Física y TecnologíaEnergética

5 - Energía Hidráulica

El ciclo del agua• La energía solar renueva más o menos continuamente los depósitos de agua

con energía potencial gravitatoria.

• La evaporación del agua consume mucha más energía, que la que seacumula en los pantanos.

Centralhidroeléctrica

Presa

Oceano

Precipitación

Evaporación

Infiltración

Flujos subterráneos

Energía Hidráulica

• Energía del agua por unidad de volumen contribuyen la presión, la gravitatoria y la cinética• Las diversos términos de energía del agua se pueden convertir entre sí, y se

pueden convertir en trabajo.

Energía cinética entrante.

Energía cinética saliente.

Por conservación de la energía

La eficiencia

• La eficiencia necesariamente es inferior al 100%. El agua tiene que salir.

P + gh +12v2

dEen =dm2ven2

dEsal =dm2vsal2

dEen = dEsal + dW

=dWdEen

= 1dEsaldEen

= 1vsalven

2

< 100%

W

TEen ven Esal vsal

Aprovechamiento hidroeléctrico

• La energía del agua se usa desde hace 2 000 años

• Actualmente se usa básicamente para generar electricidad

En grandes centrales O en instalaciones minihidráulicas

Generador

CanalDesagüe

Caudal de reserva

TomaPaso de peces

Depósito Tubería

Centrales Hidroeléctricas

Tipos de Presa

EP

Ry

Rx

AéreaRío abajo

Sección

•Presa de gravedadEl empuje del agua seresiste gracias al peso dela presa

•Presa de bóvedaEl empuje del agua setransmite a las paredesrocosas del valle

Otros Tipos de Presa

•Presa de contrafuertesEl empuje del agua seresiste con loscontrafuertes

•Presa multibóvedaCombinación de bóveday contrafuertes

Presas de bóveda y de gravedad

Central hidroeléctrica

Pantano

Entrada

Conducto

Central

Generador

Turbina

Red alta tensión

Río

Central

Turbina de impulso• Impacto de un chorro externo sobre la turbina

v1v2

u

F

0

20

40

60

80

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Eficiencia turbina de impulso

Efic

ienc

ia (

% )

v (agua) / u (turbina)

F =dm

dtv+ vcos( ) =

dm

dtv1 u( ) 1+ cos( )

dEen =dm2v12

=dWdEen

= 2 1uv1

uv11+ cos( )

v1 = 2u max =1+ cos2

La potencia será

La energía que entra es

La eficiencia

Es máxima cuando

La fuerza equivale al cambio en la cantidad de movimiento,en el sistema de referencia de la rueda

Pot =dW

dt= Fu =

dm

dtv1 u( )u 1+ cos( )

Turbina Pelton de 6 chorros

Turbina Pelton

Turbina Pelton

Para un determinado caudal se regula la velocidad con la válvula

Eje de rotación

Valvula

Deflector

Chorro

Diámetro de salidaCazoletas

Sección AA

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Eficiencia de la turbina Pelton

efic

ienc

ia (

% )

Porcentage del caudal máximo (%)

Turbina de reacción•El flujo de agua cambia en el interior de la turbina.

La presión se convierte en energía cinética

La fuerza será

La potencia

Por conservación de la energía

La eficiencia es

u

v

F

0

20

40

60

80

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Eficiencia turbina de reacción

Efic

ienc

ia (

% )

v (agua) / u (turbina)

F =dmdtv

Pot =dWdt

=dmdtvu

dEen = dW +dm2v2

=dWdEen

=uv

uv + v2 / 2=

2u2u + v

La eficiencia aumenta al disminuir lavelocidad tangencial de salida del agua

Turbina Francis

Turbina Francis

Turbina Francis

Es más complicada de regular para adaptarse al caudal

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Eficiencia de la turbina Francis

efic

ienc

ia (

% )

Porcentage del caudal máximo (%)

Turbina Kaplan

Turbina Kaplan

Turbina bulbo

Módulo compacto Kaplan + Alternador

Turbina Kaplan

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Eficiencia de la turbina Kaplan

efic

ienc

ia (

% )

Porcentage del caudal máximo (%)

Se regula para adaptarse al caudal girando las aletas

Turbinas hidráulicas• Para cada régimen de caudal y diferencias de altura del agua o carga, existen

turbinas con una eficiencia del 90%.

• La máxima potencia obtenible en un salto de agua es P = Q gh• Teniendo en cuenta las eficiencias de turbinas y alternadores, y la pérdida de

carga por fricción, viscosidades y turbulencias, queda la expresión aproximada: P(kW) = 7,5•Q(m3/s)•h(m)

1000

100

10

Carga(m)

1 10 100

Caudal ( m3/s )

Pelton

10 MW

5 MW

2 MW

1 MW500 kW200 kW100 kW50 kW20 kW

Francis

Kaplan

Parámetros típicos de operación de las turbinas

Generación Hidroeléctrica en España•Constituye el 15-16% del total de la Energía Eléctrica

•Producción y Potencia Instalada2006 Pot. Instal. Prod. Previsión 2010

GW. GWh Potencia Producción

Centrales < 10 MW 1,8 5 368 2,2 6 912Centrales 10-50 MW 2,9 5 876 3,1 6 303Centrales > 10 MW 13,5 25 013 13,5 24 826

•El plan de fomento de energías renovables prevee aumentar el número de pequeñasinstalaciones

•Principales centrales existentes

Aldeadávila 1139 MW Duero Salamanca 115 Hm3 (bombeo)Alcántara 915 MW Tajo Cáceres 3137 Hm3

Cortes-Muela 908 MW Júcar Valencia 116 Hm3 (bombeo)Villarino 810 MW Tormes Salamanca 2649 Hm3 (bombeo)

Generación Hidroeléctrica en España

Hidroeléctrica en España (Variabilidad diaria)

PRODUCIBLE HIDRÁULICO DIARIO

0

100

200

300

400

500

600

ene:

feb

:

mar:

abr:

may

:

jun

:

jul:

ago

:

sep

:

oct

:

no

v:

dic

:

ene:

feb

:

mar:

abr:

may

:

jun

:

jul:

ago

:

sep

:

oct

:

no

v:

dic

:

ene:

feb

:

mar:

abr:

may

:

jun

:

jul:

ago

:

sep

:

oct

:

no

v:

dic

:

ene:

feb

:

mar:

abr:

may

:

jun

:

jul:

ago

:

sep

:

oct

:

no

v:

dic

:

ene:

feb

:

mar:

may

:

jun

:

jul:

GWh

HÚMEDO SECO

589

04/03/01

2001 20032002

146

2004 2005

103

146

116

95

74

33

1621

46

74

127

146

116

9574

21

16

3346

106103

74 74

33

1621

106

74

103

127

146

127 116

106 95

46

74

33

1621

46

74

103

127

146

116106

74

9511695

106146

127

33

Producción hidroeléctrica en el mundo

Instalada(GW) Producida ( GWh )

Norte América 176 697 900Centro y Sudamérica 106 523 100Europa Occidental 143 519 600Europa Oriental 80 245 800Oriente Medio 5 18 900Africa 21 63 100Lejano Oriente y Oceanía 147 515 700

Producción actual 2,5 PWhPodría llegar a 6-9 PWh

Mayores instalaciones del mundoItaipú en Brasil-Paraguay 10 500 MWGrand Couleee en Columbia (USA) 9 780 MW

Energía hidroeléctrica. Ventajas

• Es la más barata. Pocos costes de operación y mantenimiento

• La eficiencia de conversión en energía eléctrica es elevada. 90%

• Es posible regularla para responder a la demanda en segundos.

• Es esencial para dar las puntas del consumo diario

• El agua puede ser usada posteriormente para otros fines

• No contamina el aire ni desprende calor

• Es renovable. No consume recursos naturales, aunque su capacidad de

producción es limitada.

Energía hidroeléctrica. Inconvenientes .

• El suministro es variable, no está asegurado en años de sequía

• Inunda valles, quitándole terreno a la agricultura.

• Puede obligar al traslado de población

• Cambia el ecosistema de bosque y pradera a lago. Otras especies animales.

• Interrumpe el paso a los peces migratorios

• Acumula fangos y limos en el fondo. Cuando se descomponen se contamina el agua

• Infecciones y plagas en las aguas estancadas

• Puede inducir pequeños terremotos al llenarse por primera vez.

• Pueden derruirse causando grandes riadas con enormes daños y numerosas muertes

La probabilidad es de 10-4 por presa y año, en países desarrollados.

• Gran parte de las presas tendrán una vida útil entre 100 y 200 años, quedandocolmatadas por los materiales arrastrados por el río.