La Energía Hidráulica

1. Introducción

• Descripción básica de la energía hidráulica

El proyecto que vamos a desarrollar trata sobre la energía hidráulica. Trataremos de explicar los conceptos principales de este tipo de energía, así como los diferentes temas que la componen más detalladamente.

A grandes rasgos, la energía hidráulica es aquella energía (capacidad de un sistema físico para realizar trabajo) que obtenemos del aprovechamiento de las corrientes y desniveles de agua dulce, especialmente de ríos y embalses, aparte de la energía que se aprovecha de la fuerza del mar (energía mareo-motriz).

Para obtener dicha energía es necesario construir centrales hidráulicas en las regiones que se den las condiciones naturales propicias para su aprovechamiento, tales como frecuentes precipitaciones pluviales que alimenten el caudal de un río, gran desnivel o desniveles en el cauce de un río (preferiblemente con caudal regular) o directamente, un relieve físico apropiado para construir dichas centrales hidráulicas.

Las centrales hidráulicas son las infraestructuras capaces de transformar la energía mecánica (potencial y cinética) en energía eléctrica mediante unas turbinas hidráulicas que transfieren el movimiento de su eje a un generador, en donde se va a inducir una corriente eléctrica de alta intensidad y media tensión. Posteriormente, dicha corriente eléctrica se transformará en otra de alta tensión (baja intensidad) para la distribución a los hogares.

• Contexto histórico

La energía hidráulica, como es lógico, no comenzó con las grandes centrales hidráulica que existen en la actualidad, sino con los pequeños molinos o ruedas hidráulicas, cuyas ideas comenzaron a desarrollarse desde mediados del siglo III a. C. en Grecia, de la mano de Filón de Bizancio.

Posteriormente los romanos, a través del arquitecto-ingeniero del siglo I a. C. Marco Vitrubio, desarrollaron importantes mejoras, como por ejemplo, situar la rueda con el eje horizontal, aumentando así su rendimiento.

(Ruedas hidráulicas)

A pesar de no obtenerse electricidad mediante las ruedas hidráulicas, estaba presente la idea de aprovechar la energía que llevaba el agua para emplearla en otro uso. Por ejemplo, ya en la Edad Media, el molino de agua tuvo gran importancia en la moledura del trigo, disminuyendo considerablemente el tiempo y esfuerzo en realizar dicha acción. (Antiguamente dependiente de los animales de carga o esclavos).

Con la llegada de la revolución industrial, surgieron mejoras en la energía hidráulica de la mano del ingeniero civil británico John Smeaton, como construir las ruedas con hierro en lugar de madera. Sin embargo, se prefirió invertir en el invento de la época, la máquina de vapor.

Finalmente en 1880 en Gran Bretaña, se construyó la primera central hidroeléctrica del mundo como consecuencia de la creación del generador eléctrico, capaz de transformar definitivamente la energía mecánica del agua en movimiento, en electricidad.

A medida que pasaban los años, se fueron construyendo más centrales hidroeléctricas, con mejoras tales como la turbina hidráulica.

Hoy en día existen diferentes tipos de centrales hidroeléctricas, que veremos en el apartado siguiente.

2. Tipos de centrales hidráulicas

Para la clasificación este tipo de centrales son varios los argumentos, características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento; que hacen que esta categorización sea correcta.

En primer lugar, hay diferentes tipos de centrales, dependiendo del servicio que den en el consumo global de la red:

- Centrales de base: también denominadas centrales principales. Son las destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica, en servicio permanente, es decir, sin interrupciones de funcionamiento de la instalación, estando en marcha durante largos períodos de tiempo.

Tienen una potencia elevada y normalmente sin las centrales nucleares, las grandes centrales térmicas y las centrales hidráulicas, que es nuestro caso.

- Centrales de punta: Están destinadas, exclusivamente, para cubrir las demandas de energía eléctrica en las horas de mayor consumo, horas punta. Su funcionamiento se puede considerar periódico, en breves espacios de tiempo, o sea, casi todos los días durante determinadas horas.

Han de ser instalaciones de respuesta muy rápida, tanto en lo referente a la puesta en marcha como a la regulación de sus elementos. Por tales razones técnicas, suelen ser centrales de tipo hidráulico o térmico con turbinas de gas, que sirven de apoyo a las calificadas como de base.

- Centrales de reserva: Su intervención, dentro del sistema, se planifica según los conceptos de reserva económica y reserva técnica.

El primero tiene por objeto disponer de instalaciones que puedan sustituir, total o parcialmente, a las centrales de base cuando, para estas, exista escasez o carestía de las materias primas: agua, carbón, fuel-oil, etc.

Se entiende por reserva técnica, la necesidad de tener programadas determinadas centrales, primordialmente hidráulicas dadas sus características de rapidez de puesta en servicio, para suplir a las centrales de gran producción afectadas de fallos o averías en sus equipos.

- Centrales de bombeo: Son centrales hidroeléctricas que aprovechan la energía sobrante en las horas valle, para bombear agua a un embalse superior y en las horas punta la aprovechan para dar energía en la red.

Según su concepción arquitectónica, podemos distinguir las siguientes:

- Centrales al aire libre: También llamadas al pie de presa o relativamente alejadas de ella. Están conectadas por medio de una tubería a presión.

- Centrales en caverna: Están conectadas al embalse generalmente por medio de túneles, tuberías a presión o combinación de ambas.

Una de las características más importantes es el régimen de flujo del río:

- Centrales de agua fluyente: O también denominadas centrales sin embalse. Estas centrales se construyen en los sitios en donde la energía hidráulica disponible se puede utilizar directamente para accionar las turbinas, y en donde, de no existir central esta energía se desperdiciaría. En ellas el agua no turbinada se derraman por el aliviadero central. No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes desarrolla su potencia máxima, dejando pasar al agua excedente; por el contrario, durante el tiempo seco, la potencia producida disminuye considerablemente en función del caudal, llegando a ser casi nula en algunos ríos en épocas de estiaje.

Se subclasifican en centrales con reserva (diaria o hebdomadal) o sin reserva. La pequeña acumulación existente en las de con reserva no recibe el nombre de embalse. La mayor parte de las centrales pertenecen a esta categoría, existiendo gran número de centrales con reserva hebdomadal.

- Centrales de agua embalsada: El agua de alimentación proviene de grandes lagos, o de pantanos artificiales, conocidos como embalses, conseguidos mediante la construcción de pesas. Un embalse es capaz de almacenar caudales de los ríos afluentes, llegando en ocasiones a elevados porcentajes de captación de agua. El agua embalsada se utiliza según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.

Por eso hay una subclasificación de este tipo de centrales: centrales de regulación y centrales de bombeo. La primera de ellas es una central con posibilidad de acopiar volúmenes de agua en el embalse, que representa períodos, más o menos prolongados, de aportes de caudales medios anuales. Al poder embalsar agua durante determinados espacios de tiempo, noche, mes o año seco, etc., prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, regulándose estos convenientemente para la producción. Se adaptan muy bien para cubrir las horas punta de consumo.

Por otra parte las centrales de bombeo, también llamadas de acumulación, son centrales que acumulan caudales mediante bombeo, con lo que su actuación, la podemos comparar a la de «acumuladores» de energía potencial. Para cumplir la misión que da nombre a estas centrales, se recurre a dos sistemas distintos. Refiriéndonos a un solo grupo, uno de los procedimientos consiste en dotar al mismo de una turbina y una bomba, ambas máquinas, con funciones claramente definidas, independientes entre sí.

El otro método, se basa en la utilización de una turbina reversible, que, según necesidades, puede funcionar como turbina o como bomba centrífuga, de manera que, durante las horas de demanda de energía, los componentes del grupo se comportan respectivamente: máquina motriz como turbina y generador como alternador. En los periodos de tiempo de muy baja demanda, como son las horas de media noche, el grupo se transforma en: motor síncrono el generador y bomba centrífuga la máquina motriz.

Turbina y bomba Turbina reversible

Por otra parte, hay diferentes tipos de centrales dependiendo la altura de caída.

- Centrales de alta presión: Se encuentran incluidas cuyo valor hidráulico es superior a los 200 m, siendo relativamente pequeños los caudales desalojados, alrededor de 20 mᵌ/s por máquina. Están ubicadas en zonas de alta montaña, donde aprovechan el agua de torrentes que

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