CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Tema-01 POTENCIAL HIDROELÉCTRICO
Tema-01: ema-01: POTENCIAL POTENCI AL HIDROELÉCTRI HIDROELÉCTRICO CO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Desarrollo de la Energía Energía Hidroeléctrica Hidroeléctrica en España Características de la Energía Hidroeléctrica Origen de la Energía Hidráulica. El ciclo del agua Principio de de un Aprovechamiento Hidroeléctrico Potencial Hidroeléctrico de una una cuenca • Aprovechamiento hidroeléctrico integral de una cuenca • Curva aportaciones-alturas • Potencial Teórico-Bruto • Potencial Utilizable • Potencial bruto lineal • Clasificación energética de tramos
Tema-01: ema-01: POTENCIAL POTENCI AL HIDROELÉCTRI HIDROELÉCTRICO CO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Desarrollo de la Energía Energía Hidroeléctrica Hidroeléctrica en España Características de la Energía Hidroeléctrica Origen de la Energía Hidráulica. El ciclo del agua Principio de de un Aprovechamiento Hidroeléctrico Potencial Hidroeléctrico de una una cuenca • Aprovechamiento hidroeléctrico integral de una cuenca • Curva aportaciones-alturas • Potencial Teórico-Bruto • Potencial Utilizable • Potencial bruto lineal • Clasificación energética de tramos
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
El aprovechamiento por el hombre de grandes masas de agua con fines energéticos data de muy antiguo (antiguas civilizaciones). Pero las potencias extraídas eran muy pequeñas comparadas con las actuales. • • • • • • •
Egipto India China Siria Antigua Grecia Antigua Roma Edad media
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
El proceso de industrialización durante el s. XIX marcó un hito con la aparición de turbinas hidráulicas que extraían mayores potencias. Los primeros usos fueron para mover sistemas mecánicos como telares, fabricas, minas, etc.
•
Con el nacimiento de la industria eléctrica al final del s. XIX (Thomas Edison, 1879), las turbinas se destinaron también a la producción de energía eléctrica dando comienzo la producción hidroeléctrica.
•
La primera central hidroeléctrica tuvo lugar en Appleton (Wisconsin, EEUU) destinada a la alimentación de 250 lámparas de incandescencia.
•
En España la construcción de centrales hidroeléctricas arrancó simultáneamente con el nacimiento del sector eléctrico a finales del
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España Las ventajas de la luz se pudieron ver en 1882 en las calles de Nueva York
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
Al comienzo se produjo un desarrollo espectacular de las centrales hidroeléctricas que competían con las de térmicas. En 1901 el 40% de las centrales eran de tipo hidroeléctrico.
• No
obstante hasta principios del s. XX las centrales hidroeléctricas presentaban un serio inconveniente: Coincidencia entre la ubicación del salto de agua y el centro de consumo por limitaciones técnicas del transporte de electricidad a largas distancias (grandes pérdidas de transporte por corriente continua): – Sólo algunos saltos eran aprovechados. – Las industrias debían de situarse cerca de los saltos.
•
Con la aparición de la corriente alterna se abrió la posibilidad de transportar la energía eléctrica a grandes distancias y por consiguiente el aprovechamiento integral del potencial
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
Debido a la generalización del uso de la energía eléctrica durante las primeras décadas del s. XX la demanda creció de forma espectacular.
•
Para hacer frente a la demanda se construyeron las primeras grandes hidroeléctricas, lo cual originó: a) Utilización de recursos financieros de gran magnitud, inusual hasta aquel momento. b) Creación de grandes compañías dedicadas a la producción y distribución de electricidad, las grandes eléctricas como la Compañía Hidroeléctrica Española (1907) o Iberduero.
•
Con el nacimiento de las eléctricas se plantea como objetivo el conseguir el aprovechamiento integral de una cuenca hidrológica, que se resume en conseguir la máxima utilización posible de los
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
El primer aprovechamiento integral es el del río Duero que finaliza en la década de los 40 del s. XX, llevada a cabo por la compañía Iberduero y servirá de modelo para el resto de cuencas de España.
•
En los años de la postguerra se constituyeron una serie de empresas eléctricas de carácter público que dieron junto con las privadas un fuerte impulso al desarrollo hidroeléctrico.
•
A partir de los años 60 del s. XX el fuerte aumento de la demanda hizo que el crecimiento del sector eléctrico español fuera basándose cada vez más en centrales térmicas de combustibles fósiles y posteriormente en nucleares.
•
Sin embargo la construcción de centrales hidroeléctricas no se detuvo y perdura hasta la actualidad, por lo que España cuenta con uno de los parques hidroeléctricos más desarrollados de mundo.
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España Antes 1850
Ruedas hi dr ául lic as de p equeña pot enc ia
1840-1880
Desarro llo pri meras tur bin as de potencia para trabajos mecánico s. Arranque revoluc ión in du str ial. Apl ic aci ones tex ti les, mi ner ía, etc .
1882
Primera central hidroeléctr ica. Appl eton (WI, USA). Ali mentó 250 bombi llas. Iluminación de un barrio de Nueva York
Finales XIX
Primeras centrales hidr oeléctri cas en España a las que si guió un fuerte desarroll o
Finales XIX
Imposibi lid ad de transpor te de la energía eléctrica. Condic ión de producción y consumo cercano
Comienzo XX
Aparación de la CA
Comienzo XX
Generalización del consu mo eléctrico , const rucc ión de grandes centrales hidroeléctri cas
1901
El 40 % de las centrales hid ráuli cas de España eran hid ráuli cas
1901-1920
Desarroll o de las líneas de trans porte eléctri cas.
Posibili dad de transporte a gran dis tancia
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España Comienzo XX
Construc ción de grandes CH Financiación Creación de numerosas sociedades anónimas (compañías eléctricas). Nace HE en 1907
1920-1935
Concepto de Apro vechami ento Integral. 1º Duero
1940-1965
Apro vechamiento int egral de las restantes cuencas penins ulares. Empuje de las compañías públi cas
1965
Entran en operació n las centrales termo eléctricas. Sigue el desarrollo hidroeléctrico
1975
Entran en operació n las pri meras centrales nuc leares
1983
España se sitúa en el 8º lugar de la OCDE en cuanto a potencia hidráulic a instalada
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España
•
Evolución últimos años: Año 2005 2006 2007 2008 2009
Potencia (MW) Hidráulica Total 18.353 72.956 18.463 78.453 18.544 85.973 18.595 90.596 18.631 93.729
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
En la actualidad las centrales más potentes del mundo: Central
País
Potencia (MW)
Krasnoyarsk
Rusia
6.000
Sayano-Shushensk
Rusia
6.400
Grand Coulee
EEUU
6.800
Guri
Venezuela
10.300
Itaipú
Paraguay-Brasil
12.500
Tres Gargantas
China
18.000
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
El mayor proyecto hidroeléctrico del mundo:
Las tres gargantas
1.1 Desarrollo de la energía hidroeléctrica en España •
Los países con mayor desarrollo hidroeléctrico: •
Destacan y superan a España: – EEUU – Rusia – Canadá – Japón – Noruega – Francia – Italia – Suecia
1.2 Características de la energía hidroeléctrica •
La producción de energía eléctrica de origen hidráulico puede resultar más cara que la de origen térmico, especialmente las nucleares.
•
Sin embargo las centrales hidroeléctricas juegan un papel preferente en el sector eléctrico por diversos motivos.
•
Es la primera energía explotada en los países en vías de desarrollo.
•
Incluso también lo es en países desarrollados cuando el potencial hidroeléctrico lo permite (Noruega, Austria, Islandia o Canadá).
•
Características: – Hace uso de un recurso natural renovable como es el agua. – No supone ninguna dependencia del exterior (relaciones con otros países), ni económica ni tecnológicamente. – Depende de la climatología, en particular de las lluvias y de la
1.2 Características de la energía hidroeléctrica – Es almacenable en cuanto lo es el agua que la produce. La capacidad de almacenamiento depende de las presas asociadas, pueden tener carácter anual o hiperanual. – Puede no ser el uso prioritario en aprovechamiento de recursos hídricos (otros usos más importantes como abastecimiento urbano, industrial, riego, recreativo, etc.) – La capacidad de almacenar grandes cantidades del recurso agua no supone la inmovilización de capitales al contrario de lo que ocurre con el combustible de las térmicas (fuel, carbón, uranio, etc.) – Ausencia de invernadero.
emisiones
de
contaminación
y
gases
efecto
– Sin embargo la construcción de embalses suponen un impacto ambiental en el entorno. En general, requieren menor inversión que las centrales térmicas
1.2 Características de la energía hidroeléctrica – Los saltos hidroeléctricos disponen de una vida útil muy larga (largos periodos de amortización) mayores que las centrales térmicas. – Los gastos de explotación y mantenimiento son muy bajos. – Se adaptan rápidamente al nivel de potencia requerido manteniendo el rendimiento en valores aceptables (varios grupos y adaptabilidad de las turbinas a regímenes distintos). Las térmicas y nucleares se caracterizan por tener una gran inercia. – Las centrales hidráulicas reversibles (turbinación-bombeo) juegan un papel crucial en la actualidad y que aumentará en el futuro como elementos de almacenamiento de energía generada por otras fuentes como la eólica y nuclear durante las horas valle del ciclo diario o semanal.
1.2 Características de la energía hidroeléctrica VENTAJAS • • • •
• • • • • •
Fuente primaria natural y renovable No produce gases efecto invernadero Independencia exterior de la materia prima Posibilidad de almacenamiento en grandes reservas (anuales o hiperanuales) Menor inversión total que una central térmica o nuclear Largos periodos de amortización Costes de mantenimiento muy bajos Ausencia de contaminación Dependencia tecnológica pequeña del exterior Adaptación rápida a las variaciones de demanda
INCONVENIENTES •
Normalmente imposibilidad de ubicarlas en puntos cercanos a los núcleos de consumo
•
Energía Limitada en cantidad /año
•
Dependencia del régimen de lluvias
•
Fuertes inversiones en la construcción de la presa
•
Coste variables del kWh según tipo de central
•
Encarecimiento del kWh por alejamiento de las zonas de consumo
•
Impacto ambiental de la presa (microclima, sedimentos, deslizamientos,…) Las centrales de agua fluyente deben
1.2 Características de la energía hidroeléctrica •
El desarrollo futuro de la energía hidroeléctrica: – En los países desarrollados debido a los planes de aprovechamiento integral ya han sido construidos los grandes saltos en las ubicaciones de mayor rentabilidad. Por ello la construcción de nuevas grandes centrales no será usual. – Sin embargo se necesitan por las nuevas características del sistema eléctrico mayor número de centrales reversibles, por lo que será necesario: a)
Reconvertir las centrales existentes en reversibles.
b)
Ampliar las reversibles existentes
– Debido a la aparición de nuevas turbinas que pueden aprovechar grandes caudales con pequeños saltos (straflow), actualmente es factible construir nuevas centrales fluyentes (centrales de base) en el curso bajo de los ríos que ahora son rentables. No obstante, exigen gran inversión en obra civil por lo que el coste de Kwh producido es alto.
1.2 Características de la energía hidroeléctrica •
El desarrollo futuro de la energía hidroeléctrica: – Construcción/recuperación/ampliación de minicentrales. Existe en la actualidad un programa de minicentrales dentro del Plan de Energías Renovables. – Construcción de centrales mareomotrices, aprovechando el desnivel causado por las mareas mediante el cierre de un estuario (St. Maló en la Bretaña francesa). Grandes caudales y pequeños saltos.
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
El ciclo del agua puede definirse como el conjunto de transferencias de agua entre la atmósfera, el mar y la tierra en sus tres estados (sólido, líquido y gaseoso).
•
La energía solar y la fuerza de la gravedad son los motores del ciclo.
•
El ciclo del agua se relaciona con los siguientes conceptos: – Variabilidad – Aportación – Recurso natural – Cuenca hidrográfica – Almacenamiento – Recurso renovable – Variación espacial y temporal – Balance hídrico
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua
Percolación
Infiltración
• Precipitación • Evapotranspiración • Infiltración
• Percolación • Escorrentía superficial • Escorrentía subterránea
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua • Precipitación: – Condensación del vapor de agua atmosférico retorna en parte a la superficie terrestre en forma de precipitación líquida o sólida (lluvia, nieve, aguanieve y granizo o rocío). Parte de esa precipitación cae en el mar, parte se infiltra en el suelo, desde donde se vuelve a evapotranspirar, o a percolar en el subsuelo y otra parte escurre superficialmente por la red de drenaje (escorrentía superficial directa) hasta alcanzar la red fluvial. – El conocimiento de la precipitación es básico para la cuantificación de los recursos hídricos por constituir la principal entrada de agua en la cuenca (a veces la única).
AGUA E N FASES LIQUIDA, SÓLIDA Y VAP OR ATMOSFERA
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a m i l b u S
n ó i c a r i p s n a r t o p a v E
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
n ó i c a r o p a v E
VEGETACION s é v n a i r ó t c a t a o j e u g l e F v
n ó i c a t e g e v s é v a r t a o j u l F
NEVADOS n ó i s u F
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
Escorrentía superficial directa
SUPERFICIE TERRENO Infiltración
n ó i c a r t l i f x E
n ó i r s o u p f i a D v
Escorrentía subsuperficial
RIOS Y LAGOS
SUELO Percolación
Elevación p or capilaridad
ACUIFEROS
Escorrentía subterránea
Percolación
Escorrentía superficial
OCEANOS
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua • Evapotranspiración: – Efecto conjunto de la evaporación del agua presente en la superficie de la tierra (mares, ríos y lagos) y la transpiración procedente de la tierra a través de los seres vivos y en especial de las plantas. – Depende de la radiación solar, temperatura, humedad específica (presión de vapor), viento, densidad y tipo de vegetación.
AGUA E N FASES LIQUIDA, SÓLIDA Y VAP OR ATMOSFERA
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a m i l b u S
n ó i c a r i p s n a r t o p a v E
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
n ó i c a r o p a v E
VEGETACION s é v n a i ó r t c a a t o e j g u l e F v
n ó i c a t e g e v s é v a r t a o j u l F
NEVADOS n ó i s u F
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
Escorrentía superficial directa
SUPERFICIE TERRENO Infiltración
n ó i c a r t l i f x E
n ó i s r u o f i p a D v
Escorrentía subsuperficial
RIOS Y LAGOS
SUELO Percolación
Elevación por capilaridad
ACUIFEROS
Escorrentía subterránea
Percolación
Escorrentía superficial
OCEANOS
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua • Infiltración: AGUA E N FASES LIQUIDA, SÓLIDA Y VAP OR
– Agua en el subsuelo que se acumula en los poros, grietas y fisuras de los materiales del terreno (zona no saturada). – Depende de la intensidad de lluvia, cobertura vegetal, la porosidad, la conductividad hidráulica y el contenido de humedad del suelo. – Parte del agua infiltrada acaba evaporándose directamente del suelo, parte es retenida y transpirada por las plantas, otra parte percola profundamente hacia los acuíferos y parte vuelve a emerger a la superficie en forma de escorrentía (escorrentía subsuperficial).)
ATMOSFERA
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a m i l b u S
n ó i c a r i p s n a r t o p a v E
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
n ó i c a r o p a v E
VEGETACION s é v n a i ó r t c a a t o e j g u l e F v
n ó i c a t e g e v s é v a r t a o j u l F
NEVADOS n ó i s u F
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
Escorrentía superficial directa
SUPERFICIE TERRENO Infiltración
n ó i c a r t l i f x E
n ó i s r u o f i p a D v
Escorrentía subsuperficial
RIOS Y LAGOS
SUELO Percolación
Elevación por capilaridad
ACUIFEROS
Escorrentía subterránea
Percolación
Escorrentía superficial
OCEANOS
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Percolación: Parte del agua infiltrada
AGUA E N FASES LIQUIDA, SÓLIDA Y VAP OR
que acaba alcanzando el nivel freático de los acuíferos (zona saturada). •
ATMOSFERA
Escorrentía superficial o directa: – Parte de la precipitación que no llega a infiltrarse en el terreno y discurre superficialmente por éste hasta alcanzar la red fluvial.
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a m i l b u S
n ó i c a r i p s n a r t o p a v E
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
VEGETACION s é v n a i ó r t c a a t o e j g u l e F v
n ó i c a t e g e v s é v a r t a o j u l F
NEVADOS
– Suele llegar a los cauces superficiales en un periodo relativamente corto de tiempo desde la precipitación (incluyendo al escorrentía subsuperficial)
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
n ó i s u F
n ó i c a t i p i c e r P
n ó i c a r o p a v E
Escorrentía superficial directa
SUPERFICIE TERRENO Infiltración
n ó i c a r t l i f x E
n ó i s r u o f i p a D v
Escorrentía subsuperficial
RIOS Y LAGOS
SUELO Percolación
Elevación por capilaridad
ACUIFEROS
Escorrentía subterránea
Percolación
Escorrentía superficial
OCEANOS
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Las masas de agua en el planeta:
Océanos 97,2 %
2,8 %
Casquetes Polares y Glaciares 2,15 % • Lagos de agua dulce • Lagos de agua salada • Ríos
0,03 %
Acuíferos 0,62 %
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Las masas de agua en el planeta: • Océanos y mares • Resto
97,20 %
1.325 106 km3
2,80 %
35 106 km3 ≈ 1.360 106 km3
Casquetes polares y glaciares (75%)
Ríos, lagos y acuíferos (25%)
Ríos 1.300 km3 Atmósfera 12.900 km3 Lagos de agua dulce 125.000 km3 Lagos de agua salada 104.000 km3 Acuíferos 8.500.000 km3
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Los principales flujos terrestres
Precipitación sobre océanos 405.000
Acuíferos 8.500.000
•
Océanos 1.325.000.000
La relación Precipitación/Evapotranspiración > 1 en océanos
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Los grandes ríos
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La aportación en un territorio: Escorrentía E Inf iltración I
As Af
Aportación red fluvial A Fugas subterráneas F
Aportación Total At
Precipitación Evapotranspiración
. o r e f í u c a l a a g r a c e R
Escorrentía superficial directa.
Componente superficial.
Apo rt aci ón de la red fluvial
Componente sub terránea. Transferencias subterráneas al mar o a otros territorio s
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La aportación en España: P – ET = E + I = At = A + F = (As +Af ) + F
349 Km 2 238 Km 3
. o r e f í u c a l a a g r a c e R
Escorrentía superficial directa.
349 – 238 = 111 = 109 + 2 = (82 + 27) + 2
82 Km3
109 Km 3
27 Km3
Precipitación 349 Km3 Evapotranspiración 238 Km3 Aportación a la red fluvial 109 Km3 - Esc. Sup. Directa (82 Km3) - Esc. Subterránea (27 Km3)
2 Km3
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La variabilidad del ciclo:
- La variabilidad natural producida por la dependencia de los factores meteorológicos que intervienen en la circulación atmosférica terrestre (y corrientes oceánicas) hacen que las magnitudes del ciclo en el mismo territorio o cuenca hidrográfica varíen sensiblemente con el tiempo.
1400
1200
) o ñ1000 a / m m 800 ( n ó i c 600 a t i p i c e r 400 P 200
0 1805
1825
1845
1865
1885
1905
1925
1945
1965
1985
Precipitación anual en San Fernando (Cádiz), periodo 1805-1993, tomado del libro Blanco del Agua en España
- Una consecuencia de esta variabilidad es la ocurrencia de fenómenos hidrológicos extremos como las sequías e inundaciones. - El hombre mediante las infraestructuras para la gestión de los recursos hídricos (embalses, bombeos, conducciones,...etc) para la satisfacción de las demandas
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La variabilidad del ciclo:
1.2 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La variabilidad del ciclo:
1.2 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La variabilidad del ciclo: Precipitación media anual. Periodo 1940-2001
Mapa de C.V. de la lluvia en el periodo PRECIPITACIÓN AREAL EN CHJ 900 800 700 600 500 m m400 300 200 100 0
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La variabilidad del ciclo: 160 Escorrentía 140
Evapotranspiración real Evapotranspiración potencial
120
Precipitación
- Variabilidad estacional
100 m m
80 60 40 20 0 O CT
N OV
D IC
E NE
FE B M AR
ABR
M AY
J UN
J UL
AG O S EP
1200
1000
800
m m 600 400
200
- Variabilidad interanual
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
La energía media anual producible en el planeta aprovechando en su totalidad los caudales y desniveles disponibles, o Potencial Hidroeléctrico Teórico Bruto, se cifra en: 36.000 Twh = 36.000.000 Gwh = 36 10 12 Kwh
•
Este valor es del orden de magnitud que el consumo energético mundial, pero desgraciadamente no toda esa energía es utilizable.
•
El régimen de precipitaciones puede hacer variar en gran medida la energía hidroeléctrica producida en una zona determinada del planeta.
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Porcentaje de llenado de los embalses:
– Hay que tener en cuenta que del volumen de agua precipitada, sólo alrededor del 35% se convierte en aportaciones reales a los ríos, y de esta agua mucha se vierte al mar si no es regulada por los embalses. Aún así, los embalses de que disponemos en nuestros ríos, de interés hidroeléctrico cuya capacidad total se cifra actualmente en unos 57.000 Hm3. – Así, se registran oscilaciones considerables en función de la mayor o menor pluviosidad, de los criterios de explotación del conjunto del sistema eléctrico nacional y especialmente, de las necesidades de utilización del agua para usos no energéticos y de consideraciones medioambientales.
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua
1.3 Origen de la energía hidráulica. El ciclo del agua •
Los mayores embalses hidroeléctricos en España: PRINCIPALES EMBALSES DE INTER S HIDROEL CTRICO EN ESPA A Embalse (*) Alcántara Almendra Buendía Mequinenza Cíjara Valdecañas Esla o Ricobayo Iznájar Gabriel y Galán Alarcón Contreras
Capacidad (Hm3)
Río
Cuenca
Central
MW
3.137 2.649 1.639 1.566 1.532 1.446 1.200 980 924 1112 874
Tajo Tormes Guadiela Ebro Guadiana Tajo Esla Genil Alagón Júcar Cabriel
Tajo Duero Tajo Ebro Guadiana Tajo Duero Guadalquivir Tajo Júcar Júcar
José María de Oriol Vilarino Buendía Mequinenza Cíjara Valdecañas Esla Iznájar Gabriel y Galán Alarcón Contreras
915,2 810,0 55,3 324,0 102,3 225,0 133,2 76,8 110,0 50,0 76,1
(*) No están incluidos en la lista los embalses de La Serena —el mayor de España por su capacidad, con 3.232 Hm3, dedicado a riegos—, ni Alarcón —con 1.112 Hm3 de capacidad —, pues ninguno de los dos se utiliza por el momento para generación de electricidad.
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
Río en régimen permanente (caudal constante) y uniforme (calado constante).
•
La ecuación de Bernouilli aplicada a dos secciones 1 y 2 separadas una distancia L, situadas a cotas z 1 y z2:
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
Considerando que: p1 = p2 = presión atmosf . v1 = v2
→ z1 − z 2 = ∆h12
Las pérdidas por rozamiento en el tramo igualan al desnivel topográfico o pérdida de energía potencial
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
La velocidad media de la corriente en un tramo de río puede estimarse a partir de la expresión de Manning: v=
•
1 n
2/3
Rh
S =
1 n
2/3
Rh
∆ z L
→ ∆h12 = ∆ z =
nv
2
4/3 h
R
⋅ L
Puesto que las pérdidas son función de la velocidad del agua (a mayor velocidad mayores pérdidas), a mayor desnivel mayores pérdidas y mayor velocidad. → Si el tramo tiene pendiente pronunciada el flujo del río será rápido para disipar pérdidas elevadas. El calado será pequeño y la velocidad del flujo rápida (régimen rápido). → Si el tramo tiene poca pendiente el flujo del río será lento
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
En un curso de un río los tramos rápidos se suelen encontrar en las cabeceras mientras que los lentos en los tramos finales y desembocaduras. Esto es así debido a las pendientes del cauce (perfil longitudinal)
•
El caudal del río suele aumentar desde cabecera a desembocadura debido a las aportaciones durante el curso fluvial
•
Las aportaciones de caudal a lo largo del recorrido pueden alterar la el flujo (incrementar la velocidad) pero en menor proporción que el incremento de caudal debido al incremento de la superficie mojada (aumento de calado) Q = v ⋅ A
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
En cualquier caso las condiciones de establecimiento del régimen uniforme harán que se consuma tanta energía en pérdidas como energía potencial haya disponible debido al desnivel, de modo que toda la energía se disipa sin posibilidad de aprovechamiento.
•
La pérdida de energía de posición del agua disponible al comienzo del tramo se transforma en calor, que se desprende a la atmósfera (la temperatura del agua varía poco), y en energía mecánica de erosión, y arrastre de materiales por el lecho de los ríos
•
La pérdida energética es proporcional al caudal circulante y al desnivel existente entre el comienzo y el final del tramo considerado
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
La única energía que también podría aprovecharse, es la debida a la velocidad del agua, aunque resulta despreciable. •
En efecto, para un régimen torrencial las máximas velocidades que se alcanzan en los cauces naturales son de 5 a 6 m/s, lo que equivale a una energía de: 62 = = 1,8 m E = 2 g 2 ⋅ 9,8 v
2
que es insignificante frente a los desniveles reales. Por este motivo las antiguas norias de molino que aprovechaban esta energía
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
El principio de un aprovechamiento hidroeléctrico consiste en: •
Obra de toma, en el punto de arranque del tramo que se pretende aprovechar
•
Desviar las aguas a través de un canal artificial cuya pendiente sea mucho menor que la del cauce natural. Para ello se sigue un trayecto más o menos sinuoso según las líneas de nivel, o bien se efectúa una perforación en túnel, hasta alcanzar de nuevo un punto próximo al tramo inferior del río, pero a una cota muy superior.
•
En este punto el agua se encauza a través de una tubería de denominada tubería forzada, para restituirla de nuevo al río
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
Por tanto, los aprovechamientos hidráulicos consisten precisamente en reducir al mínimo esta pérdida energética natural y transformar la energía no consumida en una energía de fácil utilización.
•
En el punto C' la presión es aún la atmosférica, y el desnivel C-C' se ha perdido en efecto en rozamientos a lo largo del canal.
•
La ecuación que gobierna el flujo en los extremos de la tubería forzada C' y B es:
pC '
γ
+
vC '
2g
+ zC ' =
p B
γ
pC ' = 0 p.atmosf . vC ' = v B
+
v B
2g
p B
+ z B + ∆hC ' B
= ( zC ' − z B ) − ∆hC 'B → γ
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
Las pérdidas ∆hC'B dependen fundamentalmente del caudal y del diámetro de la tubería forzada, es decir de la velocidad del agua.
•
La energía de presión (p B/γ) puede ser aprovechada por una turbina localizada en el punto B para generar un par mecánico, el cual se convertirá en energía eléctrica por medio del alternador.
•
La energía disponible por la turbina es precisamente la diferencia entre la que se disiparía en el cauce y la mucho más reducida que se pierde en las conducciones.
•
A la salida de la turbina, el agua ya sin presión y con muy poca
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
Aprovechamiento de agua fluyente con régimen de explotación a caudal continuo (no pude regular y por tanto aprovechar las crecidas del río)
1.4 Principio de un aprovechamiento hidroeléctrico •
El canal al transportar el agua hasta casi la vertical del punto de restitución en el río, con un desnivel mucho menor y un recorrido usualmente mayor, su pendiente resulta muy pequeña, por lo que su régimen va a ser marcadamente fluvial (o lento). Canal
•
•
La pendiente del canal oscila entre milésimas y diezmilésimas. Es necesario dotar a los cajeros de mayor altura que la estricta para evitar desbordamientos por la formación de olas y por inclinación de la lámina en curvas.
Río
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
La potencia extraíble teóricamente por cada m3/s de agua turbinado y metro de desnivel viene dada por:
m3 ⋅ (1 m ) = 9,8 Kw = 13,33 CV P = γ ⋅ Q ⋅ H = 9,8 ⋅ 1 s •
Para evaluar la energía hidroeléctrica extraíble de una cuenca hidrológica hay que hacer una serie de consideraciones: a) Para evaluar Q es necesario disponer de una serie de estaciones de aforos en sitios estratégicos. Régimen de caudales o aportaciones. b) Además de las estaciones de aforos hay que disponer estaciones pluviométricas. Régimen de lluvias.
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Curva Hidrógrafa y Caudales clasificados: Curva hidrógrafa: tiene por
abscisas los días del año y como ordenadas los caudales medios diarios. Suele utilizarse la hidrógrafa del año medio, promediando los caudales observados el mismo día de varios años consecutivos Curva de caudales clasificados:
Caudales representados por la hidrógrafa media en función de
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Una vez caracterizados el régimen de caudales de los ríos de una cuenca, el régimen de lluvias y los coeficientes de escorrentía, es posible determinar el caudal que por término medio atraviesa cada línea de cota de la cuenca o bien el volumen de agua anual que la atraviesa, que es lo que se conoce como aportación.
•
Parte de esa aportación atraviesa la línea de cota por los cauces y otra parte de forma distribuida por la superficie del terreno.
•
La aportación distribuida se incorporará a los cauces en cotas inferiores
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Curva alturas-aportaciones: Representación de la aportación correspondiente a cada línea de cota de la cuenca. Es una curva monótona decreciente.
•
Esta curva nos va a permitir calcular el potencial bruto, que corresponde al límite superior de energía que puede extraerse de la cuenca, conforme a la siguiente expresión: z1
∫
z1
∫
E = λ A( z )dz = 0,00272 A( z ) dz
– A en Hm3 E en Gwh
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Aprovechamiento hidroeléctrico integral de una cuenca. Surge en respuesta del enorme aumento de la demanda energética durante el siglo XX: – Al comienzo de la industria hidroeléctrica, primeras décadas del s. XX no había perspectiva de que la demanda pudiera hacer uso de todo el recurso potencial de los ríos. – Se seleccionaban los tramos de mayor rendimiento o los de mayor facilidad de construcción, y pensando sólo en la energía demandada, sin plantearse toda la que era posible explotar, sin visión alguna de conjunto. – El aprovechamiento integral consiste obtener la óptima utilización de los recursos de una cuenca. Ello involucra no sólo al uso hidroeléctrico sino al resto (abastecimiento, regadío, recreativo,
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Aprovechamiento hidroeléctrico integral de una cuenca. – Obtener toda la energía posible de una cuenca teniendo en cuenta los demás usos (algunos de los cuales tienen preferencia, por ejemplo el abastecimiento a población), sin más límite que el que resulte del rendimiento económico. – Concentración en el mínimo de centrales posible: Una central de 2 P kW es más barata que dos centrales P kW, y no sólo en maquinaria y obras, sino en personal, pues éste depende más bien del número de centrales que de su potencia, no varía con ésta salvo en centrales muy grandes, con muchos grupos. – Los embalses son piezas fundamentales. No es posible llegar al aprovechamiento integral sin embalses que posibiliten la regulación de la cuenca. La disposición de saltos se apoyará muy fundamentalmente en los embalses, por lo que su estudio es previo
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Curva aportaciones-alturas:
– Evaluar las aportaciones producidas en cada franja de la cuenca delimitada por dos líneas de nivel. – Para confeccionarla es necesario datos de topografía (planos topográficos, MDT) e hidrológicos (series temporales de aforos y precipitaciones). – Es frecuente recurrir a modelos Precipitación-Escorrentía para evaluar las aportaciones en puntos donde no se disponen de estaciones de aforo. – Inversamente las estaciones de aforo se utilizan para calibrar modelos P-E. – Un modelo simple P-E se basa en la expresión:
A = K S P
α
Modelo Precipitación-Escorrentía P = Precipitación
Es
D = Volumen retenido Es = Escorrentía superficial
A = Es = P - D Es = 0
si P < Do
(todo se retiene)
Dmax 45º
Es
kP
(k = 0,5 ÷0,4)
si Do < P < Po (Po = 1 ÷ 1,25 m)
Es
Do
Po
P
(mm)
Es = P - Dmax si P > Po (todo escurre)
(D
= 0,62 ÷ 0,5 m)
Calibración coeficiente escorrentía Dividir la cuenca hidrográfica en una serie de celdas ij
Ai =
Kij Sij pij
j
Ai = Aportación total anual en la sección de calibración i Kij = Coeficiente escorrentía celda ij de la cuenca tributaria a la sección i Sij = Superficie de la celda ij de la cuenca tributaria a la sección i pij = Precipitación anual en la celda ij de la cuenca tributaria a la sección i
Se pueden declarar tantos coeficientes Kij a ajustar como secciones de calibración se consideren
Una vez identificados los diferentes Kij considerados, la aportación que atraviesa la línea de cota z = z j será:
A j (z j) =
Kij Sij pij
j
donde el sumatorio se extiende ahora a todas las celdas de la cuenca hidrográfica ubicadas por arriba de la cota z j
Transformación lluvia - escorrentía
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Curva aportaciones-alturas: •
•
Pendientes sub-horizontales indican que con variaciones pequeñas de cota se generan aportaciones importantes Pendientes pronunciadas indican que las aportaciones generadas son pequeñas con la variación de cota
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial teórico bruto:
– Es la energía disipada naturalmente por la aportación en su descenso desde cotas altas a bajas. – El potencial de una cuenca entre la cota z1 y z2 es el área de la curva A-A delimitada por éstas.
z1
∫
z1
∫
E = λ A( z )dz = 0,00272 A( z )dz z 2
z 2
z1 z2
– El potencial teórico bruto se puede aplicar a toda clase de cuencas, parciales o totales, e incluso definir el de una suma de cuencas de una región o país.
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial utilizable:
– Si pudiésemos tomar toda la aportación A que hay entre la cota Z1 y turbinarla sin pérdidas hasta la cota Z2 la energía producida sería:
Potencial generado entre z1 y z2
z1
A1
z2
E = 0,00272 A1 ( z1 − z 2 )
– Pero esto no es factible, por las siguientes razones: a) Habría que recoger el agua con un canal siguiendo la línea de nivel z1. b) Las aportaciones recogidas fuera de los cauces serían esporádicas (sólo cuando llueve) y arrastrarían materiales (piedras, barro, etc.). c) No podría recogerse tampoco toda la aportación de los cauces pues
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial utilizable: d) También se reduce el salto pues las conducciones tienen una pérdida de carga. Luego el salto neto será menor que el bruto z1-z2. e) La energía neta que entra en la turbina (rectángulo con doble rayado) sufre unas nuevas mermas mecánicas en ella, y eléctricas en el alternador y transformador, saliendo una energía útil menor que la que entró en la
z1 z2
A1
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial utilizable:
– Con saltos en cascada. – Con todo la potencia utilizable no suele pasar del 50% de la potencia teórica bruta. – En España, de los 160.O00 Gwh teóricos brutos, sólo se consideran útiles unos 63.000 Gwh en el año medio, es decir, casi un
•
La necesidad de concentrar la energía en pocas centrales hace perder los triángulos mixtilíneos.
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial utilizable:
– Pueden haber diferentes evaluaciones del Potencial útil, pues así como el potencial teórico bruto sólo puede ser el área de la curva aportaciones-alturas, el potencial útil es una estimación que puede tener componentes subjetivos (depende de cómo se conciba la utilización de la cuenca) y también económico-técnicas, como pueden ser: La posición y el número de los saltos. Posibilidades técnico-económicas como:
✔ Viabilidad en la ejecución de presas (altura, ubicación) ✔ Unión de varios saltos en uno mayor → menor utilización
por aportación no turbinada pero mayores rendimientos de la central.
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial bruto lineal:
– Puesto que la captación de un salto sólo puede tomar el agua en los cauces individualizados y no a lo largo de una curva de nivel, es lógico dibujar la curva A-A como suma de las aportaciones que se recogen en los distintos cauces a la cota z:
Cada pico es indicativo de una confluencia
Potencial teórico bruto
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial bruto lineal:
– A partir de la curva aportación-altura para el potencial bruto lineal puede obtenerse el diagrama de flujos donde el espesor de los diferentes tramos es proporcional a la aportación en cada punto y a simple vista da una idea muy expresiva del reparto topográfico de caudales
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial bruto lineal:
– Si la curva tiene un tramo 43 con poca pendiente seguido de otro 21 escarpado, el aprovechamiento óptimo de esa zona vendrá definido por el rectángulo (bruto) entre las cotas Z3-Z1 con la toma al final del tramo suave y con el desagüe al final del escarpado.
– Cualquier otra solución como las señaladas de puntos, bien empezando más arriba (4) o más abajo (2) o terminando más arriba (1'), dan lugar a menor energía pues lo que se gana en el salto (Z4-Z3), es
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencia utilizable:
– Esta regla nos lleva a poner las tomas en las confluencias, pues allí las aportaciones se suman.
– Sin embargo, si en vez de una toma única a la cota Z3 de la confluencia, ponemos dos tomas a cota Z4 , una en cada río confluente, y las unimos por
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Potencial bruto lineal:
– En un tramo de curva de inclinación media relativamente uniforme no está claro cómo proceder. Puede hacerse un salto único Z3-Z1 ,o dos Z3-Z2 y Z2-Z1, o más. – Dos saltos proporcionan más energía que uno solo pero este fraccionamiento puede no ser económico.
– En principio, si la energía del tramo 3-1 no es grande, lo más probable es que no compense el fraccionamiento. – No puede darse una regla fija, pero en principio, centrales que
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Ganancia de potencial 22'1 por construcción de una presa de altura 12'
Potencial bruto lineal:
– Los embalses suelen ubicarse en tramos de poca pendiente, pues con la misma altura el tramo inundado es mayor cuanto mas suave sea la pendiente. Además, los tramos más suaves suelen ser más anchos, por lo que resulte mayor volumen de embalse.
2
– Si en 1 ponemos una presa de altura 1-2', al inundar ese tramo hasta la cota Z2, la curva A-A sube, tomando la forma quebrada Z2'1 en lugar de la curva 21 y aumenta el potencial teórico bruto. – Esto, a primera vista, parece absurdo, pues aquel representa un máximo natural de la cuenca. Sin embargo, al construir la presa hemos levantado
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Clasificación energética de tramos:
– El perfil longitudinal del río junto con información hidrológica permite discernir los tramos de mayor interés energético. – A los pendientes y aportaciones de cada tramo hay que añadir la energía bruta de cada tramo y la energía por kilómetro. – Como la energía de un tramo es proporcional a AH, la energía por Km de tramo será: Energía 0,00272 AH 0,00272 AH = = = 0,00272 AI H Km L I
– siendo I la pendiente media del tramo en tanto por uno
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Clasificación energética de tramos:
– Por otro lado el coste de las conducciones de un tramo es proporcional a la raíz cuadrada de la aportación: Coste ∝ A Km
– Por lo tanto la eficiencia de un tramo puede valorarse como: Energia 0,00272 AI Km ∝ ∝ Coste A Km
A ⋅ I
expresión que da un orden de magnitud de energía obtenida en relación al coste de las conducciones. Puede que un tramo se obtenga más energía por km (mayor 0,00272AI)
1.5 Potencial Hidroeléctrico de una cuenca •
Clasificación energética de tramos:
E = 0,00272 AI Km E Coste
∝
A ⋅ I
1.6 Minicentrales •
Son aquellos aprovechamientos hidroeléctricos con potencias instaladas inferiores a 5 MW.
•
Se encuentran generalmente situadas en pequeños saltos de agua, generalmente inferiores a 80 metros de altura.
•
Históricamente las pequeñas centrales constituyeron la base de la electrificación de zonas rurales y urbanas.
•
Hacia mediados de los años 60 se produjo una ralentización en la construcción de centrales hidroeléctricas, debido al bajo precio del petróleo, en favor de las grandes centrales térmicas, más más competitivas, y obligando al cierre de numerosas pequeñas centrales hidroeléctricas cuyos costes de explotación resultaban excesivos. En menos de 15 años, desaparecieron más más de 1.000 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (ver cuadro adjunto).
1.6 Minicentrales PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS EN ESPAÑA Año Número de Centrales Activas Potencia instalada (kW) Producción Media anual (GWh) Horas de Utilización Potencia Media por Central (kW) •
1.964 1.740 600.000 2.000 3.333 345
1.978 735 500.000 1.700 3.400 680
Con la crisis del petróleo volvieron a estar de actualidad las pequeñas Centrales Hidroeléctricas. Tras Tras la X Conferencia Internacional de la Energía, celebrada en Estambul en 1977, la Administración Española emprendió una serie de actividades a través del Ministerio de Obras Públicas encaminadas a la promoción de
1.6 Minicentrales Actuaciones del Sector Eléctrico en el Area de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (1981-1989) Potencia (kW)
Producción total (miles de kWh)
3.972 136.979 13.325 31.887 186.163
18.700 534.395 50.300 152.294 755.689
Ampliación Modernización Nueva Construcción Construcción Recuperación Total
Incremento de producción (miles de kWh) 18.700 49.782 50.300 152.294 271.076
Inversión en Minicentrales (1.981-89) (en millones de pesetas) Recuperaciones Modernizaciones Ampliaciones Nueva Construcción Total
Estudios
Obra civil
678 61 109 315 1.163
2.919 724 457 1.320 5.420
Equipos electro-mecánicos 3.538 1.459 350 1.210 6.557
Total 7.135 2.244 916 2.845 13.140
1.6 Minicentrales •
Evolución potencia instalada:
1.6 Minicentrales •
Potencia instalada y producción:
Producción y Potencia Instalada en Minicentrales Hidroeléctricas Distribucion por Comunidades Autónomas Comunidad PaísVasco Extremadura Valenciana Andalucía Asturias Castilla-Leó n Cataluña Castilla-La Mancha Aragón Galicia Rioja Madrid
Potencia Instalada (MW)
Producción media (miles de kWh) 12'2 10'5 20'3 67'5 3'6 42'1 57'7 42'6 46'8 34'6 20'9 4'2
50'0 19'5 84'5 156'1 16'9 113'2 202'6 118'0 202'0 78'8 88'2 7'0
