Centrales Hidroeléctricas

Esquema central Hidroeléctrica

Fueron las primeras centrales eléctricas que se construyeron. La primera, se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña.

Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía cinética necesaria para mover el rotor de un generador, y posteriormente transformarse en energía eléctrica.Por ese motivo, se llaman también centrales hidráulicas.
Las centrales hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando un embalse para retener el agua. Para ello se construye un muro grueso de piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna montaña.La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los alabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual está conectada al generador. Así, el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los alabes de la turbina.

· Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son evidentes:

- No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energia, constantemente

repuesta por la naturaleza de manera gratuita..
- Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua.
- A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.
- Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
- Las obras de ingenieria necesarias para aprovechar la energía hidraúlica tienen una duración considerable.
- La turbina hidraúlica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

· Pero también deben señalarse ciertas desventajas:

- Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.
- El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.
- La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.
- La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.

Tipo de Centrales Hidroeléctricas

· Central Hidroeléctrica de Pasada : Una central de pasada es aquella en que no existe una acumulación apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas.

· Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva: En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales.

Pueden existir dos variantes de estas centrales hidroeléctricas:

- La de casa de máquina al pie de la presa:La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el dibujo, en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de carácter mediano.

- Aprovechamiento por derivación del agua:


· Centrales Hidroeléctricas de Bombeo: Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidraúlicos de un país.

Principales componentes de una Central Hidroeléctrica

· Presa : Hay dos tipos de presa, la presa de tierra y la presa de hormigón.
Así mismo las presas de hormigón son las más utilizadas y se pueden clasificar en:

- De gravedad:Tienen un peso adecuado para contrarrestar el momento de vuelco que produce el agua.

- De bóveda:Necesita menos materiales que las de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas.En estas la presión provocada por el agua se transmite íntegramente a las laderas por el efecto del arco.

· Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas.Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

· Tomas de agua
Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para lleverlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberias.

· Casa de máquinas
Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.

· Turbinas Hidráulicas
Hay tres tipos principales de turbinas hidraúlicas:
- La rueda Pelton
- La turbina Francis
- La de hélice o turbina Kaplan

El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.En términos generales:

- La rueda Pelton conviene para saltos grandes
- La turbina Francis para saltos medianos
- La turbina de hélice o turbina Kaplan para saltos pequeños

· Centrales hidroeléctricas en España:

- La Muela (Valencia): 628 MW.
- Sallente-Estany Gento (LLeida):451 MW.
- Tajo de la Encantada (Málaga): 360 MW.
- Aguayo (Cantabria): 3301 MW.
- Moralels- LLauret (LLeida): 210 MW.
- Guillena (Sevilla): 210 MW.
- Bolarque (Guadalajara): 208 MW


Centrales Térmicas

Una central térmica para producción de energía eléctrica, es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto para obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que su expansión sea capaz de mover los alabes de las mismas.

Esquema Central Térmica

Las denominadas termoeléctricas clásicas son de: carbón, de fuel o gas natural. En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformación del agua en vapor.
Una central térmica clásica se compone de una caldera y de una turbina que mueve al generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas.


Clasificación.

- Centrales térmicas clásicas o convencionales:

· Centrales Térmicas de Carbón

Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.
Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento
Centrales Térmicas de Fuel-Oil

En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de Carbono (CO 2 ), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.

· Centrales Térmicas de Gas Natural

En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35% .

- Centrales térmicas no convencionales:

· Centrales Térmicas de Ciclo Combinado

Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor.

Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y el condensador.

El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.

Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.

· Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado

Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado.

· Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado

La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.

Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas.

En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento.

Criterios de selección y diseño

El diseño conceptual incluye la descripción de la localización, forma y bases del diseño de la planta general, como intemperie o cubierta, grado de utilización, combustible (incluyendo previsión de cambios), tipo y enlaces de la subestación eléctrica, suministro y sistemas de agua, accesos, condiciones y características del sitio, orientación, arreglo general, elementos principales, condiciones de diseño y características de construcción.

Características del sitio
*Topografía y drenaje
*Accesos
*Geología
*Proximidad a bancos de préstamos (obtención de material combustible)
*Meteorología. Condiciones climatológicas del sitio

Condiciones generales de diseño
*Temperatura del aire anual promedio
*Presión barométrica
*Nivel base de la planta
*Coeficientes sísmicos: para estructuras, para bardas, para chimeneas.
*Resistencia del terreno

Selección cdl tamaño de unidades

La selección del tamaño involucra un compromiso entre varios factores, sin embargo se sabe que económicamente la mejor solución es instalar unidades del 5 al 10% de la capacidad de los sistemas.

*Especificaciones del turbogenerador, del generador de vapor, y optimización del sistema de agua de circulación.
*Suministro de agua asegurada para el presente y para el futuro.
*Ubicación por razón de disponibilidad del carbón o combustibles, cerca de las fuentes del mismo, o sea lo que corrientemente se conoce como Central de Boca de Mina.
*Ubicación por razón de otros factores, como proximidad a los centros de carga, a fuentes de agua para refrigeración, o a sitios de fácil acceso para la maquinaria y equipos pesados. La ubicación del lugar debe ser en un sitio con vías de acceso muy buenas y al uso de equipos especiales de transporte.
*Costos de la propiedad, de construcción, de puesta en función, de mantenimiento.
*Impacto- socio económico.
*Facilidades de transportación.

Materiales de construcción

Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los más utilizados son los siguientes:
- Para paredes, pisos y cubierta o techo de los tanques, se emplean los aceros A283 grado C y D y A285 grado C.
- Acero al carbón
- Acero inoxidable
- Teflón en los compresores de aire
- Aleaciones de acero
- Aleaciones de latón
- Vidrio
- Hule
- Plásticos
- Concreto
- Ladrillo Refractario

Componentes de una central térmica

- Turbogenerador.

En él tienen lugar las siguientes conversiones de energía:
• Energía calorífica del vapor a energía cinética en las toberas de la turbina.
• Energía cinética del vapor a energía mecánica en los álabes, la que se recoge en la flecha de la turbina.
Energía mecánica o energía eléctrica, de la flecha al embobinado del generador.

- Generador de vapor.

El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido (agua) contenido dentro de ella.
La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, precalentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, hogar, sobrecalentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos, etc.

- Condensador.
La condensación el vapor de escape de la turbina y drenes se efectúa en el condensador , además de la extracción de algunos gases inconfensables.

- Torre de enfriamiento.
Las torres de enfriamiento son dispositivos de enfriamiento artificial de agua. Se clasifican como cambiadores de calor entre un volumen en circuito cerrado de agua y aire atmosférico.
Básicamente las torres de enfriamiento son cambiadores de calor de mezcla, efectuando la transmisión de calor por cambio de sustancia y convección entre los medios. El agua cede calor al aire sobre todo por evaporación, lo hace también por convección, pero en forma secundaria.

- Bombas.
De acuerdo con el mecanismo que mueve el flujo, las bombas se clasifican en:
· centrífugas

· rotatorias
· alternativas

- Cambiador de calor.
Después de la resistencia de los materiales, los problemas que involucran flujo de calor son los más importantes en la ingeniería.
El calor se transfiere mediante aparatos llamados cambiadores de calor; los principales de éstos equipos, son los siguientes:

· calentadores de agua de alimentación
· calentadores de combustible
· generador de vapor / vapor
· evaporadores
· enfriadores de agua
· enfriadores de aceite
· enfriadores de hidrógeno
· Condensador generador de vapor

- Tanques.
Los códigos o normas sobre diseño de recipientes o tanques tienen como objeto principal que la fabricación se haga con la seguridad requerida a una economía razonable. Todos los tanques estarán provistos con los aditamentos necesarios para cumplir con su funcionamiento y los reglamentos de seguridad;

Usos de los tanques :

· Almacenamiento de condensado
· Servicio diario de aceite combustible
· Almacenamiento de aceite combustible
· Almacenamiento de agua desmineralizada o evaporada
· Almacenamiento de agua cruda
· Servicio de aceite ligero
· Tanque para columna de agua de enfriamiento
· Tanque de mezcla de sustancias químicas
· Drenes limpios fríos
· Tanque de purgas (blow off tank)

- Compresores de aire.
El aire comprimido se utiliza en las plantas termoeléctricas para instrumentos, control, servicio, sopladores de la caldera y subestación eléctrica.

- Tratamiento y monitoreo de agua.
La alimentación de agua a la caldera constituye, desde el punto de vista químico, uno de los principales problemas de operación: influencia en la confiabilidad decisiva.
En las plantas termoeléctricas, la alimentación a la caldera es principalmente de condensado de la turbina (alrededor de 95 a 99%); las pérdidas por purgas, fugas de vapor y condensado, atomización de combustible, etc., deben compensarse con agua de repuesto cuyo volumen varía de 1 a 5%.
El agua de repuesto proviene de fuentes naturales de superficie o pozos profundos; en ninguno de los dos casos se encuentra en estado puro.

- Tuberías y aislamiento.
La aplicación de tuberías en plantas termoeléctricas y nucleares, refinerías y plantas químicas, etc., se basa normalmente en idénticas ( o muy similares) consideraciones de diseño. En su construcción se usan materiales de las mismas propiedades físicas y mecánicas, composición química y estructura metalúrgica; los procesos de fabricación como doblado, formado, soldado y tratamiento térmico involucran procedimientos idénticos que no dependen de la aplicación, sino de la calidad final deseada.

Ventajas:
Facilidad de transporte del combustible orgánico desde el lugar de su extracción hasta la central térmica.
Progreso técnico lo que permitió diseñar grandes unidades generadoras (grandes módulos) con mejores rendimientos que las unidades pequeñas o medianas.

Desventajas:
Como resultado del procesamiento del carbón, fue- oil y gas, éstas centrales son importantes fuentes emisoras de agentes contaminantes, calor, ruido y vibraciones.
La peor desventaja es el terrible impacto ambiental que produce, ya que emite gases que provocan tanto el efecto invernadero como la lluvia ácida.
En el caso del petróleo es preocupante su vertido al mar cuando se transporta, ya que crea las famosas mareas negras.

Impacto ambiental:
Los efectos ambientales de una central térmica provienen del proceso de combustión , así como de las emisiones de polvo y gases contaminantes. En general los efectos ambientales -por ejemplo, emisiones contaminantes, ocupación de espacio por la central y volumen de residuos - aumentan en el orden siguiente: gas, fuel oil ligero, fuel oil pesado y combustión de carbón.


Centrales térmicas en España:

• As Pomtes de García Rodriguez (A Coruña), con más de 1.400 MW, la mayor de España. Consume carbón, tanto nacional como importado.

• Compostilla (León), con 1.312 MW. Utiliza carbones de la cuenca minera en que está enclavada.

• Litoral de Almería (Carboneras), (Almería), con 1.100 MW. Utiliza carbón importado.

• Castellón (Castellón), con 1.083 MW Emplea como combustible fuel-oil.

• Teruel (Andorra), con 1.050 MW. Emplea carbones de la cuenca minera aragonesa.

• San Adrián (Barcelona), con 1.050 MW. Consume fuel y gas natural.