Centrales Hidroeléctricas

Energía Hidroeléctrica:

El agua proveniente de la evaporación de los océanos, además de servir para otros fines, tales como riego, limpieza, enfriamiento, consumo, et, que lo convierten en un líquido vital para los seres humanos, se utiliza también para accionar máquinas giratorias llamadas turbinas, que a su vez mueven generadores que transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

Esquema de funcionamiento

Las plantas hidroeléctricas aprovechan los caudales y caídas de agua. Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua, de su evaporación se forman nubes y eventualmente lluvia que fluye a través de caudalosos ríos.  El agua en estos ríos tiene una gran energía mecánica y potencial, y para aprovechar esta energía se seleccionan cauces de ríos que tienen algunas características importantes que incluyen amplio caudal de agua y diferencias importantes de altura a corta distancia.

El ciclo hidrológico continua con la formación  arroyos y ríos que descienden de la montaña a las llanuras y al mar, completándose de esta manera el ciclo termodinámico (Caldera: Sol, Condensador: Atmosfera.) En este recorrido del agua de los ríos es posible aprovechar parte de la energía que posee y obtener trabajo útil, que de otra manera se perdería en rozamientos. En efecto en un punto determinado del rio, el agua posee energía cinética y energía potencial. La primera es pequeña comparada con la segunda ya que raramente excede los 20J/kg, mientras que la energía potencial puede superar los 3000J/kg.

Ciclo hidrológico 

Ciclo de la energía hidráulica:

En los cursos naturales de agua, la energía hidráulica de disipa en remolinos, erosión de las riberas, causes, choque y arranques de material de las rocas sueltas y en los ruidos del torrente, etc. Para extraer esta energía y convertirla en energía mecánica utilizable, es preciso eliminar las pérdidas naturales creando un cauce natural donde el agua fluya con pérdidas mínimas y finalmente, convertir la energía potencial disponible en energía mecánica por medio de máquinas apropiadas como turbinas o ruedas hidráulicas.

En muchos aprovechamientos es posible reducir un mínimo de estas pérdidas hidráulicas, y la altura de salto así recuperada aprovecharse en la central hidroeléctrica. Para ello existen fundamentalmente dos métodos:

• Primer método: Desviación de la corriente.
• Segundo método: Interceptación de la corriente con un dique o presa.

El primer método consiste en derivar el caudal del rio desde el punto “A” a lo largo de la ladera siguiendo el recorrido con una ligera pendiente respecto de las líneas de nivel hasta el punto “B” en donde arrancan unas tuberías que llevan el agua hasta la central ubicada en el punto “C”. El recorrido del agua en este caso va desde el punto “A” a través de la superficie del lago hasta la toma de agua situada cerca de la presa en el punto “B”, y de aquí a las turbinas que se encuentran en la casa de máquinas o central (punto C).

Esquema de aprovechamiento por derivación

El segundo método de aprovechamiento consiste en interceptar la corriente del rio mediante una presa, con lo que se eleva el nivel del rio, disminuyen la velocidad media de la corriente y las perdidas. La construcción de la presa se hace aprovechando las zonas angostas del cauce, para cerrar el valle, logrando de esta forma obtener un reservorio, embalse o lago artificial.

Aprovechamiento por intercepción

Aprovechamiento por intercepción

Magnitudes hidráulicas:

• La potencia eléctrica que se obtiene en una central es directamente proporcional a la altura del salto de agua y al caudal instalado. Estas magnitudes son fundamentales a la hora de plantear la instalación de una planta de producción hidroeléctrica por lo que es importante definir algunos términos:
• Cota. Valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto el nivel del mar.
• Salto de agua. Paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior. Numéricamente se define como la diferencia de cota (altura del salto)
• Caudal. Cantidad de líquido que circula a través de cada una de las secciones de conducción abierta o cerrada (m 3 /s).

La altura del salto es la distancia vertical de desplazamiento del agua en el aprovechamiento hidroeléctrico. Se han de tener en cuenta 3 definiciones:

• Salto bruto, o distancia comprendida entre el nivel máximo aguas arriba del salto y el nivel normal del río donde se descarga el caudal turbinado.
• Salto útil, o desnivel comprendido entre la superficie libre del agua en el punto de carga y el nivel de desagüe de la turbina.
• Salto neto, o altura del salto que impulsa la turbina y que es igual al salto útil menos las pérdidas de carga producidas a lo largo de la conducción forzada, si existiese.

Se denomina caudal instalado o turbinado de una central al caudal total que absorberán todas las turbinas instaladas en su funcionamiento normal (suma de los caudales nominales de todas las turbinas) este caudal no puede ser ni el caudal máximo registrado en el lugar, ni el caudal mínimo. En el primer caso el rendimiento de la central seria bajo al funcionar las turbinas durante mucho tiempo lejos del régimen nominal, que generalmente es el de máximo rendimiento; siendo además mayor el costo de una central con equipo sobre dimensionado; en el segundo caso quedaría sin utilizar durante mucho tiempo gran parte del caudal disponible.

La selección del caudal instalado en cada nueva instalación se hace por medio de un estudio técnico-económico, basado en las variaciones diarias, mensuales y anuales del caudal del río en el lugar de la instalación que se registran en las curvas hidrógrafas; así como en el precio de maquinaria e instalaciones, demanda y precio de venta de la energía, etc.

La hidrógrafa es la curva que tiene por abscisas los días del año y como ordenada los caudales. La hidrógrafa que se muestra se ha trazado con los caudales medidos en un lugar de un río, día tras día de un año determinado.

Hidrógrafa fluvial

Funcionamiento:

La energía eléctrica no se puede almacenar, debe ser consumida en el mismo instante en el que se produce. esto significa que se debe conocer en todo momento la cuantía en la que va a ser requerida, o al menos tener una previsión lo más aproximada posible, para estar en condiciones de generarla. La evolución de la demanda de energía eléctrica en función del tiempo se denomina curva de demanda, presentando máximos y mínimos que corresponden a las horas de mayor y menor consumo, respectivamente, denominados horas punta y horas valle. La forma de la curva se puede generalizar para los distintos días del año,  aunque la cifra asociada a los puntos que representan la misma, lógicamente, varía de un día a otro. Independientemente del mes y del día, siempre hay que ajustarse a la demanda y producir, con los diferentes tipos de centrales que se disponga, la energía solicitada en cada instante.

En este ajuste continuo de la producción a la demanda es necesario disponer de centrales cuya potencia pueda ser fácilmente regulable, con una gran flexibilidad de operación. Las centrales hidroeléctricas presentan estas características jugando un papel muy importante en el conjunto del parque de centrales de generación de energía eléctrica de cualquier país. Son instalaciones con una alta velocidad de respuesta ante los cambios de demanda, lo que quiere decir que en unos minutos (2 - 3 en los grupos más modernos) pasan de estar paradas a dar la potencia nominal. Esto no ocurre con las centrales de combustible fósil o nuclear, que necesitan desde 6 - 8 horas hasta más de 18, dependiendo de las condiciones en las que se produzca el arranque de las mismas. Por todo esto, las centrales hidroeléctricas se convierten en instalaciones más adecuadas para cubrir las puntas de demanda, así como para cubrir las bajas imprevistas de otras centrales.

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. 

Esquema central

El agua de los ríos es retenida por medio de presas y luego es conducida por túneles y tuberías de alta presión hacia terrenos más bajos, al llegar a la planta generadora, el agua lleva ya una enorme cantidad de energía, la que se aprovecha para hacer girar turbinas que accionan el alternador y produce la corriente eléctrica.

Dependiendo de las condiciones se utilizan distintos tipos de turbinas. Si la caída de agua es importante se utilizan turbinas Pelton. Si las caídas son medianas turbinas Francis y si son pequeñas turbinas Kaplan. Las turbinas a su vez hacen girar un generador que produce la electricidad, ésta pasa a los transformadores y luego es transportada a los sitios de consumo a través de las líneas de transmisión.

Un sistema hidroeléctrico debe tener la máxima eficiencia, para lo cual es necesario tomar en cuenta:

1. Que la carga H que representa la altura sobre el nivel del mar sea utilizada en uno o varios pasos, con plantas escalonadas. En la realidad actual, cuando tan costosa es la energía, no se puede permitir que un río fluya libremente al mar sin haber estudiado la utilización al máximo de su energía potencial.
2. Que las eficiencias de las obras de toma y de conducción sea máxima.
3. Que la eficiencia de la conversión de la turbina que convierte la energía hidráulica en mecánica sea óptima.
4. Que la eficiencia del generador eléctrico que transforma la energía mecánica en eléctrica también lo sea.
5. Finalmente, la eficiencia de la transmisión eléctrica desde el punto de generación hasta los puntos de consumo, debe ser optimizada.

Generación hidroeléctrica en el mundo:

La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. En el año 1882, un mes después de entrar en funcionamiento la Central de Pearl Street, en Nueva Cork, primera central térmica dirigida por Edison, entraba en funcionamiento tambien la central hidroeléctrica en el estado de Wisconsin. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo.

En la gráfica que se presentan se puede observar la importancia de los recursos hidráulicos en la generación eléctrica:

Porcentajes de generación hidroeléctrica 

Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son evidentes:

1. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.
2. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. Se puede producir trabajo a temperatura ambiente.
3. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.
4. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
5. Las obras de Ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.
6. 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 costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

Eficiencia de los diferentes recursos energéticos

Contra estas ventajas deben señalarse ciertas desventajas:

1. Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.
2. El emplazamiento, 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 de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.
3. La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.
4. La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.
5. La inundación del terreno tras la presa para formar el depósito desplaza a pobladores y destruye áreas extensas de terrenos agrícolas, hábitats de vida silvestre y espacios naturales.
6. La evaporación aumenta la salinidad del agua rebalsada, lo que disminuye su utilidad para el riego.
7. Los embalses se llenan de cieno y pierden su utilidad entre 40 y 200 años.
8. Los embalses interrumpen la migración y desove de peces.
9. Los embalses privan a las tierras de cultivo y estuarios de los nutrientes vitales originados del cieno que se deposita en las crecidas anuales.