Central hidroeléctrica

¿Qué es una central hidroeléctrica?

Una central hidroeléctrica aprovecha las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica renovable. Para ello, utiliza turbinas acopladas a los alternadores. Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser: 

• Centrales hidroeléctricas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.

• Minicentrales hidroeléctricas: entre 1MW y 10MW.

• Microcentrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.  

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Componentes principales de la central hidroeléctrica

• La presa. Responsable de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.

• Rebosaderos. Elementos que permiten liberar parte del agua retenida sin que pase por la sala de máquinas.

• Destructores de energía. Reducen la energía del agua para evitar erosiones en el terreno o sobrecarga. Los dos tipos principales son:
  • Los dientes o prismas de cemento. Provocan un aumento de la turbulencia y de los remolinos.
  •  Los deflectores de salto de esquí. Disipan la energía haciendo aumentar la fricción del agua con el aire y a través del choque con el colchón de agua que encuentra a su caída.
• Sala de máquinas. Construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas, alternadores…) y elementos de regulación y control de la central.

• Turbina. Transforman la energía cinética de una corriente de agua en energía mecánica.

• Alternador. Tipo de generador eléctrico que transforma la energía mecánica en eléctrica.

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• Conducciones. La alimentación del agua a las turbinas se hace a través de un sistema complejo de canalizaciones. En el caso de los canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial mediante estructuras de hormigón. Su construcción está siempre supeditada a las condiciones geográficas. Por eso, la mejor solución es construir un túnel de carga, aunque el coste de inversión sea más elevado. La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a través de una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para saltos de agua de hasta 2000 m y hormigón para saltos de agua de 500m.

• Válvulas. Dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las tuberías.

• Chimeneas de equilibrio. Pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar el llamado “golpe de ariete”, que produce cuando hay un cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas. 

La presa

La presa es un elemento esencial de la central hidráulica. Se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse. Su construcción crea un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía. La forma de la prensa depende principalmente de la orografía del terreno y del curso del agua donde se ubica. Según el material utilizado, existen presas de tierra y presas de hormigón.

Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas.  Dependiendo de su estructura, se pueden clasificar en: 

• Presas de gravedad. De larga duración, no necesitan mantenimiento. Su altura está limitada por la resistencia del terreno. Tienen forma triangular y una base ancha que estrecha en la parte superior.

• Presa de vuelta. Su pared tiene forma curva. La presión provocada por el agua se transmite íntegramente hacia las paredes del valle por el efecto del arco. Cuando las condiciones son favorables, la estructura necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero es difícil encontrar lugares donde se puedan construir.

• Presas de contrafuertes. Dispone de 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. En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas.

La turbina hidráulica

La turbina hidráulica es el elemento fundamental con el que se aprovecha la energía. Transforman la energía cinética (fruto del movimiento) de una corriente de agua en energía mecánica. Su componente más importante es el rotor, que tiene una serie de palas impulsadas por el agua en movimiento. Las turbinas hidráulicas se pueden clasificar en dos grupos:

• Turbinas de acción. Son aquellas en las que la energía de presión del agua se transforma completamente en energía cinética. Su característica principal es que el agua tiene la máxima presión en la entrada y la salida del rodillo. Un ejemplo de este tipo son las turbinas Pelton.

• Turbinas de reacción. Solamente una parte de la energía de presión del agua se transforma en energía cinética. El agua tiene una presión menor en la salida que en la entrada.

Las turbinas más utilizadas y con mejores resultados son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Sus características técnicas y sus aplicaciones más destacadas son:

• Turbina Pelton. También se conoce con el nombre de turbina de presión. Son adecuadas para los saltos de gran altura y para los caudales relativamente pequeños. La forma de instalación más habitual es la disposición horizontal del eje.

• Turbina Francis. Es conocida como turbina de sobrepresión, porque la presión es variable en las zonas del rodillo. Las turbinas Francis se pueden usar en saltos de diferentes alturas dentro de un amplio margen de caudal, pero son de rendimiento óptimo cuando trabajan en un caudal entre el 60 y el 100% del caudal máximo. Se pueden instalar con el eje en posición horizontal o en posición vertical, pero, en general, la disposición más habitual es la de eje vertical.

• Turbina Kaplan. Son turbinas de admisión total y de reacción. Se usan en saltos de pequeña altura con caudales medianos y grandes. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, pero también se pueden instalar de forma horizontal o inclinada.

Tipos de central hidroeléctrica

Las centrales hidroeléctricas dependen de las características y peculiaridades del lugar donde se construyen. En base a ello, se pueden distinguir tres modelos:

• Centrales de agua fluyente. El terreno no presenta mucho desnivel. Es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. En la temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En cambio, durante la época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano. No tiene embalse.

• Centrales de embalses. Cuentan con una o más presas que forman lagos artificiales donde se almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas. El embalse puede producir energía eléctrica durante todo el año, aunque el río se seque completamente durante algunos meses. Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de agua fluyente. Existen dos variantes de este tipo de centrales:

Centrales a pie de presa.  En un tramo de río con un desnivel apreciable se construye una presa de una altura determinada. La sala de turbinas se sitúa después de la presa.

Centrales por derivación de las aguas. Las aguas del río se desvían mediante una pequeña presa y se conducen mediante un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible. Después, llegan hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga o de presión. De esta sala arranca una tubería forzada que va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua se devuelve río abajo, mediante un canal de descarga. Los desniveles de este tipo de centrales son más grandes que en las centrales a pie de presa. 

• Centrales de bombeo o reversibles. Disponen de dos embalses situados a niveles diferentes. Cuando la demanda diaria de energía eléctrica es máxima, estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y después queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día de menor demanda, el agua se bombea al embalse superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo. Este tipo de central utilizan los recursos hídricos de una forma más racional. 

Funcionamiento de una central hidroeléctrica

La presa se sitúa en el curso de un río donde, artificialmente, acumula un volumen de agua para formar un embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se transformará en electricidad. Para ello, la presa se sitúa aguas arriba, con una válvula que permite controlar la entrada de agua a la galería de presión; previa a una tubería forzada que conduce el agua hasta la turbina de la sala de máquinas de la central. El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética (es decir, va perdiendo fuerza y adquiere velocidad). Al llegar a la sala de máquinas, el agua actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía rotatoria en corriente alterna de media tensión. El agua, una vez ha cedido su energía, vuelve al río aguas abajo de la central a través de un canal de desagüe. 

Ventajas e inconvenientes de las centrales hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas se caracterizan por ser limpias y por no necesitar combustible para funcionar. Además, sus embalses se pueden utilizar para suministrar agua a las poblaciones cercanas, como protección contra las inundaciones o para regar. También es importante señalar que las centrales tienen costes de explotación y mantenimientos bajos, y que las turbinas hidráulicas son de fácil control y mantenimiento. A pesar de todas estas ventajas, las centrales hidroeléctricas también presentan varios inconvenientes, como, por ejemplo, su elevado tiempo de construcción o los elevados costes de infraestructuras y de inversión por kilovatio instalado. Además, la generación de energía depende de las condiciones meteorológicas y puede variar de estación a estación.

Impacto ambiental de las centrales hidroeléctricas

La electricidad de origen hidráulico se ha considerado siempre una alternativa energética limpia. Sin embargo, existen diversos efectos ambientales derivados de la construcción y la infraestructura de las centrales hidroeléctricas. Entre ellos podemos señalar que altera el territorio, modifica el ciclo de vida de la fauna, dificulta la navegación fluvial y el transporte de materiales aguas abajo (nutrientes y sedimentos, como limos y arcillas). Además, reduce el caudal de los ríos, modifica el nivel de las capas freáticas, la composición del agua embalsada y el microclima. Los costes ambientales y sociales de este tipo de centrales pueden evitarse o reducirse si se evalúan cuidadosamente y se implantan medidas correctivas.