ENTREGA 1 Energía Hidroeléctrica: prácticas y proyectos. Elaborado por Ing. Horacio D. Vallejo. Electricidad

Transcripción

1 Electricidad 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 corriente 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 és- 26

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3 Electricidad 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). 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 mv 2 ). 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. Figura 1 Figura 2 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 28

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5 Electricidad Figura 4 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 Contrafuertes, 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. 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. -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. 30

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7 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. 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). a) Elementos de cierre y reguladores. Son los encargados de impedir o regular la entrada del agua en la planta. b) Turbinas. 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 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. -Turbinas de reacción. En estas turbinas el movimiento de los álabes es provocado tanto por la velocidad como por la presión del agua. 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 De todas las patentadas, Figura 6 Figura 7

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9 Electricidad 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. Figura 8. 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 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. Se generan potencias superiores a 5.000kW. Por último, un tipo especial de gene- 34

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11 Electricidad 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 36

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