Centrales Hidroeléctricas: Tipos, Funcionamiento y Componentes

Tipos de Centrales Hidroeléctricas

Central de Agua Fluyente

Estas centrales captan una parte del caudal del río, lo trasladan hacia la central y, una vez utilizado, lo devuelven al río. Dependen de la hidrología, por lo que no se regula el caudal (siendo problemático tanto el exceso como el defecto). Los conductos se diseñan con poca pendiente para reducir la velocidad y, por ende, las pérdidas. Presentan un pequeño salto útil, y la potencia está determinada por el caudal del río.

Elementos de las centrales (no siempre están presentes, dependiendo de la geografía):

Azud: Pequeño sistema de almacenamiento que regula parcialmente la conducción de agua hacia la central.
Toma: Elemento a través del cual se inicia la conducción del agua hacia la central.
Canal de derivación: Comienza en la toma y conduce el agua hasta el siguiente elemento. Estos canales suelen ser a cielo abierto.
Cámara de carga: Cámara anterior a la central que evita que el fluido tenga un régimen turbulento al llegar a la turbina.
Tubería forzada: Conducto cerrado por el que el agua se dirige hacia la entrada de la turbina.
Edificio central: Aloja los equipos mecánicos y electrónicos.
Canal de descarga: Conducto a través del cual se devuelve el agua al cauce natural.
Subestación y línea eléctrica: Una vez generada, la energía eléctrica se modifica en un transformador. Además, existen varios equipos auxiliares necesarios para el funcionamiento de la central.

Central de Pie de Presa

Se instalan donde es posible construir un embalse. La toma de agua se encuentra en la parte inferior de la presa. Estas centrales permiten regular los caudales de entrada a la turbina, optimizando su uso según la demanda. La regulación puede ser:

Horaria: Almacenamiento nocturno y uso diurno.
Diaria.
Semanal: Funcionamiento en días laborables y llenado durante los fines de semana.

En las minicentrales hidráulicas, el volumen almacenado es reducido y, a veces, no puede ser gestionado por la central. En estos casos, la mejor opción es vender a tarifa, para recibir un precio constante. Si el caudal es gestionado por la central, puede ser más rentable vender a mercado, operando a determinadas horas.

La confederación hidrográfica de la cuenca decide la apertura o no del embalse a petición de los afectados, respetando siempre el abastecimiento de las poblaciones. Las empresas concesionarias suelen tener voz, pero no voto, en estas decisiones, debiendo acatar lo que la confederación decida.

Equipamiento (cuando la presa ya está construida):

Adaptación o construcción de las conducciones de la presa.
Toma de agua con compuerta y reja.
Tubería forzada hasta la central.
Edificio central y equipamiento electromecánico.
Subestación y línea eléctrica.

Central en Canal de Riego

Existen dos tipos:

Aprovechamiento de un desnivel existente en el canal: Se instala una tubería forzada, desdoblada del canal de riego, que comunica el agua hasta la admisión de la turbina. Una vez transformada la energía hidráulica en mecánica y, posteriormente, en eléctrica, el agua se devuelve al curso para su uso principal.
Aprovechamiento de un desnivel existente entre el canal y el cauce de un río cercano: Las conducciones se realizan desde la toma del canal hasta la central (generalmente cerca del curso del río), donde el agua es conducida tras pasar por la turbina.

Obras y equipamientos:

Acceso de las conducciones hacia la central desde el canal.
Tubería forzada.
Edificio de la central.
Conducción de reincorporación de las aguas al cauce del río.
Subestación y línea eléctrica.

Ventajas y Desventajas de las Minicentrales Hidráulicas

Ventajas Ambientales

Uso no nocivo del agua: El agua utilizada se devuelve al río.
Carácter autóctono: No depende de otros países.
Energía limpia: No produce residuos ni emite gases de efecto invernadero.
Generación distribuida: Suelen estar cerca de los puntos de consumo, evitando pérdidas en el transporte.
Reducidos impactos ambientales, que además pueden ser mitigados.
Energía inagotable.
Control del riesgo de inundaciones.

Ventajas Sociales

Creación de empleo: Genera cinco veces más puestos de trabajo que las fuentes de energía convencionales.
Desarrollo de zonas rurales.

Inconvenientes

La construcción y puesta en marcha requieren inversiones significativas. Además, los emplazamientos adecuados para construir centrales hidroeléctricas en condiciones económicas favorables son limitados.
Las presas pueden ser obstáculos insalvables para especies migratorias, como los salmones, que necesitan remontar los ríos para desovar. Los embalses también afectan a los cauces, provocando erosión y alterando el ecosistema local.
Empobrecimiento del agua: El agua embalsada puede tener diferentes condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura y nutrientes en comparación con el agua que fluye libremente. Los sedimentos se acumulan en el embalse, afectando al tramo del río hasta la desembocadura. Además, puede reducir el caudal mínimo del río, especialmente en épocas secas.
Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, lo que implica la necesidad de transportar la energía eléctrica a través de costosas redes de distribución.

Definición de Salto Bruto, Útil y Neto

Salto bruto (Hb): Altura existente entre el punto de la toma de agua del azud y el punto de descarga del caudal turbinado al río.
Salto útil (Hu): Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cámara de carga y el nivel de desagüe en la turbina.
Salto neto (Hn): Diferencia entre el salto útil y las pérdidas de carga producidas a lo largo de todas las conducciones. Representa la máxima energía disponible.

Turbinas Hidráulicas

Turbinas de Acción

Turbina Pelton

Utiliza saltos elevados con poco caudal. Permite un amplio rango de caudales. Está formada por un rodete móvil con álabes de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido por inyectores que apuntan a los álabes. La potencia se regula mediante los inyectores, que controlan el caudal. Los deflectores se emplean para paradas de emergencia, dirigiendo el chorro hacia el desagüe. Se pueden instalar con eje horizontal (1-2 inyectores) o vertical (más de 2 inyectores). Su rendimiento supera el 90% en condiciones de diseño.

Turbina Ossberger

(También conocida como Turbina de Flujo Cruzado, Banki-Michell o de Doble Impulsión). Está formada por un inyector rectangular con dos álabes longitudinales que regulan y orientan el caudal hacia las palas (álabes) del rodete. Los álabes directrices pueden servir de cierre en saltos de poca altura. Se limpia automáticamente: la suciedad que entra entre los álabes se expulsa con el agua gracias a la fuerza centrífuga. Permite un rango de aplicación muy amplio, con saltos desde 1 a 200 metros y caudales muy variables. Su rendimiento aproximado es del 85%.

Turbinas de Reacción

Turbina Francis

Se adapta a una gran variedad de saltos y caudales. Recibe el fluido de agua en dirección radial y, a medida que el agua recorre la máquina hacia la salida, se convierte en dirección axial. Su rendimiento supera el 90% en condiciones óptimas. Tiene un amplio rango de aplicación, tanto en caudales como en saltos (10 a más de 100 metros). Es muy utilizada a nivel mundial.

Componentes de las instalaciones:

Cámara de entrada (abierta o cerrada) con forma de espiral: Parte de la presión del fluido se transforma en energía cinética, dirigiendo el fluido hacia el distribuidor.
Distribuidor: Con álabes fijos y móviles que orientan el agua hacia el rodete.
Rodete: Coronado con paletas fijas que cambian la dirección del fluido de radial a axial.
Tubo de aspiración: Mantiene la diferencia de presiones.

Turbina Kaplan

(También conocida como Hélice o Semikaplan). Las instalaciones están formadas por una cámara de entrada (abierta o cerrada), un distribuidor fijo, un rodete con 4 o 5 palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de aspiración. Las turbinas Kaplan y Semikaplan tienen un rodete con palas que permiten diferentes ángulos de regulación, lo que las hace muy ajustables y adaptables a diversos caudales. Las Kaplan modifican los ángulos de los álabes del distribuidor y del rodete, mientras que las Semikaplan solo modifican los del rodete. La turbina Kaplan, con su distribuidor regulable, ofrece mejores rendimientos, pero es más compleja y costosa. Su rendimiento supera el 90%. Es adecuada para saltos pequeños y caudales variables o grandes.

Suelen ser de eje vertical, aunque a veces se instalan en horizontal, denominándose:

Tubular o en “S”: Pueden ser horizontales, inclinadas o verticales. Su rendimiento es ligeramente superior al de las Kaplan.
Bulbo: El generador está inmerso y protegido por una carcasa impermeable. El rendimiento es algo superior a las tubulares. Requiere menor obra civil, pero los equipos son más complejos y el mantenimiento es más difícil.