1. INTRODUCCIÓN

Una planta hidroeléctrica es la que aprovecha la energía hidráulica para producir

energía eléctrica. Si se concentra grandes cantidades de agua en un embalse, se obtiene

inicialmente, energía potencial, la que por la acción de la gravedad adquiere energía

cinética o de movimiento, que pasa de un nivel superior a otro muy bajo, a través de las

obras de conducción (la energía desarrollada por el agua al caer se le conoce como

energía hidráulica), por su masa y velocidad, el agua produce un empuje que se aplica a

las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica.

 

Esta energía se propaga a los generadores que se encuentran acoplados a las turbinas,

los que la transforman en energía eléctrica, la cual pasa a la subestación contigua o

cerca de la planta. La subestación eleva la tensión o voltaje para que la energía llegue a

los centros de consumo con la debida calidad.

2. ANTECENDENTES

El desarrollo de las Centrales Hidroeléctricas en el Perú se inicia a fines del siglo XIX,

con la construcción de una Pequeña Central en Ancash (Tarija).

En la década del 60 al 70, el Estado formula un Plan Energético, que identifican el

desarrollo de grandes y pequeñas centrales hidroeléctricas.

En la década del 80, se impulsa la Electrificación Rural en base a Pequeñas Centrales

Hidráulicas que suministran energía a Pequeños Sistemas Eléctricos.

A partir de la década del 90 a través de la DEP/MEM, se da mayor impulso a la

Electrificación Rural mediante el Programa de Pequeñas y Micro Centrales Hidráulicas,

como complemento al Plan Nacional de Ampliación de la Frontera Eléctrica.

3. ASPECTOS A CONSIDERAR PARA EL DISEÑO DE UNA CENTRAL

Una presa debe ser impermeable las filtraciones a través o por debajo de ella deben ser

controladas al máximo para evitar la salida del agua y el deterioro de la propia

estructura.

Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se ejercen sobre ella. Estas

fuerzas son:

La gravedad (que empuja a la presa hacia abajo).

La presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua contenida).

La presión hidrostática en la base (que produce una fuerza vertical hacia

arriba que reduce el peso de la presa.

La fuerza que ejercería el agua si se helase.

Las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de sismos.

A la hora de valorar el mejor emplazamiento para construir una presa, el riesgo de

terremotos forma parte del análisis geológico. Además deben determinar qué tipo de

terreno está expuesto a filtraciones y cuál puede soportar el peso de la presa y el agua

que contendrá detrás de ella.

 

Altura de la presa

Generalmente está limitada por la topografía de su emplazamiento, aunque otros

factores pueden determinar una altura máxima menor, entre ellos están:

Si la función principal de la presa es la obtención de energía la altura es un

factor crítico, ya que la energía potencial del agua embalsada es mayor cuanto

mayor es la altura a la que se encuentra.

Si la presa es de contención el factor más importante es la capacidad de

almacenamiento. El volumen de agua embalsada es mayor cuanta más alta es la

presa.

Otros factores son la utilidad y el valor de las tierras que quedarán sumergidas,

y si las aguas afectarán a importantes vías de comunicación.

Aliviaderos

Después de determinar el nivel del embalse en condiciones normales, hay que

establecer los procedimientos que aseguren que este nivel no se supere. Los aliviaderos

son necesarios para descargar el excedente de agua para que éste no dañe la presa, la

central eléctrica ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de aliviadero más común

es el derrame. Este sistema consiste en que una zona de la parte superior es más baja.

Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de almacenamiento estas

partes más bajas están cerradas con unas compuertas móviles. Otro tipo de aliviadero es

el salto de agua, un canal de hormigón ancho, con mucha pendiente, que se construye en

la base de algunas presas de altura moderada.

Desaguaderos

Además de los aliviaderos, que aseguran que el embalse no rebase la presa, los

desaguaderos son necesarios para extraer de modo constante agua del embalse. El agua

extraída puede descargarse río abajo, puede llevarse a los generadores para obtener

energía hidroeléctrica o puede utilizarse para riego.

Los desaguaderos son conductos o túneles cuyas entradas se encuentran a la altura del

nivel mínimo del embalse. Estas tomas poseen unas compuertas o válvulas que regulan

la entrada de agua.

Protección contra la erosión

Hay que evitar que el agua que se envía río abajo erosione la base de la presa. Para

reducir la velocidad del agua se construyen unos embalses llamados cuencas

amortiguadoras, que forman parte de las estructura de la presa.

Existen dos tipos de estructura que se utilizan para disipar la energía destructiva que

lleva el agua al caer.

Uno en el que el flujo rápido y de poca profundidad que baja de la presa se

convierte en un flujo profundo y lento al hacerlo pasar por una falda horizontal

o poco inclinada de hormigón, construida río abajo desde la base de la presa.

En el otro tipo la base de la presa tiene una forma que desvía el flujo, que baja a

gran velocidad, hacia arriba y lo hace girar. Este giro disipa la energía

destructiva del agua.

4. COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS CENTRALES:

P resa Hidráulica

Se denomina Presa o Represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o

materiales sueltos, 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 con

diferentes finalidades: para su posterior aprovechamiento en

abastecimiento o regadío; para elevar su nivel con el

objetivo de derivarla a canalizaciones de riego; para proteger

una zona de sus efectos dañinos; o para la producción de

energía eléctrica.

Una presa sólo puede retener a un cauce natural, si retuviera

un canal sería considerada una balsa. Las presas de hormigón son las más comunes y

según su diseño hay 4 tipos diferentes: Presas de Gravedad, Presas de Contrafuertes,

Presas de Arco-Bóveda y Presas de Tierra o Escollera.

Embalse

Es el volumen de agua que queda retenido, de forma

artificial, por la presa. Se suele colocar en un lugar adecuado

geológica y topográficamente.

Se puede emplear para generar electricidad, abastecer de

agua las poblaciones, regadío, etc.

Toma de agua

Las Tomas de Agua son construcciones que permiten

recoger el agua para llevarlo hasta las turbinas por medios

de canales o tuberías. Se sitúan en la pared anterior de la

presa, la que da al embalse. En el interior de la tubería, el

agua transforma la energía potencial en cinética, es decir,

adquiere velocidad.

Además de unas compuertas para regular la cantidad de

agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos

extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.

Desde aquí, el agua pasa a la tubería forzada que atraviesa a presión el cuerpo de la

presa.

Tubería Forzada o Tubería de Presión o Impulsión

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, especialmente diseñada para

reducir las pérdidas de energía que se pudieran

producir, llevando el agua hasta la turbina en la casa

de máquinas.

Esta tubería tiene que soportar la presión que produce la columna de agua, además de la

sobre presión que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la mini central.

Dependiendo de la orografía del terreno y de los factores medioambientales, la

colocación de la tubería forzada será subterránea o exterior.

Aliviaderos

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. Existen distintas tipos de desagüe: los aliviaderos de superficie y

los desagües de fondo o medio fondo.

Casa de Máquinas o Sala de Turbinas

En la Casa de Máquinas, denominada también Sala de Turbinas o Central, se

encuentran los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica -Conjunto

turbina-alternador, turbina y generador, así como los elementos de regulación y

funcionamiento. El agua que cae de la presa hace girar las turbinas que impulsan los

generadores eléctricos.

Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las

máquinas en caso de reparación o desmontaje. Según la disposición general de la casa

de máquinas, las centrales se pueden clasificar en: Centrales al Exterior y Centrales

Subterráneas.

Transformadores

Son el 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 de Transporte de Energía Eléctrica

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.

5. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 

Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno

donde se sitúa la central condicionan en gran parte su diseño.

Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos:

Centrales de agua fluyente

En este caso no existe embalse, el terreno no tiene mucho desnivel y es necesario que el

caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia

determinada durante todo el año. Durante 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.

Centrales de embalses

Mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales donde se

almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas.

El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el

embalse puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque

completamente durante algunos meses, cosa que sería imposible con una central de agua

fluyente.

Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de

agua fluyente. Dentro de estos tipos existen dos

variantes 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 está situada después de la

presa.

Centrales por derivación de las aguas

Las aguas del río son desviadas mediante una pequeña presa y son conducidas mediante

un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible, 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 es devuelta río abajo,

mediante un canal de descarga. Se consiguen desniveles más grandes que en las

centrales a pie de presa. 

Centrales de bombeo o reversibles.

Son un tipo especial de centrales que hacen posible un uso más racional de los recursos

hidráulicos.

Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. 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 es bombeada al embalse

superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo.

6. CARACTERÍSTICAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Presa Hidroeléctrica en Grandas de Salime (Asturias, España).

Casa de Máquinas Central Hidroeléctrica del Guavio, Colombia.

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su

capacidad de generación de electricidad son:

La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse

y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable,

además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la

transformación.

La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que

está en función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.

Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas -que usan combustibles fósiles- producen

la energía eléctrica de una manera muy similar. En ambos casos la fuente de energía es usada

para impulsar una turbina que hace girar un generador eléctrico, que es el que produce la

electricidad. Una central térmica usa calor para, a partir de agua, producir el vapor que acciona

las paletas de la turbina, en contraste con la planta hidroeléctrica, la cual usa la fuerza del agua

directamente para accionar la turbina.

Potencia de una central hidroeléctrica

La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en megavatios (MW) y se

calcula mediante la fórmula siguiente:

Donde:

Pe = potencia en vatios (W)

ρ = densidad del fluido en kg/m³

ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0.75 y 0.94)

ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0.92 y 0.97)

ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0.95/0.99)

Q = caudal turbinable en m³/s

H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros (m)

En una central hidroeléctrica se define:

Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el

caudal medio disponible y el desnivel medio disponible.

Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la

central.

7. EXPERIENCIA EN LA ADMINISTRACIÓN DE CENTRALES

Programa de Mantenimiento Preventivo:

Estas actividades son trabajos rutinarios efectuados por los Operadores a toda la

infraestructura civil y electromecánica de la central, de acuerdo a un programa de

mantenimiento elaborado anualmente por las empresas administradoras.

Programa de Mantenimiento Correctivo:

Estas actividades se realizan cuando se presentan interrupciones imprevistas en la

infraestructura civil y electromecánica de la central, y es efectuada por especialistas.

El mantenimiento correctivo de la infraestructura civil se acentúa principalmente en el

período de lluvias, el mismo que en los últimos años ha venido disminuyendo por las

experiencias en las mejoras de los mantenimientos preventivos. Este efecto también se

presenta en el caso de mantenimientos correctivos de la infraestructura electromecánica.

8. COSTOS PROMEDIOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Importancia de la incorporación de Sistemas Aislados al Sistema Eléctrico Interconectado

Nacional (SEIN) y su impacto en la Tarifa de Distribución a los usuarios rurales.

9. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CENTRALES

HIDROELÉCTRICAS

Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son:

No necesitan combustibles y son limpias.

Muchas veces los embalses de las centrales tienen otras utilidades importantes: el regadío,

como protección contra las inundaciones o para suministrar agua a las poblaciones

próximas.

Tienen costes de explotación y mantenimientos bajos.

Las turbinas hidráulicas son de fácil control y tienen unos costes de mantenimiento

reducido.  

En contra de estas ventajas podemos enumerar los inconvenientes siguientes:

El tiempo de construcción es, en general, más largo que el de otros tipos de centrales

eléctricas.

La generación de energía eléctrica está influenciada por las condiciones meteorológicas y

puede variar de estación a estación.

Los costes de inversión por kilovatio instalado son elevados.

En general, están situadas en lugares lejanos del punto de consumo y, por lo tanto, los costes

de inversión en infraestructuras de transporte pueden ser elevados.

10. IMPACTO AMBIENTAL DE LAS

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Siempre se ha considerado que la electricidad de origen hidráulico es una alternativa

energética limpia. Aun así, existen determinados efectos ambientales debido a la

construcción de centrales hidroeléctricas y su infraestructura.

La construcción de presas y, por extensión, la formación de embalses, provocan un impacto

ambiental que se extiende desde los límites superiores del embalse hasta la costa. Este

impacto tiene las siguientes consecuencias, muchas de ellas irreversibles:

Sumerge tierras, alterando 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).

Disminuye el caudal de los ríos, modificando el nivel de las capas freáticas, la composición

del agua embalsada y el microclima.

Los costes ambientales y sociales pueden ser evitados o reducidos a un nivel aceptable si se

evalúan cuidadosamente y se implantan medidas correctivas. Por todo esto, es importante

que en el momento de construir una nueva presa se analicen muy bien los posibles impactos

ambientales en frente de la necesidad de crear un nuevo embalse.

11. EL PROBLEMA DE LA SEDIMENTACIÓN EN LAS PRESAS

Los embalses tienen una vida útil limitada. Generalmente es más corta de lo esperado por la

acumulación en el fondo de sedimentos orgánicos y minerales, que son acarreados por las

aguas de los ríos. Al entrar estos en remanso decantan sus partículas en suspensión,

formando capas de material que no siempre pueden ser eliminadas a un costo conveniente.

En un estudio se estimó que alrededor de cincuenta kilómetros cúbicos de sedimentos (cerca

del l% de la totalidad de la capacidad de almacenamiento) es atrapado cada año en los

embalses.

Hay cientos de ejemplos de este problema como el del río Paute en Ecuador, cuya reducción

en capacidad ocasionó, en gran parte, la crisis de energía eléctrica en ese país.

La experiencia mundial es que la sedimentación en grados diferentes ha causado en el

mundo trastornos de proporciones en la participación de los ríos con relación a la

manutención de la fertilidad de los suelos.

El caso más impresionante es el del río Nilo en que 134 millones de toneladas de

sedimentos al año son atrapados por el embalse Nasser (1-35). El limo que acarrea el Nilo

mantenía la fertilidad del valle, como asimismo del delta del río Nilo, contribuyendo a su

vez a la alimentación de los peces en el Mar Mediterráneo. Los agricultores egipcios se

vieron obligados a aplicar enormes y crecientes cantidades de fertilizantes nitrogenados,

disminuyendo significativamente el volumen de peces, tanto en el río, desembocadura y

sector costero adyacente. Actualmente se estima que un 98% de este valioso sedimento

queda atrapado en los embalses del Nilo.