Física y Tecnología Energética. 5 - Energía Hidráulica

Transcripción

1 Física y Tecnología Energética 5 - Energía Hidráulica

2 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 Oceano Infiltración Flujos subterráneos La evaporación del agua consume mucha más energía, que la que se acumula en los pantanos.

3 Energía Hidráulica Energía del agua por unidad de volumen P + gh v2 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. E en v en T E sal v sal W Energía cinética entrante. Energía cinética saliente. Por conservación de la energía de en = dm 2 v 2 en de sal = dm 2 v 2 sal de en = de sal + dw La eficiencia = dw = 1 de sal = 1 v sal de en de en v en 2 < 100% La eficiencia necesariamente es inferior al 100%. El agua tiene que salir.

4 Aprovechamiento hidroeléctrico La energía del agua se usa desde hace años Actualmente se usa básicamente para generar electricidad En grandes centrales O en instalaciones minihidráulicas Generador Canal Depósito Tubería Desagüe Caudal de reserva Toma Paso de peces

5 Centrales Hidroeléctricas

6 Tipos de Presa Aérea Río abajo Presa de gravedad El empuje del agua se resiste gracias al peso de la presa Sección E P Ry Rx Presa de bóveda El empuje del agua se transmite a las paredes rocosas del valle

7 Otros Tipos de Presa Presa de contrafuertes El empuje del agua se resiste con los contrafuertes Presa multibóveda Combinación de bóveda y contrafuertes

8 Presas de bóveda y de gravedad

9 Central hidroeléctrica Pantano Entrada Central Red alta tensión Generador Conducto Turbina Río Central

10 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 dt ( v + vcos )= dm dt ( v 1 u) ( 1+ cos ) La potencia será P ot = dw dt = F u = dm dt ( v 1 u)u1+ cos ( ) F u v 2 v 1 La energía que entra es de en = dm 2 v 2 1 La eficiencia Es máxima cuando v 1 = 2u = dw = 21 u de en v 1 max = 1+ cos 2 u ( 1 + cos ) v 1 Eficiencia ( % ) Eficiencia turbina de impulso v (agua) / u (turbina)

11 Turbina Pelton de 6 chorros

12 Turbina Pelton

13 Turbina Pelton Eje de rotación 100 Eficiencia de la turbina Pelton Valvula Deflector 90 Chorro Diámetro de salida Cazoletas eficiencia ( % ) Sección AA Porcentage del caudal máximo (%) Para un determinado caudal se regula la velocidad con la válvula

14 Turbina de reacción El flujo de agua cambia en el interior de la turbina. La presión se convierte en energía cinética La fuerza será F = dm dt v F u La potencia P ot = dw dt = dm dt vu v Por conservación de la energía de en = dw + dm 2 v2 100 Eficiencia turbina de reacción La eficiencia es = dw de en = uv uv + v 2 /2 = 2u 2u + v Eficiencia ( % ) La eficiencia aumenta al disminuir la velocidad tangencial de salida del agua v (agua) / u (turbina)

15 Turbina Francis

16 Turbina Francis

17 Turbina Francis 100 Eficiencia de la turbina Francis 90 eficiencia ( % ) Porcentage del caudal máximo (%) Es más complicada de regular para adaptarse al caudal

18 Turbina Kaplan

19 Turbina Kaplan

20 Turbina bulbo Módulo compacto Kaplan + Alternador

21 Turbina Kaplan 100 Eficiencia de la turbina Kaplan 90 eficiencia ( % ) Porcentage del caudal máximo (%) Se regula para adaptarse al caudal girando las aletas

22 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 50 kw 100 kw 200 kw 500 kw 1 MW Caudal ( m 3 /s ) La máxima potencia obtenible en un salto de agua es P = Q gh 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)

23 Generación Hidroeléctrica en España Constituye el 15-16% del total de la Energía Eléctrica Producción y Potencia Instalada 2006 Pot. Instal. Prod. Previsión 2010 GW. GWh Potencia Producción Centrales < 10 MW 1, , Centrales MW 2, , Centrales > 10 MW 13, , El plan de fomento de energías renovables prevee aumentar el número de pequeñas instalaciones Principales centrales existentes Aldeadávila 1139 MW Duero Salamanca 115 Hm 3 (bombeo) Alcántara 915 MW Tajo Cáceres 3137 Hm 3 Cortes-Muela 908 MW Júcar Valencia 116 Hm 3 (bombeo) Villarino 810 MW Tormes Salamanca 2649 Hm 3 (bombeo)

24 Generación Hidroeléctrica en España

25 ene: feb: mar: abr: may: jun: jul: ago: sep: oct: nov: dic: ene: feb: mar: abr: may: jun: jul: ago: sep: oct: nov: dic: ene: feb: mar: abr: may: jun: jul: ago: sep: oct: nov: dic: ene: feb: mar: abr: may: jun: jul: ago: sep: oct: nov: dic: ene: feb: mar: may: jun: jul: Hidroeléctrica en España (Variabilidad diaria) 600 GWh PRODUCIBLE HIDRÁULICO DIARIO /03/ HÚMEDO SECO

26 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 2,5 PWh Podría llegar a 6-9 PWh Mayores instalaciones del mundo Itaipú en Brasil-Paraguay MW Grand Couleee en Columbia (USA) MW

27 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.

28 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.