Minicentrales Hidroelectricas

TTULO Minicentrales hidroelctricas

DIRECCIN TCNICA Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa

AUTOR DE APIA Adriana Castro

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Este manual forma parte de una coleccin de 7 ttulos dedicados a las energas renovables; uno de carcter general y seis monografas sobre las diferentes tecnologas.

La coleccin es fruto de un convenio de colaboracin firmado por el Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE) y la Asociacin de Periodistas de Informacin Ambiental (APIA).

Esta publicacin ha sido producida por el IDAE y est incluida en su fondo editorial, dentro de la Serie Manuales de Energas Renovables.

Cualquier reproduccin, total o parcial, de la presente publicacin debe contar con la aprobacin del IDAE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IDAE Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa C/ Madera, 8 E-28004-Madrid [email protected] www.idae.es

Madrid, octubre de 2006

INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 SITUACIN ACTUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1 Contexto mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Espaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 TECNOLOGA Y APLICACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1 Caractersticas de la energa hidroelctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 Tipos de minicentrales hidroelctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3 Diseo de un aprovechamiento hidroelctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4 Instalaciones de obra civil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5 Equipamiento electromecnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.6 Usos y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3 FACTORES ECONMICOS, ADMINISTRATIVOS Y MEDIOAMBIENTALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1 Aspectos econmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2 Aspectos administrativos y normativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

3.3 Aspectos medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Minicentrales hidroelctricas

4 VENTAJAS DE LAS MINICENTRALES HIDROELCTRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.1 Beneficios ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2 Beneficios socioeconmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5 INSTALACIONES MS REPRESENTATIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.1 Las minicentrales en Espaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.2 Seleccin de centrales hidroelctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6 PERSPECTIVAS FUTURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.1 El Plan de Energas Renovables en Espaa (PER) 2005-2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.2 Barreras y medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.3 Colaboracin ciudadana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7 SABER MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

7.1 Orgenes de las minicentrales hidroelctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

7.2 Curiosidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.3 Glosario de trminos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

I. Legislacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

II. Direcciones de inters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

III. Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

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Introduccin La disponibilidad de la energa ha sido siempre esencial para la humanidad que cada vez demanda ms recursos energticos para cubrir sus necesidades de consumo y bienestar. Las energas renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una de las piezas clave en la construccin de un sistema de desarrollo sostenible.

Existe una concienciacin cada vez mayor sobre los efectos medioambientales que conlleva el actual sistema de desarrollo econmico, como son el cambio climtico, la lluvia cida o el agujero de la capa de ozono. Las sociedades modernas, que sustentan su crecimiento en un sistema energtico basado principalmente en la obtencin de energa a travs de combustibles fsiles, se inclinan cada vez ms hacia la adopcin de medidas que protejan nuestro planeta.

As lo reflejan las actuales polticas nacionales y los acuerdos y tratados internacionales que incluyen como objetivo prioritario un desarrollo sostenible que no comprometa los recursos naturales de las futuras generaciones.

Actualmente las energas renovables han dejado de ser tecnologas caras y minoritarias para ser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la demanda. Dentro de estas energas renovables se encuentra la energa hidroelctrica, como principal aliado en la generacin de energa limpia y autctona. Se denominan minicentrales hidroelctricas a aquellas instalaciones de potencia instalada inferior a 10 MW.

6 Minicentrales hidroelctricas

Hoy en da las energas renovables representan un sector importante de la industria y la economa espaola, por ser uno de los ms dinmicos e innovadores, adems de ser el sector que mayor nmero de nuevas empresas crea al ao en Espaa.

Conforme a la Ley 54/1997 del Sector Elctrico se realiz y aprob el Plan de Energas Renovables 2005-2010, que fija como objetivo que el 12% de la energa primaria 30,3% de generacin elctrica con renovables y 5,83% de biocarburantes en transporte sea de origen renovable en el ao 2010. En el rea de la energa hidroelctrica se establece un incremento de potencia de 450 MW para centrales menores de 10 MW y de 360 MW para centrales entre 10 y 50 MW de potencia instalada.

En el ao 2004 la energa obtenida en Espaa a travs de centrales de potencia inferior a 10 MW sufri un incremento con la puesta en marcha de 45,1 MW nuevos. Pero a pesar de que esta energa crece cada ao, lo hace a un ritmo inferior al necesario para poder alcanzar los objetivos del Plan de Energas Renovables 2005-2010.

Los avances tecnolgicos permiten obtener energa elctrica en cursos de agua de caractersticas muy diversas, adems de resultar igualmente interesante la rehabilitacin y/o ampliacin de pequeas centrales ya existentes. Se estima que en Espaa el potencial virgen para la obtencin de energa elctrica a travs de las minicentrales hidroelctricas asciende aproximadamente a 1.000 MW.

El nuevo marco en el que se desarrolla la poltica energtica nacional y comunitaria se caracteriza por la liberalizacin de mercados, la proteccin del medio ambiente y la eficiencia energtica y el ahorro. Alcanzar los objetivos marcados en los planes energticos nacionales y en los compromisos internacionales es una tarea que compete igualmente a los responsables polticos, al sector empresarial y a la ciudadana.

En este manual se describen los aspectos tcnicos, econmicos y administrativos para poder analizar de forma real la viabilidad de futuros proyectos de energa hidroelctrica en minicentrales.

7 Introduccin

Se analiza el panorama nacional e internacional de la energa hidroelctrica, en concreto de las instalaciones con potencia inferior a 10 MW. Tambin se indica cmo realizar el estudio de impacto ambiental y posibles medidas minimizadoras, adems de informacin sobre legislacin, contactos de inters y casos concretos de distintos tipos de minicentrales hidroelctricas que actualmente estn en funcionamiento en Espaa.

1 Situacin actual

11

1 Situacin actual

1.1 Contexto mundial

El actual sistema energtico a nivel mundial est basado en la generacin de energa a partir de combustibles fsiles como el petrleo, el carbn mineral y el gas. La generacin de energa a partir de estas materias est siendo ampliamente replanteada por varias razones: son recursos limitados que se encuentran en puntos concretos del planeta, su uso a gran escala est provocando graves efectos sobre el medio ambiente y la salud de los seres humanos, y se estn agotando las reservas naturales comprometiendo el futuro de las nuevas generaciones.

La ciudadana est cada vez ms concienciada sobre la necesidad de proteger el medio ambiente y emplear mtodos no contaminantes de produccin de energa. Esto se debe en parte al amplio consenso alcanzado en la comunidad cientfica internacional sobre la existencia del cambio climtico. Se ha constatado que la temperatura media de la Tierra ha sufrido un aumento durante el siglo XX de 0,6 0,2 C, adems de que existe una disminucin real de la cobertura del

Minicentrales hidroelctricas 12

Prod

ucci

n T

Wh/

ao

Datos: EU RES Export Potencial tcnico Potencial econmico Potencial de explotacin Masterplan 2002

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0 Europa Amrica Sudamrica

del Norte y Amrica Central

frica Asia Australasia/ Oceana

hielo rtico y un aumento de la frecuencia e intensidad de los denominados desastres naturales como huracanes, sequas y lluvias torrenciales.

Estos hechos han provocado que en las dos ltimas dcadas se firmen una serie de compromisos polticos internacionales que apuestan por alcanzar un modelo de desarrollo sostenible: Cumbre de las Naciones Unidas de Ro de Janeiro (1992) donde surgi el plan de accin Agenda 21 y de Johannesburgo (2002); Protocolo de Kioto, adoptado en la Convencin Marco del Cambio Climtico de las Naciones Unidas de 1997 y ratificado en febrero de 2005; Declaracin del Milenio (2000); y Plan de accin de la Conferencia de Bonn sobre Energas Renovables de junio de 2004.

Energa hidroelctrica, una de las renovables ms desarrollada

El ndice de consumo mundial de energa comercial es miles de veces inferior a los flujos de energa que recibe la Tierra procedente del Sol. La energa

Potencial hidroelctrico total por continentes hidroelctrica, que indirectamente proviene de la energa solar, comparte las ventajas de ser autctona, limpia e in-agotable como el resto de las energas renovables.

La produccin anual media de energa hidroelctrica a nivel mundial es de 2.600 TWh, lo que representa aproximadamente el 19% del total de la energa elctrica producida. La potencia hidroelctrica instalada en todo el mundo asciende a 700 GW.

A gran escala esta fuente de energa tiene un campo de expansin limitado, ya que en los pases ms desarrollados la mayora de los ros importantes ya cuentan con una o varias centrales, y en los pases en vas de desarrollo los grandes proyectos pueden chocar con obstculos de carc-ter financiero, ambiental y social.

Situacin actual 13

A menor escala, sin embargo, la generacin de electricidad con minicentrales hidroelctricas s ofrece posibilidades de crecimiento, debido a la diversidad de caudales que an son susceptibles de ser aprovechados con las nuevas tecnologas.

A pesar de la existencia de este tipo de alternativas, la Agencia Internacional de la Energa concluye que mientras aumentan las previsiones de crecimiento del consumo de petrleo, bajan las reservas a nivel mundial.

El uso de petrleo en la generacin de energa crea una dependencia exterior de los pases importadores, haciendo a la vez vulnerable su sistema energtico frente a posibles crisis del sector petrolfero. Adems, el incremento del precio del crudo y el gas crea tensiones en el mercado elctrico. Por todo esto, las energas renovables nuevamente se convierten en una fuente segura de energa, que minimizara la dependencia energtica exterior al permitir mayor autonoma de los sistemas energticos nacionales.


La Directiva fija como objetivo,

para el ao 2010, generar el 12%

de electricidad con recursos renovables

1.2 Europa

La Unin Europea tiene como objetivo prioritario la promocin de la electricidad generada a partir de fuentes de energa renovables. Esto se debe a razones de seguridad y diversificacin del suministro de energa, de proteccin del medio ambiente y de cohesin econmica y social.

El marco legislativo de las Energas Renovables en la Unin Europea est basado en el Libro Blanco para una Estrategia Comn y un Plan de Accin para las Energas Renovables, desarrollado en 1997 por parte de la Comisin de las Comunidades Europeas. El objetivo fijado en el Libro Blanco establece el incremento en 4.500 MW de potencia instalada en Europa en minicentrales hidroelctricas en el horizonte 2010, lo que significar incrementar la produccin anual desde los 37 TWh actuales a los 55 TWh.

Posteriormente se promulg la Directiva 2001/77/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, relativa a la promocin de la electricidad generada a partir de fuentes de energas renovables en el mercado interior de la electricidad. En esta Directiva se proponen objetivos indicativos para cada Estado miembro, que en el caso de Espaa coinciden con los objetivos del Plan de Fomento de las Energas Renovables 2000-2010, asumidos por el Plan de Energas Renovables 2005-2010. La Directiva fija como objetivo, para el ao 2010, generar el 12% de electricidad con recursos renovables y propone las siguientes medidas:

- Objetivos nacionales cuantificables para el consumo de electricidad generada con renovables.

- Esquemas de promocin de la electricidad verde. (Posibilidad de un sistema armonizado en la UE).

- Simplificacin de los procedimientos administrativos de autorizacin.

- Acceso garantizado para la transmisin y distribucin de dicha electricidad.

Situacin actual 15

El objetivo general fijado por la Unin Europea marca la aportacin de fuentes de energas renovables en un porcentaje del 12% de la energa primaria demandada en la UE en el ao 2010. En particular se establece como objetivo para la energa hidroelctrica alcanzar los 105.000 MW en ese ao, distribuidos de la siguiente manera:

- Grandes centrales (mayores de 10 MW): 91.000 MW (incluidas las de bombeo).

- Pequeas centrales (menores de 10 MW): 14.000 MW.

La UE establece tambin Sistemas de Apoyo para la promocin de la electricidad renovable, como son certificados verdes, ayudas a la inversin, devoluciones de impuestos y sistemas de apoyo directo a los precios.

El sistema de apoyo al precio de las energas renovables que prevalece actualmente en la UE es el sistema REFIT (Renewable Energy Feed-in Tariffs), por el cual los generadores de electricidad renovable tienen derecho a vender toda su produccin a la red, y a ser retribuidos por ello a un precio superior al precio medio de mercado. En el modelo espaol de retribucin, al precio del mercado elctrico se le suma una prima, diferente para cada rea de las renovables.


0 4.000 8.000 12.000 16.000 20.000

rea Hidrulica (mayor de 10 MW)

19.143 Francia

15.251 Suecia

14.530 Italia

11.126 Espaa

7.373 Austria

3.410 Alemania

3.646 Portugal

2.655 Finlandia

2.317 Grecia

1.396 Reino Unido

310 Resto

81.157

rea Minihidrulica (menor de 10 MW)

0 500 1000 1500 2000 2500

2.330 Italia

2.020 Francia

1.722 Espaa

1.630 Alemania

1.050 Suecia

1.001 Austria

327 Finlandia

301 Portugal

160 Reino Unido

65 Grecia

60 Blgica

68 Resto

10.734

La energa hidroelctrica en la UE

Espaa ocupa un papel destacado en el rea hidroelctrica a nivel europeo, situndose en tercer lugar respecto al resto de pases de la Unin Europea en cuanto a potencia hidroelctrica instalada con centrales menores de 10 MW y el cuarto lugar en cuanto a centrales de potencia mayor de 10 MW.

Potencia instalada con CC.HH. menores de 10 MW en la Unin Europea a 31/12/2003 Potencia instalada con CC.HH. mayores de 10 MW en la Unin Europea a 31/12/2002 Fuente: EurObserv ER 2004 Fuente: EUROSTAT

Gran parte del potencial europeo proviene de la rehabilitacin y ampliacin de instalaciones ya existentes. Cerca del 68% de las minicentrales hidroelctricas de la Unin Europea tienen ms de cuarenta aos de antigedad, segn la European Small Hydraulic Association.

Intercambios internacionales

Respecto a los intercambios internacionales de energa elctrica que mantiene Espaa con otros pases, se encuentran Francia, Portugal, Andorra y Marruecos. Segn Red Elctrica de Espaa, por primera vez desde el inicio del mercado elctrico en 1998, el saldo de los intercambios internacionales ha resultado exportador, alcanzando los 2.939 GWh. Esto ha sido posible debido al

Situacin actual 17

importante volumen de exportaciones a Portugal. Actualmente hay en marcha un proceso de integracin del sistema elctrico espaol con el sistema elctrico portugus, con el fin de crear el denominado Mercado Ibrico de Electricidad (MIBEL).

Por otro lado, la dependencia exterior de Espaa de energa primaria aumentar en el ao 2020 desde el actual 79% hasta un 85%, segn fuentes de la propia Unin Europea, que en su conjunto pasar del actual 50% a un 70%. Las energas renovables, entre ellas la energa minihidrulica, presentan la ventaja de ser autctonas, por lo que su desarrollo resulta imprescindible en el fortalecimiento del sistema energtico espaol.

1.3 Espaa

Espaa cuenta con un consolidado sistema de generacin de energa hidroelctrica y un sector tecnolgicamente maduro en este rea. Esto se debe a varios factores, como la existencia de importantes recursos hidrolgicos y una larga tradicin histrica en el desarrollo de aprovechamientos hidroelctricos.

Aunque la evolucin de la energa hidroelctrica en Espaa ha sido creciente, en los ltimos aos ha experimentado una disminucin en la aportacin de esta energa a la produccin total de electricidad. La energa hidroelctrica generada en pequeas centrales, por el contrario, sigue creciendo aunque de manera muy moderada.

Espaa es un pas con una larga y antigua tradicin en construccin de presas. Al ao 2000 se tienen inventariadas un total de 1.147 presas, con una capacidad total de los embalses de 55.000 Hm3. Aproximadamente un 40% de esa capacidad actual embalsable corresponde a embalses hidroelctricos, que es una de las proporciones ms altas de Europa y del mundo; aunque ese porcentaje ha decrecido por el incremento en dcadas pasadas de otras fuentes de energa.

42,8 MW 28,8 MW

432,4 MW 152,8 MW

19,6 MW

377,6 MW 475,8 MW

679 MW

53,4 MW

154 MW 69,3 MW112 MW

14,4 MW 284,8 MW

TOTAL: 2.897 MW

Ceuta Melilla


53,5 MW 54,8 MW 90,3 MW214,9 MW

161,2 MW

45,9 MW 263,8 MW 232,4 MW

194,3 MW

45,5 MW

105,1 MW 44,7 MW25,2 MW

18,3 MW 197,7 MW

TOTAL: 1.749 MW

Ceuta Melilla1,4 MW

Las minicentrales hidroelctricas presentaban una potencia acumulada total en Espaa de 1.749 MW a finales de 2004, con una distribucin de la mayor parte de ella en las siguientes Comunidades Autnomas:

Castilla y Len con un mayor nmero (263 MW), seguida de

Catalua (232 MW),

Galicia (215 MW),

Andaluca (198 MW) y

Aragn (194 MW).

Asimismo, las centrales con potencia entre 10 y 50 MW presenta una potencia acumulada total en Espaa de 2.897 MW a finales de 2004, distribuyndose la mayor parte de ella por las siguientes CC. AA. :

Catalua (679 MW),

Aragn (476 MW),

Galicia (432 MW),

Castilla y Len (378 MW) y

Andaluca (285 MW).

Situacin actual 19

Recursos Hidroelctricos

El potencial hidroelctrico de un pas es la capacidad anual de produccin de energa hidroelctrica que dicho pas posee, y el potencial tcnicamente explotable se deduce del anterior, teniendo en cuenta las prdidas.

La evaluacin de los recursos hidroelctricos de un pas es muy compleja, y en Espaa la ms reciente se realiz en 1980.

Cuencas hidrogrficas

Galicia

Asturias Cantabria Pas Vasco

Navarra

Aragn

CataluaCastilla y Len la Rioja

Madrid

Castilla La Mancha Valencia

Murcia

Islas Baleares

Andaluca

Extremadura

Cuencas internas

de Catalua

Norte

Duero Ebro

Tajo

Guadiana

Guadalquivir Segura

Jcar

Costa de Galicia

Ceuta Islas Canarias

Cuenca Atlntica Andaluza

Melilla

Cuenca Mediterrnea Andaluza

Potencial Potencial de futura utilizacin Total potencial Potencial

actualmente Aprovechamientos tcnicamente fluvial

desarrollado medianos y grandes pequeos Total desarrollable bruto

Norte 10.600 9.300 2.700 12.000 22.600 34.280

Duero 6.700 4.200 600 4.800 11.500 29.400

Tajo 3.900 4.200 600 4.800 8.700 16.540

Guadiana 300 300 300 600 3.830

Guadalquivir 400 500 300 800 1.200 10.410

Sur de Espaa 200 100 300 400 600 2.740

Segura 100 600 100 700 800 2.090

Jcar 1.200 1.000 400 1.400 2.600 7.490

Ebro 7.600 7.000 1.400 8.400 16.000 40.060

Pirineo oriental 600 100 300 400 1.000 3.520

Total cuencas 31.600 27.300 6.700 34.000 65.600 150.360


El potencial pendiente de desarrollar, sobre todo el correspondiente a centrales grandes, es muy difcil que pueda aprovecharse, fundamentalmente, por razones medioambientales o por competencia en los usos del agua. No obstante, existe todava un alto potencial pendiente de desarrollar mediante minicentrales hidroelctricas, viable tcnica y medioambientalmente.

La produccin hidroelctrica nacional

La produccin hidroelctrica anual en Espaa es muy variable y depende en gran medida de la hidraulicidad. En aos hmedos supera los 40.000 GWh (2002 tuvo una produccin rcord de 45.706 GWh), pero en aos secos no llega a los 25.000 GWh. La media de los ltimos 10 aos

ha sido de 32.500 GWh, lo que representa un 17% de la produccin media total de nuestro pas.

Las energa renovables aportaron el 6,5% del consumo total de 2004 en Espaa, lo que supone un ligero descenso respecto a 2003, ao en que las renovables alcanzaron el 7%. A pesar del fuerte impulso que tienen las renovables en nuestro pas, este retroceso se debi en parte a la baja hidraulicidad de 2004, provocada principalmente por la escasez de lluvias.

Segn Red Elctrica de Espaa, la demanda anual de energa elctrica durante 2004 ha sido un 3,5 superior a la de 2003, con un total de 233.551 GWh. En cuanto a la potencia peninsular, ha habido un crecimiento conjunto de los regmenes ordinario y especial del 9,1% respecto al ao anterior. La energa hidroelctrica producible se ha situado alrededor de los 24.600 GWh, y al final del ao 2004 las reservas de los embalses representaban el 49% de su capacidad total.

21 Situacin actual

Las adquisiciones de energa al rgimen especial han alcanzado durante el ao 2004 los 43.011 GWh, cubriendo alrededor de un 18% de la demanda peninsular. En los sistemas extrapeninsulares, la demanda anual de energa elctrica alcanz los 13.858 GWh, un 6,9% superior a 2003. El 69,5% de esta demanda se cubri con los grupos de fuel, el 25,3% con las centrales de carbn y el 5,2% con la energa procedente del rgimen especial.

2 Tecnologa y aplicaciones

25


2.1 Caractersticas de la energa hidroelctrica

La superficie terrestre est cubierta en un 71% de agua. La energa hidroelctrica proviene indirectamente de la energa del sol, responsable del ciclo hidrolgico natural. La radiacin que procede de las fusiones nucleares que se producen en el sol calientan la superficie terrestre, ros, lagos y ocanos, provocando la evaporacin del agua. El aire caliente transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos puntos del planeta, donde cae nuevamente en forma de lluvia y nieve. Una parte de la energa solar permanece almacenada en el agua de los ros, los lagos y los glaciares.

Las centrales y minicentrales hidroelctricas transforman esa energa en electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos puntos. La energa se transforma primero en energa mecnica en la turbina hidrulica, sta activa el generador, que transforma en un segundo paso la energa mecnica en energa elctrica.


SOL N U B E S

EVAPORACIN

ENER

GA

DEL

AG

UA

QU

E CI

RCU

LAPO

R E

L C

AU

CE D

E LO

S R

OS

M A R E S

ANTIGUOS MOLINOS O

FBRICAS DE LUZ

CONDUCCIONES DE RIEGO O

ABASTECIMIENTO

PEQUEOS AZUDES

GRANDES PRESAS

DESNIVEL NATURAL

CONDENSACIN

MINIHIDRULICA POTENCIA 10 MW

GRAN HIDRULICA POTENCIA 10 MW

APROVECHAMIENTO PARA ABASTECIMIENTO

APROVECHAMIENTO PARA REGADOS

APROVECHAMIENTO HIDROELCTRICO

EN

ER

GA

SO

LA

R

Ciclo Hidrolgico

CENTRAL CENTRAL DE CENTRAL EN FLUYENTE PIE DE PRESA CONDUCCIN

ENERGA ELCTRICA

Aunque no hay consenso a nivel europeo respecto a la potencia mxima instalada que puede tener una central para ser calificada como minicentral hidroelctrica, aqu se considera como tal a las que no sobrepasen los 10 MW, que es el lmite aceptado por la Comisin Europea, la UNIPEDE (Unin de Productores de Electricidad), y por lo menos seis de los pases miembros de la Europa de los 15. Hay pases, sin embargo, en los que el lmite puede ser tan bajo como 1,5 MW, mientras que en otros como China o los pases de Amrica Latina, el lmite llega a los 30 MW.

La potencia instalada no constituye el criterio bsico para diferenciar una minicentral de una central hidroelctrica convencional. Una minicentral no es una central convencional a escala reducida. Una turbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseo completamente distinto del de otra de unos cientos de megavatios. Desde el punto de vista de obra civil, una minicentral obedece a principios completamente distintos a las grandes centrales alimentadas por enormes embalses.

Tecnologa y aplicaciones 27

2.2 Tipos de minicentrales hidroelctricas

Las centrales hidroelctricas, y dentro de ellas las minicentrales hidroelctricas, estn muy condicionadas por las peculiaridades y caractersticas que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas. Cuando se vaya a poner en marcha una instalacin de este tipo hay que tener en cuenta que la topografa del terreno va a influir tanto en la obra civil como en la seleccin de la maquinaria.

Segn el emplazamiento de la central hidroelctrica se realiza la siguiente clasificacin general:

- Centrales de agua fluyente. Captan una parte del caudal del ro, lo trasladan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al ro.

- Centrales de pie de presa. Se sitan debajo de los embalses destinados a usos hidroelctricos o a otros usos, aprovechando el desnivel creado por la propia presa.

- Centrales en canal de riego o de abastecimiento.

2.2.1 Central de agua fluyente

Es aquel aprovechamiento en el que se desva parte del agua del ro mediante una toma, y a travs de canales o conducciones se lleva hasta la central donde ser turbinada. Una vez obtenida la energa elctrica el agua desviada es devuelta nuevamente al cauce del ro.


Central hidroelctrica de tipo fluyente

Dependiendo del emplazamiento donde se site la central ser necesario la construccin de todos o slo algunos de los siguientes elementos:

- Azud.

- Toma.

- Canal de derivacin.

- Cmara de carga.

- Tubera forzada.

- Edificio central y equipamiento electro-mecnico.

- Canal de descarga.

- Subestacin y lnea elctrica.

Dentro de este grupo hay diversas formas de realizar el proceso de generacin de energa. La caracterstica comn a todas las centrales de agua fluyente es que dependen directamente de la hidrologa, ya que no tienen capacidad de regulacin del caudal turbinado y ste es muy variable. Estas centrales cuentan con un salto til prcticamente constante y su potencia depende directamente del caudal que pasa por el ro.

En algunos casos se construye una pequea presa en la toma de agua para elevar el plano de sta y facilitar su entrada al canal o tubera de derivacin. El agua desviada se conduce hasta la cmara de carga, de donde sale la tubera forzada por la que pasa el agua para ser turbina-da en el punto ms bajo de la central.

Para que las prdidas de carga sean pequeas y poder mantener la altura hidrulica, los conductos por los que circula el agua desviada se construyen con pequea pendiente, provocando que la velocidad de circulacin del agua sea baja, puesto que la prdida de carga es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos casos, dependiendo de la orografa, la mejor solucin sea optar por construir un tnel, acortando el recorrido horizontal.

29 s Tecnologa y aplicacione

Otros casos que tambin se incluyen en este grupo, siempre que no exista regulacin del caudal turbinado, son las centrales que se sitan en el curso de un ro en el que se ha ganado altura mediante la construccin de una azud, sin necesidad de canal de derivacin, cmara de carga ni tubera forzada.

2.2.2 Central de pie de presa

Es aquel aprovechamiento en el que existe la posibilidad de construir un embalse en el cauce del ro para almacenar las aportaciones de ste, adems del agua procedente de las lluvias y del deshielo. La caracterstica principal de este tipo de instalaciones es que cuentan con la capacidad de regulacin de los caudales de salida del agua, que ser turbinada en los momentos que se precise. Esta capacidad de controlar el volumen de produccin se emplea en general para pro- Central hidroelctrica porcionar energa durante las horas punta de consumo. de pie de presa

La toma de agua de la central se encuentra en la denominada zona til, que contiene el total de agua que puede ser turbina-da. Debajo de la toma se sita la denominada zona muerta, que simplemente almacena agua no til para turbinar.

Segn la capacidad de agua que tenga la zona til la regulacin puede ser horaria, diaria o semanal. En las minicentrales hidroelctricas el volumen de almacenado suele ser pequeo, permitiendo por ejemplo producir energa elctrica un nmero de horas durante el da, y llenndose el embalse durante la noche. Si la regulacin es semanal, se garantiza la produccin de electricidad durante el fin de semana, llenndose de nuevo el embalse durante el resto de la semana.

Embalse

Presa

Tubera forzada

Edificio de la central


Tambin se incluyen en este grupo aquellas centrales situadas en embalses destinados a otros usos, como riegos o abastecimiento de agua en poblaciones. Dependiendo de los fines para los que fue creada la presa, se turbinan los caudales excedentes, los caudales desembalsados para riegos o abastecimientos, e incluso los caudales ecolgicos.

Las obras e instalaciones necesarias para construir una minicentral al pie de una presa que ya existe son:

- Adaptacin o construccin de las conducciones de la presa a la minicentral.

- Toma de agua con compuerta y reja.

- Tubera forzada hasta la central.

- Edificio central y equipamiento electro-mecnico.


2.2.3 Central hidroelctrica en canal de riego

Se distinguen dos tipo de centrales dentro de este grupo: - Aquellas que utilizan el desnivel existente en el propio canal. Mediante la instalacin de

una tubera forzada, paralela a la va rpida del canal de riego, se conduce el agua hasta la central, devolvindola posteriormente a su curso normal en canal.

- Aquellas que aprovechan el desnivel existente entre el canal y el curso de un ro cercano. La central en este caso se instala cercana al ro y se turbinan las aguas excedentes en el canal.

Las obras que hay que realizar en estos tipos de centrales son las siguientes: - Toma en el canal, con un aliviadero que habitualmente es en forma de pico de pato para

aumentar as la longitud del aliviadero.

- Tubera forzada.


- Edificio de la central con el equipamiento electro-mecnico.

- Obra de incorporacin al canal o al ro, dependiendo del tipo de aprovechamiento.


2.3 Diseo de un aprovechamiento hidroelctrico

La potencia de una central hidroelctrica es proporcional a la altura del salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas variables para el diseo de las instalaciones y el dimensionamiento de los equipos.

2.3.1 Determinacin del caudal de equipamiento

Es fundamental la eleccin de un caudal de diseo adecuado para definir el equipamiento a instalar, de forma que la energa producida sea la mxima posible en funcin de la hidrologa. Por tanto, el conocimiento del rgimen de caudales del ro en la zona prxima a la toma de agua es imprescindible para la determinacin del caudal de diseo del aprovechamiento.

La medicin de los caudales del ro se realiza en las estaciones de aforo, donde se registran los caudales instantneos que circulan por el tramo del ro donde est ubicada la estacin y a partir de estos se determinan los caudales mximos, medios y mnimos diarios correspondientes a un gran nmero de aos, con los que se elaboran series temporales agrupadas por aos hidrolgicos.

La obtencin de los datos de estaciones de aforo puede hacerse a travs de los Organismos de cuenca o en el Centro de Estudios y Experimentacin de Obras Pblicas (CEDEX), organismo autnomo adscrito orgnicamente al Ministerio de Fomento y funcionalmente a los Ministerios de Fomento y Medio Ambiente. En Espaa hay una extensa red de estaciones de aforo, que nos proporcionan datos sobre los caudales de un gran nmero de ros durante un significativo nmero de aos.

La hidrologa va a condicionar el funcionamiento de la minicentral

Apor

taci

n a

nual

(Hm

3 /a

o)

Aos Aos normales Aos secos Aos muy hmedos Aos muy

secos hmedos o medios

15% 35% 65% 85% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Frecuencia de aparicin dentro de la serie anual estudiada


Por tanto, en funcin de la ubicacin del futuro aprovechamiento, primeramente se recopilarn las series hidrolgicas (de ms de 25 aos) de las estaciones de aforo existentes en la zona de implantacin de la central, con los datos de caudales medios diarios, para realizar el correspondiente estudio hidrolgico.

Pero cuando no existe ninguna estacin de aforo en la cuenca donde se situar la minicentral, hay que realizar un estudio hidrolgico terico, basado en datos de precipitaciones de la zona y en aforos existentes en cuencas semejantes.

En este caso, se deben recopilar y analizar las series de datos pluviomtricos disponibles, completando los perodos en los que falten datos utilizando mtodos de correlacin de cuencas, para lo que hay que determinar previamente las caractersticas fsicas de la cuenca a estudiar, principalmente la superficie y los ndices que definen la forma y el relieve de esa superficie. A

Clasificacin de los aos continuacin se relacionan las aportaciones de ambas cuencas en funcin de las precipitaciohidrolgicos nes, superficies y coeficientes de escorrenta, teniendo en cuenta los ndices de compacidad y

de pendiente. Con esta relacin se obtiene un factor co-rrector que permite obtener las aportaciones y caudales de la cuenca estudiada, que han sido obtenidas a partir de los datos de una cuenca semejante.

Estos datos es conveniente completarlos, adems, con medidas directas del caudal en una seccin del ro a lo largo de al menos un ao.

Al final, en todo estudio hidrolgico, sea terico o con datos reales de caudales, se obtendr una serie anual lo suficientemente grande para realizar una distribucin estadstica que nos tipifique los aos en funcin de la aportacin registrada: aos muy secos, secos, medios, hmedos y muy hmedos.


Una vez obtenida la distribucin anterior, se tomar un ao medio representativo y se construir la curva de caudales clasificados de la cuenca estudiada que nos dar el caudal en la toma en funcin de los das del ao en que se supera dicho valor. Caracteriza muy adecuadamente, en trminos adimensionales, el rgimen hidrolgico de un cauce a efectos de su aprovechamiento hidroelctrico.

La curva de caudales clasificados proporciona una valiosa informacin grfica sobre el volumen de agua existente, el volumen turbinado y el volumen vertido por servidumbre, mnimo tcnico o caudal ecolgico.

Para elaborar esta curva (representada en el grfico que acompaa este texto), hay que calcular los siguientes parmetros:

QM: Caudal mximo alcanzado en el ao o caudal de crecida.

Qm: Caudal mnimo del ao o estiaje.

Qsr: Caudal de servidumbre que es necesario dejar en el ro por su cauce normal. Incluye el caudal ecolgico y el necesario para otros usos. El caudal ecolgico lo fija el Organismo de cuenca, si no se conociera, una primera estimacin es considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual.

Qmt: Caudal mnimo tcnico. Es aquel directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad K que depende del tipo de turbina.

Qmt = K * Qe

Volumen vertido

Construccin de la curva de caudales clasificados

D

Volumen turbinado

Qsr+Qmt Qm

Qsr+Qe

E

365

A Volumen dejado en el ro

Qsr


Para una primera aproximacin, se tomarn los siguientes valores de K:

- para turbinas PELTON: k = 0,10

- para turbinas KAPLAN: k = 0,25

- para turbinas SEMIKAPLAN k = 0,40

- para turbinas FRANCIS k = 0,40

El caudal de equipamiento Qe se elegir de forma que el volumen turbinado sea mximo, es decir, el rea encerrada entre los puntos A, B, C, D, E, A sea mxima (ver grfico).

Otra forma de determinarlo es, una vez descontado el caudal de servidumbre a la curva de caudales clasificados, se elige el caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100 , siendo el Q80 el caudal que circula por el ro durante 80 das al ao y el Q100 el que circula durante 100 das al ao.

A veces no se elige el caudal que proporciona mayor produccin, ya que hay que tener en cuenta otros factores como pueden ser: la inversin necesaria, instalaciones ya existentes que condicionan el caudal a derivar (por ejemplo, canales, tneles,etc.)

2.3.2 Determinacin del salto neto

El salto es la otra magnitud fundamental para el diseo de una minicentral hidroelctrica. Deber ser el mximo permitido por la topografa del terreno, teniendo en cuenta los lmites que marcan la afeccin al medio ambiente y la viabilidad econmica de la inversin.

A continuacin, se definen los siguientes conceptos:

Salto bruto (Hb): Altura existente entre el punto de la toma de agua del azud y el punto de descarga del caudal turbinado al ro.


Azud Canal

Tubera forzada

Central

Hp

Hn

Hu Hb

Ro

Salto til (Hu): Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cmara de Esquema general

carga y el nivel de desage en la turbina. de un salto de agua

Salto neto (Hn): Es la diferencia entre el salto til y las prdidas de carga producidas a lo largo de todas las conducciones. Representa la mxima energa que se podr transformar en trabajo en el eje de la turbina.

Prdidas de carga (Hp): Son las prdidas por friccin del agua contra las paredes del canal y sobre todo en la tubera forzada, ms las prdidas ocasionadas por turbulencia, al cambiar de direccin el flujo, al pasar a travs de una rejilla o de una vlvula, etc. Se miden como prdidas de presin (o altura de salto) y se calculan mediante frmulas derivadas de la dinmica de fluidos.

Para una primera aproximacin, se puede estimar el salto bruto mediante un plano topogrfico. No obstante, para una determinacin ms correcta y exacta es necesario realizar un levantamiento topogrfico de la zona. Asimismo, tambin se puede suponer que las prdidas de carga son del orden del 5% al 10% del salto bruto.

2.3.3 Potencia a instalar y produccin

La minicentral hidroelctrica cuenta con una potencia disponible que vara en funcin del caudal de agua disponible para ser turbinado y el salto existente en cada instante.

36 Minicentrales hidroelctricas

La potencia disponible

vara en funcin del caudal

La expresin que nos proporciona la potencia instalada es la siguiente:

P = 9,81 * Q * Hn * e P = Potencia en kW

Q = Caudal de equipamiento en m3/s

Hn = Salto neto existente en metros

e = Factor de eficiencia de la central, que es igual al producto de los rendimientos de los diferentes equipos que intervienen en la produccin de la energa: e = Rt * Rg * Rs

Rt = Rendimiento de la turbina

Rg = Rendimiento del generador

Rs = Rendimiento del transformador de salida

Segn el tipo de equipo y el fabricante, el rendimiento de la maquinaria vara, pero a efectos de una primera aproximacin, se puede tomar como factor de eficiencia para una minicentral hidroelctrica moderna el valor de 0,85.

Una vez conocida la potencia es posible calcular la produccin media de la minicentral hidroelctrica, como producto de la potencia en cada momento por las horas de funcionamiento.

De forma ms precisa, la produccin podra calcularse con la siguiente expresin:

E (kWh) = 9,81*Q*Hn*T*e* T = n de horas de funcionamiento (con Hn y Q fijos) = coeficiente de imponderables que refleja las prdidas de energa debidas al mantenimiento y reparacin

de la central, incluso la disponibilidad del agua y la necesidad del mercado elctrico.

Para la simulacin del clculo de la produccin se tendrn en cuenta las siguientes consideraciones:

Como el caudal es variable en funcin del tiempo, la energa se calcular en perodos de tiempo en los que el caudal pueda considerarse constante.

Respecto al salto, se podr considerar constante en centrales fluyentes y ser variable en centrales de pie de presa (curva Q-H del embalse).


2.4 Instalaciones de obra civil

La obra civil engloba las infraestructuras e instalaciones necesarias para derivar, conducir y restituir el agua turbinada, as como para albergar los equipos electromecnicos y el sistema elctrico general y de control.

Los trabajos de construccin de una minicentral hidroelctrica son muy reducidos en comparacin con las grandes centrales hidroelctricas, y sus impactos sobre el medio ambiente pueden ser minimizados si se desarrollan las medidas correctoras necesarias para ello.

La obra civil se compone de los siguientes elementos:

2.4.1 Azudes y presas

La obra que se lleva a cabo para provocar una retencin en el cauce de un ro puede ser de dos tipos:

- Azud. Muro trasversal al curso del ro, de poca altura, que provoca un remanso de agua sin producir una elevacin notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal del ro hacia la toma de la central. Aquella parte que no es derivada vierte por el aliviadero y sigue su curso normal por el ro.

El azud puede construirse de hormign, ladrillos, escollera o tierra. Resiste al empuje del agua por su propio peso, aunque en los azudes de tierra y escollera se suele colocar un anclaje al terreno con el fin de aumentar su estabilidad.

Tipos de azudes

Azud de escollera Azud de tierra Azudes de hormign


- Presa. En este caso el muro que retiene el agua tiene una altura considerable y provoca una elevacin notoria del nivel del ro mediante la creacin de un embalse. En funcin del tamao de ste se podrn regular las aportaciones. Hay varios tipos de presas, segn la forma de resistir el empuje hidrosttico. Algunas, como la presa de contrafuertes o la de bveda, requieren mayor complejidad en su construccin y no suelen ser de aplicacin en las minicentrales; no as los siguientes tipos:

Presa de gravedad. Aquella que contrarresta el empuje del agua con su propio peso, por lo que se confa su estabilidad tambin en el esfuerzo del terreno sobre el que se asienta. Dentro de este tipo y segn el material con el que est hecha se distinguen en:

Presa de gravedad de tierra o escollera. Suelen tener una gran base y poca altura. No utilizan hormign y estn constituidas normalmente por los materiales propios del terreno donde se asientan. Se emplean en centrales grandes y pequeas.

Presa de gravedad propiamente dicha. Se construye de hormign y el terreno que la sujeta tiene que ser muy consistente.

Presa en arco. En este caso el esfuerzo del empuje del agua se transmite hacia las laderas del valle, de ah que su forma implique cierta curvatura. La convexidad que forma la presa est vuelta hacia el embalse. Suelen situarse en valles angostos con laderas rocosas de buena calidad.


Tambin para elevaciones de poca altura de la lmina de agua, existe una tercera tipologa de azud o presa a utilizar que sera:

- Azudes y presas inflables. Consisten en un tubo de material resistente y deformable relleno de agua o aire a una presin determinada. El sistema de apoyo est constituido por una base de hormign a la que se sujeta la parte inferior parcialmente plana del tubo.

Cuando el nivel de agua sube, sta se desborda pasando por encima de la presa. El peso de la lmina acutica deforma el material y el tubo se aplasta ligeramente, dejando que el agua pase. Si el caudal contina aumentando, a determinada altura se abre una vlvula y el tubo se vaca, quedando completamente aplastado por el peso del agua sobre l. Cuando los caudales vuelvan a normalizarse, el agua o aire se reinyecta

Esquema de funcionamiento de una

presa inflable y la presa recupera su forma y funcionamientos normales.

Silln CubetaNivel de de vaciado desinflado

Cimentacin de hormign

2.4.2 Aliviaderos, compuertas y vlvulas

Todas las centrales hidroelctricas disponen de dispositivos que permiten el paso del agua desde el embalse hasta el cauce del ro, aguas abajo, para evitar el peligro que podran ocasionar las avenidas. stas pueden provocar una subida del nivel del agua en el embalse que sobrepase el mximo permitido. En estos casos es necesario poder evacuar el agua sobrante sin


necesidad de que pase por la central. Las compuertas y vlvulas son aquellos elementos que permiten regular y controlar los niveles del embalse. Existen distintas posibilidades de desage:

- Los aliviaderos de superficie pueden disponer de diferentes tipos de compuertas, que permiten mantener totalmente cerrado el paso del agua, abierto parcialmente o abierto total. Segn la tcnica que emplean se distinguen:

- Compuertas verticales. El elemento de cierre es un tablero de chapa reforzado que se sube y baja verticalmente guiado por unas ranuras en los pilares adyacentes. Cuando el empuje que ejerce el agua embalsada sobre la compuerta es grande, las guas sufren un fuerte rozamiento, en este caso se utilizan compuertas vagn, cuyos bordes verticales estn provistos de ruedas con rodamientos que apoyan en ambos carriles.

- Compuertas de segmento o compuertas Taintor. Consisten en una estructura metlica con una superficie en forma cilndrica, que gira alrededor de un eje al que est unido a travs de brazos radiales. La apertura se realiza con un movimiento hacia arriba.

- Compuertas de sector. Su forma es similar a las compuertas segmento, pero difieren de stas en el movimiento de apertura, que en este caso es de arriba hacia abajo, dejando libre el paso para que el agua vierta por encima de la compuerta. Esto implica un espacio vaco en el interior de la presa, donde se guarda la compuerta cuando est abierto el paso del agua.

- Clapeta. Se denomina as a las compuertas basculantes alrededor de un eje que vierten por arriba. En este caso tambin se necesita un alojamiento horizontal para la compuerta cuando est abatida.

- Los desages de fondo o medio fondo utilizan las vlvulas y las compuertas como elementos de cierre. Las vlvulas se emplean en instalaciones con caudales moderados o


medios. Pueden ser de aguja, mariposa, compuerta o de chorro hueco. La entrada de elementos gruesos en estos conductos supone un problema, que se resuelve con la colocacin de unas rejas protectoras en la entrada de la vlvula. Estas rejas deben contar a su vez con un dispositivo limpiador que las mantenga libres de cualquier obstruccin.

2.4.3 Toma de agua

Consiste en la estructura que se realiza para desviar parte del agua del cauce del ro y facilitar su entrada desde el azud o la presa. Su diseo debe estar calculado para que las prdidas de carga producidas sean mnimas.

La toma normalmente dispone de una rejilla que evita la entrada de elementos slidos al canal y una compuerta de seguridad que se denomina atagua. En funcionamiento normal esta compuerta permanece abierta, cerrndose nicamente en caso de emergencia o cuando se va a realizar una inspeccin o reparacin.

Existe otro tipo de toma que es la sumergida. Se realiza un canal excavado transversalmente en el cauce del ro, de manera que el agua entra a travs de la reja superior que protege esta entrada, y sale transversalmente al curso del ro para incorporarse al canal de derivacin.

La toma de agua sumergida suele utilizarse en centrales de montaa por la sencillez de su construccin, adems de que provoca un impacto mnimo sobre el medio ambiente.


2.4.4 Canales, tneles y tuberas

Segn el tipo de minicentral que vayamos a construir, se necesita una red mayor o menor de conducciones. Las instalaciones situadas a pie de presa no tienen cmara de carga (es el propio embalse), al contrario que las centrales en derivacin donde el agua tiene que hacer un recorrido ms largo: primero desde la toma a la cmara de carga, y despus hasta la turbina.

El primer tramo que recorre el agua se realiza a travs de canales, tneles o tuberas. En el segundo tramo hasta la turbina, se utilizan siempre tuberas.

Los canales que transportan el agua de la toma a la cmara de carga pueden realizarse a cielo abierto, enterrados o en conduccin a presin:

Las conducciones superficiales pueden realizarse excavando el terreno, sobre la propia ladera o mediante estructura de hormign. Normalmente se construyen sobre la propia ladera, con muy poca pendiente, ya que el agua debe circular a baja velocidad para evitar al mximo las prdidas de carga. stas conducciones, que siguen las lneas de nivel, tienen una pendiente de aproximadamente el 0,5 por mil. Al realizar estos trazados hay que procurar que el movimiento de tierras sea el mnimo posible, adaptndose al terreno.

Los tneles son conducciones bajo tierra que se ex-cavan en el terreno y aunque tienen un coste ms elevado, se adaptan mejor a ste. El tnel suele ser de superficie libre y funciona como un canal abierto (es decir, el agua no circula en presin).

43

Longitud altura (m)

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0

Calado

Ancho en la base

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Caudal (m3/s)

Longitud altura (m)

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0

Calado

Anchura

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Caudal (m3/s)

Tecnologa y aplicaciones

Las tuberas tambin se emplean en las conducciones bajo tierra, pero si son del tipo sin superficie libre, el fluido estar sometido a presin. Cuando la presin interna es muy alta, se incluye un armazn metlico como refuerzo.

La seccin transversal a adoptar depender de la clase de terreno, ya que habitualmente se utiliza la seccin rectangular para canales en roca y la seccin trapezoidal para canales en tierra. Para conducciones en lmina libre enterradas se suelen utilizar tuberas prefabricadas de hormign.

Los siguientes grficos dan una estimacin del calado (altura de la lmina de agua) y del ancho de la solera del canal en funcin del caudal para canales rectangulares y trapezoidales, respectivamente. El grfico a la derecha nos da el dimetro de una conduccin circular en lmina libre en funcin del caudal. Para la representacin de estas curvas, se han fijado valores de taludes, pendientes y rugosidades habituales en este tipo de construccin.

Dimetro de una conduccin

circular en lmina libre en

funcin del caudal

Dimetro de la conduccin (m)

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,Caudal (m3/s)

0 0

Canal rectangular.

Ancho y calado

en funcin del caudal

Canal trapezoidal.

Ancho de la base y calado

en funcin del caudal


2.4.5 Cmara de carga

La cmara de carga es un depsito localizado al final del canal del cual arranca la tubera forzada. En algunos casos se utiliza como depsito final de regulacin, aunque normalmente tiene solo capacidad para suministrar el volumen necesario para el arranque de la turbina sin intermitencias.

Cuando la conduccin entre la toma de agua y la cmara de carga se realiza en presin, sta ltima ser cerrada y tendr adems una chimenea de equilibrio, para amortiguar las variaciones de presin y protegerla de los golpes de ariete.

Al disear la geometra de la cmara hay que evitar al mximo las prdidas de carga y los remolinos que puedan producirse, tanto aguas arriba como en la propia cmara. Si la tubera forzada no est suficientemente sumergida, un flujo de este tipo puede provocar la formacin de vrtices que arrastren aire hasta la turbina, produciendo una fuerte vibracin que bajara el rendimiento de la minicentral.

La cmara de carga debe contar adems con un aliviadero, ya que en caso de parada de la central el agua no turbinada se desagua hasta el ro o arroyo ms prximo. Tambin es muy til la instalacin en la cmara de una reja con limpia-rejas y compuertas de desarenacin y limpieza.

2.4.6 Tubera forzada

Es la tubera que se encarga de llevar el agua desde la cmara de carga hasta la turbina. Debe estar preparada para soportar la presin que produce la columna de agua, adems de la sobre-presin que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la minicentral.

- Dependiendo de la orografa del terreno y de los factores medioambientales, la colocacin de la tubera forzada ser enterrada o area. En este ltimo caso, ser necesario sujetar la tubera mediante apoyos, adems de los anclajes necesarios en cada cambio de direccin de sta y la instalacin de juntas de dilatacin que compensen los esfuerzos originados por los cambios de temperatura.


3,00

2,75

2,50

2,25

2,00

1,75

1,50

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

0 7 14 21 28 35

Caudal (m3/s)

Dimetro (m)

- En la opcin de tubera enterrada, se suele disponer de una cama de arena en el fondo de la zanja sobre la que apoya la tubera, y se instalan anclajes de hormign en los cambios de direccin de la tubera. En este caso estar sometida a menos variaciones de temperatura, por lo que no ser necesario, en general, la instalacin de juntas de dilatacin, aunque en funcin del tipo de terreno s pueden sufrir problemas de corrosin. Para contrarrestarlo se suele instalar proteccin catdica.

- Los materiales ms utilizados para la construccin de este tipo de tuberas son el acero, la fundicin, el fribrocemento y el plstico reforzado con fibra de vidrio, en funcin del desnivel existente.

- El espesor de la tubera forzada suele ser como mnimo de unos 6 mm. Esta medida se calcula en funcin del tipo de salto y el dimetro.

- El dimetro suele ir en funcin del caudal, como se puede ver en el grfico.

Espesor de la tubera forzada en la seccin inferior

en funcin del salto y el dimetro Dimetro de la tubera en funcin del caudal

Espesor en la seccin inferior (mm) 40

Dimetro = 2 m

Dimetro = 1,5 m

Dimetro = 3 m Dimetro =1 m

Dimetro =0,5 m

35

30

25

20

15

10

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Salto (m)


2.4.7 Edificio de la central

Es el emplazamiento donde se sita el equipamiento de la minicentral: turbinas, bancadas, generadores, alternadores, cuadros elctricos, cuadros de control, etc.

La ubicacin del edificio debe analizarse muy atentamente, considerando los estudios topogrficos, geolgicos y geotcnicos, y la accesibilidad al mismo. El edificio puede estar junto al azud o presa, situarse al pie de ste, estar separado aguas abajo cuando hay posibilidad de aumentar la altura del salto, e incluso puede construirse bajo tierra. Esta ltima opcin se realiza cuando las excavaciones van a ser ms econmicas, adems de evitar el impacto visual que acompaa a este tipo de construcciones, o bien cuando la central se construye al mismo tiempo que la presa (en grandes presas).

Independientemente del lugar donde se ubique, el edificio contar con las conducciones necesarias para que el agua llegue hasta la turbina con las menores prdidas de carga posibles. Adems, hay que realizar el desage hacia el canal de descarga.

El proyecto final del edificio va a depender del tipo de maquinaria que vaya a ser utilizado, que a su vez depende del caudal de equipamiento y del salto del aprovechamiento. Es muy importante que en el diseo de la minicentral los costes econmicos se minimicen al mximo, as como el impacto visual.

2.4.8 Elementos de cierre y regulacin

En caso de parada de la central es imprescindible la existencia de dispositivos que aslen la turbina u otros rganos de funcionamiento. Aunque estos dispositivos han sido ya mencionados a lo largo del texto, recordamos cuales son:

- Ataguas. Se emplean para cerrar el acceso de agua a la toma cuando es necesario realizar una limpieza de la instalacin o reparaciones en las conducciones.


- Compuertas. En las centrales de pequeo salto se suelen emplear las compuertas verticales, que cortan el paso del agua a la minicentral, donde se encuentra la turbina.

- Vlvulas. Pueden ser de compuerta, de mariposa o esfrica. La vlvulas ofrecen una mayor fiabilidad que las compuertas, pero producen mayores prdidas de carga y se utilizan principalmente en centrales donde el salto es considerable.

2.5 Equipamiento electromecnico

La tecnologa desarrollada hasta ahora en el rea de la energa hidroelctrica es muy avanzada, ya que se han aplicado los avances logrados en los ltimos 150 aos. Las turbinas y el resto de equipos de una central presentan actualmente una alta eficiencia, cubriendo toda la gama de caudales desde 0,1 a 500 m3/s, pudiendo utilizarse hasta 1.800 m de salto neto con rendimientos buenos mecnicos.

Los equipos asociados, como reguladores de velocidad, son de tecnologa electrnica, lo que permite alcanzar una gran precisin en la regulacin y el acoplamiento de grupos, y el control y regulacin de las turbinas se gestiona por autmatas de ltima generacin.

2.5.1 Turbinas hidrulicas

La turbina hidrulica es el elemento clave de la minicentral. Aprovecha la energa cintica y potencial que contiene el agua, transformndola en un movimiento de rotacin, que transferido mediante un eje al generador produce energa elctrica. Las turbinas hidrulicas se clasifican en dos grupos: turbinas de accin y turbinas de reaccin.

En una turbina de accin la presin del agua se convierte primero en energa cintica. En una turbina de reaccin la presin del agua acta como una fuerza sobre la superficie de los labes y decrece a medida que avanza hacia la salida.


Rendimiento

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

% s/Caudal de equipamiento

Rendimiento turbina Pelton

a)Turbinas de accin

Son aquellas que aprovechan nicamente la velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. El tipo ms utilizado es el denominado turbina Pelton, aunque existen otros como la Turgo con inyeccin lateral y la turbina de doble impulsin o de flujo cruzado, tambin conocida por turbina Ossberger o Banki-Michell.

- Pelton. Esta turbina se emplea en saltos elevados que tienen poco caudal. Est formada por un rodete (disco circular) mvil con labes (cazoletas) de doble cuenco. El chorro de agua entra en la turbina dirigido y regulado por uno o varios inyecto-res, incidiendo en los labes y provocando el movimiento de giro de la turbina.

La potencia se regula a travs de los inyectores, que aumentan o disminuyen el caudal de agua. En las paradas de emergencia se emplea un deflector que dirige el

chorro directamente al desage, evitando el embalamiento de la mquina. Esto permite un cierre lento de los inyectores, sin golpes de presin en la tubera forzada.

Estas turbinas tienen una alta disponibilidad y bajo coste de mantenimiento, adems de que su rendimiento es bastante alto (superior al 90% en condiciones de diseo:presenta una curva de rendimiento bastante plana con un rendimiento superior al 80% para un caudal del 20% del nominal).

Las posibilidades que ofrece este tipo de mquina hacen que sea muy apropiada para operar con carga parcial, adems de permitir una amplia variacin de caudales en su funcionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o

49

Rendimiento

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%


Tecnologa y aplicaciones

vertical, y con uno o varios inyectores. Por lo general se combinan:

Eje horizontal en las mquinas con uno o dos inyectores.

Eje vertical en las mquinas con ms de dos inyectores. Esta solucin encarece el coste del generador.

- Turbina de flujo cruzado, tambin conocida como de doble impulsin, Ossberger o Banki-Michell. Est constituida por un inyector de seccin rectangular provisto de un labe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilndrica, con sus mltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales.

El primer impulso se produce cuando el caudal entra en la turbina orientado por el Rendimiento turbina de flujo labe del inyector hacia las palas del rodete. Cuando cruzado (Ossberger) este caudal ya ha atravesado el interior del rodete proporciona el segundo impulso, al salir del mismo y caer por el tubo de aspiracin.

Este tipo de turbinas tienen un campo de aplicacin muy amplio, ya que se pueden instalar en aprovechamientos con saltos comprendidos entre 1 y 200 metros con un rango de variacin de caudales muy grande.

La potencia unitaria que puede instalar est limitada aproximadamente a 1 MW. El rendimiento mximo es inferior al de las turbinas Pelton, siendo aproximadamente el 85%, pero tiene un funcionamiento con rendimiento prcticamente constante para caudales de hasta 1/16 del caudal nominal.


Rendimiento

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Rendimiento turbina Francis

b) Turbinas de reaccin

Este tipo de turbinas cuentan con un diseo de rotor que permite aprovechar la presin que an le queda al agua a su entrada para convertirla en energa cintica. Esto hace que el agua al salir del rotor tenga una presin por debajo de la atmosfrica.

Las turbinas de reaccin ms utilizadas son las Francis y la Kaplan. La mayora de estas turbinas se componen casi siempre de los siguientes elementos:

- Carcasa o caracol. Estructura fija en forma de espiral donde parte de la energa de presin del agua que entra se convierte en energa cintica, dirigiendo el agua alrededor del distribuidor.

- Distribuidor. Lo componen dos coronas concntricas; el estator (corona exterior de labes fijos) y el rotor (corona de labes mviles).

- Rodete. Es un elemento mvil que transforma la energa cintica y de presin del agua en trabajo.

- Difusor. Tubo divergente que recupera parte de la energa cintica del agua.

- Francis. Esta turbina se adapta muy bien a todo tipo de saltos y caudales, y cuenta con un rango de utilizacin muy grande. Se caracteriza por recibir el fluido de agua en direccin radial, y a medida que sta recorre la mquina hacia la salida se convierte en direccin axial.

El rendimiento de las turbinas Francis es superior al 90% en condiciones ptimas de funcionamiento. Permite variaciones de caudales entre el 40% y el 105% del caudal de diseo, y en salto entre 60% y el 125% del nominal.

Los elementos que componen este tipo de turbinas son los siguientes:


100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

Kaplan Semikaplan Hlice

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

- Distribuidor. Contiene una serie de labes fijos y mviles que orientan el agua hacia el rodete.

- Rodete formado por una corona de paletas fijas, con una forma tal que cambian la direccin del agua de radial a axial.

- Cmara de entrada. Puede ser abierta o cerrada, y tiene forma espiral para dar una componente radial al flujo de agua.

- Tubo de aspiracin o de salida de agua. Puede ser recto o acodado, y cumple la funcin de mantener la diferencia de presiones necesaria para el buen funcionamiento de la turbina.

- Turbinas Hlice, Semikaplan y Kaplan. Las instalaciones con turbina hlice se componen bsicamente de una cmara de entrada abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con 4 5 palas fijas en forma de hlice de barco y un tubo de aspiracin.

Rendimiento turbinas Kaplan,

Semikaplan y Hlice Las turbinas Kaplan y Semikaplan son variantes de la Hlice con diferentes grados de regulacin. Ambas poseen el rodete con palas ajusta- Rendimiento bles que les proporciona la posibilidad de funcionar en un rango mayor de caudales.

La turbina Kaplan incorpora un distribuidor regulable que le da un mayor rango de funcionamiento con me-jores rendimientos, a cambio de una mayor complejidad y un coste ms elevado.

El rendimiento es de aproximadamente el 90% para el caudal nominal y disminuye a medida que nos alejamos de l (ver grfico).

Este tipo de turbinas se emplean generalmente para % s/Caudal de equipamiento


saltos pequeos y caudales variables o grandes. Cundo se usa un tipo y otro? En funcin de las caractersticas del aprovechamiento y de los aspectos tcnicos y econmicos.

- Para una central de tipo fluyente, con un salto prcticamente constante y un caudal muy variable, es aconsejable la utilizacin de una turbina Kaplan o Semikaplan.

- La turbina de hlice se utiliza en centrales con regulacin propia que funcionan con caudal casi constante entre unos niveles mximo y mnimo de embalse.

La variacin admitida en el salto en estos tres tipos de turbina es del 60% al 140% del diseo, y en caudal, del 40% al 105% del caudal nominal para la Hlice, del 15% al 110% para las Kaplan, situndose la Semikaplan entre ambas.

La implantacin de este tipo de turbinas suele ser con eje vertical, en cmara abierta o cerrada, aunque en ocasiones es ms conveniente otro tipo de instalaciones con eje horizontal o ligeramente inclinado, como las turbinas tubulares o bulbo.

- Tubular. Se denominan turbinas tubulares o en S. Su implantacin puede ser de eje horizontal, inclinado o vertical, y tiene un rendimiento ligeramente superior a las Kaplan en cmara, de entre un 1% o 2%.

- Bulbo. El generador est inmerso en la conduccin protegido por una carcasa impermeable. El rendimiento es aproximadamente un 1% superior al de la turbina tubular. Tiene la ventaja de que la obra civil necesaria se reduce pero los equipos son ms complejos y esto dificulta el mantenimiento.

c) Rangos de utilizacin y rendimientos de las distintas turbinas

En funcin del salto (grande o pequeo) y del caudal (variable o constante, alto o bajo), es ms conveniente usar un tipo u otro de turbina. Esto es lo que nos indica el rango de utilizacin.


Hm

400

200

100

50

10

5

3

2

Q (mc/s)0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 3 5 10 30 50 100

5 KW10 KW

20 KW30 KW

50 KW100 KW

200 KW

500 KW

1.000 KW

2.000 KW

5.000 KW

10.000 KW

Turbinas Pelton Turgo Ossberger Francis Kaplan

Adems, hay que tener en cuenta la curva de rendimiento de cada turbina, que vara segn sea el caudal de funcionamiento. En general, la turbina a utilizar sera:

- Kaplan. Saltos pequeos y caudales variables.

- Francis. Saltos ms elevados y variaciones de caudal moderadas.

- Pelton. Grandes saltos, independientemente de la variacin de caudal.

Tambin vara el rendimiento en funcin del salto donde vayamos a instalar la minicentral. Esta variacin es menos acusada, pero conviene analizarla, ya que para obtener una estimacin correcta de la

Campo de utilizacin

de los diferentes

tipos de turbinas

energa producida en un aprovechamiento hay que analizar el rendimiento de la turbina en cada rgimen de funcionamiento.

Tambin es importante tener en cuenta que las turbinas de reaccin grandes ofrecen mejores rendimientos que las pequeas, ya que el rendimiento aumenta cuando aumenta el dimetro de salida. Las curvas de rendimiento dadas en los apartados anteriores corresponden a un rodete de tamao medio. Para rodetes de gran tamao, superiores a los 3 metros de dimetro, se produce un incremento de rendimiento.

Potencia nominal: es la mxima potencia producida por el generador en condiciones de diseo. Viene expresada por la siguiente frmula

Pn= 9,81 . Qn . Hn . Rt . Rg Pn= Potencia nominal en KW

Qn= Caudal de equipamiento en m3/s

Hn= Salto neto de diseo en metros

Rt= Rendimiento de la turbina para Hn y Qn de diseo

Rg= Rendimiento nominal del generador


A falta de datos ms precisos se puede estimar el rendimiento del generador en un 95% para condiciones de funcionamiento nominal.

A veces, para aumentar la velocidad de giro del rotor del generador puede instalarse un multiplicador de velocidad entre la turbina y ste. Si se coloca este aparato, el tamao del generador disminuye y tambin su coste, ya que el nmero de polos del generador disminuye al aumentar la velocidad de giro. Hay que considerar que el multiplicador de velocidad produce prdidas mecnicas, alcanzando un rendimiento prximo al 98%, que hay que tener en cuenta en el clculo de la potencia nominal as como en la conveniencia tcnica-econmica de instalarlo o no.

2.5.2 El generador

Es la mquina que transforma la energa mecnica de rotacin de la turbina en energa elctrica. El generador basa su funcionamiento en la induccin electromagntica. El principio de su funcionamiento se basa en la ley de Faraday, mediante la cual, cuando un conductor elctrico se mueve en un campo magntico se produce una corriente elctrica a travs de l.

El generador, o alternador, est compuesto de dos partes fundamentales: - Rotor o inductor mvil. Su funcin es generar un campo magntico variable al girar

arrastrado por la turbina. - Esttor o inducido fijo. Sobre el que se genera la corriente elctrica aprovechable.

En centrales menores de 1000 KW la tensin de trabajo del generador es de 400 660 voltios. Para potencias ms elevadas la generacin se produce en media tensin (3.000, 5.000 6.000 voltios).

El generador puede ser de dos tipos: sncrono o asncrono.

Sncrono. En este tipo de generador la conversin de energa mecnica en elctrica se produce


a una velocidad constante llamada velocidad de sincronismo, que viene dada por la expresin

Ns= 60 f p

Ns = velocidad de sincronismo expresada en r.p.m.

f = frecuencia en Hz (50 Hz en Espaa)

p = nmero de pares de polos del generador

Las bobinas arrolladas crean el campo magntico en los polos del rotor. Para que esto ocurra, por estas bobinas debe circular una corriente elctrica continua. Para producir esta corriente continua pueden emplearse diferentes sistemas de excitacin:

- Autoexcitacin esttica. La corriente proviene de la propia energa elctrica generada, previamente transformada de alterna en continua.

- Excitacin con diodos giratorios. Se crea una corriente alterna invertida, con polos en el esttor y se rectifica por un sistema de diodos, situado en el eje comn.

- Excitacin auxiliar. La corriente necesaria se genera mediante una dinamo auxiliar regulada por un reostato.

Asncrono. Debido a la simplicidad, robustez y bajo costo de los clsicos motores elctricos, stos han venido utilizndose como generadores elctricos sobre todo en centrales de pequea potencia. Para ello es necesario que el par mecnico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincronismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorio excitador. Es importante que la diferencia entre las velocidades de funcionamiento y la de sincronismo sea pequea, para reducir las prdidas en el cobre del rotor.


El generador toma la corriente de la red para la creacin del campo magntico. Tambin es necesaria la colocacin de una batera de condensadores que compense la energa reactiva generada.

El uso de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en la turbina. Para arrancar el grupo se abre el distribuidor de la turbina hasta que se llega a una velocidad superior a la de sincronismo (aunque prxima a la misma) y en este momento se conecta a la red por medio de un interruptor automtico.

2.5.3 Equipo elctrico general y lnea

El equipamiento elctrico es necesario en la central hidroelctrica, ya que es el encargado de la transformacin de la tensin, de la medicin de los diferentes parmetros de la corriente elctrica, de la conexin a la lnea de salida y de la distribucin de la energa.

El transformador de tensin es uno de los elementos fundamentales de este equipamiento. Dependiendo de la tensin de trabajo del generador, la transformacin puede ser baja/media o media/alta tensin. El objetivo es elevar la tensin al nivel de la lnea existente para permitir el transporte de la energa elctrica con las mnimas prdidas posibles.

El transformador debe contar con un sistema de refrigeracin que puede lograrse por conveccin natural o por circuito cerrado de aceite o silicona. Atendiendo a sus caractersticas constructivas existen varios tipos, entre los que cabe destacar los siguientes:

- Transformador encapsulado seco. Normalmente se instalan en el interior del edificio de la central, minimizando la obra civil asociada a la subestacin. Presenta una menor capacidad


de evacuacin del calor de prdidas por lo que es importante tener en cuenta en el diseo un sistema de refrigeracin, mediante circulacin de aire natural o forzado.

- Transformador en aceite. Requieren la construccin de un cubeto para prever la recogida de aceite ante una fuga o derrame. Al estar sumergido en aceite y disponer de sistemas de radiadores para la evacuacin del calor de prdidas pueden alcanzar mayores potencias nominales que los secos.

Los equipos elctricos necesarios se disponen en cuadros elctricos situados en el interior del edificio central, y bsicamente son:

- Disyuntores y seccionadores, que se emplean para la conexin y desconexin a la red.

- Transformadores de medida, tanto de tensin como de intensidad, que facilitan los valores instantneos de estas magnitudes en diversas partes de la instalacin.

- Transformadores de equipos auxiliares, que suministran la tensin adecuada para el correcto funcionamiento de los equipos.

- Pararrayos o autovlvulas, que actan como descarga-

dores a tierra de las sobreintensidades que se producen.

La lnea elctrica necesaria para transportar la energa producida hasta los centros de consumo o hasta la red de distribucin es otro de los puntos importantes a la hora de disear y presupuestar el proyecto. El coste de esta lnea puede encarecer notablemente el proyecto, dependiendo de su longitud y de la orografa del terreno.


Las caractersticas de la red que hay que conocer son frecuencia y tensin:

- Frecuencia. Dato conocido de partida (50 Hz).

- Tensin. Los valores normalizados varan desde 3 kV hasta 66 kV, 72 kV o incluso 132 kV, dependiendo de las condiciones del punto de conexin. La tensin nominal de la red existente tiene gran importancia ya que implica una transformacin al mismo nivel, que puede suponer un coste elevado si se estuviera condicionado a conectar a una lnea de alta tensin.

2.5.4 Elementos de regulacin, control y proteccin

La instalacin de estos elementos es necesaria para regular y controlar el buen funcionamiento de la central, adems de los dispositivos de proteccin que deben colocarse en la central y la lnea elctrica, y que actuarn cuando se produzca algn fallo en la central.

Los principales bucles de control y sistemas de supervisin y mando para una minicentral hidroelctrica son:

Para el control de la turbina:

- Regulador de velocidad en instalaciones con grupos sncronos.

- Reguladores de nivel para centrales con grupos asncronos conectados a la red.

- Regulador de potencia generada para centrales en red aislada.

- Regulador de caudal turbinado.

Para el control del generador:

- Regulador de tensin para grupos sncronos.

- Equipo de sincronizacin, cuando existen grupos sncronos funcionando conectados a la red.

- Bateras de condensadores y un rel taquimtrico, cuando existan grupos asncronos funcionando conectados a la red.


Para el control de la turbina y el generador se pueden distinguir tres casos, en funcin del tipo de generador utilizado y del funcionamiento previsto:

- Central con generador sncrono funcionando conectado a la red. Aunque el control de la turbina no necesita un regulador de velocidad porque la frecuencia est mantenida por la red, es conveniente su instalacin. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo-oleohidrulico, y las rdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

El control del generador es una regulacin del factor de potencia, ya que al estar conectado a la red est fija la tensin, y la variacin de la excitacin modifica la potencia reactiva suministrada por el grupo.

El equipo automtico de sincronizacin estar provisto de ajuste de velocidad y tensin del grupo, a travs de un rel de sincronismo.

- Central con generador sncrono funcionando aislado. Se necesita un sistema de regulacin de velocidad y de potencia, para que el control de la turbina asegure el mantenimiento de la frecuencia de la red en cualquier condicin de carga.

El control del generador necesita un regulador de tensin que acte sobre la excitacin del alternador, con el fin de mantener la tensin dentro de los lmites admisibles.

- Central con generador asncrono funcionando conectada a la red. No es necesario el control de la turbina al estar mantenida la frecuencia por la red. El mando del distribuidor se realiza mediante un servo-oleohidrulico, y las rdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

Una batera de condensadores estticos, controlados de forma continua por medio de tiristores, efecta el control del generador.

Para realizar la conexin del grupo a la red se necesita un detector de velocidad que proporcione una seal cuando el grupo llegue a la velocidad de sincronismo, utilizndose un rel taquimtrico mecnico o elctrico.

La instalacin de elementos de regulacin, control y proteccin son necesarios para el buen funcionamiento de la central


Las protecciones de los sistemas

que componen la minicentral

actan al producirse un hecho anormal

Las protecciones de los sistemas que componen la minicentral actan al producirse un hecho anormal en su funcionamiento, provocando una alarma, la parada de algn grupo e incluso la parada total de la central. Esto depende del motivo que haya provocado dicha irregularidad. Las principales causas que pueden accionar las protecciones son:

Protecciones mecnicas

- Embalamiento de turbina y generador.

- Temperatura de eje y cojinetes.

- Nivel de circulacin del fluido de refrigeracin.

- Temperatura de aceite del multiplicador de velocidad.

- Nivel mnimo hidrulico.

- Desconexin de la bomba del aceite de regulacin.

Protecciones elctricas del generador y transformador

- Intensidad mxima.

- Retorno de potencia (mxima admitida 5% de la nominal).

- Calentamiento del generador y/o del transformador.

- Derivacin en el esttor.

- Produccin de gases en el transformador (Buchholz).

- Nivel de tensin (entre el 85 y el 100% de la tensin nominal).

- Nivel de frecuencia (entre 47,5 y 51 HZ).

Protecciones de la lnea de media tensin

- Derivacin de una fase de tierra.

- Cortocircuito o inversin de fases.

- Sobreintensidad.

- Red de tierra, para limitar la tensin con respecto al terreno.


2.5.5 Automatizacin

La automatizacin de una minicentral permite reducir los costes de operacin y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energtico de la instalacin.

El grado de automatizacin va a depender principalmente de la ubicacin y el tipo de central, de las posibilidades reales de regulacin, y del presupuesto, incluyendo el coste del personal de trabajo. La automatizacin ser total cuando incluya el arranque, regulacin y parada de la central, y ser parcial cuando mande solamente parada y alarma, en caso de que acten las protecciones de la central.

En la actualidad todas las centrales de nueva construccin son totalmente automatizadas. De hecho, una de las actuaciones que se viene realizando en el sector hidroelctrico consiste en la modernizacin de antiguas instalaciones en explotacin para automatizar todos sus equipos y sistemas con objeto de obtener mayores rendimientos energticos y menores gastos de explotacin.

En cuanto a la tecnologa se puede distinguir entre:

Convencional. Basada en los rels electromecnicos o estticos. La utilizacin de rels convencionales es la forma ms sencilla y econmica de automatizar una central, aunque tiene la desventaja de ser ms limitada. Esta tecnologa permite automatizar

- secuencias de arranque

Minicentrales Hidroelectricas

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