Energía Hi Dr á Ulica
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1/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
ENERGÍA HIDRÁULICA
GENERANDO ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR ENERGÍA MECÁNICA
Alfredo Ortiz Fernández
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética
Universidad de Cantabria
Avenida de los Castros s/n. 39005 - Santander
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2/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
ANTECEDENTES
La energía del agua es un aprovechamiento indirecto de la energíaSolar, ya que tiene su origen en el Sol.
El calor del Sol hace mover el “motor” del ciclo del agua o ciclohidrológico:
•
la energía solar evapora el agua de los mares para formarnubes que serán transportadas por el viento hasta loscontinentes y allí se transformarán en precipitaciones de agualíquida (lluvia) y de nieve.
• el agua que llega de esta forma a la superficie terrestreaprovecha el desnivel existente hasta el mar y vuelve a ésteformando corrientes superficiales (ríos) o subterráneas.
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ANTECEDENTES
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ANTECEDENTES
Los egipcios, 3000 años a.c. fueron los primeros en aprovechar laenergía del agua.
Según Heródoto (historiador griego S. V a.C.) escribió: “Egipto es unregalo del Nilo”.
- Los romanos usaban una rueda hidráulica denominada Molino
Romano:
Rendimiento bajo:30 % aprox.
Rendimiento aumenta:70 - 80%
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ANTECEDENTES
En la Edad media se perfeccionó su funcionamiento y permitió eldesarrollo de la industria textil y metalúrgica.
- En el siglo XIX se inventaron las turbinas.DEFINICIÓN DE TURBINA: “rueda dentada acoplada a una cañería”
- Descubrimientos en electricidad y electromagnetismo. Se comenzó autilizar la energía hidráulica como fuente de energía eléctrica.
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ANTECEDENTES
Hidroelectricidad: de las formas más maduras de energías renovables.
Más de 19% del consumo de electricidad en el mundo.
Grandes centrales:
Brasil, Estados Unidos, Canadá y Noruega producen cantidadessignificativas hidroelectricidad.
Pequeñas centrales:
En China, más de 19.000 MW producidos a partir de 43.000 pequeñascentrales hidroeléctricas.
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ANTECEDENTES
2.6 MW Small Hydro
Project in Canada.
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8/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
ANTECEDENTES
No existe una definición universalmente aceptada del término" pequeña central hidroeléctrica“.
Pueden variar en tamaño desde unos pocos kilovatios a 50 megavatios.
• Proyectos de 100 kW a 1 MW: “ mini-hidroeléctricas”•
Proyectos de menos de 100 kW: “ micro-hidroeléctricas”
La potencia no siempre relacionada con el tamaño de la hidrocentral.
Ej: Una central de 20 MW con un salto bajo;• Usa gran volumen de agua.• Requiere de grandes turbinas.
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9/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
ANTECEDENTES
El mapa representa las centrales mayores de 20 MW. Se indica elnombre de las 10 centrales mayores de 300 MW.
La mayor concentración degrandes centrales se da en lacaída de los ríos Duero y Tajo ya
en la frontera con Portugal. Lascentrales de Villarino, Saucelle,Aldeadávila, José María deOriol y Cedillo, suman el 20%del total de la potencia hidráulica
instalada en el país, y el 7% de lapotencia eléctrica total...
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1.1. Descripción de una central hidráulica
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1.1.1 Las obras civiles
La presa dirige el agua en un canal, túnel, tubería forzada o entrada de la
turbina.
El agua pasa a través de la turbina, girando con la fuerza suficiente paragenerar electricidad en un generador.
Entonces, el agua fluye hacia el río a través de un canal de descarga.
En general, son construidas para un área aislada son fluyentes
el agua no se almacena en un depósito
se utilizará tan sólo cuando esté disponible.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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12/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
El costo de las grandes presas no puede ser justificado para proyectos deenergía hidroeléctrica pequeña.
La construcción puede ser de hormigón, madera, mampostería o unacombinación de estos materiales.
Las conducciones de agua de una central hidroeléctrica son:
Una toma de agua que incluye reja, una puerta y una entrada a uncanal, tubería de presión o directamente a la turbina.
La toma es generalmente de hormigón armado, las rejas de acero,y la compuerta de madera o acero
1.1. Descripción de una central hidráulica
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13/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
1.1. Descripción de una central hidráulica
Civil Works for a
700 kW Mini Hydro Project.
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14/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Un canal, túnel y/o compuerta que transporta el agua desde lapresa a la casa de máquinas (turbinas).
Los túneles son subterráneos y son excavados por la perforación,voladura o mediante una tuneladora.
Compuertas, que transportan agua a presión, pueden ser de acero,
hierro, fibra, plástico, hormigón o madera.Generalmente, la entrada a turbinas conducción forzada cámara de presión.
Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente lastuberías forzadas a las tomas de agua de las presas.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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15/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
La entrada y salida de la turbina, que incluyen las válvulas ycompuertas necesarias para cortar flujo a la turbina para el cierre yel mantenimiento.
Estos componentes son generalmente de acero o de hierro.
Las compuertas aguas abajo de la turbina, si es necesario para el
mantenimiento, pueden ser de madera.Un canal de descarga, que lleva el agua de la salida de la turbina denuevo al río.
El canal de descarga, como el canal de transporte del agua, seexcava.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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16/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
La casa de máquinas contiene la turbina o turbinas y la mayoría de losequipos mecánicos y eléctricos.
Las hidroeléctricas generalmente se reducen al tamaño mínimo posible sindejar de ofrecer un cimiento adecuado y el acceso de mantenimiento y
seguridad.
La construcción es de hormigón y otros materiales de construcción locales.
La simplicidad en el diseño, debe ser el interés primordial para un proyecto
de pequeñas centrales hidroeléctricas para mantener los costos al mínimo.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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1.1.2. El equipo eléctrico y mecánico
Los principales componentes eléctricos y mecánicos de centrales
hidroeléctricas son la turbina(s) y el generador(s).
Las turbinas utilizadas para aplicaciones de pequeñas centraleshidroeléctricas son versiones a escala reducida de las turbinas convencionales
utilizadas en las grandes centrales hidroeléctricas.Las turbinas utilizadas para aplicaciones de baja y media presión songeneralmente del tipo de reacción, Francis, Turbinas de hélice de paso fijo yde paso variable (Kaplan).
El rodete de una turbina de reacción está completamente sumergido.
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1.1. Descripción de una central hidráulica
Small Hydro Powerhouse
Containing Francis Turbine.
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19/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Las turbinas utilizadas para aplicaciones de gran salto son generalmente deacción, tipo Pelton, Turgo y Flujo Cruzado.
El rodete de la turbina se hace girar en el aire y es conducido por un chorrode agua a alta velocidad .
Las pequeñas turbinas hidroeléctricas pueden alcanzar eficiencias dealrededor del 90%.
Algunas turbinas sólo operan de manera eficiente en un rango de caudallimitado (por ejemplo, turbinas de hélice con palas fijas y turbinas Francis).
Centrales fluyentes flujos varían considerablemente turbinas eficientesen un rango amplio (Kaplan, Pelton, Turgo y diseños de flujo cruzado).
1.1. Descripción de una central hidráulica
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20/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
1.1. Descripción de una central hidráulica
Pelton Turbine.
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21/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
En flujos variables se pueden combinar varias turbinas que operan dentro derangos de flujo limitado.
Hay dos tipos básicos de generadores de las centrales hidroeléctricaspequeñas síncronos o de inducción (asíncronos).
Un generador sincrónico puede operar de forma aislada, mientras que ungenerador de inducción debe ser operado en conjunto con otros generadores.
Generadores síncronos fuente primaria de energía servicios públicos sistemas aislados con grupos diesel pequeñas hidroeléctricas.
Generadores de inducción de menos de 500 kW adecuados para laspequeñas centrales integrados en una gran red eléctrica.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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22/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Otros componentes mecánicos y eléctricos de una pequeña hidroeléctrica:
• Multiplicador: adapta velocidad de la turbina a la del generador;
• Válvula(s) de corte de agua de la turbina(s);
• Compuerta de by-pass ;
• Sistema de control hidráulico de la turbina(s) y la válvula(s);
• Protección eléctrica y el sistema de control;
• Aparamenta eléctrica;
• Transformadores para transmisión de energía;
1.1. Descripción de una central hidráulica
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23/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Otros componentes mecánicos y eléctricos de una pequeña hidroeléctrica:
• Servicios auxiliares: Iluminación, calefacción, sistemas de control y
dispositivos de conmutación;
• Agua de refrigeración y sistema de lubricación;
• Sistema de ventilación;
• Suministro de energía de reserva;
• Sistema de telecomunicaciones;
• Sistemas de alarma de incendios y de seguridad,
• Interconexión o sistema de transmisión y distribución.
1.1. Descripción de una central hidráulica
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24/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
El desarrollo de pequeñas centrales hidroeléctricas suele tardar de 2 a 5 años.
• estudios y trabajo de diseño
• autorizaciones necesarias
• construir el proyecto
Requieren de poco mantenimiento durante su vida útil (más de 50 años).
Operador a tiempo parcial puede manejar y mantener una pequeña centralhidroeléctrica.
Mantenimiento periódico de grandes componentes realizados por contratistas externos.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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25/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
La viabilidad técnica y financiera de cada proyecto es variable:
La potencia depende del caudal de agua y de la altura del salto.
La energía depende del caudal y la variabilidad del flujo durante todo el año.
La viabilidad económica depende de:
• la potencia de la instalación,
• la energía que puede producirse,
• si la energía puede ser vendida,
• y el precio pagado por la energía.
En una zona aislada el valor de la energía generada es en general mayor que para los sistemas conectados a red central.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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26/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Expresión práctica para el cálculo de la potencia:
Siete veces el producto del flujo (Q) y el salto bruto (H) P = 7QH
La producción de 1 kW de potencia en un sitio con 100 m de salto requiere
una décima parte de caudal de agua que un sitio con 10 m de salto.
El tamaño de la turbina hidráulica depende principalmente del flujo deagua.
• Equipos para grandes saltos de poco caudal más baratos.• Equipos para pequeños saltos de gran caudal más caros.
Esto no es extrapolable al costo de la obra civil . El costo es función de latopografía local y la naturaleza física del lugar.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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1.2.1 Tipos de desarrollos hidroeléctricos
Fluyentes
• Utiliza sólo el agua que está disponible en el flujo natural del río.
• No hay almacenamiento de agua.
• La energía producida fluctúa con el caudal de agua.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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28/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
1.2.1 Tipos de desarrollos hidroeléctricos
Fluyentes
Son más adecuados para proporcionar energía a sistemas eléctrico grandes.
Las áreas aislada que utilizan recursos hídricos a menudo requierenalimentación adicional.
Excepción: el caudal mínimo es suficiente para cumplir con los requisitosmáximos de la carga de energía.
Pueden implicar el desvío de la corriente de un río necesario paraaprovechar el salto una presa desvía el agua a la toma.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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29/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
1.2.1 Tipos de desarrollos hidroeléctricos
De almacenamiento
Abastecer a la demanda o Ajustar una fluctuación de carga oProporcionar potencia pico el agua debe ser almacenada en depósitos.
Depósitos aprovechar lago natural o construcción de presas.
Esto afecta al medio ambiente local , tanto en forma negativa y positiva.
Consecuencias:
• Positiva: se pueden cubrir las demandas pico de la red.
• Negativa: complejo proceso burocrático almacenamiento grandes.
Los embalses no son viables para pequeñas centrales hidroeléctricas (PCH).
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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De almacenamiento
Se limita generalmente a pequeños volúmenes de agua en un estanque.
Puede proporcionar mayores beneficios a las pequeñas hidroeléctricas.
“Almacenamiento por bombeo", donde el agua es "reciclado“ entre dosdepósitos.
El agua pasa a través de turbinas para generar energía durante las horas
pico y se bombea de nuevo al depósito superior durante la temporada baja.
El beneficio es la diferencia de precio de la energía en ambos periodos.
La energía usada para bombear el agua debe ser generada por otras fuentes.
1.2. Desarrollo de un proyecto de minicentral hidráulica
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Energía potencial
La energía potencial y cinética de una masa de agua fluyendo de un nivel superior a un nivel inferior se puede convertir en energía eléctrica.
El salto es crucial, no es realmente necesario que el agua fluya con rapidez.
El potencial hidrológico se determina por dos parámetros: salto (H) y caudal(Q).
Existe un salto bruto y un salto neto pérdidas por fricción (interna del
agua y por rozamiento con elementos constructivos)
1.3. Aspectos teóricos
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Clasificación de emplazamientos por salto:
• Salto bajo, para H 50 m.
El caudal (Q) - expresado en m3 /s - es el volumen de agua fluyendo porsegundo.
Potencia eléctrica y energía: la energía es la cantidad de trabajo realizado enun intervalo de tiempo.
Una turbina convierte la energía de presión de agua en la energía mecánicaen el eje de la turbina, que impulsa un generador (energía eléctrica).
1.3. Aspectos teóricos
1 3 A ó i
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La unidad de energía es Joule (J), y la unidad de energía eléctrica es elkilovatio-hora (kWh): 1 kWh = 3600 J.
La energía eléctrica en el generador se define por la siguiente fórmula:
P = η ρ g Q H
donde:
P - potencia eléctrica [W],η - eficiencia hidráulica de la turbina,ρ - densidad del agua, ρ =1000 kg/m3,
g - aceleración de la gravedad, g=9,81m/s2,Q - caudal; volumen de agua fluyendo por turbina por unidad de tiempo, [m3/s],H - salto; presión de agua efectiva fluyendo por la turbins [m].
1.3. Aspectos teóricos
1 3 A t t ó i
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34/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Tecnología de las turbinas es una tecnología madura se caracteriza por laeficiencia relativamente alta.
•
En unidades grandes alcanza el nivel de 80 a 90%.• En unidades pequeñas (
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35/55ENERGÍA HIDRÁULICA: Generando energía eléctrica a partir energía mecánica
Para la estimación de la energía, se asumen 4.500 horas de trabajo con lapotencia de salida definida en la ecuación anterior:
E ≈ 4.500 Pdonde: E = energy [kWh].
1.3. Aspectos teóricos
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