Centrales Hidroeléctricas y Energías Renovables: Funcionamiento y Tipos

Objetivos Funcionales de Obras Hidráulicas

• Obra hidráulica que intercepta un curso de agua:
• Retener los excedentes para disponer de los mismos en otros periodos de necesidad. Recurso
• Aprovechar o crear un desnivel energético. Energía
• Amortiguar (laminar) las avenidas para reducir riesgos. Riesgo
• Otros: recargar el acuífero, permitir la navegación y otros usos del curso del agua (pesca, recreo, etc.).

Tipos de Regulación

• Regulación interanual de los recursos
• Regulación estacional de los recursos
• Regulación medioambiental (hábitats, paisaje, extinción de incendios)
• Régimen de explotación (cabecera de la demanda)
• Pérdidas estructurales (infraestructura –infiltración, roturas-, operación y mantenimiento –desagües-, climatología –evaporación-,…)

Recursos Hídricos

• Superficiales
• Subterráneos (galerías, pozos y manantiales)
• Desalación de agua de mar
• Reutilización de agua regenerada

Usos del Agua

• Abastecimiento (urbano y turístico)
• Riego (agrícola, espacios libres y campos de golf)
• Otros usos (ganadería, ambientales,…)
• Recursos no aprovechados (pérdidas y excedentes)

Concepto de Salto de Agua o Aprovechamiento Hidroeléctrico

Conjunto de obras e instalaciones que permiten aprovechar la energía potencial entre dos puntos a distinta altitud (a y b) de un volumen de agua que puede discurrir entre dichos puntos.

Tipos de Saltos de Agua

1. Aprovechamiento a pie de presa
2. Aprovechamiento por derivación del agua
   • Con canal de derivación y embalse en cabecera
   • Con todas las conducciones en presión

Elementos de un Aprovechamiento Hidroeléctrico

• Obra de toma: embalse, azud, galería de presión, canal de derivación, cámara de carga
• Tubería forzada: aérea o subterránea
• Central hidroeléctrica (turbinas)
• Obra de reintegro del agua

Singularidades

• Chimeneas de equilibrio
• Canal de descarga
• Central hidroeléctrica subterránea

1. Aprovechamiento a Pie de Presa

• Apenas se pierde energía entre a y b > se conserva la energía potencial que proporciona (salto bruto)
• Las variaciones del nivel de agua afectan a la eficacia energética del salto

2. Aprovechamiento por Derivación del Agua

• Se pierde energía entre a y c > la energía potencial aprovechada es c´b =´(salto bruto útil)
• El desnivel no se ve poco afectado por la regulación

Aprovechamiento con Canal de Derivación y Embalse en Cabecera

• Se pierde toda la energía entre a y c
• El desnivel entre c´b =´(salto bruto útil) es constante

Aprovechamiento con Todas las Conducciones en Presión

• Se producen pérdidas de energía entre a y c pero se aprovecha la altura “” del embalse
• El desnivel entre a´b =´ puede tener pequeñas variaciones ()

Chimenea de Equilibrio

• Evita las sobrepresiones en la puesta en marcha y parada que pueden dañar las conducciones y las instalaciones (turbinas, válvulas,…)
• Debe estar lo + cerca posible del extremo inferior de la conducción forzada (posición i)

Canal de Descarga

• Elemento encargado de la restitución del agua una vez turbinada a un río, embalse, canal,…
• El desnivel de descarga debe ser el mínimo posible teniendo en cuenta las condiciones de operación de las instalaciones

Central Hidroeléctrica Subterránea

• Tiene una mayor complejidad y coste de inversión
• Acceso, suministro y ventilación mediante túnel (personal, maquinaria y equipos)
• Permite no depender de la topografía, geología y geotecnia exterior del terreno (cimentación de equipos), y de los condicionantes sociales y ambientales superficiales

Conceptos Clave

• Salto bruto (m): Diferencia de nivel de las líneas de energía entre el final del remanso creado por la toma, y el punto en el que se lleva a cabo el reintegro del agua. No depende de la instalación de aprovechamiento.
• Salto bruto útil (m): Diferencia de nivel entre la superficie libre en el origen de la tubería forzada y la situada inmediatamente aguas debajo de la turbina.
• Salto neto (m): Resultante de detraer del salto bruto útil la pérdida de carga producida en la tubería forzada y la correspondiente a la velocidad de salida del agua en el tubo de aspiración. No se incluyen las pérdidas originadas por el conjunto turbina-tubo de aspiración = rendimiento de la turbina

Equipos de Turbinado. Tipos de Turbinas

Turbinas de acción (impulsión) o reacción (sobrepresión): atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete.

• Turbinas axiales, radiales, mixtas o tangenciales: atendiendo a la dirección de entrada del agua en la turbina.
• Turbinas de eje horizontal o eje vertical: atendiendo a la disposición del eje de giro.

Conceptos Adicionales

• Productividad de un salto de agua (kW): Energía estimada que se puede obtener en la central hidroeléctrica durante un determinado periodo de tiempo (normalmente en 1 año)

  E = 9,81 x Q x n x ρt x ρa x tt

  Donde tt = tiempo de turbinado previsto en el periodo (horas)

• Producción de un salto de agua (kW): Energía obtenida realmente en la central hidroeléctrica (productividad afectada por las condiciones del mercado eléctrico, averías,…), durante un determinado periodo de tiempo (normalmente en 1 año)

Energías Convencionales. Centrales Térmicas: Combustión Interna

• Motor de explosión > alternador
• Combustible: líquido o gas
• Regulación sencilla: gran flexibilidad (arranque 2 horas) >puntas
• Potencias pequeñas: 12 a 25 MW
• Instalación: reducida
• Rendimiento: en torno al 40%
• Coste producción: muy poco económico
• Sistemas de tratamiento de gases: reducido

Energías Convencionales. Centrales Térmicas: Vapor

• Hogar > caldera > turbina > alternador
• Combustible: sólido, líquido o gas
• Regulación compleja: muy poca flexibilidad (arranque 10 a 14 horas)
• Potencias medias: 40 a 80 MW
• Instalación: económica
• Rendimiento: en torno al 30%
• Coste producción: poco económico
• Sistemas de tratamiento de gases: vía húmeda (gas contamina -)

Energías Convencionales. Centrales Térmicas: Ciclo Combinado

• Hogar > caldera > turbinas de vapor (calorífica) y gas (cinética) > alternadores
• Combustible: líquido o gas
• Regulación compleja: poca flexibilidad (arranque 8 horas)
• Potencias grandes: 225 MW
• Instalación: - económica
• Rendimiento: en torno al 50%
• Coste producción: económico
• Sistemas de tratamiento de gases: vía húmeda (gas contamina menos)

Energías Convencionales. Centrales Nucleares

• Central de vapor
• Combustible: uranio enriquecido
• Reacción en cadena > calor > vapor de agua > turbina
• Tipos (s/caldera):
  • CWR: agua a 150 atm
  • BWR: agua a 70 atm
• Regulación muy compleja: gran inercia
• Coste producción: muy económico
• Dificultad con la eliminación de residuos (transporte y almacenamiento)

Energías Renovables: Eólica

• La energía del viento es energía cinética, directamente relacionada con la densidad del aire
• A mayor altitud y/o mayor temperatura, menor generación de energía al disminuir la densidad del aire
• Integración y compatibilidad con otros usos
  • Producción de ruido
  • Afección al paisaje
  • Afección a las aves
  • Compatible con usos industrial, agrícola, aeroportuario, portuario,
• Tendencia > mayor tamaño unidades (> pala)
  • Mayor potencia
  • Mayor altura
  • Mayor aprovechamiento terreno
  • Mayor dificultad transporte y montaje

Tendencia > Aprovechamiento Eólico Marino

• No limitaciones de suelo
• Limitaciones anclaje/profundidad> flotantes
• Limitaciones normativas (gobierno de la nación)
• Afecciones paisaje (cuenca visual 8 km)

Energías Renovables: Recurso Solar

• Características + peculiares:
  • Elevada calidad energética
  • Pequeño o nulo impacto ecológico
  • Inagotable a escala humana
• Problemas:
  • Producción de forma semi aleatoria, estando sometida a ciclos día y noche, y estacionales invierno verano
  • No se puede almacenar de forma directa, siendo necesario realizar una transformación energética

Energías Renovables: Fotovoltaica

Célula Fotovoltaica

• Efecto fotoeléctrico: absorción de fotones de luz > emisión electrones
• Captura electrones libres > corriente eléctrica
• Eficiencias entre el 6 y el 30%
• Vida útil en torno a 25 años

Célula Fotovoltaica (Detalle)

• La cara sobre la cual incide la radiación solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente. La otra cara está totalmente recubierta de metal.
• Una célula individual de unos 70 cm² de área es capaz de producir una diferencia de potencial de 0,4 V y una potencia de 1 W.
• Por agrupación se forman los paneles fotovoltaicos

Energías Renovables: Termosolar

Tipos de Plantas Termoeléctricas

• Sistema de torre central con helióstatos
• Sistema cilíndrico-parabólicos

Energías Renovables: Mareomotriz

Tipos de Plantas Mareomotrices

• De marea
• De corriente
• De oleaje

Energías Renovables: Biomasa

Tipos de Recursos Energéticos

• Biomasa natural: podas naturales de montes, pinocha,…
• Biomasa residual:
  • Residuos forestales
  • Residuos agrícolas
• Cultivos energéticos:
  • Cereales
  • Remolacha
  • Jatrofa curcas

Almacenamiento Hidroeléctrico

• Almacenamiento mecánico
• Modula la curva de carga
• Posible modulador generación renovable
• Dependencia de la configuración del terreno
• Impacto ambiental
• Una alternativa de futuro, el micro-bombeo

Aire Comprimido

• Elevar presión del aire (80 atm) consumo eléctrico
• Producción por turbina
• Uso de depósitos naturales: cavernas, minas ...
• Experiencias en Alemania y Estados Unidos

Volantes de Inercia

• Almacena energía cinética
• Energía depende de diámetro y masa
• Cojinetes electromecánicos en cámaras de vacío para evitar el rozamiento
• Calidad de servicio

Batería de Flujo

• Batería redox (reducción oxidación) de vanadio (VRB)
• Capacidad ilimitada de almacenamiento (depende tamaño tanques)
• Permite muchas cargas y descargas
• Otras:
  • Polisulfuro de bromo
  • Bromuro de zinc

Batería de Alta Temperatura de NAS

• Alta densidad energética
• Funcionan a 350 ºC
• Naturaleza corrosiva del sodio: aislamiento
• Capacidad para apoyar a las redes durante las puntas de demanda
• Existen instalaciones de hasta 48 MW

Batería de Ion-Litio

• Alternativa a la batería de plomo:
  • Reduce el coste
  • Aumenta la densidad de energía
  • Requiere menor mantenimiento
  • Mejora las prestaciones
• Elevada densidad de energía: 300-400 kW/m³
• Ausencia de efecto memoria

Hidrógeno

• Baja densidad energética en base volumétrica
• Alta densidad energética por unidad de masa
• Baja contaminación acústica y química
• No requiere personal especializado
• Alta fiabilidad y disponibilidad
• Rendimiento alto > 50%
• Tipos de almacenamiento:
  • Tanque de alta presión
  • Hidrógeno licuado
  • Nanotubos de carbono
  • Materiales absorbentes