Centrales Hidroeléctricas

Presa de la Central Hidroeléctrica de bombeo de Aldeadávila (1.138 MW), sobre el rio Duero, en la provincia de Salamanca (España).

Las centrales hidroeléctricas son instalaciones que permiten aprovechar la energía potencial gravitatoria (masa a una cierta altura) contenida en el agua de los ríos, al convertirla en energía eléctrica mediante turbinas hidráulicas acopladas a generadores eléctricos.

Figura 1; Esquema de una Central Hidráulica convencional

Tubería

El agua, en la tubería forzada, transforma su energía potencial en cinética, es decir, adquiere velocidad.

Turbina

Cuando el agua llega a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar y perdiendo energía.

Figura 2: Corte esquemático de una turbina

Agua

El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas abajo de la central.

Generador

Figura 3: Detalle del rodete de una turbina unida por un eje al rotor del generador

El rodete de la turbina está unido por un eje al rotor del alternador que, al girar con los polos magnéticos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estátor del alternador.

Línea eléctrica

Mediante un transformador la corriente eléctrica es convertida en corriente de baja intensidad y alta tensión para poder ser transportada en condiciones adecuadas.

Normalmente, una central dispone de más de un grupo turbina-alternador. El conjunto de turbinas suele estar alojado en una sala de máquinas o edificio de la central propiamente dicha.

Tipos de centrales hidráulicas

Centrales de derivación de agua

Figura 4: Esquema de una central de derivación de agua

Son aquéllas que captan una parte del caudal que circula por el río y lo conducen hacia la central para ser turbinado.

Posteriormente este caudal se devuelve al cauce del río.

Estas centrales se caracterizan por tener un salto útil prácticamente constante, y un caudal turbinable muy variable, y en función de la hidrología.

A este tipo pertenecen la mayoría de las minihidráulicas.

Centrales de pie de presa

Figura 5: Esquema de una central de pie de presa

El funcionamiento de una central hidroeléctrica a pie de presa es básicamente el siguiente:

Por la acción de una presa, ubicada en el lecho de un río, se acumula una cierta cantidad de agua formando un embalse.

Con el fin de generar un salto cuya energía potencial pueda transformarse posteriormente en energía eléctrica, se sitúan tomas en aguas arriba de la presa, formadas por una bocina de admisión, protegida por una rejilla metálica, y por una cámara de compuertas que controla la admisión del agua a una tubería forzada.

Normalmente, ésta atraviesa el cuerpo de la presa y tiene por fin llevar el agua desde las tomas hasta las máquinas de la central.

Centrales de acumulación

Consiste en construir, en un tramo de un río que ofrece un desnivel apreciable, una presa de determinada altura.

Figura 6: Esquema de una central de acumulación

El nivel del agua alcanzará, entonces, un punto cercano al extremo superior de la presa.

A media altura de la misma, para aprovechar el volumen del embalse a cota superior, se encuentra la toma de aguas; y en la base inferior -aguas abajo de la presa-, la sala de máquinas, que aloja al grupo (o grupos) turbina-alternador.

La energía liberada por el agua al caer por una conducción forzada del interior de la presa es transformada, mediante dicho grupo (o grupos), en energía eléctrica.

Centrales de bombeo

Una central hidroeléctrica de bombeo es un tipo especial de central hidroeléctrica que posee dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en la cota más baja -embalse inferior- puede ser elevada mediante bombas al embalse situado en la cota más alta -embalse superior- con el fin de reutilizarla posteriormente para la producción de energía eléctrica.

Figura 7: Esquema de una central de bombeo

Este tipo de centrales produce energía eléctrica durante horas punta de consumo (las de mayor demanda de electricidad) mediante la acción que ejerce un salto de agua sobre los álabes de una turbina asociada a un alternador, es decir, funcionando como una central hidroeléctrica convencional.

Después, durante horas valle (las de menor demanda), se bombea el agua que ha quedado almacenada en el embalse inferior al embalse superior, bien mediante una bomba o bien mediante la turbina, si ésta es reversible, de manera que el agua pueda volver a ser utilizada en un nuevo ciclo.

Para elevar el agua desde el embalse inferior hasta el embalse superior, la central dispone de grupos moto-bombas o, en otros casos, sus turbinas son reversibles, de modo que pueden actuar ellas mismas como bombas, funcionando los alternadores como motores.

Las centrales de bombeo contribuyen a la optimización económica en la explotación de un sistema eléctrico. A pesar de que en un ciclo bombeo-turbinación se producen unas pérdidas energéticas de cierta importancia (del orden del 30%), en términos económicos, esas pérdidas suelen ser menores que la relación de costes de generación entre las horas punta y valle. Además, al utilizar la potencia de estas instalaciones en horas punta, se reducen las necesidades de incorporar equipos adicionales de generación al sistema, al tiempo que se proporciona una mayor garantía. Son, en definitiva, una forma económica de almacenar energía en forma de agua embalsada en el depósito superior.

Existen dos tipos de centrales de bombeo: el primero de ellos, denominado centrales de bombeo puro, comprende a aquellas centrales que no pueden ser utilizadas como centrales hidroeléctricas convencionales, sin haber bombeado previamente al depósito superior el agua acumulada en el embalse inferior, ya que las aportaciones naturales en el embalse superior son poco significativas. El segundo tipo agrupa a las centrales que pueden ser utilizadas como centrales hidroeléctricas convencionales, sin necesidad de un bombeo previo del agua almacenada en el embalse inferior. Estas centrales reciben el nombre de centrales mixtas con bombeo.

Entre estas instalaciones, se encuentran algunas de las centrales hidroeléctrica españolas de mayor potencia:

        la de Aldeadávila, sobre el rio Duero, con 1138 MW;

        la de Villarino, sobre el río Tormes, cuya potencia instalada asciende a 810 MW

        la de La Muela, sobre el río Júcar, con 628,4 MW;

        la de Estany Gento-Sallente, sobre el Flamisell, de 451 MW;

        la de Tajo de la Encantada, sobre el río Guadalhorce, de 360 MW de potencia

        la de Aguayo, sobre el río Torina, con 339,2 MW.

        la de Moralets, sobre el río Noguera Ribagorzana, con 221 MW.

Centrales mareomotrices

Las centrales maremotrices aprovechan la energía de las mareas para producir energía eléctrica. Para ello, en la bahía o estuario donde se asienta la central, deben tener lugar grandes mareas, con unos diez metros de diferencia de nivel entre pleamar y bajamar.

Figura 8: Situación geográfica de la central mareomotriz de Rance (Francia)

En dicho estuario, se construye un dique que permite retener grandes cantidades de agua y en él se practican esclusas para que, con la subida de la marea, se llene de agua el embalse.

Al alcanzar la marea su nivel más alto, se cierran las esclusas.

Cuando baja el mar y se alcanza cierta diferencia de altura entre el agua del embalse y la del mar, se abren las esclusas de nuevo, dando lugar a la formación de un salto de agua que hace girar los álabes de una turbina que acciona, a su vez, un alternador.

El tiempo durante el cual la central está en condiciones de producir electricidad puede duplicarse aprovechando el efecto contrario, es decir, manteniendo cerradas las esclusas cuando el embalse está casi vacío y va a comenzar la pleamar. Cuando ésta llega a su punto máximo, se abren de nuevo las esclusas, formándose así un salto de agua que acciona la turbina. Esta operación requiere que tanto la turbina como el alternador puedan girar indistintamente en uno u otro sentido.

Entre las centrales mareomotrices más importantes del mundo se encuentra la de Rance (Francia), situada en un estuario con una amplitud media de marea de 8 metros. La central fue inaugurada en 1966. Posee una presa de 750 metros de longitud y 27 metros de altura, y su potencia es de 240 MW. Su producción media anual está estimada en 540 millones de kWh.

En agosto de 1984 entró en servicio el primer grupo de la central maremotriz de Annapolis, en la bahía de Fundy (Canadá), de 17,8 MW de potencia y una producción anual estimada de 50 millones de kWh. Otras dos centrales mareomotrices importantes son las de Jiangxia, en China, con 3,2 MW y la de Kislaya-Guba, en la antigua URSS, con 0,4 MW.

Centrales hidráulicas mixtas de salto bajo

Están situadas directamente en el curso de ríos importantes y se componen de una presa que crea una diferencia de nivel de agua para provocar una caída artificial de gran caudal, en lugar de un azud de derivación, con una conducción forzada desde la presa a la central, que consta de dos partes diferenciadas: en primer lugar, un túnel o galería a presión y, posteriormente, una tubería que permite ganar más desnivel. Las ventajas de este esquema son evidentes: tener la capacidad de regulación del embalse y, al mismo tiempo, aprovechar un mayor desnivel (mayor energía potencial y por consiguiente mayor producción de electricidad).

Figura 9: Esquema de una Central hidráulica de salto bajo

Tipos de Turbinas Hidráulicas 

Respecto a los tipos de turbinas hidráulicas empleadas, las más utilizadas son las Pelton para saltos de agua de gran altura (entre 200 y 2000 m) y poco caudal, Francis para saltos de agua de altura media (entre 40 y 120 m) y caudales variables moderados, y Kaplan para saltos de agua pequeños (entre 10 y 25 m) y caudales variables  . Los grupos utilizados en los bombeos modernos son reversibles, es decir, la turbina hace de bomba cambiando el sentido de giro del grupo, y el generador es un motor que se alimenta de la propia red de transporte.

Figura 10: Esquemas de Central con salto de agua alto

Figura 11: Esquemas de Central con salto de agua medio

Finalmente, conviene señalar que los aprovechamientos hidroeléctricos funcionan, actualmente, con muy poco personal, gestionándose desde los Centros de Control que poseen estas centrales. Existen para ello dos sistemas fundamentales:

– Automatismo: se utiliza principalmente para centrales fluyentes. La potencia de los grupos se adapta en todo momento al caudal que aporta el río, inyectando a la red la electricidad que se produce. Cuando la central se para por algún fallo recuperable, el arranque se produce automáticamente. Solamente es necesario personal para el mantenimiento sistemático de las instalaciones.

– Telemando: se utiliza para centrales con regulación. La central funciona con las consignas que se envían desde el centro de control, el cual puede aumentar o disminuir la potencia de acuerdo con la demanda. La central sólo requiere personal para el mantenimiento de las instalaciones.

¿Cómo funciona una central hidroeléctrica?

Las centrales hidroeléctricas producen energía eléctrica a partir de la energía potencial o gravitatoria (masa a una cierta altura) contenida en el agua de los ríos, mediante equipo turbina-generador.

Si se toma como ejemplo un emplazamiento de una central de acumulación con la central eléctrica a pie de presa, un esquema simplificado de su funcionamiento (ver gráfico) es el siguiente:

Figura 12: Esquema de Central de Acumulación

La presa (2), situada en el lecho de un río, acumula artificialmente un volumen de agua para formar un embalse (1), lo que permite que el agua adquiera una energía potencial (masa a una cierta altura) que luego se transformará en electricidad. Para ello, se sitúa en el paramento aguas arriba de la presa, o en sus proximidades, una toma de agua protegida por una rejilla metálica (3) con una válvula que permite controlar la entrada delagua en la galería de presión, previa a una tubería forzada (4) que conduce finalmente el agua hasta la turbina situada en la sala de máquinas de la central.

El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética, es decir, va perdiendo altura y adquiriendo velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica (5), transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico (6) que, al girar, convierte la energía rotatoria en corriente alterna de media tensión y alta intensidad. Mediante transformadores (7), es convertida en corriente de baja intensidad y alta tensión, para ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte (8).

Una vez que ha cedido su energía, el agua es restituida al río, corriente abajo de la central, a través del canal de desagüe.

¿Cómo funciona una central de bombeo?

Una central hidroeléctrica de bombeo es un tipo especial de central hidroeléctrica que tiene dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en el nivel más bajo —embalse inferior—, es bombeada durante las horas de menor demanda eléctrica al depósito situado en la cota más alta —embalse superior—, con el fin de turbinarla, posteriormente, para generar electricidad en las horas de mayor consumo eléctrico.

Por tanto, estas instalaciones permiten una mejora en la eficiencia económica de la explotación del sistema eléctrico al almacenar electricidad en forma de agua embalsada en el depósito superior. Constituye en la actualidad la forma más económica de almacenar energía eléctrica.

Las centrales que no tienen aportaciones de agua significativas en el embalse superior se llaman centrales de bombeo puro. En otro caso, se denominan centrales mixtas de bombeo.

Un esquema del funcionamiento de una central de bombeo puro (ver gráfico) es el siguiente:

Figura 13: Esquemas de Central de Bombeo

Durante las horas en que la demanda de energía eléctrica es mayor, la central de bombeo funciona como cualquier central hidroeléctrica convencional: el agua que previamente es acumulada en el embalse superior (1) cerrado por una presa (2), llega a través de una galería de conducción (3) a una tubería forzada (5), que la conduce hasta la sala de máquinas de la central eléctrica. Para la regulación de las presiones del agua entre las conducciones anteriores se construye en ocasiones una chimenea de equilibrio (4).

En la tubería forzada, el agua va adquiriendo energía cinética (velocidad) que, al chocar contra los álabes de la turbina hidráulica (6), se convierte en energía mecánica rotatoria. Esta energía se transmite al generador (7) para su transformación en electricidad de media tensión y alta intensidad. Una vez elevada su tensión en los transformadores (8) es enviada a la red general mediante líneas de transporte de alta tensión (9). El agua, una vez que ha generado la electricidad, circula por el canal de desagüe (10) hasta el embalse inferior (11), donde queda almacenada.

Cuando se registra un menor consumo de energía eléctrica —generalmente durante las horas nocturnas de los días laborables y los fines de semana—, se aprovecha el que la electricidad en esas horas tiene en el mercado un coste bajo, y se utiliza para accionar una bomba hidráulica que eleva el agua desde el embalse inferior (11) hasta el embalse superior (1), a través de la tubería forzada y de la galería de conducción.

El agua es elevada, generalmente por las propias turbinas de la central, funcionando como bombas accionadas por los generadores que actúan como motores. Una vez efectuada la operación de bombeo, el agua almacenada en el embalse superior (1) está en condiciones de repetir otra vez el ciclo de generación eléctrica.

Ventajas e inconvenientes de las Centrales hidráulicas

Ventajas:

Fuente de energía autóctona.

Fuente de energía renovable y limpia.

Regulan los cauces de los ríos.

Producen empleo.

Dan lugar a mejorar las infraestructuras.

Potencian las actividades recreativas, turísticas y deportivas.

Inconvenientes:

Anegación de terrenos.

Efectos negativos durante su construcción.

Modifican el hábitat ecológico.

En términos generales, las centrales hidroeléctricas presentan un balance social, económico y medioambiental claramente positivo.

FUENTES:

UNESA: CENTRALES ELÉCTRICAS

SCHNEIDER ELECTRIC: La producción de energía eléctrica