PHES

1. La energía hidroeléctrica:

- en origen es un subproducto de la energía solar transformada en energía potencial y de ésta a cinética.

- es una energía de un grado termodinámico elevado por lo que se puede transformar en otras con rendimientos superiores al 90% (en la turbina)

- aprox. 20%de la producción eléctrica mundial es de origen hidroeléctrico (630 GW)

- las instalaciones hidroélectricas son de bajo mantenimiento y larga vida (muy rentables)

- pero tienen un impacto ambiental muy importante.

- la pendiente de rampa es alta (~500 MWatt/seg).

II Almacenamiento por Bombeo Hidráulico

Thursday, April 18, 13

‣ Atendiendo a su emplazamiento y utilización se dividen en:

• centrales de agua fluyente (como los viejos molinos). No tienen embalse, por lo que su actividad está condicionada por el caudal.

• centrales de regulación o embalse, que se subdividen en: (a) presas de gravedad y (b) presas de bóveda.

Interfieren y regulan el caudal, por lo que su capacidad de almacenamiento en el tiempo es limitada.

(a) (b) (c)

• centrales de bombeo (c). Utilizan dos embalses a distintas alturas. No interfieren con el caudal del río. Son idóneas para almacenamiento.

Se dividen en: - centrales de bombeo puro - centrales de bombeo mixto (tienen aporte adicional de agua)


▸ la energía hidroeléctrica es energía potencial del agua, transformada posteriormente en energía cinética de rotación de un generador.

para una densidad del agua tenemos una densidad energética teórica de

Capıtulo 2

Energıa Hidraulica de Bombeo

2.0.1. Introduccion

La acumulacion por bombeo de agua (en ingles PHES, de Pumped Hydraulic Energy Storage)consiste en acumular energıa en forma de energıa potencial gravitatoria, bombeando aguahasta un embalse elevado.

2.0.1.1 Energıa Acumulada

La energıa almacenada por una masa m (kg), elevada a una altitud y (m) viene dada por

Ep

(y) = mgy. (2.1)

Como la densidad del agua es conocida ⇠ 103kg/m3 podemos obtener facilmente la densidadenergetica acumulada a una altura y.

⇢E

(y) =E

p

V ol=

mgy

V ol= ⇢gy

= 103kg

m3⇥ 9,8

m

s2⇥ ym

= 9,800 yJ

m3

= 2,72 yWh

m3. (2.2)

Ejemplo: Una lamina de agua de 1Ha ⇥ 1m de volumen, a una altura y, acumulauna energıa potencial de

Ep(y) = 2,72 yWh

m3104m3 = 27, 2ykWh . (2.3)

Para almacenar 1MWh de energıa tendremos que alzar este volumen a y = 1000/27,2 =32m de altitud.

9

▸ La energía acumulada por una masa a una altitud es Ep(y) = mgym y

⇢E(y) = 9, 8 ykJ

m3= 2, 27 y

Wh

m3

por ejemplo, cada 100 m de elevación encontramos una densidad de acumulación energética

⇢E(100m) ⇠ 0.2kWh

m3

2. Bases de la energía hidroeléctrica:


▸ la eficiencia viene condicionada por la

- eficiencia de las bómbas hidráulicas- pérdida de carga en tuberías- eficiencia de las turbinas- turbulencias- evaporación

⌘ ⇠ 0.7� 0.8

▸ la altura y el emplazamiento está condicionado por la orografía. Para alcanzar el objetivo de potencia se juega con el caudal Q Instlaciones con valores altos de y y bajos de Q necesitan turbinas más pequeñas.

la potencia extraíble de una masa acumulada en un volumen V será

P =Ep(y)

t=

V ⇢gy

t= g ⇢Qy

✓J

s

◆

= 9.8Qy (kW)

La potencia real involucra una eficiencia P = 9.8 ⌘Qy(kW)


3. Centrales hidráulicas de bombeo

componentes - 2 embalses: superior e inferior - vías de agua - turbomaquinaria


▸ Embalses: el embalse superior puede ser:

Instalación PHES en Cabin Creek, Montañas Rocosas (Colorado),de Xcel Energy.

Cabin CreekVolumen 2.5 Hm3

Altitud diferencial 360 m

Potencia turbinaje 324 MW

Autonomía 4 horas

Energía almacenada 1.296 MWh

dens. energ real 518 Wh/m3

dens. energ teor 817 Wh/m3

eficiencia 0.63

- de valle: son las más comunes en centrales de bombeo mixto.


- de cima: los típicos en centrales de bombeo puro

Racoon Mountain PHES, (Colorado USA)

Instalación PHES La Muela- Cortes de Pallás, operada por Iberdrola

potente obra civil:

excavación 265.000 m3

hormigón 92.000 m3

acero 6700 tmVianden, Luxemburgo, operada por EOSThursday, April 18, 13

▸ Vías de agua

▪ torre piezométrica: es un dispositivo destinado a regular la presión absorber las variaciones (golpe de ariete).

▪ túneles de entrada y salida de agua. Tienen el ancho necesario para que el flujo sea libre.


▪ tuberías forzadas (penstock): son los conductos que salvan el desnivel de altura ht

El salto efectivo hef= ht - hf (incorpora la pérdida de presión por fricción). Se verifica que hf ~ f L Q2 D-5 (fórmula de Darcy-Weisbach) con lo que es recomendable: reducir L (lo cual aumenta la verticalidad)

aumentar D (lo cual aumenta el precio)

- soportan grandes presiones. A igual presión, el espesor es proporcional al diámetro e ~ D

- existen muchas fórmulas fenomenológicas para elegir el diámetro económico de una tubería forzada. Por ejemplo (Fahlbush)

d 100

✓��a t c21000 c1

Q3

h

◆1/7

el coeficiente de fricción la tensión del acero en kg/cm3

el número de horas de operación el valor de un kWh en el generador el caudal de la tubería forzada el coste anual de 1 kg de tubería forzada el desnivel de diseño

��a

tc2c1Qh


▸ Turbo-maquinaria

▪ Es el elemento central en el que se se convierte la energía potencial en cinética de rotación

▪ Atendiendo a la dirección del flujo en el rodete se dividen en : axiales radiales tangenciales cruzado

b) turbinas de reacción. La transformación de Ep en Ec se realiza en los rodetes. La conversión es debida a la pérdida de presión

- son reversibles, pudiendo actuar como bombas. Ello es debido a que el rotor está prácticamente sumergido.

- admiten caudales mucho mayores que las de acción, por ello son idóneas para saltos menores

▪ Atendiendo al mecanismo de conversión se dividen en

a) turbinas de acción. La transformación de Ep en Ec se realiza antes de los rodetes. El flujo sufre un cambio de momento, pero no de presión, que es la atmosférica.

- no son reversibles.

- no admiten caudales altos.- su rendimiento aumenta con h3/2, por eso son adecuadas para grandes saltos


Turbina Pelton

- la conversión máxima ocurre para una velocidad tangencialdel rodete igual a la mitad de la velocidad de inyección del fluido vt = vi/2

- la potencia mecánica útil crece con hef3/2 y por lo tanto esta turbina es recomendable para grandes saltos

- no es recomendable para flujos altos porque los chorros de salida interfieren si son más de 4.

- se consiguen velocidades altas (30-40m/s) mediante un inyector de sección estrecha

- el chorro de agua incide sobre las cucharas del rodete y cede su momento


Louis Alan Pelton, Ohio, 1829-1908Minero e inventor.

Turbina Pelton, patente en 1880


Turbina Turgo

- admite mayor flujo que la Pelton (más chorros). Se utiliza en saltos de altura media.

Turbina flujo cruzado Banki-Mitchell

- admite gran flujo con baja velocidad y presión (minihidráulica).


Turbina Francis

- tiene un estátor con aletas guía, y un rotor interno

- el flujo es radial, a muy baja velocidad del fluido

- a menor caudal se cierran las aletas. El flujo es más tangencial y se pierde eficiencia

- con la altura efectiva la potencia sólo crece como hef

- alcanza un 90% de eficiencia

Generador de 750MW en Grand Culee, (Washington, EEUU)


Turbina Kaplan

- se adapta a saltos bajos mediante cambio de ángulo en las palas.

- se adapta a saltos bajos mediante cambio de ángulo en las palas.


▸ Selección de la turbina. los equipos con bomba y turbina (de acción) independientes son más eficientes, pero más caros.


3. Operación.▪ las pérdidas por bombeo y turbinado, mas las caídas de presión en las tuberías implican una eficiencia de ciclo de un 60~70%


3. Operación.▪ las pérdidas por bombeo y turbinado, mas las caídas de presión en las tuberías implican una eficiencia de ciclo de un 60~70%

⌘ciclo

=6080 kWh

9640 kWh= 63%

▪ pero se compensan por la variabilidad de precios de la electricidad de hasta un factor 2 entre horas pico y valle.


Lugar Nombre Fecha Salto (m)

Potencia (MW)

Italia Edolo 1982 1260 1020

Italia Chiotas 1981 1070 1184

Austria Grand Maison 1987 955 1800

▪ Centrales de mayor salto en el mundo

Lugar Nombre Fecha Salto (m)

Potencia (MW)

USA- Virginia Bath - County 1985 380 2700

China Guangzhou 2000 554 2400

Rusia Dniester 2017(*) 34 2268

Austraila Tumut 3 1973 151 1700

Taiwan Mingtan 1994 380 1620

Japón Kazunogowa 2001 714 1600

▪ Centrales de mayor potencia en el mundo

4. Instalaciones de bombeo hidráulico


Racoon Mountain (Colorado USA)

Volumen lago superior 45 Hm3


Potencia real 4×400= 1600 MW

Autonomía 22 horas

Energía almacenada 35 GWh

Coste (1974-1978) 380 M$ (~237 $/kW)


Edolo (Italia)

TIpo de central Bombeo mixto

Volumen del lago superior (útil) 17 Hm3


Potencia de turbinado 8×125MW (Francis)=1000 MW

Potencia de bombeo 22 horas

Energía turbinada de bombeo (media) 737 GWh/año

Energía consumida (media) 1021 GWh/año

eficiencia de ciclo 73%

Energía turbinada de regulación (media) 219 GWh/año

Operador ENEL


▪ Centrales en España y Portugal

- actualmente hay 16 centrales de bombeo mixto (2.500 MW)8 centrales de bombeo puro (~2.500 MW)

- están planificadas otras 8 en Españay 4 en Portugal

- el objetivo es llegar a gestionar 10GW paraapoyar a los 55 GW eólicos programados para 2020


La Muela II

Tipo de central Bombeo puro

Volumen 23 Hm3


Potencia real 4×200 MW(Francis)

Caudal 4×48 m3/s

Energía almacenada 1.3 GWh

prod. media anual 1277 GWh

consumo medio anual 1749 GWh

rendimiento medio 73%

dens. energ teor 0.8 kWh/m3


5 Seguridad:

▸ Embalses:

- el embalse superior es inestable y un fallo puede ser catastrófico (Taum Sauk Dic. 2005).

- el embalse inferior es más seguro, pero debe estar dimensionado para admitir un caudal repentino muy elevado.

▸ Turbinas:

- al trabajar con grandes tensiones, fallos de diseño pueden ser catastróficos 2009 Voralberg, Austria, 40 M$ en daños 2012 Racoon Mountain, USA (50$ para remplazar las 4 unidades a tiempo)

- al trabajar como bombas, las turbinas de reacción se ven afectadas por el fenómeno de degradación por cavitación.


6 Resumen

▪ la energía hidroeléctrica convencional es una de las más ampliamente distribuida por el planeta. Actualmente muchas instalaciones comienzan a reconvertirse para incluir bombeo lo cual le aporta un valor añadido considerable.

▪ la tecnología está muy depurada con procesos con eficiencias del 90%

▪ los costes de operación son muy bajos, y con un mantenimiento adecuado pueden prolongarse mucho más allá del periodo de amortización.

▪ la disponibilidad de potencia es inmediata, con lo que se ajusta muy bien a la demanda.

▪ la eficiencia de ciclo está en ~70% debido a la concatenación de procesos (bombeo, transporte y turbinado).

▪ su generalización está condicionada por la orografía del terreno.


PHES

Documents

Transcript of PHES