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Almacenamiento. Energía hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica es aquella que aprovecha la energía mecánica (cinética o potencial) contenida en los cursos de agua para producir electricidad.De modo que se sirve de la caída del agua resultante de un desnivel en el terreno (normalmente provocado por la existencia de una presa) cuyo nombre técnico es el de “salto geodésico”.

La inversión inicial en este tipo de instalaciones es elevada (equipos, obra civil, tendido eléctrico, etc.), pero sus gastos de explotación y mantenimiento son relativamente reducidos, y eso hace que actualmente sea una de las fuentes de energía más rentables.

Para conocer si el curso de agua existente en un determinado lugar, es aprovechable desde el punto de vista hidroeléctrico, es necesario tener en cuenta una serie de condicionantes que cabe analizar previa y detenidamente, a objeto de lograr un aprovechamiento eficiente. Entre otros:

  • El lugar de emplazamiento (en concreto las características y la configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua).
  • El régimen pluviométrico medio anual (que debe ser favorable).

Concretamente, en lo que se refiere al cálculo hidroeléctrico, sobre la capacidad para obtener energía útil influyen dos factores:

  • La altura de salto.
  • El caudal de agua que circula por la turbina.

Como ya se adelantaba, para aprovechar al máximo ese potencial hidroeléctrico se construyen presas, con el fin de regular el caudal de agua que llevan los ríos en función de la época del año, y para aumentar la altura de salto.

Para incrementar esa altura del salto, se suele además derivar el agua por un canal de pendiente pequeña, menor que la del cauce del río, para alcanzar un desnivel mayor entre el canal y el cauce natural. Desde el canal o desde la presa el agua entra en una tubería forzada, donde se efectúa el salto y la energía potencial se convierte en cinética, accediendo finalmente a la sala de máquinas, donde se encuentran las turbinas hidráulicas. El golpeo del agua sobre las palas de las turbinas hace girar sus ejes, transformándose en energía mecánica de rotación, que utiliza para producir electricidad el generador eléctrico al que están conectadas.

Existen distintos tipos de centrales hidroeléctricas, que pueden clasificarse según:

  • El salto de agua:
    • De alta presión: Se caracterizan por estar situadas en zonas de alta montaña y por contar con grandes saltos (> 200 m), caudales desalojados pequeños (20 m³/seg.), turbinas de alto rendimiento (Pelton) y tuberías de grandes longitudes.
    • De media presión: Se caracterizan porestar conectadas a grandes embalses con saltos de media altura (20-200 m), con caudales desalojados de magnitud intermedia (200 m³/seg.) y turbinas adaptadas a soportar grandes variaciones de caudal (Francis).
    • De baja presión: Se sitúan junto a saltos pequeños (< 20 m), normalmente en amplios valles al pie de las cordilleras, cuentan con grandes caudales desalojados (300 m³/seg.), y turbinas adaptadas a pequeños saltos (Kaplan).
  • El curso de agua asociado: La topografía del terreno es el factor fundamental de entre los que condicionan la implantación de una central hidroeléctrica ya que, según la que presente el lugar donde se va a ubicar, así será la obra civil a ejecutar y el tipo de maquinaria que convendrá instalar.Según el discurrir de las aguas a su paso por la central existen los siguientes tipos:
    • De agua fluyente:Se trata de centrales que no cuentan con ningún embalse o mecanismo de retención de agua por encima de las turbinas, por lo que la energía se produce al paso de la corriente. Su potencia depende así del caudal que pasa por el río, por lo que deben ubicarse junto a saltos brutos prácticamente constantes, de pequeña altura y en ríos de gran caudal, alcanzando la máxima potencia en la época de lluvias. Las centrales de este tipo están directamente condicionadas por la hidrología del lugar donde se instalan, al no tener capacidad de regulación, aunque en algunos casos se construye una pequeña presa para controlar las variaciones estacionales, con el fin de evitar la pérdida de producción. También se las conoce como centrales de pasada o a filo de agua.
    • De agua embalsada o de regulación: A diferencia de las anteriores, estas centrales disponen de un embalse de agua que regula el caudal del río y, consecuentemente, la cantidad de agua que pasa a las turbinas. Esto se debe fundamentalmente a que se instalan junto a cursos de agua de escaso caudal y con grandes saltos de agua, donde es necesario acoplar demanda y producción de electricidad. Véanse los diferentes tipos:
      • A pie de presa:Se construyen junto a embalses de gran capacidad, y cuentan con sistemas de regulación sobre los caudales de salida del agua, que permiten controlar el paso por las turbinas según la demanda. Pertenecen a este tipo las centrales situadas en embalses destinados a otros usos, como riegos o abastecimiento de agua a poblaciones. Dependiendo del uso principal de la presa, se aprovecharán energéticamente los excedentes de caudal, los desembalses para riego, el caudal ecológico, etc. De este modo, el agua que va a alimentar la central se capta de la denominada zona útil, que abarca la masa de agua que se encuentra por encima de la toma, quedando fuera de su alcance la denominada zona muerta, que almacena el agua que no puede alimentar las turbinas.
      • De bombeo: Aprovechan los excedentes de energía eléctrica producida por la central, para recargar artificialmente el embalse, garantizando de esta manera un mayor reservorio de energía. De esta manera, el agua es bombeada cuando existe una capacidad extra en la red y esto permite posteriormente que al descender de nuevo vuelva generar energía, lo que suele ser muy útil sobre todo en las horas punta de demanda. Aunque este sistema utiliza más energía de la que genera, es fundamental para tener siempre disponible una reserva flexible que permita ser eficiente a la red eléctrica.

En las minicentrales hidroeléctricas el volumen de almacenamiento suele ser pequeño, y suele producir energía eléctrica durante un número determinado de horas a lo largo del día, llenándose el embalse durante la noche; o si la regulación es semanal, se produce electricidad durante el fin de semana y se usa el resto de días para recargar el embalse.

A continuación, se van a explicar brevemente los principales componentes de una central hidroeléctrica, puede haber más pero estos son los fundamentales:

  • Presa: Retiene el agua, acumulándola en una cota elevada para liberarla posteriormente de manera controlada. Suelen construirse en hormigón o, sobre todo las más tradicionales, con materiales sueltos (también llamadas de escollera o de tierra) aunque son menos frecuentes. Encontramos los siguientes tipos:
    • De gravedad: Tiene perfil triangular, con la base más ancha para resistir la presión del agua. Es la más común.
    • De bóveda: Es más ligera que la presa de gravedad, suele alcanzar mayor altura, se compone de arcos verticales y horizontales, y se utiliza comúnmente en gargantas estrechas.
    • De contrafuertes: Como su propio nombre indica utiliza contrafuertes por lo que necesita menos obra civil y se ubica en amplios valles.
    • De arcos múltiples: Variante del tipo anterior, donde la estructura transmite el empuje de los arcos a los contrafuertes.
    • De arco sencillo: Se trata de un tipo de presa ligero que se suele usar en gargantas estrechas, transmitiendo el empuje a sus laderas.
    • De arco gravedad: Es una combinación de los dos tipos anteriores.
  • Aliviaderos: Permiten al agua circular sin pasar por las turbinas, se prevén así para evitar daños por exceso de carga en los componentes de la central. Al abrir sus compuertas se liberan (“alivian”) grandes volúmenes de agua, sobre una cuenca de amortiguación que se encuentra a pie de presa y que recibe el agua tras su descarga desde gran altura, evitando causar daños en el entorno. Estos volúmenes pueden ser usados para otros fines no energéticos como por ejemplo, para cubrir las necesidades de riego.
  • Toma de agua: Se trata de una serie de orificios que captan el agua que va a alimentar la central, suelen protegerse con rejillas para que no accedan al sistema ciertos materiales en suspensión.
  • Canal de derivación: Se utiliza para conducir el agua desde la toma hasta las turbinas, sin embargo, si el salto de agua es superior a 15 metros conviene que el agua que accede a las turbinas lo haga a través de tuberías forzadas a las que debe preceder una cámara de presión.
  • Cámara de presión: Es un depósito intermedio entre la toma de agua y la tubería forzada cuya función principal es asegurar el correcto arranque de la turbina. Según su capacidad de almacenamiento se puede utilizar como un depósito auxiliar de regulación.
  • Tubería forzada: Comunican la cámara de carga con la turbina, su función principal es asegurar que el agua llega a las turbinas con una presión adecuada para mover sus álabes.
  • Turbinas hidráulicas: La turbina hidráulica es el elemento esencial de la central, que aprovecha la energía cinética y potencial contenida en el agua, y la transforma en movimiento de rotación, que transferido al generador mediante un eje produce energía eléctrica.
  • El generador: Transforma la energía mecánica de rotación de la turbina, en energía eléctrica, y basa su funcionamiento en la inducción electromagnética y en la Ley de Faraday, que dice que cuando un conductor eléctrico se mueve en un campo magnético genera una corriente eléctrica a través de el.
  • Equipo eléctrico general y línea: El equipamiento eléctrico es fundamental en una central hidroeléctrica, sus funciones principales consisten en transformar la tensión, medir los distintos parámetros de la corriente eléctrica, realizar la conexión a la línea de salida y distribuir de la energía producida.
  • Sistemas auxiliares: Los más comunes son el alumbrado de emergencia, los sistemas de ventilación, refrigeración y contra incendios, las baterías de condensadores, el caudalímetro, las rejas…
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