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ENERGA HIDRULICA1717.1. Origen .......................................................................................401

17.2. Potencial ....................................................................................401

17.3. Tecnologa ..................................................................................403

17.4. Costes .......................................................................................408

17.5. Impacto ambiental ......................................................................410

17.6. Situacin actual ..........................................................................411

400

401

17. ENERGA HIDRULICA

17.1. Origen

La energa hidrulica es la energa cintica del movimiento de masas de agua, o la energa potencial del agua disponible a una cierta altura. Como la mayora de las otras energas renovables, la energa hidrulica es una consecuencia de la radiacin solar. El Sol inicia el ciclo hidrolgico (figura 17.1) evaporando agua de la superficie de la Tierra (ocanos, lagos, etc.) que, posteriormente, al precipitar y fluir por la superficie de los terrenos es capaz de proporcionar esta energa.

17.2. Potencial

Cerca de un cuarto de la energa solar que incide sobre la tierra se consume en la evaporacin de agua.

El vapor de agua en la atmsfera representa, por consiguiente, un enorme y continuo almacenamiento de energa renovable.

Si m kilogramos se elevan verticalmente una altura de H metros la energa potencial almacenada Ep viene dada por la siguiente expresin:

Ep = mgH

donde g es la aceleracin de la gravedad. A partir de esta formula puede calcularse el limite superior absoluto de capacidad hidroelctrica. En el mundo la precipitacin anual se estima alrededor de 1017 litros, y la altura media del terreno sobre el nivel del mar es algo menos de 800 metros. La suma anual de energa almacenada es por tanto algo menos de 200.000 TWh al ao. Esta energa equivale aproximadamente al doble del consumo anual de energa primaria en el mundo. Sin embargo, no existe tecnologa que pueda capturar toda la cantidad de agua de lluvia que cae. Una parte del agua ser siempre inaccesible y otra se evaporar antes de que pueda usarse. Si se calcula el potencial hidrulico mundial a partir del caudal de agua de los ros puede estimarse que el recurso total es del orden de 50.000 TWh anual. Es decir, una cuarta parte del estimado a partir de las precipitaciones; pero todava representa cuatro veces la produccin total anual de todas las actuales estaciones de potencia del mundo. Un clculo ms realista debera contemplar el uso de embalses y condiciones locales como topografa de los terrenos y pluviometras. Estimaciones actuales del potencial hidroelctrico tcnicamente explotable en el mundo sugieren una capacidad del orden de 2-3 TW, con una produccin anual de 10.000-20.000 TWh. En la actualidad la capacidad de generacin hidroelctrica instalada en el mundo, sin tener en cuenta los sistemas de pequea escala y las instalaciones privadas, es aproximadamente de 630 GW, con una produccin anual de 2.200 TWh, es decir un 10% del potencial tcnico explotable.

Energa

SolarEvaporacin

EnergaHidrulica

Condensacin

Figura 17.1. La energa hidrulica en el ciclo hidrolgico

402

Desafortunadamente la mayor parte de esta energa no est disponible para ser usada: es reciclada en la atmsfera cuando el vapor de agua condensa para formar la lluvia o la nieve, y finalmente reradiada en el espacio.

Pero una pequea fraccin, menos de un diez por ciento del total de energa circulante, permanece potencialmente disponible cuando la lluvia cae en terrenos elevados, ya que el agua situada a una cierta altura contiene energa almacenada (energa potencial gravitacional).

La potencia en vatios de este recurso se estima mediante la expresin siguiente:

P=QgH

donde es la densidad del agua en kg/m3, Q el caudal de agua en m3/s que circula por las tuberas que la conducen a las turbinas (figura 17.5), g la aceleracin de la gravedad en m/s2 , H el desnivel en metros y es el rendimiento del sistema. De la anterior expresin se deduce que puede obtenerse la misma anerga aprovechando grandes caudales con pequeos desniveles o pequeos caudales y grandes desniveles. El rendimiento recoge las prdidas de energa debidas al rozamiento y turbulencias del flujo del agua en los canales y tuberas. Estas prdidas varan mucho de un sistema a otro, alcanzndose rendimientos que oscilan entre un 75% y un 95%. A estas prdidas hay que aadir el rendimiento de los sistemas de transformacin de la energa hidrulica en energa elctrica, que aunque actualmente son muy eficientes, inevitablemente, son menores del 100%.

En la figura 17.2 se muestra la potencia instalada frente a la potencia instalable, para las seis grandes reas del mundo.

100

0

Escala GW

Potencial Presente

Figura 17.2. Potencia instalada frente a la potencia instalable, para las seis grandes reas del mundo

403

17.3. Tecnologa

Actualmente la energa hidrulica se destina fundamentalmente a la generacin de electricidad. Las plantas hidroelctricas actuales son el resultado de 2.000 aos de avances tecnolgicos, desde la rueda de madera, que converta un bajo porcentaje de energa hidrulica en energa mecnica til, a los modernos turbogeneradores que giran a 1.500 revoluciones por minuto y producen energa elctrica con muy altos rendimientos. A diferencia de las otras energas renovables, la energa hidroelctrica constituye una tecnologa muy bien establecida.

Para transformar la energa cintica y potencial del agua en energa mecnica de rotacin se utilizan dispositivos denominados turbinas hidrulicas, las cuales, acopladas al eje de un generador elctrico, le imprimen el movimiento de giro necesario para que ste produzca energa elctrica.

La tipologa de las centrales hidroelctricas es muy variada. Estas dependen de:

La altura til del salto.

La capacidad de generacin.

El tipo de tecnologa.

La localizacin y tipo de presa, embalse, etc.

Segn el tipo de central las instalaciones hidrulicas pueden clasificarse fundamentalmente en:

Centrales de agua fluyente.

Centrales con embalse.

Las centrales de agua fluyente aprovechan desniveles naturales del cauce de un ro. Mediante una presa o un azud desvan parte del caudal del ro

Existen muchos posibles usos de la potencia del agua que no contemplan la generacin de electricidad. La energa hidrulica puede utilizarse directamente una vez trans-formada en energa mec-nica; de hecho est ha sido la aplicacin exclusiva de la potencia hidrulica hasta la mitad del siglo XIX. La ener-ga hidrulica ha sido una de las primeras fuentes de ener-ga utilizadas para reducir la carga de trabajo del hombre y de los animales. No se co-noce con exactitud cuando se invent la rueda de agua, pero los sistemas de irrigacin existen desde hace al menos 5.000 aos y parece probable

que el primer aparato que utiliz la potencia hidrulica fue la noria, elevando agua desde un ro a un tanque o a un sistema de canales.

Los primeros molinos de agua fueron probablemente molinos de eje vertical destinados a la mo-lienda de grano, conocidos como molinos nrdicos o molinos griegos (figura 17.3), los cuales se

Figura 17.3. Molino nrdico o griego

404

por un canal de derivacin hasta la llamada cmara de carga, donde est conectada la tubera forzada que conduce el agua con la mayor pendiente posible hacia el edificio de la central (figura 17.5), donde se encuen-tran las turbinas, los generadores elctricos y dems aparatos de regulacin y control.

El agua, una vez cede su energa a la tur-bina, se evacua por un canal de descarga devolvindola de nuevo al cauce del ro.

Estas centrales se caracterizan por dispo-ner de un salto til prcticamente cons-tante, y un caudal utilizado por la turbina muy variable, dependiendo de la hidrologa. Por tanto, en este tipo de aprovechamiento, la potencia instalada es funcin directa del caudal que pasa por el ro.

Las centrales con embalse son aprovecha-mientos hidroelctricos que tienen la posi-bilidad de almacenar las aportaciones de agua de un ro. El almacenamiento del agua se lleva a cabo mediante la construccin de un embalse o utilizando embalses construi-dos para otros usos, como riego o abasteci-

Desage del azud(salida del agua no retenida)

Canal de derivacin

Toma de agua hacia la centralAzud

Tubera

MinicentralLnea elctrica

RoTurbina

Canal de desage

Figura 17.5. Central hidroelctrica de agua fluyente

estima aparecieron durante el primer o segundo siglo antes de Cristo en el Medio Este y unos siglos despus de Es-candinava.

En la poca del Imperio Romano se construyeron molinos ms sofisticados. Estos, que disponan de una rueda de eje horizontal con engranajes y eran destinados a la molienda de grano, fue-ron descritos por Vitrubio (ingeniero y arquitecto romano) en el siglo I a.C. (fi-gura 17.4)

La elevacin de agua y la molienda de grano no fueron las nicas aplicaciones de los molinos de agua, ya que en los siglos siguientes la energa hidrulica tuvo aplicacin en el trabajo del hierro, la fabricacin de papel, y los procesos asociados con el trabajo de la madera y el algodn.

A finales del siglo XVIII existan tres tipos de ruedas. La rueda horizontal de empuje inferior, en la que las paletas inferiores se encontraban sumergidas en la corriente de agua que las empujaba; la rueda horizontal de empuje superior, la cual giraba gracias a que el agua caa sobre las palas desde arriba; y la rueda horizontal de empuje central, que era un compromiso entre las dos anteriores.

Sin embargo, el despegue de la aplicacin de la energa hidrulica a la produccin de electricidad ha sido fruto de extraordinarias series de descubrimientos cientficos y desarrollos tcnicos en electricidad ocurridos durante el siglo XIX, aunque los cambios significativos en lo que ahora se denomina hidro tecnologa tambin jug su papel a partir del ao 1832 en que Benoit Fourneyron diseo la primera turbina, que operaba con rendimientos del orden del 80%.

Figura 17.4. Molino romano

405

miento de poblaciones. Estas centrales pueden regular el caudal de agua que se enva a las turbinas con el propsito de adaptar la energa elctrica producida a la demanda. En funcin del volumen de agua almacenado en el embal-se, la regulacin de la energa generada puede ser horaria, diaria o semanal (figura 17.6)

Gracias a la capacidad de almacenamiento y re-gulacin de este tipo de centrales algunas de ellas utilizan el exceso de energa producido por las centrales trmicas y nucleares (que funcio-nan a ritmo continuo, ya que no pueden fcil-mente regular su generacin), o la energa variable generada por parques elicos, para bombear agua desde un depsito inferior al em-balse situado aguas arriba y as almacenarla en forma de energa potencial (figura 17.7)

De forma general pueden sealarse los siguientes subsistemas componentes en una central hidroelctrica:

Obra civil.

Turbinas hidrulicas y transmisiones mecnicas.

Generadores elctricos.

Subsistema de regulacin y control.

La obra civil se compone de forma general de (figura 17.5):

Los elementos de retencin (azudes y pre-sas), destinados a retener el cauce de un ro, y los elementos de seguridad para la evacuacin de caudales, integrados por aliviaderos y compuertas.

Los canales de derivacin, cuya funcin es conducir el caudal de agua derivado has-ta una cmara de descarga, pueden ser a cielo abierto, enterrados o una conduccin a presin.

La cmara de carga consiste en un dep-sito (mucho ms pequeo que un embal-

T/B G/M

Bombeo

Turbinado

Turbina oBomba

Generador o Motor

Figura 17.7. Central hidroelctrica con hidrobombeo

Embalse

Rejilla

CentralAgua

Desage

Presa

Turbina ygenerador

Lnea elctrica

Figura 17.6. Central hidroelctrica con embalse

Un azud consiste en un muro situado transversalmente al curso del agua y que no poduce una ele-vacin notable del nivel. Se construye de tierra cubierta con hormign o de hormign.

Las presas provocan una notable elevacin del nivel de un ro mediante la construcin de un em-balse. Estas pueden ser de gravedad (resiste el empuje del agua por su propio peso), presa bveda (que tienen forma de arco y resisten el empuje del agua apoyndose sobre las riberas) y presas de bveda mltiple (que son bvedas de pequeo espesor realizadas en hormign armado, con contrafuertes sobre los qe se apoyan), pero que no se aplican en minicentrales.

En toda presa se construye algn aliviadero, diseado para el caudal mximo de la crecida, que tiene por objeto proteger el lugar y la presa misma contra las inundaciones. Estos aliviaderos pue-den ser fijos, (vertederos, pozos o sifones) o mviles (compuertas). Las compuertas, que existen de diversos tipos (deslizantes, basculantes, de segmento, de sector, etc.), pueden ser accionadas de forma hidrulica, elctrica, etc.

406

se) ubicado en el otro extremo del canal. Estas cmaras alimentan a las tuberas forzadas.

Las tuberas forzadas son las encargadas de conducir el agua desde la cmara de carga o desde el embalse hasta la turbina.

El edificio central en cuyo interior se encuentran las turbinas, los generadores elctricos y dems aparatos de regulacin y control. Su ubicacin requiere adecuados estudios topogrficos, geolgicos-geotcnicos y de accesibilidad.

Un elemento esencial de una instalacin hidroelctrica es la turbina hidrulica. En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos:

Turbinas de accin.

Turbinas de reaccin.

Las turbinas de accin aprovechan la presin dinmica debida a la velocidad del agua en el momento de su accin en la turbina. Las turbinas de reaccin aprovechan adems la presin esttica al trabajar en el interior de compartimentos cerrados a presin superior a la atmosfrica.

Dentro del primer grupo pueden sealarse las denominadas turbina Ossberger o Banki-Michell (tambin conocida como turbina de flujo cruzado o de doble impulsin), la turbina Turgo con inyeccin lateral y la turbina Pelton.

La turbina Pelton constituye la turbina de accin ms ampliamente utilizada. Consta de una rueda o rodete, que dispone en su periferia una especie de cucharas o labes. El chorro de agua, dirigido y regulado por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas en direccin tangencial al rodete y perpendicular a su eje de giro, que puede ser horizontal o vertical) provocando el movimiento de giro de la turbina (figura 17.8)

Este tipo de turbinas se suelen emplear en centrales hidroelctricas que disponen de un gran salto (la altura mnima de agua debe ser de 25m.), independientemente de la variacin de caudal. Estas turbinas suelen proporcionar rendimientos superiores al 90% en condiciones de diseo.

Dentro del segundo grupo pueden mencionarse la turbina Francis y la turbina Kaplan. La turbina Francis es la turbina ms comnmente utilizada en las actuales centrales hidroelctricas. En la turbina Francis, que actualmente

Turbina

Aguaa altapresin

Vlvula de aguja

Figura 17.8. Turbina Pelton

407

puede presentar variedad de formas, el agua es impulsada a los labes del rodete de manera perpendicular al eje de giro (que puede ser horizontal o vertical) y expulsada axialmente en direccin paralela a dicho eje gracias a la torsin que presentan los labes (figura 17.9) Para orientar el agua hacia el rodete existe un distribuidor de labes fijos o mviles, y para lograr la componente radial del flujo de agua a la entrada del rodete existe una cmara (que puede ser abierta o cerrada) con forma espiral.

Para mantener la diferencia de presiones necesaria para la correcta operacin de la turbina existe un tubo de salida o de aspiracin.

La turbina Francis se adapta muy bien para distintos saltos y caudales y presenta un rango de operacin considerable. Estas turbinas se pueden encontrar en instalaciones con saltos de 2 metros o en instalaciones con saltos de 200 metros.

El rendimiento de una turbina Francis depende del porcentaje de caudal de equipamiento, es decir del caudal mximo que puede enviarse a la turbina. En condiciones ptimas de operacin este rendimiento puede ser superior al 90%. Asimismo, es necesario sealar el rendimiento de las turbinas de reaccin aumenta con el tamao de las mismas.

Para transformar la energa mecnica de rotacin de la turbina en energa elctrica se utilizan generadores elctricos. El generador puede ser de corriente continua (dinamo) o de corriente alterna (alternador). Estos ltimos son los nicos que se utilizan.

El alternador est compuesto de dos partes fundamentales: el rotor o inductor mvil, encargado de generar un campo magntico variable al girar arrastrado por la turbina y el estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente elctrica. Las mquinas elctricas de corriente alterna tpicamente utilizadas se clasifican en mquinas sncronas y mquinas asncronas o de induccin. La mayor desventaja de los generadores sncronos es que necesitan de una batera de condensadores conectada a la salida, la cual compense la energa reactiva generada. Para la creacin del campo magntico el generador asncrono debe estar conectado a la red y tomar de ella la corriente. Los generadores sncronos necesitan que se les excite con una corriente continua, que se puede generar internamente (autoexitacin) o con una dinamo auxiliar.

En la mayora de los diseos de centrales hidroelctricas la velocidad de giro de la turbina es menor que la velocidad a la que debe girar el generador elctrico. Por este motivo es necesario instalar una caja multiplicadora de la velocidad entre la turbina y el generador.

Las centrales hidroelctricas disponen de diversos dispositivos de regulacin, control y proteccin adecuados al tipo de tecnologa empleada y del funcionamiento previsto. Fundamentalmente controlan la turbina (caudal utilizado por las turbinas, regulacin de potencia de centrales aisladas, etc.) y el generador (regulacin de la tensin de generadores sncronos, batera de condensadores de grupos asncronos, etc.). Las protecciones, que pueden ser mecnicas y elctricas) de los diferentes subsistemas actan cuando existe una anomala en su funcionamiento.

Actualmente existen en el mundo instalaciones hidroelctricas cuya capacidad instalada se encuentra en el rango de unos pocos cientos de

Figura 17.9. Turbina Francis

408

vatios (figura 17.10) a ms de 10.000 MW (figura 17.11). En funcin de la potencia instalada las centrales hidroelctricas se clasifican en centrales y minicentrales, asignndose a este segundo grupo aquellas centrales cuya potencia es igual o inferior a 10.000 KVA.

17.4. Costes

La energa hidroelctrica constituye una tecnologa muy conocida. Los sistemas de control del agua y los turbogeneradores para extraer la potencia

Figura 17.10. Central hidroelctrica El Mulato (La Palma)

Figura 17.11. Central hidroelctrica de Itaipu (Brasil)

La minicentral hidroelc-trica de El Mulato (figu-ra 17.10), en la isla de La Palma, dispone de un salto de 450 m y tiene una po-tencia instalada de 820 kW, pero normalmente solo uti-liza entre 300 y 500 kW. En pocas pasadas las mini-centrales de Tazacorte (400 kW), El Remolino (100 kW) y El Mulato, las dos prime-ras actualmente sin explo-tar, generaban suficiente energa para cubrir la de-manda de toda la isla.

La central hidroelctrica de Itaipu, en el ro Parana en-tre Brasil y Paraguay, es la mayor del mundo. La altura efectiva es de 120 metros y el caudal medio de agua es de 9 000 m3/s, con picos de ms de 30 000 m3/s. Cada generador tiene una capa-cidad de 700 MW y dispo-ne de 18 unidades, repre-sentando una capacidad de 12,6 GW. (Figura 17.11)

409

constituyen tecnologas estndar. Las instalaciones existentes cubren un rango de potencia que abarca desde cientos de vatios a miles de megavatios. Sin embargo, a pesar de los datos disponibles, es muy difcil si no imposible generalizar todos los costes de las centrales hidroelctricas.

El coste de cada kilovatio-hora obtenido mediante un sistema hidroelctrico depende del coste de la instalacin, la cual debe amortizarse a lo largo de la vida; del coste de explotacin; y de la energa producida, que depende en gran medida del caudal de agua en el emplazamiento (para una altura dada)

El coste de la instalacin depende fundamentalmente del coste de los siguientes elementos: Maquinaria (turbinas, generadores, multiplicadores, etc.), obra civil (accesos, embalses, canales, tuberas, edificaciones, etc.), sistema elctrico (lneas elctricas, transformadores, sistema de control, regulacin y proteccin), e ingeniera y direccin.

El coste dominante lo constituye la instalacin, y una gran parte de este coste lo genera los costes de la obra civil los cuales varan notablemente de un lugar a otro. De media, la obra civil puede significar quizs dos tercios del coste de la instalacin. Pero podra alcanzar el 80%, o solo el 25%, si la central puede hacer uso de presas existentes y embalses.

Si se consideran los costes de la maquinaria como una cantidad fija para una capacidad de central dada, el costo de la instalacin puede variar entre menos de la mitad y ms del doble de la media. Este margen puede establecer la diferencia entre viabilidad o no viabilidad del proyecto.

Los costos especficos de la instalacin dependen de la capacidad instalada de la central. En la figura 17.12 se muestra una estimacin de los costes especficos de la instalacin para el caso de minicentrales hasta 8MW de potencia instalada.

Cost

e por

kilo

wat

io

Capacidad de planta (MW)

0 2 4 6 8

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

Figura 17.12. Estimacin de costes especficos

410

La inversin necesaria para llevar a cabo la instalacin de una minicentral hidrulica puede estimarse descompuesta en cuatro grandes partidas, cuyos porcentajes medios estimativos se reflejan en la figura 17.13.

Los costes de explotacin se desglosan en costes por alquiler de terrenos, costes de operacin y mantenimiento (personal, repuestos y consumibles), costes de gestin y administracin y costes de seguros e impuestos. Estos representan una muy pequea cantidad comparados con los costes de inversin de la instalacin.

Un factor determinante cuando se pretende calcular el coste del kWh producido es el denominado factor de capacidad anual de la central, es decir, el porcentaje respecto de la potencia instalada en que opera la central. Ya que puede existir una gran diferencia, en cuanto a produccin se refiere, entre la generacin de la central funcionando constantemente a plena capacidad, y funcionando intermitentemente, usando una fraccin de la capacidad instalada. Las centrales hidroelctricas suelen operar con un factor de capacidad medio algo bajo (40%), si se compara con el de las centrales convenciones que utilizan combustibles fsiles o energa nuclear (60%-80%)

En general, las centrales adecuadamente instaladas estn sin duda produciendo la energa ms barata de muchos pases. En Escocia, por ejemplo, con una gran proporcin de centrales hidroelctricas, el coste medio del kWh producido es ms o menos dos tercios del coste de todas las energas generadas en el Reino Unido. Tambin ocurre algo similar en la mayora de las centrales hidroelctricas instalados en Estados Unidos.

17.5. Impacto ambiental

La incidencia que las instalaciones de aprovechamiento hidroelctrico pueden tener sobre el medio ambiente hay que analizarlos desde dos vertientes: a) Desde el punto de vista de los beneficios que supone producir energa elctrica disminuyendo el consumo de combustibles fsiles y, por tanto,

Figura 17.13. Distribucin de los costes de inversin

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reduciendo los efectos negativos de stos sobre el medio ambiente (emisin de CO2 y NOx, lluvia cida, residuos txicos, etc.); b) desde el punto de vista de la afectacin al medio ambiente.

Entre las posibles alteraciones del medio fsico que las instalaciones hidroelctricas pueden generar durante la etapa de construccin y la etapa de explotacin se encuentran:

La inundacin de extensas zonas, con el consiguiente impacto ambiental.

Prdidas de suelo agrcola, ganadero o/y forestal por erosin e inundacin.

Cortes de vas de comunicacin.

Reajustes de las corrientes de agua y los efectos asociados sobre la calidad y cantidad de agua y fauna acutica.

Reduccin de la diversidad biolgica.

Desaparicin de especies animales por degradacin o destruccin de su hbitat.

Alteraciones bioclimticas locales.

El proceso de construccin en si mismo puede causar alteraciones generales, y aunque el periodo de edificacin puede durar solo unos pocos aos, el efecto sobre un ambiente frgil puede ser ms prolongado. Incluso la presa en si misma puede ser objeto de preocupacin, tanto por su impacto visual como por la posibilidad de su fallo catastrfico.

17.6. Situacin actual

La capacidad hidroelctrica total instalada en el mundo es de aproximadamente 630GW. En Europa el aprovechamiento de los recursos hidrulicos represent en el ao 1994 aproximadamente 299.000GWh. Francia es el pas que lidera en Europa la produccin de energa hidrulica, mientras que Espaa ocupa el quinto lugar.

A finales de 2002, la potencia total de las centrales mini-hidrulicas en la Unin Europea era de 10.500MW, de los que el 87% provena de cinco Estados Miembros (Italia, Francia, Espaa, Alemania y Suecia). Estas instalaciones tienen ms de 40 aos, por tanto, si se llevase a cabo un programa de renovacin de las mismas podra alcanzarse la cifra de 12.000MW en el ao 2010.

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