Central hidroeléctrica

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Central hidroeléctrica
Central hidroeléctrica.
Corte transversal de una represa hidroeléctrica.

En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda.

En general, estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.

Contenido

Aprovechamiento de la energía hidráulica

Los antiguos aprovechaban ya la energ√≠a del agua; utilizaban ruedas hidr√°ulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retras√≥ su aplicaci√≥n generalizada hasta el siglo XII. Durante la edad media, las enormes ruedas hidr√°ulicas de madera desarrollaban una potencia m√°xima de cincuenta caballos. La energ√≠a hidroel√©ctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil brit√°nico John Smeaton, que construy√≥ por vez primera grandes ruedas hidr√°ulicas de hierro colado. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revoluci√≥n Industrial. Impuls√≥ a las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcci√≥n de m√°quinas a principios del siglo XIX. Aunque las m√°quinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carb√≥n era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energ√≠a hidr√°ulica ayud√≥ al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y Am√©rica hasta la construcci√≥n de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carb√≥n a bajo precio. Las presas y los canales eran necesarios para la instalaci√≥n de ruedas hidr√°ulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. La construcci√≥n de grandes presas de contenci√≥n todav√≠a no era posible; el bajo caudal de agua durante el verano y el oto√Īo, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidr√°ulicas por m√°quinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carb√≥n.

Las formas más frecuentemente utilizadas para explotar la energía hidráulica son:

Desvío del cauce de agua

El principio fundamental de esta forma de aprovechamiento hidráulico de los ríos se basa en el hecho de que la velocidad del flujo de estos es básicamente constante a lo largo de su cauce, el cual siempre es descendente. Este hecho revela que la energía potencial no es íntegramente convertida en cinética como sucede en el caso de una masa en caída libre, la cual se acelera, sino que ésta es invertida en las llamadas pérdidas, es decir, la energía potencial se "pierde" en vencer las fuerzas de fricción con el suelo, en el transporte de partículas, en formar remolinos, etc.. Entonces esta energía potencial podría ser aprovechada si se pueden evitar las llamadas pérdidas y hacer pasar al agua a través de una turbina. El conjunto de obras que permiten el aprovechamiento de la energía anteriormente mencionada reciben el nombre de central hidroeléctrica o Hidráulica.

El balance de energía arriba descrito puede ser ilustrado mejor a través del principio de Bernoulli.

Interceptación de la corriente de agua

Este método consiste en la construcción de una presa de agua que retenga el cauce de agua causando un aumento del nivel del río en su parte anterior a la presa de agua, el cual podría eventualmente convertirse en un embalse. El dique establece una corriente de agua no uniforme y modifica la forma de la superficie de agua libre del río antes y después de éste, que toman forma de las llamadas curvas de remanso. El establecimiento de las curvas de remanso determinan un nuevo salto geodésico aprovechable de agua.

Características de una central hidroeléctrica

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son:

  • La potencia, que est√° en funci√≥n del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal m√°ximo turbinable, adem√°s de las caracter√≠sticas de las turbinas y de los generadores usados en la transformaci√≥n.
  • La energ√≠a garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un a√Īo, que est√° en funci√≥n del volumen √ļtil del embalse, y de la potencia instalada.

La potencia de una central puede variar desde unos pocos MW (megavatios), como en el caso de las minicentrales hidroel√©ctricas, hasta 14.000 MW como en Paraguay y Brasil donde se encuentra la segunda mayor central hidroel√©ctrica del mundo (la mayor es la Presa de las Tres Gargantas, en China, con una potencia de 22.500 MW), la Itaip√ļ que tiene 20 turbinas de 700 MW cada una.

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.

Un ejemplo de estas es el Proyecto Hidroel√©ctrico Palomino,[1] ubicado en las inmediaciones de los municipios de Padre Las Casas, Provincia Azua y Bohechio, Provincia San Juan, Rep√ļblica Dominicana, el proyecto hidroel√©ctrico Palomino le ahorrar√° al Pa√≠s alrededor de 400 mil barriles de petr√≥leo al a√Īo que, a la tasa actual, representa 60 millones de d√≥lares por ahorro de la factura petrolera.

Potencia de una central hidroeléctrica

La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:

P_e = \rho \cdot 9,81 \cdot\eta_t \cdot\eta_g \cdot\eta_m \cdot Q  \cdot H

donde:

  • Pe = potencia en vatios (W)
  • ŌĀ = densidad del fluido en kg/m¬≥
  • ő∑t = rendimiento de la turbina hidr√°ulica (entre 0,75 y 0,90)
  • ő∑g = rendimiento del generador el√©ctrico (entre 0,92 y 0,97)
  • ő∑m = rendimiento mec√°nico 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 f√≥rmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible.
  • Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.

Tipos de centrales hidroeléctricas

Seg√ļn su concepci√≥n arquitect√≥nica

  • Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta. Est√°n conectadas por medio de una tuber√≠a en presi√≥n.
  • Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de t√ļneles, tuber√≠as en presi√≥n, o por la combinaci√≥n de ambas.

Seg√ļn su r√©gimen de flujo

  • Centrales de agua fluyente.
También denominadas centrales de filo de agua o de pasada, utilizan parte del flujo de un río para generar energía eléctrica. Operan en forma continua porque no tienen capacidad para almacenar agua, no disponen de embalse. Turbinan el agua disponible en el momento, limitadamente a la capacidad instalada. En estos casos las turbinas pueden ser de eje vertical, cuando el río tiene una pendiente fuerte u horizontal cuando la pendiente del río es baja.
  • Centrales de embalse.
Es el tipo m√°s frecuente de central hidroel√©ctrica. Utilizan un embalse para reservar agua e ir graduando el agua que pasa por la turbina. Es posible generar energ√≠a durante todo el a√Īo si se dispone de reservas suficientes. Requieren una inversi√≥n mayor.
Una central hidroeléctrica reversible es una central hidroeléctrica que además de poder transformar la energía potencial del agua en electricidad, tiene la capacidad de hacerlo a la inversa, es decir, aumentar la energía potencial del agua (por ejemplo subiéndola a un embalse) consumiendo para ello energía eléctrica. De esta manera puede utilizarse como un método de almacenamiento de energía (una especie de batería gigante). Están concebidas para satisfacer la demanda energética en horas pico y almacenar energía en horas valle.
Aunque lo habitual es que esta centrales turbinen/bombeen el agua entre dos embalse a distinta altura, existe un caso particular llamado centrales de bombeo puro donde el embalse superior se sustituye por un gran dep√≥sito cuya √ļnica aportaci√≥n de agua es la que se bombea del embalse inferior.

Seg√ļn su altura de ca√≠da del agua

  • Centrales de alta presi√≥n
Que corresponden con el high head, y que son las centrales de más de 200 m de caída del agua, por lo que solía corresponder con centrales con turbinas Pelton.
  • Centrales de media presi√≥n
Son las centrales con caída del agua de 20 a 200 m, siendo dominante el uso de turbinas Francis, aunque también se puedan usar Kaplan.
  • Centrales de baja presi√≥n
Que corresponden con el low head, son centrales con desniveles de agua de menos de 20 m, siendo usadas las turbinas Kaplan.
  • Centrales de muy baja presi√≥n
Son centrales correspondientes con nuevas tecnologías, pues llega un momento en el cuál las turbinas Kaplan no son aptas para tan poco desnivel. Serían en inglés las very low head, y suelen situarse por debajo de los 4m..

Otros tipos de centrales hidroeléctricas

  • Centrales mareomotrices
Artículo principal: energía mareomotriz
Utilizan el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en zonas costeras donde la amplitud de la marea es amplia, y las condiciones morfológicas de la costa permiten la construcción de una presa que corta la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía.
  • Centrales mareomotrices sumergidas.
Utilizan la energ√≠a de las corrientes submarinas. En 2002, en Gran Breta√Īa se implement√≥ la primera de estas centrales a nivel experimental.
  • Centrales que aprovechan el movimiento de las olas.
Este tipo de central es objeto de investigación desde la década de los 80. A inicios de agosto de 1995, el "Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY)" construyó la primera central que utiliza la energía de las olas en el norte de Escocia. La potencia de esta central es de 2 MW. Lamentablemente fue destruida un mes más tarde por un temporal.

Los tipos de turbinas que hay son Francis, Turgo, Kaplan y Pelton. Para la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica.

Partes de una central hidr√°ulica

Funcionamiento

El tipo de funcionamiento de una central hidroel√©ctrica puede variar a lo largo de su vida √ļtil. Las centrales pueden operar en r√©gimen de:

  • generaci√≥n de energ√≠a de base;
  • generaci√≥n de energ√≠a en per√≠odos de punta. Estas a su vez se pueden dividir en:

La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región, o país, tiene una variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores, entre los que se destacan:

  • tipos de industrias existentes en la zona, y turnos que estas realizan en su producci√≥n;
  • tipo de cocina dom√©stica que se utiliza m√°s frecuentemente;
  • tipo de calentador de agua que se permite utilizar;
  • la estaci√≥n del a√Īo;
  • la hora del d√≠a en que se considera la demanda.

La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda, así, a medida que aumenta la potencia demandada deberá incrementarse el caudal turbinado, o iniciar la generación con unidades adicionales, en la misma central, e incluso iniciando la generación en centrales reservadas para estos períodos.

Impactos ambientales potenciales

Los potenciales impactos ambientales de los proyectos hidroeléctricos son siempre significativos. Sin embargo existen muchos factores que influyen en la necesidad de aplicar medidas de prevención en todo.

Principalmente:

La construcci√≥n y operaci√≥n de la represa y el embalse constituyen la fuente principal de impactos del proyecto hidroel√©ctrico.[2] Los proyectos de las represas de gran alcance pueden causar cambios ambientales irreversibles, en una √°rea geogr√°fica muy extensa; por eso, tienen el potencial de causar impactos importantes. Ha aumentado la cr√≠tica de estos proyectos durante la √ļltima d√©cada. Los cr√≠ticos m√°s severos sostienen que los costos sociales, ambientales y econ√≥micos de estas represas pesan m√°s que sus beneficios y que, por lo tanto, no se justifica la construcci√≥n de las represas grandes. Otros mencionan que, en algunos casos, los costos ambientales y sociales puede ser evitados o reducidos a un nivel aceptable, si se eval√ļan, cuidadosamente, los problemas potenciales y se implantan medidas correctivas que son costosas.

Algunas presas presentan fallos o errores de construcci√≥n como es el caso de la Presa Sabaneta,[3] ubicada en La Provincia San Juan, Rep√ļblica Dominicana. Esta presa ha presentado grandes inconvenientes en las temporadas cicl√≥nicas pasadas, producto de su poca capacidad de desag√ľe y tambi√©n a que su dos vertederos comienzan a operar despu√©s que el embalse est√° lleno.

El área de influencia de una represa se extiende desde los límites superiores del embalse hasta los esteros y las zonas costeras y costa afuera, e incluyen el embalse, la represa y la cuenca del río, aguas abajo de la represa. Hay impactos ambientales directos asociados con la construcción de la represa (p.ej., el polvo, la erosión, problemas con el material prestado y de los desechos), pero los impactos más importantes son el resultado del embalse del agua, la inundación de la tierra para formar el embalse, y la alteración del caudal de agua, aguas abajo. Estos efectos ejercen impactos directos en los suelos, la vegetación, la fauna y las tierras silvestres, la pesca, el clima y la población humana del área.

Los efectos indirectos de la represa incluyen los que se asocian con la construcción, el mantenimiento y el funcionamiento de la represa (p.ej., los caminos de acceso, los campamentos de construcción, las líneas de transmisión de energía) y el desarrollo de las actividades agrícolas, industriales o municipales que posibilita la represa.

Además de los efectos directos e indirectos de la construcción de la represa sobre el medio ambiente, se deberán considerar los efectos del medio ambiente sobre la represa. Los principales factores ambientales que afectan el funcionamiento y la vida de la represa son aquellos que se relacionan con el uso de la tierra, el agua y los otros recursos en las áreas de captación aguas arriba del reservorio (p.ej., la agricultura, la colonización, el desbroce del bosque) que pueden causar una mayor acumulación de limos, y cambios en la cantidad y calidad del agua del reservorio y del río. Se tratan estos aspectos en los estudios de ingeniería.


Manejo de la cuenca hidrogr√°fica

Es un fen√≥meno com√ļn, ver el aumento en la presi√≥n sobre las √°reas altas encima de la represa, como resultado del reasentamiento de la gente de las √°reas inundadas y la afluencia incontrolada de los reci√©n llegados al √°rea. Se degrada el medio ambiente del sitio, la calidad del agua se deteriora, y las tasas de sedimentaci√≥n del reservorio aumentan, a ra√≠z del desbroce del bosque para agricultura, la presi√≥n sobre los pastos, el uso de qu√≠micos agr√≠colas, y la tala de los √°rboles para madera o le√Īa. Asimismo, el uso del terreno de la cuenca alta afecta la calidad y cantidad del agua que ingresa al r√≠o. Por eso, es esencial que los proyectos de las represas sean planificados y manejados considerando el contexto global de la cuenca del r√≠o y los planes regionales de desarrollo, incluyendo, tanto las √°reas superiores de captaci√≥n, aguas arriba de la represa y la planicie de inundaci√≥n, como las √°reas de la cuenca hidrogr√°fica, aguas abajo.

Otros impactos ambientales

Los proyectos hidroeléctricos, necesariamente, implican la construcción de líneas de transmisión para transportar la energía a los centros de consumo.

Beneficio

El beneficio obvio del proyecto hidroeléctrico es la energía eléctrica, la misma que puede apoyar el desarrollo económico y mejorar la calidad de la vida en el área servida. Los proyectos hidroeléctricos requieren mucha mano de obra y ofrecen oportunidades de empleo. Los caminos y otras infraestructuras pueden dar a los pobladores mayor acceso a los mercados para sus productos, escuelas para sus hijos, cuidado de salud y otros servicios sociales.

Además, la generación de la energía hidroeléctrica proporciona una alternativa para la quema de los combustibles fósiles, o la energía nuclear, que permite satisfacer la demanda de energía sin producir agua caliente, emisiones atmosféricas, ceniza, desechos radioactivos ni emisiones de CO2.

Si el reservorio es, realmente, una instalaci√≥n de usos m√ļltiples, es decir, si los diferentes prop√≥sitos declarados en el an√°lisis econ√≥mico no son, mutuamente, inconsistentes, los otros beneficios pueden incluir el control de las inundaciones y la provisi√≥n de un suministro de agua m√°s confiable y de m√°s alta calidad para riego, y uso dom√©stico e industrial.

La intensificación de la agricultura, localmente, mediante el uso del riego, puede, a su vez, reducir la presión que existe sobre los bosques primarios, los hábitats intactos de la fauna, y las áreas en otras partes que no sean adecuadas para la agricultura. Asimismo, las represas pueden crear pesca en el reservorio y posibilidades para producción agrícola en el área del reservorio que pueden más que compensar las pérdidas sufridas por estos sectores debido a su construcción.

Véase también

Referencias

  1. ‚ÜĎ Complejo Hidroel√©ctrico Palomino
  2. ‚ÜĎ Libro de Consulta para Evaluaci√≥n Ambiental (Volumen I; II y III). Trabajos T√©cnicos del Departamento de Medio Ambiente del Banco Mundial
  3. ‚ÜĎ Complejo Hidroel√©ctrico Sabaneta

Bibliografía

  • MATAIX, Claudio. Turbom√°quinas Hidr√°ulicas.
  • CAPUTO, Carmelo. Gli Impianti convertitori di Energ√≠a.
  • Manuale dell'Ingegnere. Edici√≥n 81. Editado por Ulrico Hoepli, Milano, 1987. ISBN 88-203-1430-4
  • Handbook of Applied Hydraulics. Library of Congress Catalog Card Number 67-25809.
  • Engenharia de Recursos H√≠dricos. Ray K.Linsley & Joseph B. Franzini. Editora da Universidade de Sao Paulo e Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. 1978.
  • Handbook of Applied Hydrology. A Compendium of Water-resources Tecnology. Ven Te Chow, Ph.D., Editor in Chief. Editora McGraw-Hill Book Company. ISBN 07-010774-2. 1964.
  • Hidr√°ulica de los Canales Abiertos. Ven Te Chow. Editorial Diana, M√©xico, 1983. ISBN 968-13-1327-5

Enlaces externos

Wikilibros


Wikimedia foundation. 2010.

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