MC-F-005

Física y Tecnología
Energética
5 - Energía
Hidráulica
El ciclo del agua
•
La energía solar renueva más o menos continuamente los depósitos de agua
con energía potencial gravitatoria.
Precipitación
Evaporación
Central
hidroeléctrica
Presa
Infiltración
Oceano
Flujos subterráneos
•
La evaporación del agua consume mucha más energía, que la que se
acumula en los pantanos.
Energía Hidráulica
•
•
1
2
Energía del agua por unidad de volumen
P + gh + v
2
contribuyen la presión, la gravitatoria y la cinética
Las diversos términos de energía del agua se pueden convertir entre sí, y se
pueden convertir en trabajo.
Een ven
Esal vsal
T
W
dE en =
Energía cinética saliente.
dE sal
Por conservación de la energía
dE en = dE sal + dW
La eficiencia
•
dm 2
v
2 en
dm 2
=
v
2 sal
Energía cinética entrante.
vsal 2
dW
dE sal
=
= 1
= 1 < 100%
dE en
dE en
v en La eficiencia necesariamente es inferior al 100%. El agua tiene que salir.
Aprovechamiento hidroeléctrico
•
•
La energía del agua se usa desde hace 2 000 años
Actualmente se usa básicamente para generar electricidad
En grandes centrales
O en instalaciones minihidráulicas
Generador Desagüe
Canal
Caudal de reserva
Tubería
Toma
Depósito
Paso de peces
Centrales Hidroeléctricas
Tipos de Presa
Aérea
•Presa de gravedad
El empuje del agua se
resiste gracias al peso de
la presa
Río abajo
Sección
E
P
Ry
Rx
•Presa de bóveda
El empuje del agua se
transmite a las paredes
rocosas del valle
Otros Tipos de Presa
•Presa de contrafuertes
El empuje del agua se
resiste con los
contrafuertes
•Presa multibóveda
Combinación de bóveda
y contrafuertes
Presas de bóveda y de gravedad
Central hidroeléctrica
Pantano
Red alta tensión
Central
Entrada
Generador
Condu
cto
Turbina
Río
Central
Turbina de impulso
• Impacto de un chorro externo sobre la turbina
La fuerza equivale al cambio en la cantidad de movimiento,
en el sistema de referencia de la rueda
F=
dm
dm
( v + v cos ) = ( v1 u ) (1+ cos )
dt
dt
dW dm
Pot =
= Fu =
( v1 u ) u (1+ cos )
dt
dt
La potencia será
La energía que entra es
La eficiencia
dE en =
v2
u
v1
F
dm 2
v
2 1
dW
u u
=
= 2 1 (1 + cos )
dE en
v1 v1
Eficiencia turbina de impulso
100
Es máxima cuando
v1 = 2u
max =
1 + cos
2
Eficiencia ( % )
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
v (agua) / u (turbina)
3
3.5
4
Turbina Pelton de 6 chorros
Turbina Pelton
Turbina Pelton
Eficiencia de la turbina Pelton
Eje de rotación
100
Valvula
90
Chorro
Diámetro de salida
eficiencia ( % )
Deflector
Cazoletas
80
70
60
Sección AA
50
20
30
40
50
60
70
80
Porcentage del caudal máximo (%)
Para un determinado caudal se regula la velocidad con la válvula
90
100
Turbina de reacción
•El flujo de agua cambia en el interior de la turbina.
La presión se convierte en energía cinética
La fuerza será
La potencia
F
dm
v
dt
dW dm
Pot =
=
vu
dt
dt
F=
u
v
Por conservación de la energía
Eficiencia turbina de reacción
dm 2
dE en = dW +
v
2
100
La eficiencia es
=
dW
uv
2u
=
=
dE en uv + v 2 / 2 2u + v
Eficiencia ( % )
80
60
40
20
La eficiencia aumenta al disminuir la
velocidad tangencial de salida del agua
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
v (agua) / u (turbina)
3
3.5
4
Turbina Francis
Turbina Francis
Turbina Francis
Eficiencia de la turbina Francis
100
eficiencia ( % )
90
80
70
60
50
20
30
40
50
60
70
80
Porcentage del caudal máximo (%)
Es más complicada de regular para adaptarse al caudal
90
100
Turbina Kaplan
Turbina Kaplan
Turbina bulbo
Módulo compacto Kaplan + Alternador
Turbina Kaplan
Eficiencia de la turbina Kaplan
100
eficiencia ( % )
90
80
70
60
50
20
30
40
50
60
70
80
Porcentage del caudal máximo (%)
Se regula para adaptarse al caudal girando las aletas
90
100
Turbinas hidráulicas
•
Para cada régimen de caudal y diferencias de altura del agua o carga, existen
turbinas con una eficiencia del 90%.
Carga(m)
1000
Parámetros típicos de operación de las turbinas
Pelton
Francis
100
Kaplan
10 MW
10
5 MW
2 MW
20 kW
1
50 kW
100 kW
200 kW
10
500 kW
1 MW
100
Caudal ( m3/s )
•
•
La máxima potencia obtenible en un salto de agua es
P = Qgh
Teniendo en cuenta las eficiencias de turbinas y alternadores, y la pérdida de
carga por fricción, viscosidades y turbulencias, queda la expresión aproximada:
P(kW) = 7,5•Q(m3/s)•h(m)
Generación Hidroeléctrica en España
•Constituye el 15-16% del total de la Energía Eléctrica
•Producción y Potencia Instalada
2006
Pot. Instal.
Prod.
GW.
GWh
Centrales < 10 MW 1,8
Centrales 10-50 MW 2,9
Centrales > 10 MW 13,5
5 368
5 876
25 013
Previsión 2010
Potencia Producción
2,2
3,1
13,5
6 912
6 303
24 826
•El plan de fomento de energías renovables prevee aumentar el número de pequeñas
instalaciones
•Principales centrales existentes
Aldeadávila 1139 MW Duero Salamanca 115 Hm3 (bombeo)
Alcántara
915 MW Tajo
Cáceres 3137 Hm3
Cortes-Muela 908 MW Júcar Valencia 116 Hm3 (bombeo)
Villarino
810 MW Tormes Salamanca 2649 Hm3 (bombeo)
Generación Hidroeléctrica en España
Hidroeléctrica en España (Variabilidad diaria)
600
GWh
PRODUCIBLE HIDRÁULICO DIARIO
589
04/03/01
500
400
300
200
146
146
100
146146
106
127
116
127
95
103
74
127
116
106 95
46
16
74
74
74
33
103
33
21
16
21
116
146
146
127
106 95
103
74
74
46
33
16
116
127
106 95
103
74
74
46
21
116
106
33
16
21
46
95
74
33
2002
2001
HÚMEDO
SECO
2003
2004
may:
jun:
jul:
ago:
sep:
oct:
nov:
dic:
ene:
feb:
mar:
ene:
feb:
mar:
abr:
may:
jun:
jul:
may:
jun:
jul:
ago:
sep:
oct:
nov:
dic:
sep:
oct:
nov:
dic:
ene:
feb:
mar:
abr:
feb:
mar:
abr:
may:
jun:
jul:
ago:
jun:
jul:
ago:
sep:
oct:
nov:
dic:
ene:
ene:
feb:
mar:
abr:
may:
0
2005
Producción hidroeléctrica en el mundo
Instalada(GW) Producida ( GWh )
Norte América
Centro y Sudamérica
Europa Occidental
Europa Oriental
Oriente Medio
Africa
Lejano Oriente y Oceanía
Producción actual
Podría llegar a
176
106
143
80
5
21
147
697 900
523 100
519 600
245 800
18 900
63 100
515 700
2,5 PWh
6-9 PWh
Mayores instalaciones del mundo
Itaipú en Brasil-Paraguay
10 500 MW
Grand Couleee en Columbia (USA) 9 780 MW
Energía hidroeléctrica. Ventajas
•
Es la más barata. Pocos costes de operación y mantenimiento
•
La eficiencia de conversión en energía eléctrica es elevada. 90%
•
Es posible regularla para responder a la demanda en segundos.
•
Es esencial para dar las puntas del consumo diario
•
El agua puede ser usada posteriormente para otros fines
•
No contamina el aire ni desprende calor
•
Es renovable. No consume recursos naturales, aunque su capacidad de
producción es limitada.
Energía hidroeléctrica. Inconvenientes .
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
El suministro es variable, no está asegurado en años de sequía
Inunda valles, quitándole terreno a la agricultura.
Puede obligar al traslado de población
Cambia el ecosistema de bosque y pradera a lago. Otras especies animales.
Interrumpe el paso a los peces migratorios
Acumula fangos y limos en el fondo. Cuando se descomponen se contamina el agua
Infecciones y plagas en las aguas estancadas
Puede inducir pequeños terremotos al llenarse por primera vez.
Pueden derruirse causando grandes riadas con enormes daños y numerosas muertes
La probabilidad es de 10-4 por presa y año, en países desarrollados.
Gran parte de las presas tendrán una vida útil entre 100 y 200 años, quedando
colmatadas por los materiales arrastrados por el río.