LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA AUTOR: ANTONIO ELÍAS JURADO PEREA ESPECIALIDAD: TECNOLOGÍA DNI: 44.253.518T Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que aprovechan la energía potencial contenida en el agua transportada por los ríos, para convertirla en energía eléctrica. Para ello, emplean un sistema de turbinas acopladas a alternadores. Las centrales hidroeléctricas actúan a partir de la energía potencial del agua embalsada a niveles superiores con respecto al punto donde se encuentra situada la central. Durante la caída, el agua se transforma en energía cinética, que se aplica al movimiento de turbinas hidráulicas unidas a generadores, para su transformación en energía eléctrica. Una turbina hidráulica es una rueda formada por paletas curvas denominadas álabes, sobre las que actúa la corriente de agua, poniéndolas en movimiento. Un ejemplo de las ventajas del uso de la energía hidroeléctrica es que la potencia generada por este medio, deja de generarse mediante la combustión en centrales térmicas de combustibles fósiles, lo cual supone un ahorro económico, una menor dependencia de los recursos no renovables y una menor contaminación ambiental. En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20 centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas instalaciones con potencias menores de 20 MW. La potencia hidroeléctrica total instalada en el año 2000 era algo más de 20.000 MW. Hay que recordar que un generador funciona sobre la base de los principios de inducción electromagnética, descubierta en 1831 por Michael Faraday, fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y le electroquímica. Logró crear una corriente eléctrica al mover un imán junto a un circuito eléctrico cerrado. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f. e. m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así, que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno está recogido en la Ley de Faraday, que expresa que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético. 24
Por otra parte, Heinrich Lenz, que fue un físico alemán, comprobó que la corriente debida a la f. e. m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que le cuerpo conductor se mueva respecto de él. Lenz, formuló la ley que dice: El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo. Existen dos tipos de generadores, los que originan una corriente eléctrica continua, llamados dinamos, y los que crean una corriente alterna, denominados alternadores. La potencia de una central hidroeléctrica viene determinada por el producto del caudal, el volumen de agua que puede ser desalojado por segundo y el salto, la diferencia de altura existente entre la situación del agua y el lugar donde se sitúa la turbina. El emplazamiento Dado que normalmente, el caudal de los ríos no asegura una aportación regular de agua, excepto en los grandes ríos, la construcción de una central hidroeléctrica requiere del embalse previo de agua en una presa. Se forma así un lago artificial en el que puede generarse un salto a partir del cual se libera la energía potencial de la masa de agua, que se transforma posteriormente en energía eléctrica. El emplazamiento de una central hidroeléctrica viene condicionado, en primer lugar por las características y peculiaridades orográficas del terreno. No obstante, existen dos modelos básicos: el aprovechamiento por derivación de las aguas y el aprovechamiento por acumulación. Aprovechamiento por derivación En este primer caso, las aguas del río se desvían mediante la construcción de una pequeña presa hacia un canal que las conduce hasta un depósito, la cámara de descarga, procurando que la pérdida de nivel sea mínima. Aprovechamiento por acumulación En las centrales de aprovechamiento por acumulación se construye una presa a altura determinada, en un tramo del río que presenta un desnivel apreciable. De esta manera, el desnivel del agua se sitúa en un punto cercano al extremo superior de la presa. Para aprovechar el volumen de embalse de la cota superior, a media altura se sitúa la toma de aguas, en la base inferior se emplaza el sistema de turbina-alternador. Funcionamiento de una central hidroeléctrica: componentes principales La presa Se trata de un elemento esencial en los aprovechamientos hidráulicos. Existen dos grandes tipos de presas, las construidas con el sistema de gravedad y las de 25
bóveda. En el primer caso, el propio peso del muro de la presa sirve para contener el agua. En las presas de bóveda, la contención de las aguas se consigue mediante el empuje que ejercen los dos extremos del arco formado por la presa sobre las paredes laterales de la roca. Los aliviaderos En la pared principal de la presa existen puntos donde parte del agua retenida se libera sin necesidad de que pase previamente por la sala de máquinas, donde se localiza el sistema de turbina-alternador. Los aliviaderos entran en funcionamiento cuando se producen grandes avenidas en el río o para asegurar las necesidades de riego. La salida del agua por los aliviaderos se regula gracias a la presencia de grandes compuertas metálicas. La energía de caída del agua ha de ser disipada para evitar que cause daños en su caída a los terrenos emplazados aguas debajo de la presa. La instalación de cuencos de amortiguación permite guiar la corriente. Tomas de agua Se sitúan en la pared anterior de la presa, la que da al embalse, al agua. Desde las tomas de agua parten diversas conducciones que se dirigen hacia las turbinas. Un sistema de compuertas permite regular el volumen de agua que llega a la sala de maquinas; por otra parte, la existencia de rejillas metálicas impide el acceso de elementos extraños, tales como troncos o ramas, que podrían dañar la maquinaria. Desde las tomas, el agua pasa a una tubería forzada que atraviesa el cuerpo de la presa y conduce el agua hacia las máquinas de la central. En el interior de la tubería, el agua transforma su energía potencial en cinética, es decir, al caer desde cierta altura adquiere velocidad. La sala de máquinas: turbina y alternador La turbina y el alternador son los mecanismos esenciales de la central hidroeléctrica. Cuando el agua llega a las máquinas, actúa sobre los álabes de la turbina, haciendo girar el rodete y perdiendo energía. El rodete de la turbina permanece unido por un eje al rotor del alternador, que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. Cuando el agua ha cedido su energía, es restituida al curso del río, aguas abajo de la instalación. Unido al eje de la turbina y el alternador gira un generador de corriente continua, empleado para excitar los polos del rotor del alternador. De esta manera, en los terminales del estator aparece una corriente alterna de media tensión y alta intensidad. Mediante un transformador, esta corriente altera sus propiedades y pasa a 26
ser de alta tensión y baja intensidad. Se encuentra ya disponible para ser transportada mediante líneas de alta tensión hacia los centros de distribución y consumo. Centrales hidroeléctricas de bombeo Las centrales de bombeo constituyen un tipo específico de instalaciones eléctricas. Están pensadas para lograr el máximo aprovechamiento de la energía del agua. Una central hidroeléctrica de bombeo consta de dos embalses emplazados a diferente altura. En las horas en que la demanda de electricidad en más alta o máxima, el funcionamiento del sistema no cambia respecto de las centrales hidroeléctricas convencionales. Así, el agua almacenada en el embalse superior provoca con su caída el giro de una turbina que se encuentra asociada a un alternador. Finalizada esta operación, el agua permanece almacenada en el embalse ejecutado en un nivel inferior. Cuando la demanda de electricidad disminuye, el agua almacenada en el embalse de cota inferior, se bombea hacia el superior, haciendo posible que el ciclo se reinicie. Para ello, la central está provista de motobombas o bien turbinas reversibles que pueden actuar como bombas y alternadores que funcionan como motores. Las centrales termoeléctricas no pueden adaptarse a los cambios de demanda señalados, puesto que están diseñadas para producir de manera estable electricidad. Puede darse el caso de que, en un momento de poca demanda, se esté generando un volumen de energía eléctrica excesivo. Dado que la energía no puede almacenarse, en las centrales de bombeo puede aprovecharse la generada en la central termoeléctrica, funcionando a su mínimo técnico, para elevar el agua desde el embalse inferior al superior. Una vez que el agua ha sido recuperada, la central de bombeo se utiliza nuevamente como central hidroeléctrica convencional, a lo largo del periodo del día en que la demanda es mayor. En suma, las instalaciones hidroeléctricas de bombeo evitan la pérdida de una parte importante de energía, optimizando el aprovechamiento de los recursos hidráulicos. En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20 centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas instalaciones con potencias menores de 20 MW. 27
La potencia hidroeléctrica total instalada en el año 2000 era algo más de 20.000 MW. El criterio de distribución de las centrales obedece a la existencia de caídas de agua con la suficiente altura y energía. Existen, por lo tanto, densas concentraciones de centrales en las montañas del ángulo noroeste y en el Pirineo, donde empezaron a construirse desde principios del siglo XX para abastecer de energía a la industria catalana. Otras centrales se reparten más aleatoriamente por las montañas del interior de la península, aprovechando los puntos donde existe agua y desnivel suficientes ligados a núcleos montañosos. La mayor concentración de grandes centrales se da en la caída de los ríos Duero y Tajo cuando abandonan la meseta, ya en la frontera con Portugal. Las centrales de Villarino, Saudelle, Aldeavilla, José María de Oriol y Cedillo, suman nada menos que el 20% del total de la potencia hidráulica instalada en el país, y el 7% de la potencia eléctrica total. El mapa representa las centrales mayores de 20 MW. Se indica el nombre de las 10 centrales mayores de 300 MW. Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son: 28
1.- La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo que se puede dirigir hacia las turbinas, además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la transformación. 2.- La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse y de la potencia instalada. La potencia de una central hidroeléctrica puede variar desde unos pocos MW (megavatios), hasta los 14.000 MW que tiene la central de Itaipú, situada en la frontera entre Brasil y Paraguay, sobre el río Paraná, dónde se encuentra la segunda mayor central hidroeléctrica del mundo, que tiene instaladas 20 turbinas de 700 MW cada una. La mayor es la Presa de las Tres Gargantas, en China, con una potencia instalada de 22.500 MW. Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas (que usan combustibles fósiles) producen energía de una manera muy similar. En ambos casos la fuente de energía es usada para impulsar una turbina que hace girar un generador eléctrico, que es el que produce la electricidad. Una central térmica usa calor para, a partir de agua, producir el vapor que acciona las paletas de una turbina, en contraste con la planta hidroeléctrica, la cual usa la fuerza del agua (energía potencial) directamente par accionar la turbina. Un ejemplo de las ventajas del uso de la energía hidroeléctrica es que la potencia generada por este medio, deja de generarse mediante la combustión en centrales térmicas de combustibles fósiles, lo cual supone un ahorro económico, una menor dependencia de los recursos no renovables y una menor contaminación ambiental. Un ejemplo de esto es el proyecto Palomino, ubicado en la República Dominicana, se espera obtener una generación anual de aproximadamente 184 GWh/año, lo cual le ahorrará al país 400.000 barriles de petróleo con un valor cercano a los 60 millones de dólares. Grandes centrales hidroeléctricas del mundo La central hidroeléctrica Simón Bolívar, también conocida como Represa del Gurí y antes llamada central hidroeléctrica de Raúl Leoni, esté situada en el Cañón de Necuima, a cien kilómetros de la desembocadura del río Caroní en el Orinoco, en Venezuela. La generación de energía eléctrica de esta planta supera los 50.000 GWh 29
al año, que son capaces de abastecer un consumo equivalente de unos 300.000 barriles de petróleo diarios, lo que ha permitido la sustitución de energía procedente de la generación mediante centrales térmicas por la hidroelectricidad, que permite la finalidad de ahorrar combustibles líquidos, petróleo, que se pueden conservar para otros fines, o en el caso que nos ocupa de Venezuela, para su exportación. La ejecución de esta obra comenzó en 1963 y finaliza en 1978, fue inaugurada en su totalidad en 1986. En una primera fase tubo una potencia total instalada de 2.065 MW producida por 10 unidades generadoras, más tarde, en la etapa final, se construyó una segunda casa de máquinas, donde se instalaron otras 10 unidades generadoras de 730 MW cada una. Actualmente es la tercera central hidroeléctrica más grande del mundo, alcanzando la capacidad instalada los 10.000 MW, sólo superada por Itaipú (Brasil y Paraguay) y Las Tres Gargantas (China). La represa hidroeléctrica de Itaipú, está situada en la frontera entre Paraguay y Brasil, sobre el cauce del río Paraná. Está construida con hormigón, roca y tierra. Es la central hidroeléctrica más grande de los hemisferios sur y occidental, y la segunda más grande del mundo, sólo superada por la presa de Las Tres Gargantas. El agua embalsada es de 29.000 Hm 3 y ocupa un área aproximada de 1.400 Km 2, con unos 200 Km. de extensión en línea recta. Se calcula que ha tenido un coste aproximado de 15.000 millones de. La potencia total de generación electro-hidráulica instalada es de 14.000 MW, formada por 20 turbinas generadoras de 700 MW, cada una. Esta central hidroeléctrica ha tenido picos de producción anual muy altos, durante el año 2000, se produjeron 93.400 GWh año, para que nos hagamos una idea de la magnitud, se generó el 95 % de energía eléctrica que consume Paraguay y el 24 % de la que consume un gigante como Brasil, con sus casi 193 millones de habitantes y sus cerca de ocho millones y medio de kilómetros cuadrados de superficie, comparativamente, en extensión es 17 veces más grande que España y su población es 4,168 veces la nuestra. Las obras de Itaipú comenzaron en 1978 con los trabajos para desviar el río Paraná de su cauce con el fin de secar el lecho original del río para poder construir la presa principal realizada con hormigón. Que se terminó en 1982, cuando fueron concluidas las primeras obras de la represa y las compuertas del canal de desvío fueron cerradas. Las aguas embalsadas subieron 100 m en apenas 15 días debido a las fuertes lluvias ocurridas en aquella época. Itaipú produce una media de 90 millones de megavatios-hora (MWh) por año, aunque en condiciones favorables del caudal del río Paraná se pueden llegar a 30
incrementar esa cantidad. Durante el año 2008, la represa de Itaipú alcanzó un nuevo récord histórico de producción de energía, se alcanzaron los 94,7 millones de MWh producidos. Esta capacidad de producción se obtiene con 18 unidades de generación en funcionamiento constante, mientras que dos unidades permanecen en mantenimiento. Se optimiza al máximo la producción mediante un eficiente programa de mantenimiento de las máquinas y el control permanente del sistema de generación de energía que evita fallos y pérdidas en la producción. Esta cantidad de energía nunca ha sido alcanzada por ninguna otra central hidroeléctrica del mundo. La central china de las Tres Gargantas situada sobre el río Yang Tse, con la potencia instalada de 22400 MW, no podrá exceder a Itaipú en la producción anual de energía, ya que el caudal del río Paraná tiene un alto volumen de agua durante todo el año. La presa de las Tres Gargantas, está situada en China, sobre el cauce del río Yang Tse, es la central hidroeléctrica más grande del mundo. La presa se levanta a orillas de la cuidad de Yichag, en el centro de China, el embalse podrá almacenar unos 39.300 millones de m3, la presa mide 2.309 metros de longitud, una anchura de 126 m y una altura de 185 metros. Está diseñada para evitar las inundaciones que el río sufría en sus orillas cada cierto tiempo y para mejorar el control del cauce del río y proteger a los 15 millones de chinos que habitan en sus orillas. Está dotada con 32 unidades de generación, turbinas de 700 MW cada una, de las que 14 unidades se han colocado en lado norte de la presa, 12 unidades en el lado sur y las 6 restantes subterráneas, alcanzando los 22.500 MW instalados al estar terminada. Esta central tiene el título de la mayor represa para generación de energía del mundo. Será el mayor proyecto hidroeléctrico en el mundo con una capacidad total de 18,20 millones de kilovatios y una producción anual de 84.680 millones de kilovatios hora. Los especialistas en energía hidroeléctrica predicen que la capacidad de generación de electricidad de este proyecto permanecerá sin igual internacionalmente durante muchos años. Se calcula que se requerirían 50 millones de toneladas de carbón sin refinar ó 25 millones de toneladas de petróleo crudo para producir la misma cantidad de energía que la producción anual del Proyecto de las Tres Gargantas. Por lo tanto, el proyecto evitará la emisión de entre un millón y dos millones de toneladas de dióxido de azufre, de 300.000 a 400.000 toneladas de óxido de nitrógeno, 10.000 toneladas de monóxido de carbono y 150.000 toneladas de hollín al aire anualmente. Además del importante coste económico de los combustibles fósiles que se dejan de necesitar. También es importante mencionar el costo aproximado de 29.000 millones de $, aunque en este caso, está fuera de toda duda, que también es una obra de propaganda política. 31
Los datos relativos a nuestro país, según datos aportados por el Ministerio de Industria y Energía, pertenecientes al año 2010, son: la potencia total instalada correspondiente a las centrales hidroeléctricas fue de 19.553 MW, que generaron un total de 45.446 GWh, para una demanda total de 279.996 GWh. Si analizamos los datos y los comparamos con las cifras de estas tres grandes centrales hidroeléctricas, vemos que teniendo una potencia instalada que casi dobla a la de la central Venezolana Simón Bolívar, sin embargo producimos unos 5.000 GWh /año menos. Debemos tener en cuenta que la producción depende de la cantidad de agua embalsada o de la regularidad de agua en el cauce, que es lo que hace que la central de Itaipú sea la más eficiente si comparamos la potencia instalada y la producción de energía conseguida. Conclusión: Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que aprovechan la energía potencial contenida en el agua transportada por los ríos, para convertirla en energía eléctrica. Para ello, emplean un sistema de turbinas acopladas a alternadores. Las centrales hidroeléctricas actúan a partir de la energía potencial del agua embalsada a niveles superiores con respecto al punto donde se encuentra situada la central. Durante la caída, el agua se transforma en energía cinética, que se aplica al movimiento de turbinas hidráulicas unidas a generadores, para su transformación en energía eléctrica. Una turbina hidráulica es una rueda formada por paletas curvas denominadas álabes, sobre las que actúa la corriente de agua, poniéndolas en movimiento. En España tenemos aproximadamente unas 800 centrales hidroeléctricas, que tienen un rango de tamaño muy variado, más que las centrales térmicas. Las 20 centrales de más de 200 MW representan en conjunto el 50% de la potencia hidroeléctrica de total instalada. En el otro extremo, existen centenares de pequeñas instalaciones con potencias menores de 20 MW. La potencia hidroeléctrica total instalada en el año 2000 era algo más de 20.000 MW. Bibliografía y fuentes consultadas: Energía hidroeléctrica José Francisco Sanz Osorio Universidad de Zaragoza, 2008. * Ministerio de Industria, Energía y Turismo www.minetur.gob.es 32
La energía en España 2010 * Red Eléctrica Española www.ree.es * Asociación Española de la Industria Eléctrica www.unesa.es 33