Hidráulica, Energia FÍS.

Categoria:

Física

1. Conceptos generales. Es la e. producida por el movimiento de masas de agua. El origen de esta e. es doble: 1) por evaporación del agua contenida en la hidrosfera y su posterior precipitación en lluvia, nieve, etc., constituyendo corrientes de agua que fluyen por gravedad; 2) por movimiento de subida y bajada de las mareas, provocadas por la gravitación lunar y solar. La potencia hidráulica estimada, teóricamente aprovechable, es la siguiente:Por caídadegravedad.........40 - 109 Kw.

Por movimiento de las mareas ...10 - 109 Kw.

En el estado actual de la técnica, sólo es posible aprovechar un 3% de las cifras anteriores, es decir, 1,5109 Kw. Aunque todavía no se dispone de datos exactos, puede considerarse que la potencia total de origen hidráulico instalada en el mundo es, para 1972, de unos 200 millones de Kw. Suponiendo un factor de utilización de 0,5 y un rendimiento global de 0,8, en 1972 se produjeron unos 9. 1011 Kwh, lo que equivale al 6.% del total de e. producida en el mundo en dicho año. Los países con más reservas de e. h. son:Zaire (cuenca del Congo), Unión Soviética (cuencas del Obi, Yenisei y Lena), China (cuenca del Yang-tse-kiang) y Brasil (cuenca del Amazonas). En España, los datos de 1970 son de 10,9 millones de Kw de potencia instalada (5% de la mundial), con una producción de e. de 28.109 Kwh (3,5% de la mundial).

2. Energía hidráulica por caída de gravedad. El agua de los ríos tiene una e. cinética (v. DINÁMICA) que depende de la velocidad v del agua, la que, a su vez, es función de la diferencia de alturas H según la expresión v= %/2gH.

Por otro lado, esta e. cinética es también proporcional al gasto o caudal Q, es decir, a la cantidad de agua que pasa por segundo por un punto determinado. La diferencia de alturas H (expresada en metros) y el caudal Q (expresado en m3/seg.) constituyen los parámetros fundamentales de los sistemas energéticos hidráulicos. Además, la rugosidad del cauce constituye una resistencia al movimiento del agua, de lo que resulta una disminución de la e. cinética disponible; las pérdidas de e. debidas a esta circunstancia se expresan también en metros, es decir, se supone que disminuye la diferencia de alturas útil.

El aprovechamiento de la e. h. no hubiera sido posible sin la conversión de la e. cinética del agua en e. mecánica en las turbinas hidráulicas (v. TURBINAS II) y la posterior conversión de esta e. mecánica en e. eléctrica, por medio de los generadores eléctricos (v. GENERADORES Y MOTORES I), ya que la e. eléctrica puede transportarse a largas distancias, lo que ha permitido aumentar extraordinariamente el radio de acción de los sistemas energéticos hidráulicos. El conjunto turbinas hidráulicas-generadores eléctricos, y sus elementos auxiliares, constituyen una central hidroeléctrica.

El aprovechamiento de la e. h. puede efectuarse de dos maneras:a) Aprovechando el propio desnivel de la corriente de agua, derivando ésta por un canal de derivación lateral, con menor rugosidad y menor pendiente que el cauce primitivo; con esto, la diferencia de nivel entre las aguas del canal y el cauce del río iría aumentando a medida que fuese mayor la longitud del canal; en un punto apropiado, se puede pasar este caudal de agua por turbinas hidráulicas que transformarán la e. potencial del agua en e. actual, devolviendo después el agua al río.

b) Provocando un desnivel artificial, por atajamiento de la corriente mediante una presa (v.); en este caso, aguas arriba de la presa aumenta la sección en contacto con el agua, disminuye la velocidad necesaria del agua para dejar pasar el caudal del río y, por tanto, la pendiente necesaria para obtener dicha velocidad es menor que la que tenía la corriente. De esta manera se obtiene un embalse o pantano.

Con las dos soluciones citadas se obtiene un salto de agua, es decir, un desnivel aprovechable. Caben, además, soluciones mixtas, que son las más empleadas: p. ej., se ataja el río con una presa que embalse las aguas y éstas se derivan junto a la presa, por medio de un canal que se prolonga hasta el punto conveniente en que se sitúa la central. De esta forma, el salto de agua se obtiene, en parte, por el desnivel artifical creado en la presa y, en parte, por la menor pendiente del canal respecto al cauce.

Actualmente se tiende a realizar grandes aprovechamientos con embalses de cabecera, que determinan la regulación anual del río, y embalses reguladores, situados en lugares apropiados, con los que se obtiene la regulación diaria o semanal. En conjunto, se pretende el aprovechamiento integral de un río o de una cuenca completa (es decir, un río y todos sus afluentes), mediante sucesivos saltos de agua, construidos en los sitios más convenientes (p. ej., en los lugares de mayor desnivel, o cuando el cauce es angosto y elevado, porque entonces la presa resulta de construcción más económica.

3. Centrales hidroeléctricas. La construcción de una central hidroeléctrica debe subordinarse siempre a la es. pecial situación del río, embalse, etc., cuya e. se pretende aprovechar. Por esta razón, existen muchos tipos diferentes de centrales, que pueden clasificarse como sigue:1) De alta presión. Pequeños caudales de agua y alturas de salto superiores a 200 m.

2) De media presión. Medianos caudales de agua y alturas de salto comprendidas entre 20 y 200 m.

3) De baja presión. Grandes caudales de agua y alturas de salto inferiores a 20 m.

También pueden clasificarse en:a) De agua corriente, que se construyen en los sitios en que la e. h. disponible puede utilizarse directamentepara reaccionar las turbinas. Generalmente son de baja presión.

b) De agua embalsada, en las que se construye un embalse artificial o pantano para acumular el agua, que se aprovecha en la central según necesidad. Generalmente el embalse se consigue por medio de una presa, situada en un lugar apropiado del río (p. ej., en sitios angostos y de márgenes rocosas).

Constitución general de una central hidroeléctrica. En los saltos menores de 12 m., el agua desemboca directamente en la cámara de turbinas y en los de mayor altura termina en un ensanchamiento llamado cámara de presión, desde donde parte la tubería de presión que, en conducción forzada, lleva el agua a las turbinas. A la salida de éstas, el agua pasa a un canal de desagüe que la conduce nuevamente al río. Ésta es la disposición más general para una central hidroeléctrica (fig. 1) y se emplea en centrales de media y baja presión para agua corriente o para agua embalsada; en este último caso, la presa debe estar proyectada para soportar mayores presiones, ya que el empuje del agua es mucho mayor.

En la fig. 2 se expresa otra disposición que permite el aprovechamiento hidráulico en todas las épocas del año. Está constituida por una presa para embalsar las aguas en épocas de abundancia y regular la corriente; derivada directamente de la presa, se dispone una galería de presión, generalmente de gran longitud, la cual termina en un depósito de compensación o chimenea de equilibrio, destinado a absorber las variaciones bruscas de presión producidas en el sistema hidráulico (golpes de ariete) por las variaciones de carga en las turbinas. A continuación se dispone la tubería de presión, que conduce a la cámara de turbinas de la central. Esta disposición se emplea, sobre todo, para centrales de gran presión y agua embalsada.

Muchas veces, las circunstancias locales de relieve del terreno, de la corriente de agua o de la explotación de la e. captada, permiten suprimir algunas de las construcciones citadas en los dos casos anteriores. A continuación, se citan algunas de estas disposiciones: sin canal de derivación, en el que la tubería de presión arranca directamente desde la presa; sin canal de desagüe, en que el agua vierte directamente al río desde la cámara de turbinas; sin canal de derivación ni tubería de presión, frecuente en los saltos de pequeña altura, determinados solamente por la presa y en los que la central, propiamente dicha, está directamente adosada a la presa; centrales de pie de presa, en las que no hay canal de derivación, ni tubería de presión, ni canal de desagüe, lo que simplifica la construcción de la central, que forma conjunto con la presa; estas últimas centrales se construyen para baja presión y agua corriente.

4. Aprovechamiento hidroeléctrico de un río en uno o varios escalones. En un largo tramo del río, debe estudiarse si es preferible aprovechar totalmente el desnivel en una sola o en varias centrales, dividiendo el tramo total en varios tramos parciales de menor altura. Desde el punto de vista de la construcción e instalación de maquinaria, es más económica la solución de una central. Pero, para que resulte económico también en los gastos de explotación y de financiación, es necesario que el mercado de consumo esté en disposición de utilizar toda o la mayor parte de e. producida. Por esta razón, con frecuencia el aprovechamiento hidroeléctrico global de un río se realiza en varios escalones.

5. Aprovechamiento hidroeléctrico de una cuenca fluvial. Cuando en el tramo aprovechable de un río confluyen uno o más afluentes, muchas veces se incluyen éstos en el aprovechamiento global, con lo que se obtiene un mejor rendimiento conjunto. Puede realizarse de dos formas:a) Cuenca fluvial con varias centrales (fig. 3) que es el caso más común en la práctica. Cada uno de los ríos de la cuenca tiene sus propias instalaciones de canales, cámaras de presión y tuberías forzadas; algunas veces las presas correspondientes a dos o más ríos se sitúan en lugares adecuados para que los canales de derivación terminen en una cámara de presión común; la tubería de presión es también común y, por tanto, sólo se necesita una central.

b) Cuenca fluvial con una sola central (fig. 4), en que el canal de derivación va por la ladera, recogiendo las aguas de los afluentes que confluyen en el río principal por dicha ladera. Los afluentes de la ladera opuesta pueden llevar sus aguas a dicho canal por medio de sifones o de acueductos que salven la depresión del río.

Como ejemplo, presentamos en las figs. 5a y 5b el esquema de planta y alzado del proyecto del aprovechamiento integral del río Narcea y sus afluentes, actualmente en construcción por la firma Hidroeléctrica de Moncabril, con 334.125 Kw. de potencia total instalada; el conjunto comprende también una central térmica de 237.750 Kw., que actúa como central de reserva, para suministrar energía eléctrica en las épocas de estiaje.

6. Altura de salto aprovechable. En las centrales hidroeléctricas no se aprovecha toda la altura del salto: existen pérdidas de altura debidas a los rozamientos en el canal de derivación, cámara de presión, tubería de presión, canal de desagüe, etc.; además, se considera también pérdida de salto a las pérdidas mecánicas en la turbina. Por estas razones, cabe distinguir:Salto total. Diferencia entre las cotas máxima y mínima del salto, correspondientes, respectivamente, al sitio donde se inicia el salto y aquel en que se realiza el desagüe.

Salto bruto o salto disponible. Diferencia de niveles de agua entre la cámara de presión y el final del tubo de aspiración.

Salto neto. El efectivamente utilizado por las turbinas y resultante de la diferencia entre el salto bruto y la pérdida de altura debida a la tubería de presión, a la turbina y al tubo de aspiración.

7. Potencia de un salto de agua. La potencia teórica de un salto de agua está expresada porPT=1.000 QH Kgm/seg,siendo Q=caudal en m3 y H=salto bruto o disponible en m. Recordando que 1 CV=75 Kgm/seg.

1.000 QHPT= 75 CVLlamando nT al rendimiento de la turbina, la potencia en el eje del generador eléctrico es1.000 QHPc=75nT CVLlamando nc al rendimiento del generador, la potencia eléctrica suministrada por éste es1.000 QHP=-nTnc CV 75Con gran aproximación, se tiene que n=nTnc = 0,75y, por tanto, la potencia eléctrica disponible en los bornes del generador es1.000 QHP -0,75 = 10 QH CV 75Recordando que 1 Kw=1,34 CV 10P -QH - 7,4 QH Kw. 1,348. Características de carga de una central. Para determinar las características de carga de una central hidroeléctrica se han de tener en cuenta muchos factores, entre los que pueden citarse: a) exigencias presentes y futuras del mercado; b) salto utilizable; c) caudal del río en los diferentes años y en las diversas épocas del año; d) posibilidad de regulación; e) coste de las obras; f) coste dela energía producida; g) importancia de las puntas en las curvas de consumo, etc. El problema es, por tanto, bastante complejo. A este respecto, deben definirse los siguientes conceptos:Potencia instalada. Llamada también carga instalada, es la suma total de las potencias nominales de todos los receptores de energía conectados con la red que alimenta la central.

Factor de carga. Está definido por la relación Potencia media en KVAm =-Potencia máxima en KVAUna central trabaja en tanto mejores condiciones cuanto más cercano a la unidad es su factor de carga. En la práctica se tienem=0,15, ..., 0,5correspondiendo los valores más elevados a las centrales de gran potencia.

Factor de demanda. Definido por la relación Demanda máxima en KVA a=Potencia instalada en KVAEn la prácticaa = 0, 2-- 0, 5(valores más elevados, para centrales de gran potencia). Factor de instalación. Llamado también factor de simultaneidad, está relacionado con el anterior, ya que una central se proyecta para suministrar una demanda determinada. Está definido por la relaciónPotencia total de la central en KVAb=Potencia instalada en KVATéngase en cuenta que casi nunca se proyecta una central para el total de la potencia instalada en la red, ya que, estadísticamente, es imposible que todos los receptores estén conectados simultáneamente. En la práctica, b=0,2, ..., 0,5(valores más elevados, para centrales de gran potencia). Utilización anual. Es el número de horas anuales que debería trabajar la instalación a su plena carga, para que la e. producida fuese igual a la que la central produce, trabajando a cargas variables. Así, p. ej., si una central de 20.000 Kw. ha producido en un año 65.106 Kwh con cargas variables que dependen de diversas causas (tales como la demanda de los consumidores), la utilización anual de esta central es65.106_3.250 h.

2-104lo que quiere decir que, para suministrar esa e. funcionando a régimen de plena carga, hubiera debido trabajar 3.250 h. al año. Una central trabaja en tanto mejores condiciones cuanto mayor es su utilización anual. En la práctica, se obtienen valores comprendidos entre 1.500 h. (pequeñas centrales) y 5.000 h. (grandes centrales).

Factor de utilización. Definido porn.° de horas de utilización anualc=n.° total de horas del añoEn la práctica,c=0,15, ..., 0,55 (valores más elevados, para centrales de gran potencia).

Factor de utilización hidráulica. Definido por Volumen de agua anual en las turbinas Volumen de agua anual total Naturalmente, lo ideal sería que la relación anterior fuese igual a la unidad, es decir, que todo el agua embalsada produjese e. útil. Esto no es posible en la práctica, pues las épocas de mayor caudal no siempre coinciden con las épocas de mayor demanda de e. Para aumentar el factor f se puede embalsar el agua sobrante en las épocas de menor consumo y tenerla disponible para cuando la demanda sea mayor. Es decir, debe realizarse una regulación del aprovechamiento hidroeléctrico, que puede ser: Regulación anual: se embalsa el caudal sobrante en riadas y épocas de abundancia, para cederlo en las épocas de escasez. Generalmente, se efectúa por medio de grandes pantanos o embalses de cabecera, situados en el curso superior de los ríos, que almacenan el agua durante la primavera, en la época de deshielo, para cederla durante los estiajes. Muchas veces estos embalses de cabecera regulan el suministro anual de varias centrales que aprovechan las aguas del río. Casi siempre, estos embalses son artificiales, pero algunas veces se aprovechan los lagos de montaña como depósitos de regulación anual, conectando estos lagos entre sí y trasvasando después el agua a un canal de derivación.

Regulación semanal: se embalsa el agua sobrante durante la semana, especialmente en los domingos y días festivos, para cederla los demás días.

Regulación diaria: coordina durante el día el caudal disponible para las necesidades de consumo en este tiempo.

9. Centrales de acumulación. En la fig. 6 se representa el gráfico de carga diario de una región industrial. Como puede apreciarse, la e. suministrada por las centrales térmicas e hidráulicas de la zona, unas veces cubren con exceso las demandas de e. y otras resultan insuficientes para suministrar la e. necesaria; en estos casos, con frecuencia se instalan centrales térmicas de reserva para cubrir la demanda en las horas punta. Pero, cuando las circunstancias lo permiten, puede también emplearse la e. sobrante en bombear el agua de lagos o ríos a grandes depósitos acumuladores, naturales o artificiales, desde donde se conduce el agua a las turbinas de una central para proporcionar e. durante las puntas de carga. Se denominan centrales hidroeléctricas de acumulación a las que acumulan el agua en las horas de poco consumo, bombeándola hasta un depósito elevado, para aprovechar la altura de salto en las horas de punta de carga. Tienen, por tanto, una doble misión: cubrir las puntas de carga y acumular e. h. en los periodos de escaso consumo.

En la fig. 7 se muestra la disposición general de una central de acumulación. El agua del río, atajada por la presa, es conducida por un canal de derivación hasta la casa de máquinas donde acciona las turbinas, para volver al río por el canal de desagüe. Durante las horas de mínima carga, la e. sobrante se emplea en bombear el agua en la casa de máquinas, por la tubería forzada hasta el depósito de acumulación, donde se almacena. En las horas de punta de carga, el agua acumulada se hace descender por la tubería forzada hasta la casa de máquinas, donde acciona las turbinas.

El equipo electromecánico de una central de acumulación consta de un generador eléctrico accionado por una turbina Francis o Pelton; sobre el mismo eje está montada una bomba de acumulación. Durante el servicio normal, la turbina acciona el generador, con la bomba desacoplada; durante el servicio de bombeo, se acopla la bomba y se acciona por el generador, que en este caso se hace funcionar como motor síncrono. En ocasiones se dispone una bomba-turbina que actúa, alternativamente, como bomba y como turbina.

10. Energía hidráulica por movimiento de las mareas. Una parte de la e. cinética de rotación de la Tierra se muestra bajo la forma de mareas oceánicas. Solamente una pequeña parte de esta e. es aprovechable y, aunque se han realizado diversos ensayos, actualmente la única central mareomotriz en funcionamiento en el mundo es la del río Rance (Francia). En ella se cierra el estuario del río Rance por medio de un dique provisto de compuertas. Cuando sube la marea, se abren las compuertas y se llena el embalse, que se vacía durante la marea descendente; en ambos casos, la diferencia de nivel hidráulico a uno y otro lado del dique (que es de unos 11 m.), provoca el giro de 24 grupos turbina Kaplan-alternador que, por tanto, son reversibles; su potencia total máxima es de 240.000 Kw., ampliable hasta 320.000. Estos grupos pueden actuar también bombeando agua de uno a otro lado del dique, según necesidades, en las horas de poco consumo. En resumen, se pueden obtener cinco tipos de funcionamiento: 1) El agua entra en el embalse (flujo) haciendo girar las turbinas, que suministran e. a la red. 2) Al final de la marea ascendente se recibe e. de la red para que las turbinas continúen en funcionamiento, provocando un sobrellenado del embalse. 3) El agua se vierte al mar (reflujo) haciendo girar las turbinas, que suministran energía. 4) Las turbinas reciben e., provocando el sobrevaciado del embalse. 5) Se sitúan las palas de las turbinas de forma que dejen paso libre al agua y las turbinas quedan en reposo.

En el futuro se cree’ que las centrales mareomotrices, que pueden funcionar como bombas o como turbinas, funcionarán como centrales de reserva de e. para las grandes centrales nucleares.

V. t.:ENERGÍA;ELÉCTRICA,ENERGÍA;FLUIDOS;PRESAS; TRANSPORTE DE FLUIDOS; GENERADORES Y MOTORES I.

J. RAMÍREZ VÁZQUEZ.

BIBL.: 1. RAMÍREZ y OTROS, Enciclopedia CEAC de Electricidad, V (Máquinas motrices), VI (Centrales eléctricas), Barcelona 1972; G. ZOPPETTI, Centrales hidroeléctricas, Barcelona 1965; TH. BUcHHOLD y H. HAPPOLDT, Centrales y redes eléctricas, Barcelona 1970; RUBIO SANJUÁN, Elementos de hidráulica general y aplicada, Barcelona 1971; H. ADDISON, Tratado de hidráulica aplicada, Barcelona 1954.