centrales hidroelectricos
DESCRIPTION
centrales hidroelectricas en el peruTRANSCRIPT
1. INTRODUCCIÓN
Una planta hidroeléctrica es la que aprovecha la energía hidráulica para producir
energía eléctrica. Si se concentra grandes cantidades de agua en un embalse, se obtiene
inicialmente, energía potencial, la que por la acción de la gravedad adquiere energía
cinética o de movimiento, que pasa de un nivel superior a otro muy bajo, a través de las
obras de conducción (la energía desarrollada por el agua al caer se le conoce como
energía hidráulica), por su masa y velocidad, el agua produce un empuje que se aplica a
las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica.
Esta energía se propaga a los generadores que se encuentran acoplados a las turbinas,
los que la transforman en energía eléctrica, la cual pasa a la subestación contigua o
cerca de la planta. La subestación eleva la tensión o voltaje para que la energía llegue a
los centros de consumo con la debida calidad.
2. ANTECENDENTES
El desarrollo de las Centrales Hidroeléctricas en el Perú se inicia a fines del siglo XIX,
con la construcción de una Pequeña Central en Ancash (Tarija).
En la década del 60 al 70, el Estado formula un Plan Energético, que identifican el
desarrollo de grandes y pequeñas centrales hidroeléctricas.
En la década del 80, se impulsa la Electrificación Rural en base a Pequeñas Centrales
Hidráulicas que suministran energía a Pequeños Sistemas Eléctricos.
A partir de la década del 90 a través de la DEP/MEM, se da mayor impulso a la
Electrificación Rural mediante el Programa de Pequeñas y Micro Centrales Hidráulicas,
como complemento al Plan Nacional de Ampliación de la Frontera Eléctrica.
3. ASPECTOS A CONSIDERAR PARA EL DISEÑO DE UNA CENTRAL
Una presa debe ser impermeable las filtraciones a través o por debajo de ella deben ser
controladas al máximo para evitar la salida del agua y el deterioro de la propia
estructura.
Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se ejercen sobre ella. Estas
fuerzas son:
La gravedad (que empuja a la presa hacia abajo).
La presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua contenida).
La presión hidrostática en la base (que produce una fuerza vertical hacia
arriba que reduce el peso de la presa.
La fuerza que ejercería el agua si se helase.
Las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de sismos.
A la hora de valorar el mejor emplazamiento para construir una presa, el riesgo de
terremotos forma parte del análisis geológico. Además deben determinar qué tipo de
terreno está expuesto a filtraciones y cuál puede soportar el peso de la presa y el agua
que contendrá detrás de ella.
Altura de la presa
Generalmente está limitada por la topografía de su emplazamiento, aunque otros
factores pueden determinar una altura máxima menor, entre ellos están:
Si la función principal de la presa es la obtención de energía la altura es un
factor crítico, ya que la energía potencial del agua embalsada es mayor cuanto
mayor es la altura a la que se encuentra.
Si la presa es de contención el factor más importante es la capacidad de
almacenamiento. El volumen de agua embalsada es mayor cuanta más alta es la
presa.
Otros factores son la utilidad y el valor de las tierras que quedarán sumergidas,
y si las aguas afectarán a importantes vías de comunicación.
Aliviaderos
Después de determinar el nivel del embalse en condiciones normales, hay que
establecer los procedimientos que aseguren que este nivel no se supere. Los aliviaderos
son necesarios para descargar el excedente de agua para que éste no dañe la presa, la
central eléctrica ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de aliviadero más común
es el derrame. Este sistema consiste en que una zona de la parte superior es más baja.
Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de almacenamiento estas
partes más bajas están cerradas con unas compuertas móviles. Otro tipo de aliviadero es
el salto de agua, un canal de hormigón ancho, con mucha pendiente, que se construye en
la base de algunas presas de altura moderada.
Desaguaderos
Además de los aliviaderos, que aseguran que el embalse no rebase la presa, los
desaguaderos son necesarios para extraer de modo constante agua del embalse. El agua
extraída puede descargarse río abajo, puede llevarse a los generadores para obtener
energía hidroeléctrica o puede utilizarse para riego.
Los desaguaderos son conductos o túneles cuyas entradas se encuentran a la altura del
nivel mínimo del embalse. Estas tomas poseen unas compuertas o válvulas que regulan
la entrada de agua.
Protección contra la erosión
Hay que evitar que el agua que se envía río abajo erosione la base de la presa. Para
reducir la velocidad del agua se construyen unos embalses llamados cuencas
amortiguadoras, que forman parte de las estructura de la presa.
Existen dos tipos de estructura que se utilizan para disipar la energía destructiva que
lleva el agua al caer.
Uno en el que el flujo rápido y de poca profundidad que baja de la presa se
convierte en un flujo profundo y lento al hacerlo pasar por una falda horizontal
o poco inclinada de hormigón, construida río abajo desde la base de la presa.
En el otro tipo la base de la presa tiene una forma que desvía el flujo, que baja a
gran velocidad, hacia arriba y lo hace girar. Este giro disipa la energía
destructiva del agua.
4. COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS CENTRALES:
P resa Hidráulica
Se denomina Presa o Represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o
materiales sueltos, que se construye habitualmente apoyado en una montaña o
desfiladero, sobre un río o arroyo.
Se encarga de retener el agua en el cauce fluvial con
diferentes finalidades: para su posterior aprovechamiento en
abastecimiento o regadío; para elevar su nivel con el
objetivo de derivarla a canalizaciones de riego; para proteger
una zona de sus efectos dañinos; o para la producción de
energía eléctrica.
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.
Embalse
Es el volumen de agua que queda retenido, de forma
artificial, por la presa. Se suele colocar en un lugar adecuado
geológica y topográficamente.
Se puede emplear para generar electricidad, abastecer de
agua las poblaciones, regadío, etc.
Toma de agua
Las Tomas de Agua son construcciones que permiten
recoger el agua para llevarlo hasta las turbinas por medios
de canales o tuberías. Se sitúan en la pared anterior de la
presa, la que da al embalse. En el interior de la tubería, el
agua transforma la energía potencial en cinética, es decir,
adquiere velocidad.
Además de unas compuertas para regular la cantidad de
agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos
extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.
Desde aquí, el agua pasa a la tubería forzada que atraviesa a presión el cuerpo de la
presa.
Tubería Forzada o Tubería de Presión o Impulsión
Con el fin de impulsar al fluido y mejorar la
capacidad de generación de la presa, el agua se hace
correr a través de una gran tubería llamada Tubería
Forzada o de Presión, especialmente diseñada para
reducir las pérdidas de energía que se pudieran
producir, llevando el agua hasta la turbina en la casa
de máquinas.
Esta tubería tiene que soportar la presión que produce la columna de agua, además de la
sobre presión que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la mini central.
Dependiendo de la orografía del terreno y de los factores medioambientales, la
colocación de la tubería forzada será subterránea o exterior.
Aliviaderos
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.
Las compuertas y válvulas son los elementos que permiten regular y controlar los
niveles del embalse. Existen distintas tipos de desagüe: los aliviaderos de superficie y
los desagües de fondo o medio fondo.
Casa de Máquinas o Sala de Turbinas
En la Casa de Máquinas, denominada también Sala de Turbinas o Central, se
encuentran los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica -Conjunto
turbina-alternador, turbina y generador, así como los elementos de regulación y
funcionamiento. El agua que cae de la presa hace girar las turbinas que impulsan los
generadores eléctricos.
Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las
máquinas en caso de reparación o desmontaje. Según la disposición general de la casa
de máquinas, las centrales se pueden clasificar en: Centrales al Exterior y Centrales
Subterráneas.
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.
Líneas de Transporte de Energía Eléctrica
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 500.000
voltios o más. Las líneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de 220 y
110 voltios.
5. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno
donde se sitúa la central condicionan en gran parte su diseño.
Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos:
Centrales de agua fluyente
En este caso no existe embalse, el terreno no tiene mucho desnivel y es necesario que el
caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia
determinada durante todo el año. Durante la temporada de precipitaciones abundantes,
desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En cambio, durante la
época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en
algunos ríos en verano.
Centrales de embalses
Mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales donde se
almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas.
El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el
embalse puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque
completamente durante algunos meses, cosa que sería imposible con una central de agua
fluyente.
Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de
agua fluyente. Dentro de estos tipos existen dos
variantes de centrales:
Centrales a pie de presa
En un tramo de río con un desnivel apreciable se
construye una presa de una altura determinada.
La sala de turbinas está situada después de la
presa.
Centrales por derivación de las aguas
Las aguas del río son desviadas mediante una pequeña presa y son conducidas mediante
un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible, hasta un pequeño
depósito llamado cámara de carga o de presión. De esta sala arranca una tubería forzada
que va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua es devuelta río abajo,
mediante un canal de descarga. Se consiguen desniveles más grandes que en las
centrales a pie de presa.
Centrales de bombeo o reversibles.
Son un tipo especial de centrales que hacen posible un uso más racional de los recursos
hidráulicos.
Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda diaria de
energía eléctrica es máxima, estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica
convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y
después queda almacenada en el embalse inferior.
Durante las horas del día de menor demanda, el agua es bombeada al embalse
superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo.
6. CARACTERÍSTICAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Presa Hidroeléctrica en Grandas de Salime (Asturias, España).
Casa de Máquinas Central Hidroeléctrica del Guavio, Colombia.
Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su
capacidad de generación de electricidad son:
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 turbinable,
además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la
transformación.
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.
Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas -que usan combustibles fósiles- producen
la energía eléctrica 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 la turbina, en contraste con la planta hidroeléctrica, la cual usa la fuerza del agua
directamente para accionar la turbina.
Potencia de una central hidroeléctrica
La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en megavatios (MW) y se
calcula mediante la fórmula siguiente:
Donde:
Pe = potencia en vatios (W)
ρ = densidad del fluido en kg/m³
ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0.75 y 0.94)
ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0.92 y 0.97)
ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0.95/0.99)
Q = caudal turbinable en m³/s
H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros (m)
En una central hidroeléctrica se define:
Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el
caudal medio disponible y el desnivel medio disponible.
Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la
central.
7. EXPERIENCIA EN LA ADMINISTRACIÓN DE CENTRALES
Programa de Mantenimiento Preventivo:
Estas actividades son trabajos rutinarios efectuados por los Operadores a toda la
infraestructura civil y electromecánica de la central, de acuerdo a un programa de
mantenimiento elaborado anualmente por las empresas administradoras.
Programa de Mantenimiento Correctivo:
Estas actividades se realizan cuando se presentan interrupciones imprevistas en la
infraestructura civil y electromecánica de la central, y es efectuada por especialistas.
El mantenimiento correctivo de la infraestructura civil se acentúa principalmente en el
período de lluvias, el mismo que en los últimos años ha venido disminuyendo por las
experiencias en las mejoras de los mantenimientos preventivos. Este efecto también se
presenta en el caso de mantenimientos correctivos de la infraestructura electromecánica.
8. COSTOS PROMEDIOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
Importancia de la incorporación de Sistemas Aislados al Sistema Eléctrico Interconectado
Nacional (SEIN) y su impacto en la Tarifa de Distribución a los usuarios rurales.
9. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS
Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son:
No necesitan combustibles y son limpias.
Muchas veces los embalses de las centrales tienen otras utilidades importantes: el regadío,
como protección contra las inundaciones o para suministrar agua a las poblaciones
próximas.
Tienen costes de explotación y mantenimientos bajos.
Las turbinas hidráulicas son de fácil control y tienen unos costes de mantenimiento
reducido.
En contra de estas ventajas podemos enumerar los inconvenientes siguientes:
El tiempo de construcción es, en general, más largo que el de otros tipos de centrales
eléctricas.
La generación de energía eléctrica está influenciada por las condiciones meteorológicas y
puede variar de estación a estación.
Los costes de inversión por kilovatio instalado son elevados.
En general, están situadas en lugares lejanos del punto de consumo y, por lo tanto, los costes
de inversión en infraestructuras de transporte pueden ser elevados.
10. IMPACTO AMBIENTAL DE LAS
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Siempre se ha considerado que la electricidad de origen hidráulico es una alternativa
energética limpia. Aun así, existen determinados efectos ambientales debido a la
construcción de centrales hidroeléctricas y su infraestructura.
La construcción de presas y, por extensión, la formación de embalses, provocan un impacto
ambiental que se extiende desde los límites superiores del embalse hasta la costa. Este
impacto tiene las siguientes consecuencias, muchas de ellas irreversibles:
Sumerge tierras, alterando el territorio.
Modifica el ciclo de vida de la fauna.
Dificulta la navegación fluvial y el transporte de materiales aguas abajo (nutrientes y
sedimentos, como limos y arcillas).
Disminuye el caudal de los ríos, modificando el nivel de las capas freáticas, la composición
del agua embalsada y el microclima.
Los costes ambientales y sociales pueden ser evitados o reducidos a un nivel aceptable si se
evalúan cuidadosamente y se implantan medidas correctivas. Por todo esto, es importante
que en el momento de construir una nueva presa se analicen muy bien los posibles impactos
ambientales en frente de la necesidad de crear un nuevo embalse.
11. EL PROBLEMA DE LA SEDIMENTACIÓN EN LAS PRESAS
Los embalses tienen una vida útil limitada. Generalmente es más corta de lo esperado por la
acumulación en el fondo de sedimentos orgánicos y minerales, que son acarreados por las
aguas de los ríos. Al entrar estos en remanso decantan sus partículas en suspensión,
formando capas de material que no siempre pueden ser eliminadas a un costo conveniente.
En un estudio se estimó que alrededor de cincuenta kilómetros cúbicos de sedimentos (cerca
del l% de la totalidad de la capacidad de almacenamiento) es atrapado cada año en los
embalses.
Hay cientos de ejemplos de este problema como el del río Paute en Ecuador, cuya reducción
en capacidad ocasionó, en gran parte, la crisis de energía eléctrica en ese país.
La experiencia mundial es que la sedimentación en grados diferentes ha causado en el
mundo trastornos de proporciones en la participación de los ríos con relación a la
manutención de la fertilidad de los suelos.
El caso más impresionante es el del río Nilo en que 134 millones de toneladas de
sedimentos al año son atrapados por el embalse Nasser (1-35). El limo que acarrea el Nilo
mantenía la fertilidad del valle, como asimismo del delta del río Nilo, contribuyendo a su
vez a la alimentación de los peces en el Mar Mediterráneo. Los agricultores egipcios se
vieron obligados a aplicar enormes y crecientes cantidades de fertilizantes nitrogenados,
disminuyendo significativamente el volumen de peces, tanto en el río, desembocadura y
sector costero adyacente. Actualmente se estima que un 98% de este valioso sedimento
queda atrapado en los embalses del Nilo.