Las centrales hidroeléctricas

La energía hidráulica se obtiene en las centrales hidroeléctricas, las cuales son instalaciones que permiten aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores.

Tipos de centrales 

Dependiendo de la potencia que son capaces de generar, se pueden agrupar en:

1. Centrales hidráulicas de gran potencia: son aquellas capaces de producir más de 10MW de potencia eléctrica, se sitúan en las cuencas de los ríos con grandes caudales.
2. Minicentrales hidráulicas: producen entre 1MW y 10MW.
3. Microcentrales hidroeléctricas: no generan más de 1MW de potencia, han sido la base para la producción de electricidad para pueblos pequeños y empresas localizados en las proximidades de los ríos.

Las centrales, según el método para transportar el agua se clasifican en:

1. Centrales de bombeo puro: poseen dos embalses, uno superior de gran tamaño y otro natural y muy pequeño, y una bomba que impulsa el agua hacia el embalse superior. Cuando la demanda energética es alta, la central funciona de manera normal, el agua del embalse superior pasa por las tuberías hasta llegar a la turbina, haciéndola girar y generando electricidad mediante el uso de alternadores y generadores; en cambio, cuando la demanda es baja utiliza la energía sobrante de la propia central o la de centrales térmicas o nucleares cercanas para bombear el agua localizada en el embalse inferior al superior.
2. Centrales de bombeo mixtas: constan de los mismos elementos que la de bombeo puro, salvo que por el embalse superior de ésta pasa un río. Por lo tanto, en ésta no es necesario bombear agua al embalse superior, ya que está alimentado por el agua del río; solamente cuando haya un excedente de energía y el caudal del río sea pequeño se podrá bombear agua del inferior al superior. 

Y según la altura del salto de agua, pueden ser:

1. De alta presión: constan de un salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Utilizan caudales relativamente pequeños de 20m³/s por turbina. Están situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes. Se utilizan las turbinas Pelton y Francis
2. Centrales de media presión: poseen saltos hidráulicos de entre 200 - 20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200 m³/s por turbina. Se dan en valles de media montaña, dependen de embalses. Se utilizan las turbinas Francis y Kaplan.
3. Centrales de baja presión: sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300 m³/s. Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan.

Partes de una central

• El embalse, volumen de agua que queda retenido, de forma artificial, por la presa. Se suele colocar en un lugar adecuado geológica y topográficamente.
• Una presa, una barrera fabricada con hormigón o piedra 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, almacenándola en un embalse. Según su diseño pueden ser:

De gravedad: Las presas de gravedad son estructuras de hormigón de sección triangular, formando un ángulo recto entre la base y el lado del embalse. La base es ancha y se va estrechando hacia la parte superior; la cara que da al embalse es prácticamente vertical. La estabilidad de estas presas radica en su propio peso. Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menor mantenimiento. 

De bóveda: Este tipo de presa utiliza los fundamentos teóricos de la bóveda. La curvatura presenta una convexidad dirigida hacia el embalse, con el fin de que la carga se distribuya por toda la presa hacia los extremos, “clavándose” en los laterales de la montaña. Es más barata que la de gravedad teniendo la misma estabilidad.

De contrafuertes: Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. Estas presas requieren sólo el 35-50% de hormigón que necesita una de gravedad, pero el coste de la instalación suele equivaler al ahorro de material de construcción.

De tierra: son presas construidas con materiales naturales como la tierra y la piedra que debido a su escasa estabilidad, requieren de una base asentada sobre un terreno bien cimentado. Su base es entre cuatro y siete veces mayor que su altura son más baratas que el resto de presas debido a la obtención de los materiales.

• Una turbina, una turbo-máquina motora hidráulica que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación. Su componente más importante es el rotor, que tiene una serie de palas que son impulsadas por la fuerza producida por el agua en movimiento, haciéndolo girar. Se pueden clasificar en dos grupos: 

1. Turbinas de acción: son aquellas en las que la energía de presión del agua se transforma completamente en energía cinética. Tienen como característica principal que el agua tiene la máxima presión en la entrada y la salida del rodillo.
2. Turbinas de reacción: son las turbinas en que solamente una parte de la energía de presión del agua se transforma en energía cinética. En este tipo de turbinas, el agua tiene una presión más pequeña en la salida que en la entrada.

Estas son las tres turbinas más usadas actualmente:

Turbina Pelton (1870): es una de las más eficientes energéticamente (rendimiento 90%), consiste en una rueda que está rodeada por una serie de palas o cucharas que son las encargadas de soportar la caida del agua. Se suele utilizar para saltos de agua de poco caudal y más de 100 metros. Las Pelton son unas turbinas de flujo transversal.

 

Turbina Kaplan (1910): en este caso estamos ante una turbina de flujo axial con un rendimiento del 93 al 95%, con una forma muy parecida a la hélice de un barco. Tiene la peculiaridad de que sus hélices son regulables, por lo tanto se adapta a diferentes saltos de agua y caudales. Se emplea para saltos de agua inferiores a 25 metros y de mucho caudal.

Turbina Francis: es la más utilizada en las centrales hidroeléctricas, ya que su diseño permite adaptarse a los caudales de agua y a los diferentes saltos de agua. Además, es la más eficiente energéticamente. En su caso, el flujo es mixto, a medio camino entre la Kaplan y la Pelton.

• Tomas de agua: las tomas de agua son construcciones que permiten recoger el agua para llevarla hasta las turbinas por medios de canales o tuberías, poseen unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas y rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.
• Tubería de presión o forzada: 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 que lleva el agua directamente a la turbina. 
• 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. Tipos de desagüe: los aliviaderos de superficie y los desagües de fondo o medio fondo.

• Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar el golpe de ariete.

• Alternador: tipo de generador eléctrico destinado a transformar la energía mecánica en eléctrica.
• Sala de turbinas: se encuentran los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica (Conjunto turbina y generador), así como los elementos de regulación y funcionamiento. Según la disposición general de la casa de máquinas, las centrales se pueden clasificar en: Centrales al Exterior y Centrales Subterráneas.

 

• Transformadores: 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 para el transporte de electricidad: 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.

El siguiente vídeo explica las partes de una central hidroeléctrica: