minicentrales_hidroelectricas

TTULOMinicentrales hidroelctricas

DIRECCIN TCNICAInstituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa

AUTOR DE APIAAdriana Castro

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

La coleccin es fruto de un convenio de colaboracin firmado por el Instituto para la Diversificacin yAhorro 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 SerieManuales de Energas Renovables.

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

IDAEInstituto para la Diversificacin y Ahorro de la EnergaC/ Madera, [email protected]

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

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

Minicentrales hidroelctricas

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

Existe una concienciacin cada vez mayor sobre los efectos medioambientales que conlleva elactual sistema de desarrollo econmico, como son el cambio climtico, la lluvia cida o el agu-jero de la capa de ozono. Las sociedades modernas, que sustentan su crecimiento en unsistema energtico basado principalmente en la obtencin de energa a travs de combustiblesfsiles, 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 queincluyen como objetivo prioritario un desarrollo sostenible que no comprometa los recursos na-turales de las futuras generaciones.

Actualmente las energas renovables han dejado de ser tecnologas caras y minoritarias paraser plenamente competitivas y eficaces de cara a cubrir las necesidades de la demanda. Den-tro de estas energas renovables se encuentra la energa hidroelctrica, como principal aliadoen la generacin de energa limpia y autctona. Se denominan minicentrales hidroelctricas aaquellas instalaciones de potencia instalada inferior a 10 MW.

5

Introduccin

Hoy en da las energas renovables representan un sector importante de la industria y la eco-noma espaola, por ser uno de los ms dinmicos e innovadores, adems de ser el sector quemayor 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 Renovables2005-2010, que fija como objetivo que el 12% de la energa primaria 30,3% de generacin elctri-ca 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 cen-trales 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 MWsufri un incremento con la puesta en marcha de 45,1 MW nuevos. Pero a pesar de que estaenerga crece cada ao, lo hace a un ritmo inferior al necesario para poder alcanzar los objeti-vos del Plan de Energas Renovables 2005-2010.

Los avances tecnolgicos permiten obtener energa elctrica en cursos de agua de caractersti-cas muy diversas, adems de resultar igualmente interesante la rehabilitacin y/o ampliacinde pequeas centrales ya existentes. Se estima que en Espaa el potencial virgen para laobtencin de energa elctrica a travs de las minicentrales hidroelctricas asciendeaproximadamente a 1.000 MW.

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

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

Minicentrales hidroelctricas6

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

Introduccin7

1Situacinactual

1.1 Contexto mundial

El actual sistema energtico a nivel mundial est basado enla generacin de energa a partir de combustibles fsilescomo el petrleo, el carbn mineral y el gas. La generacinde energa a partir de estas materias est siendo ampliamen-te replanteada por varias razones: son recursos limitadosque se encuentran en puntos concretos del planeta, su uso agran escala est provocando graves efectos sobre el medioambiente y la salud de los seres humanos, y se estn agotan-do las reservas naturales comprometiendo el futuro de lasnuevas generaciones.

La ciudadana est cada vez ms concienciada sobre la ne-cesidad de proteger el medio ambiente y emplear mtodosno contaminantes de produccin de energa. Esto se debeen parte al amplio consenso alcanzado en la comunidadcientfica internacional sobre la existencia del cambio clim-tico. Se ha constatado que la temperatura media de la Tierraha sufrido un aumento durante el siglo XX de 0,6 0,2 C,adems de que existe una disminucin real de la cobertura del

1Situacinactual

11

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

Estos hechos han provocado que en las dos ltimas dcadas se firmen una serie de compromisospolticos internacionales que apuestan por alcanzar un modelo de desarrollo sostenible: Cumbrede las Naciones Unidas de Ro de Janeiro (1992) donde surgi el plan de accin Agenda 21 y deJohannesburgo (2002); Protocolo de Kioto, adoptado en la Convencin Marco del Cambio Clim-tico 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 deenerga que recibe la Tierra procedente del Sol. La energahidroelctrica, que indirectamente proviene de la energasolar, 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 nivelmundial es de 2.600 TWh, lo que representa aproximadamenteel 19% del total de la energa elctrica producida. La potenciahidroelctrica instalada en todo el mundo asciende a 700 GW.

A gran escala esta fuente de energa tiene un campo de ex-pansin limitado, ya que en los pases ms desarrollados lamayora de los ros importantes ya cuentan con una o va-rias centrales, y en los pases en vas de desarrollo losgrandes proyectos pueden chocar con obstculos de carc-ter financiero, ambiental y social.


8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0frica Asia Australasia/

OceanaEuropa Amrica

del Norte yAmricaCentral

Sudamrica

Potencial tcnico Potencial econmico Potencial de explotacin Datos: EU RES ExportMasterplan 2002

Prod

ucci

n T

Wh/

ao

Potencial hidroelctrico total por continentes

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

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

El uso de petrleo en la generacin de energa crea una dependencia exterior de los pases im-portadores, haciendo a la vez vulnerable su sistema energtico frente a posibles crisis delsector petrolfero. Adems, el incremento del precio del crudo y el gas crea tensiones en el mer-cado elctrico. Por todo esto, las energas renovables nuevamente se convierten en una fuentesegura de energa, que minimizara la dependencia energtica exterior al permitir mayor auto-noma de los sistemas energticos nacionales.

Situacin actual13

1.2 Europa

La Unin Europea tiene como objetivo prioritario la promocin de la electricidad generada apartir de fuentes de energa renovables. Esto se debe a razones de seguridad y diversificacindel 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 LibroBlanco para una Estrategia Comn y un Plan de Accin para las Energas Renovables, desarro-llado en 1997 por parte de la Comisin de las Comunidades Europeas. El objetivo fijado en elLibro Blanco establece el incremento en 4.500 MW de potencia instalada en Europa en minicen-trales hidroelctricas en el horizonte 2010, lo que significar incrementar la produccin anualdesde 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 renovablesen el mercado interior de la electricidad. En esta Directiva se proponen objetivos indicativospara cada Estado miembro, que en el caso de Espaa coinciden con los objetivos del Plan deFomento de las Energas Renovables 2000-2010, asumidos por el Plan de Energas Renovables2005-2010. La Directiva fija como objetivo, para el ao 2010, generar el 12% de electricidad conrecursos renovables y propone las siguientes medidas:

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

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

- Simplificacin de los procedimientos administrativos de autorizacin.

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


La Directiva fijacomo objetivo,

para el ao 2010,generar el 12%

de electricidad conrecursos renovables

El objetivo general fijado por la Unin Europea marca la aportacin de fuentes de energas re-novables 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 MWen 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 sistemasde apoyo directo a los precios.

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

Situacin actual15

La energa hidroelctrica en la UE

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

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

Intercambios internacionales

Respecto a los intercambios internacionales de energa elctrica que mantiene Espaa con otrospases, 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 inter-nacionales ha resultado exportador, alcanzando los 2.939 GWh. Esto ha sido posible debido al


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

81.1570 4.000 8.000 12.000 16.000 20.000

rea Hidrulica (mayor de 10 MW)

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 0 500 1000 1500 2000 2500

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

rea Minihidrulica (menor de 10 MW)

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

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

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

1.3 Espaa

Espaa cuenta con un consolidado sistema de generacin de energa hidroelctrica y un sectortecnolgicamente maduro en este rea. Esto se debe a varios factores, como la existencia deimportantes recursos hidrolgicos y una larga tradicin histrica en el desarrollo de aprovecha-mientos hidroelctricos.

Aunque la evolucin de la energa hidroelctrica en Espaa ha sido creciente, en los ltimosaos ha experimentado una disminucin en la aportacin de esta energa a la produccin totalde electricidad. La energa hidroelctrica generada en pequeas centrales, por el contrario, si-gue creciendo aunque de manera muy moderada.

Espaa es un pas con una larga y antigua tradicin en construccin de presas. Al ao 2000 setienen inventariadas un total de 1.147 presas, con una capacidad total de los embalses de55.000 Hm3. Aproximadamente un 40% de esa capacidad actual embalsable corresponde aembalses 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 fuentesde energa.

Situacin actual17

152,8 MW432,4 MW

377,6 MW

42,8 MW 28,8 MW

19,6 MW

475,8 MW679 MW

53,4 MW

154 MW 69,3 MW

14,4 MW284,8 MW

112 MW

TOTAL: 2.897 MW

CeutaMelilla


90,3 MW214,9 MW

263,8 MW

53,5 MW 54,8 MW

161,2 MW

194,3 MW232,4 MW

45,5 MW

105,1 MW 44,7 MW

18,3 MW197,7 MW

25,2 MW

TOTAL: 1.749 MW

CeutaMelilla

45,9 MW

1,4 MW

Las minicentrales hidroelctricas presentaban una potenciaacumulada total en Espaa de 1.749 MW a finales de 2004,con una distribucin de la mayor parte de ella en las siguien-tes 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 pre-senta una potencia acumulada total en Espaa de 2.897 MWa finales de 2004, distribuyndose la mayor parte de ella porlas siguientes CC. AA. :

Catalua (679 MW),

Aragn (476 MW),

Galicia (432 MW),

Castilla y Len (378 MW) y

Andaluca (285 MW).

Recursos Hidroelctricos

El potencial hidroelctrico de un pas es la capacidad anual de produccin de energa hidroe-lctrica 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 msreciente se realiz en 1980.

Situacin actual19

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

Galicia

AsturiasCantabria Pas Vasco

Navarra

Aragn

CataluaCastilla y Lenla Rioja

Madrid

CastillaLa Mancha Valencia

Murcia

Islas Baleares

Andaluca

Extremadura

Cuencasinternas

de Catalua

Norte

DueroEbro

Tajo

Guadiana

GuadalquivirSegura

Jcar

Costa deGalicia

CeutaIslas Canarias

CuencaAtlnticaAndaluza

Melilla

CuencaMediterrneaAndaluza

Cuencas hidrogrficas

El potencial pendiente de desarrollar, sobre todo el correspondiente a centrales grandes, esmuy difcil que pueda aprovecharse, fundamentalmente, por razones medioambientales o porcompetencia en los usos del agua. No obstante, existe todava un alto potencial pendiente dedesarrollar 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 lahidraulicidad. En aos hmedos supera los 40.000 GWh (2002 tuvo una produccin rcord de45.706 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 pro-duccin media total de nuestro pas.

Las energa renovables aportaron el 6,5% del consumo totalde 2004 en Espaa, lo que supone un ligero descenso respec-to a 2003, ao en que las renovables alcanzaron el 7%. A pesardel fuerte impulso que tienen las renovables en nuestro pas,este retroceso se debi en parte a la baja hidraulicidad de2004, provocada principalmente por la escasez de lluvias.

Segn Red Elctrica de Espaa, la demanda anual de energaelctrica durante 2004 ha sido un 3,5 superior a la de 2003,con un total de 233.551 GWh. En cuanto a la potencia peninsu-lar, ha habido un crecimiento conjunto de los regmenesordinario y especial del 9,1% respecto al ao anterior. La ener-ga hidroelctrica producible se ha situado alrededor de los24.600 GWh, y al final del ao 2004 las reservas de los embal-ses representaban el 49% de su capacidad total.


Las adquisiciones de energa al rgimen especial han alcanzado durante el ao 2004 los 43.011GWh, cubriendo alrededor de un 18% de la demanda peninsular. En los sistemas extrapeninsu-lares, 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 car-bn y el 5,2% con la energa procedente del rgimen especial.

Situacin actual21

2Tecnologa yaplicaciones

2.1 Caractersticas de la energa hidroelctrica

La superficie terrestre est cubierta en un 71% de agua. Laenerga hidroelctrica proviene indirectamente de la energadel sol, responsable del ciclo hidrolgico natural. La radia-cin que procede de las fusiones nucleares que se producenen el sol calientan la superficie terrestre, ros, lagos y oca-nos, provocando la evaporacin del agua. El aire calientetransporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla adistintos puntos del planeta, donde cae nuevamente en for-ma de lluvia y nieve. Una parte de la energa solar permanecealmacenada en el agua de los ros, los lagos y los glaciares.

Las centrales y minicentrales hidroelctricas transforman esaenerga en electricidad, aprovechando la diferencia de desni-vel existente entre dos puntos. La energa se transformaprimero en energa mecnica en la turbina hidrulica, staactiva el generador, que transforma en un segundo paso laenerga mecnica en energa elctrica.

2Tecnologa yaplicaciones

25

Aunque no hay consenso a nivel europeorespecto a la potencia mxima instaladaque puede tener una central para ser califi-cada como minicentral hidroelctrica, aquse considera como tal a las que no sobrepa-sen los 10 MW, que es el lmite aceptado porla Comisin Europea, la UNIPEDE (Unin deProductores de Electricidad), y por lo menosseis de los pases miembros de la Europa delos 15. Hay pases, sin embargo, en los queel lmite puede ser tan bajo como 1,5 MW,mientras que en otros como China o los pa-ses de Amrica Latina, el lmite llega a los30 MW.

La potencia instalada no constituye el crite-rio bsico para diferenciar una minicentralde una central hidroelctrica convencional.Una minicentral no es una central convencio-nal a escala reducida. Una turbina de unoscientos de kilovatios tiene un diseo com-pletamente distinto del de otra de unoscientos de megavatios. Desde el punto devista de obra civil, una minicentral obedecea principios completamente distintos a lasgrandes centrales alimentadas por enor-mes embalses.


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

ENERGA ELCTRICA

ANTIGUOSMOLINOS O

FBRICAS DE LUZ

CONDUCCIONESDE RIEGO O

ABASTECIMIENTO

PEQUEOS AZUDES

GRANDES PRESAS

DESNIVEL NATURAL

CONDENSACIN

MINIHIDRULICAPOTENCIA 10 MW

GRAN HIDRULICAPOTENCIA > 10 MW

CENTRAL ENCONDUCCIN

CENTRAL DEPIE DE PRESA

CENTRALFLUYENTE

APROVECHAMIENTOPARA ABASTECIMIENTO

APROVECHAMIENTOPARA REGADOS

APROVECHAMIENTOHIDROELCTRICO

SOL

EN

ER

GA

SO

LA

R

Ciclo Hidrolgico

2.2 Tipos de minicentrales hidroelctricas

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

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

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

- Centrales de pie de presa. Se sitan debajo de losembalses destinados a usos hidroelctricos o a otrosusos, aprovechando el desnivel creado por la propiapresa.

- 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 aguadel ro mediante una toma, y a travs de canales o conduccio-nes se lleva hasta la central donde ser turbinada. Una vezobtenida la energa elctrica el agua desviada es devuelta nue-vamente al cauce del ro.

Tecnologa y aplicaciones27

Dependiendo del emplazamiento donde se site la central ser necesario la construccin detodos 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. Lacaracterstica comn a todas las centrales de agua fluyente es que dependen directamente dela hidrologa, ya que no tienen capacidad de regulacin del caudal turbinado y ste es muy va-riable. Estas centrales cuentan con un salto til prcticamente constante y su potenciadepende 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 desta y facilitar su entrada al canal o tubera de derivacin. El agua desviada se conduce hastala 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 con-ductos por los que circula el agua desviada se construyen con pequea pendiente, provocandoque la velocidad de circulacin del agua sea baja, puesto que la prdida de carga es proporcio-nal al cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos casos, dependiendo de laorografa, la mejor solucin sea optar por construir un tnel, acortando el recorrido horizontal.


Central hidroelctrica de tipofluyente

Otros casos que tambin se incluyen en este grupo, siempre que no exista regulacin del cau-dal turbinado, son las centrales que se sitan en el curso de un ro en el que se ha ganadoaltura mediante la construccin de una azud, sin necesidad de canal de derivacin, cmara decarga 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 caucedel ro para almacenar las aportaciones de ste, adems del agua procedente de las lluvias y deldeshielo. La caracterstica principal de este tipo de instalaciones es que cuentan con la capaci-dad de regulacin de los caudales de salida del agua, que ser turbinada en los momentos quese precise. Esta capacidad de controlar el volumen de produccin se emplea en general para pro-porcionar energa durante las horas punta de consumo.

La toma de agua de la central se encuentra en la denominadazona 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 regula-cin puede ser horaria, diaria o semanal. En las minicentraleshidroelctricas el volumen de almacenado suele ser pequeo,permitiendo por ejemplo producir energa elctrica un nme-ro de horas durante el da, y llenndose el embalse durante lanoche. Si la regulacin es semanal, se garantiza la produccinde electricidad durante el fin de semana, llenndose de nue-vo el embalse durante el resto de la semana.


Embalse

Presa

Tubera forzada

Edificio dela central

Central hidroelctrica

de pie de presa

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

Las obras e instalaciones necesarias para construir una minicentral al pie de una presa que yaexiste 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 has-ta 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 cerca-no. La central en este caso se instala cercana al ro y se turbinan las aguas excedentesen 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 turbi-nado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas variables para el diseode 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 ins-talar, de forma que la energa producida sea la mxima posible en funcin de la hidrologa. Portanto, el conocimiento del rgimen de caudales del ro en la zona prxima a la toma de agua esimprescindible 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 loscaudales instantneos que circulan por el tramo del ro donde est ubicada la estacin y a partirde estos se determinan los caudales mximos, medios y mnimos diarios correspondientes a ungran 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 cuen-ca o en el Centro de Estudios y Experimentacin de Obras Pblicas (CEDEX), organismo autnomoadscrito orgnicamente al Ministerio de Fomento y funcionalmente a los Ministerios de Fomento yMedio Ambiente. En Espaa hay una extensa red de estaciones de aforo, que nos proporcionan da-tos 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

Por tanto, en funcin de la ubicacin del futuro aprovechamiento, primeramente se recopilarnlas series hidrolgicas (de ms de 25 aos) de las estaciones de aforo existentes en la zona deimplantacin de la central, con los datos de caudales medios diarios, para realizar el correspon-diente 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 zonay en aforos existentes en cuencas semejantes.

En este caso, se deben recopilar y analizar las series de datos pluviomtricos disponibles, com-pletando 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. Acontinuacin se relacionan las aportaciones de ambas cuencas en funcin de las precipitacio-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 caudalesde la cuenca estudiada, que han sido obtenidas a partirde los datos de una cuenca semejante.

Estos datos es conveniente completarlos, adems, conmedidas directas del caudal en una seccin del ro a lolargo de al menos un ao.

Al final, en todo estudio hidrolgico, sea terico o con datosreales de caudales, se obtendr una serie anual lo suficiente-mente grande para realizar una distribucin estadstica quenos tipifique los aos en funcin de la aportacin registrada:aos muy secos, secos, medios, hmedos y muy hmedos.


A po r

t ac i

n a

n ua l

( Hm

3 /a

o )

Aos muyhmedos

Aoshmedos

Aos normaleso medios

Aos secos Aos muysecos

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

Frecuencia de aparicin dentro de la serie anual estudiada

Clasificacin de los aos

hidrolgicos

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

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

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

QM: Caudal mximo alcanzado en el ao o caudal de cre-cida.

Qm: Caudal mnimo del ao o estiaje.

Qsr: Caudal de servidumbre que es necesario dejar en elro por su cauce normal. Incluye el caudal ecolgicoy el necesario para otros usos. El caudal ecolgico lofija el Organismo de cuenca, si no se conociera, unaprimera estimacin es considerarlo igual al 10% delcaudal medio interanual.

Qmt: Caudal mnimo tcnico. Es aquel directamente propor-cional al caudal de equipamiento con un factor deproporcionalidad K que depende del tipo de turbina.

Qmt = K * Qe


Caud

al (m

3 /s)

QM

B C

Volumen vertidopor mnimo tcnico

Volumen dejado en el ro

Das acumulados0

D

E

365

A

Volumen turbinado

Volumenvertido

Volumen dejado en el ro

Qsr+QmtQmQsr

Qsr+Qe

Construccin de la curva decaudales clasificados

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 de-cir, 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 cau-dales clasificados, se elige el caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendidoentre el Q80 y el Q100 , siendo el Q80 el caudal que circula por el ro durante 80 das al ao y elQ100 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 cuen-ta otros factores como pueden ser: la inversin necesaria, instalaciones ya existentes quecondicionan 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. Debe-r ser el mximo permitido por la topografa del terreno, teniendo en cuenta los lmites quemarcan 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 pun-to de descarga del caudal turbinado al ro.


Salto til (Hu): Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cmara decarga y el nivel de desage en la turbina.

Salto neto (Hn): Es la diferencia entre el salto til y lasprdidas de carga producidas a lo lar-go de todas las conducciones.Representa la mxima energa que sepodr transformar en trabajo en el ejede la turbina.

Prdidas de carga (Hp): Son las prdidas por friccin del aguacontra las paredes del canal y sobretodo en la tubera forzada, ms lasprdidas ocasionadas por turbulencia,al cambiar de direccin el flujo, al pa-sar a travs de una rejilla o de una vlvula, etc. Se miden comoprdidas de presin (o altura de salto) y se calculan mediante frmu-las 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 levanta-miento topogrfico de la zona. Asimismo, tambin se puede suponer que las prdidas de cargason 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 caudalde agua disponible para ser turbinado y el salto existente en cada instante.


Azud Canal

Tuberaforzada

Central

Hp

Hn

Hu Hb

Ro

Esquema general de un salto de agua

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

P = 9,81 * Q * Hn * eP = 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 equi-pos 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 deuna primera aproximacin, se puede tomar como factor de eficiencia para una minicentral hidro-elctrica moderna el valor de 0,85.

Una vez conocida la potencia es posible calcular la produccin media de la minicentral hidroe-lctrica, 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 detiempo en los que el caudal pueda considerarse constante.

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


La potenciadisponible

vara en funcin del caudal

2.4 Instalaciones de obra civil

La obra civil engloba las infraestructuras e instalaciones necesarias para derivar, conducir y res-tituir el agua turbinada, as como para albergar los equipos electromecnicos y el sistemaelctrico general y de control.

Los trabajos de construccin de una minicentral hidroelctrica son muy reducidos en compara-cin con las grandes centrales hidroelctricas, y sus impactos sobre el medio ambiente puedenser 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 aguasin producir una elevacin notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal delro hacia la toma de la central. Aquella parte que no es derivada vierte por el aliviade-ro y sigue su curso normal por el ro.

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


Azudes de hormign Azud de escollera Azud de tierra

Tipos de azudes

- Presa. En este caso el muro que retiene el agua tiene una altura con-siderable y provoca una elevacin notoria del nivel del ro mediantela creacin de un embalse. En funcin del tamao de ste se podrnregular las aportaciones. Hay varios tipos de presas, segn la formade resistir el empuje hidrosttico. Algunas, como la presa de contra-fuertes o la de bveda, requieren mayor complejidad en suconstruccin y no suelen ser de aplicacin en las minicentrales; noas los siguientes tipos:

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

Presa de gravedad de tierra o escollera. Suelen tener unagran base y poca altura. No utilizan hormign y estn cons-tituidas normalmente por los materiales propios delterreno donde se asientan. Se emplean en centrales gran-des y pequeas.

Presa de gravedad propiamente dicha. Se construye dehormign y el terreno que la sujeta tiene que ser muy con-sistente.

Presa en arco. En este caso el esfuerzo del empuje del agua setransmite hacia las laderas del valle, de ah que su forma im-plique cierta curvatura. La convexidad que forma la presa estvuelta hacia el embalse. Suelen situarse en valles angostoscon laderas rocosas de buena calidad.


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

- Azudes y presas inflables. Consisten en un tubo de material resistente y deformable re-lleno de agua o aire a una presin determinada. El sistema de apoyo est constituido poruna 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. Elpeso de la lmina acutica deforma el material y el tubo se aplasta ligeramente, dejan-do que el agua pase. Si el caudal contina aumentando, a determinada altura se abreuna vlvula y el tubo se vaca, quedando completamente aplastado por el peso delagua sobre l. Cuando los caudales vuelvan a normalizarse, el agua o aire se reinyectay la presa recupera su forma y funcionamientos normales.

2.4.2 Aliviaderos, compuertas y vlvulas

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


Nivel dedesinflado

Silln Cubetade vaciado

Cimentacin de hormign

Esquema de funcionamiento de una

presa inflable

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

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

- Compuertas verticales. El elemento de cierre es un tablero de chapa reforza-do que se sube y baja verticalmente guiado por unas ranuras en los pilaresadyacentes. Cuando el empuje que ejerce el agua embalsada sobre la com-puerta es grande, las guas sufren un fuerte rozamiento, en este caso seutilizan compuertas vagn, cuyos bordes verticales estn provistos de rue-das con rodamientos que apoyan en ambos carriles.

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

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

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

- Los desages de fondo o medio fondo utilizan las vlvulas y las compuertas como ele-mentos 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 deelementos gruesos en estos conductos supone un problema, que se resuelve con la co-locacin de unas rejas protectoras en la entrada de la vlvula. Estas rejas deben contara 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 delagua del cauce del ro y facilitar su entrada desde el azud o lapresa. Su diseo debe estar calculado para que las prdidasde carga producidas sean mnimas.

La toma normalmente dispone de una rejilla que evita la entra-da de elementos slidos al canal y una compuerta de seguridadque se denomina atagua. En funcionamiento normal estacompuerta permanece abierta, cerrndose nicamente encaso de emergencia o cuando se va a realizar una inspeccin oreparacin.

Existe otro tipo de toma que es la sumergida. Se realiza un ca-nal excavado transversalmente en el cauce del ro, de maneraque el agua entra a travs de la reja superior que protege estaentrada, y sale transversalmente al curso del ro para incorpo-rarse al canal de derivacin.

La toma de agua sumergida suele utilizarse en centrales demontaa por la sencillez de su construccin, adems de queprovoca 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 deconducciones. Las instalaciones situadas a pie de presa no tienen cmara de carga (es el pro-pio embalse), al contrario que las centrales en derivacin donde el agua tiene que hacer unrecorrido 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 se-gundo 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 cieloabierto, enterrados o en conduccin a presin:

Las conducciones superficiales pueden realizarseexcavando el terreno, sobre la propia ladera o me-diante estructura de hormign. Normalmente seconstruyen sobre la propia ladera, con muy pocapendiente, ya que el agua debe circular a baja velo-cidad para evitar al mximo las prdidas de carga.stas conducciones, que siguen las lneas de nivel,tienen una pendiente de aproximadamente el 0,5por mil. Al realizar estos trazados hay que procurarque 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 mselevado, se adaptan mejor a ste. El tnel suele serde superficie libre y funciona como un canal abierto(es decir, el agua no circula en presin).


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

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

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


3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

Dimetro de la conduccin (m)

Caudal (m3/s)

5,0

3,0

1,0

010 20 30 40 50 60

Caudal (m3/s)

Longitud altura (m)

4,0

2,0

Calado

Ancho en la base

70 80 90 100

5,0

3,0

1,0

01,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Caudal (m3/s)

Longitud altura (m)

4,0

2,0

Calado

Anchura

Dimetro de una conduccin

circular en lmina libre en

funcin del caudal

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 ca-pacidad 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 l-tima ser cerrada y tendr adems una chimenea de equilibrio, para amortiguar las variacionesde 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 re-molinos que puedan producirse, tanto aguas arriba como en la propia cmara. Si la tuberaforzada no est suficientemente sumergida, un flujo de este tipo puede provocar la formacinde vrtices que arrastren aire hasta la turbina, produciendo una fuerte vibracin que bajara elrendimiento de la minicentral.

La cmara de carga debe contar adems con un aliviadero, ya que en caso de parada de la cen-tral el agua no turbinada se desagua hasta el ro o arroyo ms prximo. Tambin es muy til lainstalacin 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. Debeestar 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 colocacinde la tubera forzada ser enterrada o area. En este ltimo caso, ser necesario suje-tar la tubera mediante apoyos, adems de los anclajes necesarios en cada cambio dedireccin de sta y la instalacin de juntas de dilatacin que compensen los esfuerzosoriginados por los cambios de temperatura.


- En la opcin de tubera enterrada, se suele disponer de una cama de arena en el fondode la zanja sobre la que apoya la tubera, y se instalan anclajes de hormign en los cam-bios de direccin de la tubera. En este caso estar sometida a menos variaciones detemperatura, por lo que no ser necesario, en general, la instalacin de juntas de dila-tacin, 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 ace-ro, la fundicin, el fribrocemento y el plstico reforzado con fibra de vidrio, en funcindel desnivel existente.

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

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


0

5

10

15

20

25

30

35

40

100 200 300 400 500 600 700 800

Espesor en la seccin inferior (mm)

Salto (m)

Dimetro = 3 m

Dimetro =2 m

Dimetro =1,5 m

Dimetro =1 m

Dimetro =0,5 m

0 7 14 21 28 35

Caudal (m3/s)

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,25

2,75

3,00

2,50

2,00

Dimetro (m)

Espesor de la tubera forzada en la seccin inferior

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

2.4.7 Edificio de la central

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

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

Independientemente del lugar donde se ubique, el edificio contar con las conducciones nece-sarias 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, quea su vez depende del caudal de equipamiento y del salto del aprovechamiento. Es muy impor-tante que en el diseo de la minicentral los costes econmicos se minimicen al mximo, ascomo 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 tur-bina u otros rganos de funcionamiento. Aunque estos dispositivos han sido ya mencionadosa lo largo del texto, recordamos cuales son:

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


- Compuertas. En las centrales de pequeo salto se suelen emplear las compuertas ver-ticales, 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 unamayor fiabilidad que las compuertas, pero producen mayores prdidas de carga y seutilizan 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, yaque se han aplicado los avances logrados en los ltimos 150 aos. Las turbinas y el resto de equiposde una central presentan actualmente una alta eficiencia, cubriendo toda la gama de caudales desde0,1 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 quepermite alcanzar una gran precisin en la regulacin y el acoplamiento de grupos, y el controly 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 po-tencial que contiene el agua, transformndola en un movimiento de rotacin, que transferidomediante un eje al generador produce energa elctrica. Las turbinas hidrulicas se clasificanen 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 unaturbina de reaccin la presin del agua acta como una fuerza sobre la superficie de los labesy decrece a medida que avanza hacia la salida.


a)Turbinas de accin

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

- Pelton. Esta turbina se emplea en saltos elevados que tienen poco caudal. Est for-mada 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 cau-dal de agua. En las paradas de emergencia se emplea un deflector que dirige el

chorro directamente al desage, evitando el embalamientode la mquina. Esto permite un cierre lento de los inyecto-res, sin golpes de presin en la tubera forzada.

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

Las posibilidades que ofrece este tipo de mquina hacenque sea muy apropiada para operar con carga parcial, ade-ms de permitir una amplia variacin de caudales en sufuncionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o


10%

20%

30%

40%

100%

100%

Rendimiento

% s/Caudal de equipamiento

50%

60%

70%

80%

90%

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

Rendimiento turbina Pelton

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 elcoste del generador.

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

El primer impulso se produce cuando el caudal entra en la turbina orientado por ellabe del inyector hacia las palas del rodete. Cuandoeste caudal ya ha atravesado el interior del rodeteproporciona el segundo impulso, al salir del mismo ycaer por el tubo de aspiracin.

Este tipo de turbinas tienen un campo de aplicacinmuy amplio, ya que se pueden instalar en aprovecha-mientos con saltos comprendidos entre 1 y 200 metroscon un rango de variacin de caudales muy grande.

La potencia unitaria que puede instalar est limitadaaproximadamente a 1 MW. El rendimiento mximo esinferior al de las turbinas Pelton, siendo aproxima-damente el 85%, pero tiene un funcionamiento conrendimiento prcticamente constante para caudalesde hasta 1/16 del caudal nominal.


10%

20%

30%

40%

100%

120%

Rendimiento


50%

60%

70%

80%

90%

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

Rendimiento turbina de flujo

cruzado (Ossberger)

b) Turbinas de reaccin

Este tipo de turbinas cuentan con un diseo de rotor que permite aprovechar la presin que anle queda al agua a su entrada para convertirla en energa cintica. Esto hace que el agua al sa-lir 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 turbi-nas se componen casi siempre de los siguientes elementos:

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

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

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

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

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

- El rendimiento de las turbinas Francis es superior al 90% encondiciones ptimas de funcionamiento. Permite variacionesde caudales entre el 40% y el 105% del caudal de diseo, y ensalto entre 60% y el 125% del nominal.

- Los elementos que componen este tipo de turbinas son lossiguientes:


10%

20%

30%

40%

100%

100%

Rendimiento


50%

60%

70%

80%

90%

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

Rendimiento turbina Francis

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

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

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

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

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

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

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

El rendimiento es de aproximadamente el 90% para elcaudal nominal y disminuye a medida que nos aleja-mos de l (ver grfico).

Este tipo de turbinas se emplean generalmente para


10%

20%

30%

40%

100%

120%

Rendimiento


50%

60%

70%

80%

90%

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

Kaplan Semikaplan Hlice

Rendimiento turbinas Kaplan,

Semikaplan y Hlice

saltos pequeos y caudales variables o grandes. Cundo se usa un tipo y otro? En fun-cin 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 caudalmuy variable, es aconsejable la utilizacin de una turbina Kaplan o Semikaplan.

- La turbina de hlice se utiliza en centrales con regulacin propia que funcionan concaudal 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% deldiseo, 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 ce-rrada, aunque en ocasiones es ms conveniente otro tipo de instalaciones con ejehorizontal o ligeramente inclinado, como las turbinas tubulares o bulbo.

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

- Bulbo. El generador est inmerso en la conduccin protegido por una carcasa imper-meable. 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 com-plejos 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 msconveniente usar un tipo u otro de turbina. Esto es lo que nos indica el rango de utilizacin.


Adems, hay que tener en cuenta la curva de rendimiento de cada turbina, que vara segn seael 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 varia-cin es menos acusada, pero conviene analizarla, ya que para obtener una estimacin correcta de laenerga producida en un aprovechamiento hay que analizar elrendimiento de la turbina en cada rgimen de funcionamiento.

Tambin es importante tener en cuenta que las turbinas de re-accin grandes ofrecen mejores rendimientos que laspequeas, ya que el rendimiento aumenta cuando aumentael dimetro de salida. Las curvas de rendimiento dadas en losapartados anteriores corresponden a un rodete de tamaomedio. Para rodetes de gran tamao, superiores a los 3 me-tros de dimetro, se produce un incremento de rendimiento.

Potencia nominal: es la mxima potencia producida por elgenerador en condiciones de diseo. Viene expresada por lasiguiente frmula

Pn= 9,81 . Qn . Hn . Rt . RgPn= 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


Pelton

400

200

100

50

10

5

3

2

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

Q(mc/s)

Hm

Turbinas Turgo Ossberger Francis Kaplan

Campo de utilizacin

de los diferentes

tipos de turbinas

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

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

2.5.2 El generador

Es la mquina que transforma la energa mecnica de rotacin de la turbina en energa elctri-ca. El generador basa su funcionamiento en la induccin electromagntica. El principio de sufuncionamiento se basa en la ley de Faraday, mediante la cual, cuando un conductor elctricose 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 vol-tios. 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 fp

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 polosdel rotor. Para que esto ocurra, por estas bobinas debe circularuna corriente elctrica continua. Para producir esta corrientecontinua pueden emplearse diferentes sistemas de excitacin:

- Autoexcitacin esttica. La corriente proviene de lapropia energa elctrica generada, previamente trans-formada de alterna en continua.

- Excitacin con diodos giratorios. Se crea una corrientealterna invertida, con polos en el esttor y se rectificapor un sistema de diodos, situado en el eje comn.

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

Asncrono. Debido a la simplicidad, robustez y bajo costo de losclsicos motores elctricos, stos han venido utilizndose comogeneradores elctricos sobre todo en centrales de pequea po-tencia. Para ello es necesario que el par mecnico comunicadoal rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincro-nismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorioexcitador. Es importante que la diferencia entre las velocidadesde funcionamiento y la de sincronismo sea pequea, para redu-cir las prdidas en el cobre del rotor.


El generador toma la corriente de la red para la creacin del campo magntico. Tambin es necesa-ria 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 arrancarel grupo se abre el distribuidor de la turbina hasta que se llega a una velocidad superior a la desincronismo (aunque prxima a la misma) y en este momento se conecta a la red por medio de uninterruptor automtico.

2.5.3 Equipo elctrico general y lnea

El equipamiento elctrico es necesario en la central hidroelctrica, ya que es el encargado dela transformacin de la tensin, de la medicin de los diferentes parmetros de la corrienteelctrica, 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. De-pendiendo de la tensin de trabajo del generador, latransformacin puede ser baja/media o media/alta tensin. Elobjetivo es elevar la tensin al nivel de la lnea existente parapermitir el transporte de la energa elctrica con las mnimasprdidas posibles.

El transformador debe contar con un sistema de refrigeracinque puede lograrse por conveccin natural o por circuito cerra-do de aceite o silicona. Atendiendo a sus caractersticasconstructivas existen varios tipos, entre los que cabe destacarlos siguientes:

- Transformador encapsulado seco. Normalmente se instalanen el interior del edificio de la central, minimizando la obra ci-vil 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 unsistema de refrigeracin, mediante circulacin de aire natural o forzado.

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

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

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

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

- Transformadores de equipos auxiliares, que suminis-tran la tensin adecuada para el correctofuncionamiento de los equipos.

- Pararrayos o autovlvulas, que actan como descarga-dores a tierra de las sobreintensidades que seproducen.

La lnea elctrica necesaria para transportar la energa produ-cida hasta los centros de consumo o hasta la red dedistribucin es otro de los puntos importantes a la hora de di-sear y presupuestar el proyecto. El coste de esta lnea puedeencarecer notablemente el proyecto, dependiendo de su longi-tud 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 incluso132 kV, dependiendo de las condiciones del punto de conexin. La tensin nominalde la red existente tiene gran importancia ya que implica una transformacin almismo nivel, que puede suponer un coste elevado si se estuviera condicionado aconectar 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 funcionamien-to de la central, adems de los dispositivos de proteccin que deben colocarse en la central yla 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 hi-droelctrica 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 conecta-dos a la red.

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


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

- Central con generador sncrono funcionando conectado a la red. Aunque el control de laturbina no necesita un regulador de velocidad porque la frecuencia est mantenida por lared, es conveniente su instalacin. El mando del distribuidor se realiza por medio de unservo-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 co-nectado a la red est fija la tensin, y la variacin de la excitacin modifica la potenciareactiva suministrada por el grupo.

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

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

- El control del generador necesita un regulador de tensin que acte sobre la excitacindel 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 elcontrol de la turbina al estar mantenida la frecuencia por la red. El mando del distribui-dor se realiza mediante un servo-oleohidrulico, y las rdenes de apertura y cierreproceden del regulador de nivel.

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

- Para realizar la conexin del grupo a la red se necesita un detector de velocidad queproporcione una seal cuando el grupo llegue a la velocidad de sincronismo, utilizn-dose un rel taquimtrico mecnico o elctrico.


La instalacin de elementos de regulacin,control yproteccin son necesariospara el buenfuncionamiento de la central

Las protecciones de los sistemas que componen la minicentral actan al producirse un hechoanormal en su funcionamiento, provocando una alarma, la parada de algn grupo e incluso laparada 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.


Las protecciones de los sistemas

que componen la minicentral

actan al producirseun hecho anormal

2.5.5 Automatizacin

La automatizacin de una minicentral permite reducir los costes de operacin y mantenimien-to, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energtico de lainstalacin.

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 personalde trabajo. La automatizacin ser total cuando incluya el arranque, regulacin y parada de lacentral, y ser parcial cuando mande solamente parada y alarma, en caso de que acten lasprotecciones de la central.

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

En cuanto a la tecnologa se puede distinguir entre:

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

- secuencias de arranque

- secuencias de parada por protecciones

Digital. Se refiere a tcnicas informticas que permiten la gestin de todas las funcionesde la central. Los equipos de automatizacin que funcionan con microprocesadores ofre-cen un abanico mayor de posibilidades de automatizacin, siendo posible la programacinde distintas secuencias


La automatizacinde una minicentralpermite reducir los costes

- arranque y parada normal de grupo

- parada de emergencia de grupo

- regulacin del grupo por nivel o caudal

- optimizacin de funcionamiento del conjunto de la instalacin

Los centros de control remoto sirven para gestionar una o varias centrales automatizadas a travs detcnicas de telemando. Para poder emplear esta opcin es imprescindible contar con los equipos in-formticos

minicentrales_hidroelectricas

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