La tecnología hidroeléctrica

Contenidos

La energía en el aguaLa hidroelectricidadEn defensa del ambienteLa obtención de la electricidadEl consumo de electricidad diarioTurbinasLas centrales hidroeléctricasLas centrales hidroeléctricas de pasadaLas centrales hidroeléctricas con embalseLas centrales hidroeléctricas de bombeoUna apuesta al futuro

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La energía en el agua

Energía hidroeléctrica con propulsión solarEl sol es el motor del ciclo del agua en la natu-raleza. Su calor hace que el agua se evapore.En forma de vapor de agua es transportadadentro de la atmósfera y se precipita en formade lluvia o de nieve. Sin embargo, sobre el marllueve un poco menos de lo que allí se evapo-ra. De modo que se traslada agua de los mareshacia el continente y se alimentan los camposnevados, glaciares, arroyos, ríos, lagos y napassubterráneas. Estas aguas terminan otra vez enel mar: un circuito cerrado. Debido a que esteproceso se repite constantemente es que sehabla de energía renovable.

Al principio fue la rueda hidráulicaEl aprovechamiento de la energía hidroeléctri-ca se remonta a 3.500 años en el pasado, conel surgimiento de las primeras ruedas hidráuli-cas. Los griegos y los romanos las empleabanpara moler granos y para elevar el agua porencima del cauce de los ríos para regadío. Enel Medioevo, gigantescas ruedas elevadorasimpulsaban martillos de hierro. Desde media-dos del siglo XIX, la energía hídrica se convir-tió en un factor decisivo para la crecienteindustrialización. Cuando, en 1866, Wernervon Siemens descubrió el principio dínamo-eléctrico sentó las bases para la obtención deenergía eléctrica. En 1880, surgieron en Ingla-terra las primeras plantas de energía hidroeléc-trica. La construcción en Córdoba de la UsinaBamba en 1897 abrió el camino triunfal para elaprovechamiento industrial de la energíahidroeléctrica, la que se extendería luego a lolargo de Argentina.

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La hidroelectricidad

Transformaciones de energíaLa fuerza del agua en movimiento es uno delos recursos energéticos renovables másempleados. Más del 20 por ciento de la electri-cidad del mundo se origina en las centraleshidroeléctricas. La energía hidroeléctrica quese puede obtener en una zona depende de loscauces de agua y desniveles de la misma, yexiste por lo tanto, una cantidad máxima deenergía que puede obtenerse por este medio.

El principio es sencillo: la energía cinética delagua se convierte en eléctrica mediante sucesi-vas transformaciones de energía. Para lograrlose aprovecha un desnivel para conducir el flui-do hacia una instalación situada más abajo. Enella se hace pasar el agua a gran presión poruna turbina, provocando un movimiento rota-torio. A partir de la rotación de un rotor elec-tromagnético impulsado por la turbina, seinduce la tensión en los paquetes de bobinasdel estator, que es una pieza que contiene unelectroimán encargado de crear el campo mag-nético fijo y en la cual se produce la electrici-dad. Finalmente, de las terminales o bornesdel estator es posible extraer energía eléctrica.Realizado este proceso, el agua se devuelve alrío y se normaliza su curso.

Pero si la energía no se crea de la nada ¿dedónde sale la energía que produce la corrienteeléctrica? Sale de la turbina que mueve el rotordel generador. Este último sólo convierte esaenergía mecánica en energía eléctrica.

Conceptos hidráulicosPor cota se entiende el valor de la altura deuna superficie o punto respecto del nivel delmar. El caudal es la cantidad de líquido, expre-sada en metros cúbicos o en litros, que circulaa través de un conducto en la unidad de tiem-po. Se llama salto de agua al paso violento odescenso de masas de agua desde un nivelsuperior a otro inferior.La altura de salto o salto es la diferencia decota y se expresa en metros.

Las cascadas o cataratas constituyen saltosnaturales y surgen cuando el cauce del río tie-ne marcados desniveles. Pero para un mejoraprovechamiento industrial se prefiere la cons-trucción de saltos creados por el hombre.

La ventaja principal respecto a otras renova-bles es que el caudal de agua puede ser con-trolado, de forma que en el momento de lademanda eléctrica se deja fluir el líquido paragenerar energía rápidamente. En el caso queno haya demanda se mantienen cerradas lascompuertas hasta que vuelva a existir deman-da. Esta es una ventaja respecto a la energíaeólica, ya que de momento en ésta no seresuelve el problema del almacenamiento.

Río serrano del Valle de Calamuchita

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En defensa del ambiente

Energía renovablePor lejos, la hidroelectricidad ha hecho lamayor contribución a la obtención de electrici-dad a partir de recursos renovables. En efecto,el agua usada para generar la energía es cons-tantemente repuesta por la naturaleza y demanera gratuita. En consecuencia, aproxima-damente el 77 por ciento de la energía genera-da por EPEC es de origen hidroeléctrico. En elmundo, los mayores generadores de hidroe-lectricidad son Canadá, Brasil y Noruega. Estoes debido a sus topografías, las cuales favore-cen esta clase de producción de electricidad.

Ventajas abundantesLa hidroelectricidad posee buenos cocientesde entrada-salida de energía y niveles de efi-ciencia de más del 90 por ciento. Esto propor-ciona una enorme ventaja sobre otros tipos decentrales eléctricas. Además, su generación nocontamina el agua ni la atmósfera y la largavida útil de las instalaciones hidroeléctricas,así como su bajo costo de mantenimiento,hablan claramente en favor de generar electri-cidad a partir del agua.

No todo lo que brilla es oroSi la energía hidroeléctrica es realmente fabu-losa, entonces, ¿porqué no producimos toda laenergía que necesitamos a partir del agua?Debido principalmente a que se necesitamucha agua y una gran superficie para poderconstruir los embalses, presas y centrales, locual cuesta mucho dinero y tiempo. Por estemotivo no suele ser competitiva en lugaresdonde abundan el petróleo o el carbón. Además, si no se realizan estudios profundoslos embalses pueden inundar extensas regio-nes, destruir hábitats de la vida silvestre, des-plazar pobladores y disminuir la fertilizaciónnatural de los terrenos agrícolas situados aguaabajo de la presa.

Protección mejorada contra inundacionesEn el siglo XIX muchos ríos eran regulados yforzados a discurrir por angostos canales paralimitar inundaciones y recuperar tierras. Esteproceso culminó gracias a la instalación decentrales hidroeléctricas. Los sofisticados sis-temas de presas construidos sobre los ríosprotegen tanto a las personas como al ambien-te de las inundaciones.

Dique Cruz del Eje

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Flujo de electricidadLa generación de electricidad se basa en elprincipio de la "inducción electromagnética"(descubierto por Faraday en 1831) que tienelugar en los generadores. A partir de la rota-ción del rotor electromagnético impulsado poruna turbina, se induce la tensión en los paque-tes de bobinas del estator. Finalmente, de lasterminales del estator es posible extraer laenergía eléctrica.

Desde el estator, la electricidad fluye hacia lostransformadores. Aquí se eleva el nivel de ten-sión desde la de generación (16.500 V) hasta lade transmisión (500.000 V). Luego se vuelve atransformar sucesivamente hasta llegar alnivel de transporte y distribución (132.000,166.000, 33.000 y 13.200 V)

La obtención de la electricidad

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La carga diaria de la redEl diagrama muestra la gran variación en lademanda de electricidad en el transcurso deun día. Puesto que la energía eléctrica debe sergenerada en el momento en el que se la nece-sita, la relación fluctuante entre oferta y de-manda se equilibra con la entrada o salida defuncionamiento de las distintas centrales.

Para cada hora del día, dependiendo de lademanda requerida son puestas en funciona-miento distintos tipos de máquinas generado-ras, las que son convocadas de acuerdo a sucosto de producción.

Durante los últimos años aumentó sustancial-mente la importancia de las plantas hidroeléc-ticas con embalse y las de acumulación porbombeo. Estas últimas aprovechan la energíasobrante, generalmente durante la noche, parabombear agua de un embalse inferior a unosuperior y así aprovechar su energía potencial.Para enfrentar las variaciones energéticas quesupone estos sistemas interconectados, estascentrales deben enviar a la red la energíarequerida en pocos segundos.

El consumo de electricidad diario

Durante los trabajos demantenimiento y opera-ción en los puntos deacceso a la red, muchosespecialistas controlanque la energía eléctrica lle-gue con seguridad a todoslos clientes

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La turbina Kaplan

Las plantas de energía hidroeléctrica se clasifican, según su forma defuncionamiento, en centrales de pasada, centrales con embalses y cen-trales de bombeo. En todos los casos, la energía del agua al correr y alcaer pone en funcionamiento las turbinas. Los generadores acoplados alas turbinas producen electricidad. Para ello se utilizan tres tipo de turbi-nas: Kaplan, Francis y Pelton.

Turbinas

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Tipos para todos los casos

La turbina KaplanSus paletas parecen la hélicepropulsora de un barco. Esposible ajustar tanto las pale-tas del rodete como las deldistribuidor (mecanismo decierre). De este modo es posi-ble reaccionar en forma ópti-ma frente a las variaciones enel ingreso de agua. Es idealpara centrales con muchocaudal y una caída baja (has-ta unos 50 mts.).

Turbina y GeneradorEl principio es siempre el mismo: El movimientodel agua que fluye o cae se aprovecha para lageneración de energía. Las turbinas trasladan suenergía cinética a los generadores que, a su vez,producen energía eléctrica.

Energía potencialLa fuerza contenida en el agua recibe el nombre"energía potencial", sin embargo, esta energíapotencial sólo puede utilizarse cuando el aguacae al vacío. Cuanto mayor es la cantidad de aguay la altura de caída, mayor es la electricidad y lapotencia que puede obtenerse.

Grado de efectividadCon el término "grado de efectividad" se define lamedida de aprovechamiento de la energía, esdecir, la relación de la energía eléctrica efectiva-mente obtenida respecto de la energía potencialdel agua. El grado de efectividad de las plantashidroeléctricas es superior al 90%. Este porcenta-je es claramente superior al de cualquier otra for-ma de generación de electricidad.

La turbina FrancisSe la utiliza en distancias decaída de 20 a 700 mts. (saltosmedianos) con cantidades deagua cuya amplitud de varia-ción no es muy grande. Pormedio de las paletas y deldistribuidor, el agua es des-viada hacia las paletas delrodete, fijas y curvadas ensentido contrario. La formaespiralada se parece a lacasa de un caracol.

La turbina PeltonSon adecuadas en caídas de140 a 1.500 mts. (saltos gran-des) y caudales pequeños.Sólo se utiliza la energía delagua en movimiento. Desdelos inyectores, el agua golpeacon mucha presión las pale-tas del rodete cuya forma separece a la de un colector. Seutiliza, sobre todo en centra-les con embalses

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La turbina Kaplan

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencialdel agua almacenada y convertirla en energía eléctrica. Esto se realiza através de un sistema de capatación de agua, la cual es conducida a lasturbinas. El agua, al pasar por las turbinas a gran velocidad, provoca unmovimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctri-ca por medio de los generadores. Una vez utilizada, el agua es devueltarío abajo. Pueden clasificarse en centrales de pasada, centrales conembalse y centrales de bombeo.

Las centrales hidroeléctricas

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Estos componentes suelen dividirse en dos grupos. El pri-mero está compuesto por las obras y equipamientos quetienen como función almacenar y encaminar el agua. Estegrupo suele denominarse Presa–Embalse. El segundo gru-po está integrado por las instalaciones cuya misión es laobtención de energía eléctrica luego de las transformacio-nes de la energía. Este conjunto constituye la Central pro-piamente dicha y abarca: turbinas hidráulicas, alternadores,transformadores, sistemas eléctricos, medios auxiliares ycuadros de control.

PresasUna presa es una estructura que sirve de barrera, impidien-do el curso del agua por sus cauces normales. Las presastienen un doble propósito. En primer lugar, permiten la cre-ación de un salto de agua y cuanto mayor sea la altura deéste, superiores serán las potencias logradas en la centralnutrida por dicho salto. En segundo lugar, permite contarcon un embalse con el fin de controlar el empleo del agua.

Toma de aguaEs el área de la obra donde se recoge el agua requeridapara el accionar de las turbinas. Además de unas compuer-tas para regular la cantidad de agua que llega a las turbi-nas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que lostroncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producirdesperfectos. Las torres de toma son estructuras colocadashacia el interior del embalse cuya función es tomar el agua.

Canales de derivación / Tuberías forzadasEl canal de derivación se utiliza para conducir agua desdela toma hasta las turbinas de la central. Generalmente esnecesario hacer la entrada a las turbinas con conducciónforzada, ya que el agua se desplaza por la acción de la pre-sión y no por la pendiente. Es bastante normal evitar elcanal y aplicar directamente unas tuberías forzadas a lastomas de agua de las presas.

Chimeneas de equilibrioLa chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical queevita las sobrepresiones o "golpes de ariete" en las tuberíasforzadas y álabes de las turbinas. Cuando existe una sobre-presión de agua ésta encuentra menos resistencia parapenetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinashaciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. Enel caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará.

Principales componentes

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Cuarto de máquinas

Corriente de agua

Salida de agua

Generador

Turbina

La turbina Kaplan

Una central de pasada es aquella en la que no existe una acumulaciónapreciable de agua corriente arriba de las turbinas. El agua es filtradapor unas rejas (1) para protejer las turbinas (2), las cuales giran al recibirel agua. Esta rotación es transmitida al generador (4) por un eje (3). Unsistema de control se ubica en la sala de control (5). En una central deeste tipo las turbinas deben aceptar todo el caudal disponible del río“como viene”, con sus variaciones de estación en estación.

Las centrales hidroeléctricas de pasada

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Movimiento perpetuo por la corriente del río:las centrales de pasada son el tipo más comúnde central construida sobre ríos y canales. Paragenerar electricidad aprovechan el desnivel en-tre la cabecera del río y la salida de agua.Usualmente tienen pequeñas caídas y grandescaudales y generalmente son construidas for-mando presa sobre el cauce de los ríos, con elobjetivo de mantener un desnivel constante enel caudal de agua. Se sitúan en los lugares enque la energía hidráulica ha de emplearse en elmomento mismo que se tiene disposición deella, con el fin de accionar las turbinas.

El caudal suministrado varía dependiendo delas estaciones del año. Cuando las precipitacio-nes son abundantes (temporada de aguasaltas), estas centrales producen su máximapotencia y el agua excedente sigue de largo.En la temporada de aguas bajas, cuando eltiempo es seco, la potencia desarrollada dismi-nuye notablemente.

En ocasiones se construye un embalse relati-vamente pequeño para impedir pérdidas porrebose, y al mismo tiempo permitir una mayorproducción de potencia y de energía. En gene-ral se obtiene de ellas una potencia instaladamenor a la de las centrales con embalse.

Por motivos topográficos, hídricos y económi-cos que favorecen la construcción de embal-ses, nuestra Empresa no cuenta con este tipode centrales en la Provincia de Córdoba.

Yaciretá: un ejemplo de central de pasadaEsta obra construida conjuntamente porArgentina y Paraguay cuenta con una cen-tral equipada con 20 hidrogeneradores deuna potencia instalada total de 3.200 MW,y un Vertedero provisto de 18 compuertasradiales. La presa mide 64,7 km y el cuartode máquinas tiene 70 metros de alturadesde los cimientos hasta el techo.

Centrales que generan, y generan, y generan...

Embalse Chimenea de equilibrioTúnel

Conductos forzados

Generador

Turbina

La turbina Kaplan

Estas centrales aprovechan la diferencia de elevación entre un embalsey una central hidroeléctrica situada por debajo. El agua fluye a través deunos túneles o tuberías hasta alcanzar las tuberías de la central ubicadaen el valle. Esta capacidad para regular la cantidad de agua que pasapor las turbinas permite cubrir eficientemente las horas punta del des-pacho de carga diario.

Las centrales hidroeléctricas con embalse

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Dimensiones que asombranA 33 Km. de Mina Clavero se encuentra elDique La Viña, una monumental obra de inge-niería que asombra a los visitantes por lasexorbitantes dimensiones de la misma. Entrelos datos que caben destacar y que lo posicio-nan como el más grande de Argentina figuranque el paredón posee 317 mts. de largo, subase es de 25 mts. de ancho y su coronamien-to de 15 mts. de ancho. Del lado del espejo deagua mide 106 mts., mientras que del lado delvertedero mide 107 mts.

Para efectuar el dique se utilizaron 3 millonesde metros cúbicos de hormigón armado,posee 8 compuertas de 6 mts. por 5 mts. cadauna y su cota máxima está dada a los 102 mts.El proyecto del embalse lo presentó Don LuisAntonio Medina Allende, quién estaba a cargode la Dirección de Obras y Servicios Públicosde la Prov. de Córdoba en el año 1938. Al añosiguiente el proyecto fue revisado por el Ing.Simons y aprobado por la Dirección Hidráulica.En ese año comenzó la construcción del dique,finalizando la obra 5 años más tarde.

Un ejemplo brillante: la central La Viña

En 1952 se inauguró la usina hidroeléctrica que posee dos turbinas que producen 4 millones de Kwh. cadauna. El embalse, que ocupa unas 1050 hectáreas y tiene una capacidad de hasta 230.000.000 m3, abastecede agua potable, riego y generación de energía eléctrica al área de Traslasierra. Con la regularización delRío Los Sauces mediante el almacenaje de sus aguas en el dique, se aprovecha el 90 por ciento del caudalmedio anual; de esta manera se llega a regar cerca de 24.000 has.

Túnel de alta presión

Embalse superior

Embalse inferior

Presa

Tuberías forzadas

Caverna

Generador

Turbina

Bomba

La turbina Kaplan

Paso uno: bombear. Paso dos: almacenar. Las centrales de bombeoimpulsan el agua de un embalse inferior a otro superior. Esto ocurrenormalmente durante la noche, cuando la capacidad para generar elec-tricidad se usa para operar las bombas. Durante el día, cuando se elevael consumo, se deja fluir el agua desde el embalse superior hacia lasturbinas. Luego de accionar unos pocos comandos, los generadores seactivan en materia de segundos.

Las centrales hidroeléctricas de bombeo

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Una obra magníficaEl Complejo Hidroeléctrico Río Grande es lamayor central hidroeléctrica de generación ybombeo de América del Sur. Ubicada en mediode las sierras cordobesas, la central exhibeorgullosa su rasgo distintivo: la capacidadpara almacenar agua en un embalse inferior,que permite el bombeo hacia el embalse supe-rior para luego generar energía. Con capacidadpara generar 970 Gwh por año, la potencia ins-talada de la Central es equivalente al 60% de ladel Chocón, el doble de la de Futaleufú y el15% más que la Central Nuclear de Embalse, loque permite satisfacer una demanda en per-manente crecimiento y cada vez más exigenteen términos de calidad del servicio.

Un sello distintivo: la central en cavernaPero además de su sistema de bombeo, estasingular obra de ingeniería tiene otra particula-ridad: su central ubicada en una caverna, 226metros bajo el máximo nivel del embalsesuperior. Para realizar esta impresionante obrasubterránea, hubo que extraer 1.600.000 m3 dematerial y realizar 14 kilómetros de túnelesexcavando en la roca. Así, el acceso a la centralse realiza mediante un túnel carretero de unos1.800 m. de longitud, con una sección above-dada de 7 m x 7,5 m y una pendiente del 8 %

La excavación de la caverna donde esta insta-lada la Central se realizó en cinco etapas. Tie-ne 105 m. de largo, 50 m. de alto, 27 m. deancho; y su interior podría alojar holgada-mente la catedral de Córdoba. Las obras subte-rráneas se complementan además con galeríasauxiliares, una cámara de oscilación y una chi-menea de equilibrio.

La historia del complejoEste ambicioso proyecto comenzó a tomar for-ma en 1970, cuando la entonces Sociedad delEstado, Agua y Energía Eléctrica, inició losestudios sobre topografía, hidrología, geolo-gía, geofísica, mecánica de rocas y determina-ción de yacimientos. El exhaustivo período deinvestigación llevó 4 años; los trabajos, 12. Lamonumental obra fue inaugurada oficialmenteel 14 de febrero de 1986.

En el año 2001 fue transferida a la EmpresaProvincial de Energía de Córdoba. Apenas unaño más tarde y luego de reparar uno de sustransformadores, la pusimos nuevamente enmarcha, triplicando así la capacidad de genera-ción de la Provincia.

La central Río Grande: orgullo sudamericano

Separados por un caminode 12 km, el embalseCerro Pelado (sup.) y elcontraembalse ArroyoCorto (inf.) forman un pai-saje de gran belleza.

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Electricidad barata, limpia y renovableLa energía hidroeléctrica sigue siendo unaalternativa muy importante, la menos contami-nante, e imprescindible para impulsar a lasnaciones subdesarrolladas hacia el desarrollo.

América Latina y el Caribe tienen todavía ungran potencial hidroeléctrico por desarrollar.En toda esta amplia región, hasta el año 2004,se había desarrollado únicamente el 26% delpotencial hidroeléctrico total conocido hasta lafecha. De la misma manera, las estadísticasseñalan que para el mismo año, el 56% de laproducción total de electricidad se generó encentrales hidroeléctricas.

En el futuro, el problema será asegurar quetodo el que tenga que ver con el sector hidroe-léctrico desarrolle todas sus posibilidades deayudar a cubrir las crecientes necesidades delmundo para sacar a las comunidades de lapobreza, asegurando el abastecimiento deagua y electricidad de manera sostenible.

Una apuesta al futuro

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