzado, de tipo Pelton y
otras. La más usada es la turbina Pelton, en la que el agua que empuja los
álabes es impulsada por inyectores
que regulan el caudal, y se emplea para centrales de pequeño caudal y con
un gran salto de agua.
Tiene la característica de que admite
una amplia variación de caudal, y, en
caso de parada, cuenta con un deflector de chorro, mecanismo que dirige
el agua directamente al desagüe evitando una sobrepresión en la tubería.
a) Elementos de cierre y reguladores.
b) Turbinas.
-Turbinas de reacción. En estas turbinas el movimiento de los álabes es
provocado tanto por la velocidad como por la presión del agua.
Los dos tipos más habituales de turbinas hidráulicas son las de acción y
las de reacción.
-Turbinas de acción. Para hacer girar
las aspas se aprovecha sólo la velocidad del agua. Estas turbinas pueden
Hay varios tipos de turbina de reacción:
turbina Francis de hélice, Kaplan, etc.
La primera turbina de uso hidráulico fue
patentada en Francia por Benoit Fourneyron en 1827. De todas las patentadas,
Son los encargados de impedir o regular la entrada del agua en la planta.
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actualmente sólo se fabrican 4: Pelton
(de acción); Francis (de reacción, con
alabes fijos); Deriaz (de reacción con
alabas orientables) y Kaplan (de reacción, de flujo axial y alabes móviles).
Fue el ingeniero inglés John Smeaton
quien impulsó el desarrollo del uso de
la energía hidráulica y en 1880 en Northumberland, Inglaterra, se hizo la primera central hidroeléctrica. La central
de Salto Grande en Argentina, por ejemplo (figura 8), posee turbinas tipo Kaplan. En la figura 9 podemos apreciar
una pequeña infografía que ejemplifica a estos dos tipos de turbina.
Generador y elementos anexos
Los elementos anexos o complementarios son los elementos necesarios
para controlar el proceso de generación de corriente eléctrica y regularlo
como ser el transformador y el tendido de la línea eléctrica.
Los transformadores son el equipo que
se encarga de convertir la corriente de
baja tensión en una corriente de alta
tensión y disminuir la intensidad de la
corriente eléctrica.
De este modo, se pierde menos energía en su transporte (figura 10): Líneas
de Transporte de Energía Eléctrica.
La electricidad producida se transporta por cables de alta tensión a las
estaciones de distribución, donde se
reduce la tensión mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios.
Las líneas primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta
500.000 volt o más. Las líneas secundarias que van a las viviendas tienen
tensiones de 220 ó 110 volt.
Tipos de centrales hidroeléctricas
Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar según sus características orográficas, atendiendo a su estructura o según la potencia que generen. Veamos entonces estas clasificaciones a grandes rasgos:
1) Según sus características oro gráficas, las centrales hidráulicas
se dividen en centrales fluyentes y
centrales con regulación:
1.1) Centrales fluyentes.
Están situadas en ríos con un caudal
constante, de forma que no requieren
la formación de un embalse o éste es
de pequeñas dimensiones. La recogida de agua se hace directamente del
río y va hacia las turbinas.
1.2) Centrales con regulación.
Son las que están situadas en lugares
donde es necesario embalsar el agua y
provocar un salto elevado de la misma.
2) Según su estructura, se clasifican en centrales por desviación de
las aguas y de pie de presa:
2.1) Centrales por desviación de las
aguas.
En éstas se desvía parte del caudal del
río mediante un azud o muro situado
transversalmente a la corriente. Con
ello se crea un remanso sin necesidad de elevar mucho el nivel del agua.
El agua desviada se canaliza con la
toma (ensanchamiento en la parte anterior del canal que agiliza la entrada
del agua) hasta el canal de derivación,
que puede ser a cielo abierto o por tubería. Desde allí se dirige a la cámara
de carga o depósito donde se almacena el agua y del que parte la tubería forzada, que lleva el agua hacia la
planta transformadora.
2.2) Centrales de pie de presa.
Requieren la construcción de una presa
que almacene el agua a una altura determinada. Si son de alta o media caída
el agua llega a la turbina (generalmente horizontal de impulsión) a gran velocidad, con lo que no es necesario un generador de mucho diámetro. Si son de
baja caída se necesitan turbinas de reacción, que son mucho más voluminosas debido al gran caudal de agua que
deben hacer pasar y, además, los generadores son también de grandes dimensiones por la poca velocidad del agua.
3.-Según la potencia que generan,
se clasifican en minicentrales y macrocentrales:
3.1) Minicentrales hidráulicas.
Generan potencias comprendidas entre los 250kW y los 5.000kW. En esta
cateogoría también podríamos incluir
a los modernos generadores de uso
hogareño y también a los de construcción casera o artesanal.
3.2) Macrocentrales o centrales hidráulicas.
Figura 8.
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Se generan potencias superiores a
5.000kW.
Por último, un tipo especial de gene-
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Figura 9
ración es la llamada central de bombeo, en la que el embalse a partir del
cual se genera energía hidroeléctrica
recibe el agua por bombeo desde otro
embalse inferior. Para ello, además de
los elementos con los que cuenta una
central convencional, es necesario el
uso de bombas que eleven el agua.
Su principal aplicación es combinándola con una central térmica, nuclear
o hidroeléctrica convencional, y se implanta en lugares donde hay un desfase
entre la energía generada y la demanda de energía, bien sea porque paralizar la producción de energía es poco rentable (centrales térmicas y nucleares en las que el costo de tiempo
y dinero del arranque no es rentable)
o porque, si no se evacua el agua, se
desbordaría el embalse (centrales hidráulicas). Por ejemplo, a lo largo del
día una central puede tener una demanda que sobrepase su capacidad
de generación eléctrica, y por la noche, producir más de lo que se consume. Para evitar este desfase, durante la noche la energía sobrante se utiliza para bombear agua a un embalse superior, de tal fortuna que durante el día, con el agua almacenada, se
genera la energía necesaria para cubrir el exceso de demanda sin que la
central tenga que sobredimensionarse
para generarla por sí misma.
Continuará...
Figura 10
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