mini centrales hidroeléctricas - trabajo final

Pontificia Universidad Católica de ChileFacultad de IngenieríaEscuela de Construcción CivilHidráulica General (CCL 1280)

Integrantes:Jaime GavilánÁlvaro HermosillaJaviera LópezAgustín OjedaWladimir Vallejos

Profesor: Maxs ArdilesAyudantes: Héctor Martínez Carlos GarridoFecha: 6 de noviembre de 2009

Mini Centrales Hidroeléctricas de Paso

Mini centrales Hidroeléctricas de paso

ÍNDICE

Objetivos Pág. 3

Objetivo General Pág. 3 Objetivos Específicos Pág. 3

Marco Teórico Pág. 4

Conceptos hidro-energéticos Pág. 4 Conceptos hidro-energéticos Pág. 5 Elementos constitutivos Pág. 5 Parámetros de interés Pág. 7

Desarrollo

Introducción: La Energía Hidroeléctrica. Pág. 8 Las centrales hidroeléctricas Pág. 9 Las minicentrales hidroeléctricas Pág. 11 Diseño de una minicentral hidroeléctrica Pág. 12 Instalaciones de obra civil Pág. 13 Equipamiento electromecánico Pág. 15 Ventajas y desventajas de las minicentrales

hidroeléctricasPág. 19

Generación de energía eléctrica en Chile Pág. 20 Instalaciones mas representativas: ENDESA

SA, aplicaciones en Chile y el extranjero.Pág. 22

Análisis y Conclusiones Pág. 27

Referencias Pág. 29

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OBJETIVOS

Objetivos Generales:

Analizar y comprender, desde el punto de vista hidráulico, el funcionamiento de las mini centrales hidroeléctricas de paso.

Objetivos Específicos:

Describir los componentes, diseño y parámetros de obras civiles de las mini centrales hidroeléctricas de paso.

Describir datos técnicos de algunos proyectos de hidrogeneración a pequeña escala realizados en chile

Obtener una visión del tema mucho más amplia, tangible y práctica acerca de las mini centrales hidroeléctricas a través de una visita a alguna central de paso acorde al tema.

Investigar sobre la aplicación de este sistema en nuestro país, cuales son las principales centrales de Chile y el extranjero.

Mencionar aspectos económicos en la implementación de estos proyectos.

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MARCO TEÓRICO

Conceptos hidráulicos

Altura de Salto: Es la distancia vertical de desplazamiento del agua en el aprovechamiento hidroeléctrico. Se distinguen tres tipos de alturas de salto:

Salto bruto (Hb): distancia comprendida entre el nivel máximo aguas arriba del salto y el nivel normal del río donde se descarga el caudal turbinado.

Salto útil (Hu): desnivel comprendido entre la distancia libre del agua en el punto de carga y el nivel de desagüe de la turbina.

Salto neto (Hn): altura del salto que impulsa la turbina y es igual al salto útil menos las pérdidas de carga producidas a lo largo de todas las conducciones.

Caudal de equipamiento: Caudal máximo que puede turbinar una mini central hidroeléctrica.

Potencia Instalada: la potencia nominal de una mini central vendrá dada por:

Potencia en turbinas: , donde:

P: potencia en turbinaQn: caudal de equipamiento o caudal nominalHn: altura de salto netoη: rendimiento de la turbina

Potencia en alternadores: ,

Donde:P: potencia en alternadorQn: caudal de equipamiento o caudal nominalHn: altura de salto netoηturb: rendimiento de la turbinaηalt: rendimiento alternador

Producción: Es la energía obtenida en la central durante un periodo de tiempo.

.

Qn: caudal de equipamiento o caudal nominalHn: altura de salto netot: periodo de tiempo

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Conceptos hidro-energéticos

Central de generación eléctrica: Es una instalación en la que se transforma la energía que se tenga disponible en energía eléctrica.

Mini central hidroeléctrica: Centrales de pequeña potencia que no requieren grandes embalses reguladores, y por ende, tienen un escaso impacto ambiental.

Centrales de paso: Son aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, para después devolverlo al cauce del río.

Centrales base: Clasificación de las mini centrales según sus horas de utilización. Estas funcionan continuamente durante las 24 hrs. del día.

Centrales semipunta: Segunda clasificación de las mini centrales, según sus horas de utilización. Estas funcionan intermitentemente coincidiendo con las horas de mayor demanda. Son las más comunes.

Centrales Punta: Tercera clasificación de las mini centrales, según sus horas de utilización. Estas tienen una utilización media.

Estudio hidrológico: Análisis del régimen de los caudales de un río, imprescindibles para la determinación de la potencia instalable y de la energía producible en el aprovechamiento hidroeléctrico.

Elementos constitutivos

Cámara de carga: Depósito localizado al final del canal abierto, del cual arranca la tubería de descarga (o tubería forzada). Normalmente tiene la capacidad de suministrar el volumen necesario para el arranque de las turbinas sin intermitencia, es decir, absorbe las pequeñas oscilaciones que se puedan producir.

Tubería forzada o de descarga: Tubería diseñada para llevar el agua desde la cámara de descarga hasta la turbina salvando el desnivel necesario.

Instalaciones de generación: Zona donde se encuentran los elementos auxiliares de control, así como la propia turbina.

Turbina: Turbomáquina motora, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía Hidráulica-mecánica en eléctrica.

Turbinas de acción: Aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua

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Turbinas de reacción: Turbomáquina que además de aprovechar la velocidad del flujo de agua, aprovechan la pérdida de presión que se produce en su interior.

Canal de desagüe: Canal diseñado para recoger el agua a la salida de la turbina y devolverla al cauce del río.

Elementos de cierre y regulación: Dispositivos instalados para al aislamiento de la turbina o algún otro órgano del aprovechamiento hidráulico. Entre ellas pueden estar las ataguías, compuertas y válvulas.

Alternador: genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, la que después pasa por un transformador que la convierte en alta tensión y baja corriente.

Azud: muro transversal al curso del agua que no produce una elevación notable del nivel, provoca un remanso en el río para desviar parte del caudal hacia la toma. A continuación se muestra la imagen tipo de una mini central hidroeléctrica fluyente, en la que se especifican sus principales partes.

Imagen 1: Mini central hidroeléctrica fluyente.

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Parámetros de interés

Para obtener el estudio de la rentabilidad de una central es importante tener en cuenta los siguientes parámetros:

1.- Índice de potencia = , es un buen factor estadístico para

poder comprar diferentes proyectos

2.- Índice de energía: corresponde al cociente entre la inversión inicial y su producción en un año medio.

, donde:

Q: caudal turbinadoHn: altura de salto neto en metrost: tiempo de funcionamiento

3.- Tiempo característico: da la idea del grado de aprovechamiento de la central.

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DESARROLLO

Introducción: La Energía Hidroeléctrica.

La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la humanidad que cada vez demanda más recursos energéticos. Las energías renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una de las piezas clave en la construcción de un sistema de desarrollo sostenible.

Se conoce que los ¾ de la superficie terrestre está cubierta de agua y por ende su aprovechamiento es de vital importancia. La energía hidroeléctrica proviene indirectamente de la energía del sol, responsable del ciclo hidrológico natural. La radiación que procede de las fusiones nucleares que se producen en el sol caliente la superficie terrestre, ríos, lagos y océanos, provocando la evaporación del agua. El aire caliente transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos puntos del planeta, donde cae nuevamente en forma de lluvia y nieve. Una parte de la energía solar permanece almacenada en el agua de los ríos, los lagos y los glaciares.

La energía hidráulica es la energía proveniente de los ríos, saltos de agua y embalses, que se manifiesta en forma de energía potencial gravitatoria, que se puede aprovechar conduciendo el agua y haciéndola caer por efecto de la gravedad. La energía hidroeléctrica comparte las ventajas de ser autóctona, limpia e inagotable como el resto de las energías renovables.

La energía hidráulica es transformada a energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, donde la energía potencial del agua es transformada en energía cinética, la cual hace funcionar el rotor del generador que transforma la energía cinética en energía eléctrica finalmente.

La producción anual media de energía hidroeléctrica a nivel mundial es de 2.600 TWh, lo que representa aproximadamente el 19% del total de la energía eléctrica producida. La potencia hidroeléctrica instalada en todo el mundo asciende a 700 GW. A gran escala esta fuente de energía tiene un campo de expansión limitado, ya que en los países más desarrollados la mayoría de los ríos importantes ya cuentan con una o varias centrales, y en los países en vías de desarrollo los grandes proyectos pueden chocar con obstáculos de carácter financiero, ambiental y social.

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Las Centrales Hidroeléctricas

En las centrales hidroeléctricas es en donde la energía potencial del agua es transformada en energía cinética, la cual hace funcionar el rotor del generador que transforma la energía cinética en energía eléctrica finalmente.

Las centrales hidroeléctricas de cualquier tipo, transforman esa energía en electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos puntos. La energía se transforma primero en energía mecánica en la turbina hidráulica, ésta activa el generador, que transforma en un segundo paso la energía mecánica en energía eléctrica.

Ellas se pueden clasificar en tres grandes grupos:

A) Centrales Hidroeléctricas de Pasada: Una Central Hidroeléctrica de Pasada es aquella en la cual no existe una acumulación de aguas antes de las turbinas, mas bien, las turbinas se abastecen con el caudal normal del río o salto en el cual esté ubicada la central. Esto hace variar la producción de dichas centrales debido a los cambios de estación, donde incluso se puede llegar a producir pérdidas de agua por rebosamiento, lo cual es solucionado en algunas ocasiones con pequeños embalses.

Estas centrales de pasada se pueden subclasificar según capacidad suficiente de caudal.

Imagen 2: Hidráulica de Pasada el Sauzal. Fuente: ENDESA CHILE.

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B) Centrales Hidroeléctricas con Embalse de Reserva: En este tipo de centrales se almacenan volúmenes considerables de agua antes del paso por las turbinas, mediante la construcción de muros o presas que forman lagos artificiales. Estos embalses permiten graduar la cantidad de agua a utilizar en las turbinas. Este sistema permite la generación durante todo el año, aunque el río disminuya su caudal, cosa imposible para un proyecto de pasada normal.

Existen dos tipos de variantes de este tipo de sistemas, la casa de máquinas a pie de presa, que consiste en ocupar parte del caudal embalsado, y por último el sistema de aprovechamiento por derivación de aguas que consiste en derivar por alguna tubería el caudal almacenado en el embalse para su posterior procesamiento en la casa de máquinas.

Imagen 3: Hidráulica De Embalse Rapel. Fuente: ENDESA CHILE

C) Centrales Hidroeléctricas de Bombeo: Son centrales que se conforman por dos embalses a distinto nivel. Al momento de mayor demanda del día, ambos embalses funcionan como una central normal, pasando agua desde el embalse superior al embalse inferior. Al momento de menor demanda del día el embalse inferior bombea agua al embalse superior para que pueda hace reciclo productivo nuevamente.

En el presente trabajo, las centrales de pasada son el tipo en particular que se utilizan en la construcción de las Mini Centrales Hidroeléctricas, las cuales se describirán a continuación.

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Mini centrales Hidroeléctricas de Pasada

Si buen no hay consenso a nivel mundial respecto a la potencia máxima instalada que puede tener una central para ser calificada como minicentral hidroeléctrica, se considerara como tal a las que no sobrepasen los 20 MW, por recomendación de ENDESA CHILE.

Sin embargo, vale destacar que el límite aceptado por la Comisión Europea, la UNIPEDE (Unión de Productores de Electricidad), son los 10 MW la generación limite para ser clasificada como minicentral. Además hay países en los que el límite puede ser tan bajo como 1,5 MW, mientras que en otros como China o algunos países de América Latina, el límite llega a los 30 MW.

La potencia instalada no constituye el criterio básico para diferenciar una minicentral de una central hidroeléctrica convencional. Una minicentral no es una central convencional a escala reducida. Una turbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseño completamente distinto del de otra de unos cientos de megavatios.

Como obra civil, una minicentral obedece a principios completamente distintos a las grandes centrales alimentadas por enormes embalses.

Imagen 4: Central Hidroeléctrica Antella-Escalona, Valencia-España. Fuente: Castro, Adriana: “Mini centrales hidroeléctricas”.

Además al ser de una menor escalar que las centrales hidroeléctricas convencionales, la generación de electricidad con minicentrales hidroeléctricas ofrece posibilidades de crecimiento, debido a la diversidad de caudales que aún son susceptibles de ser aprovechados con las nuevas tecnologías.

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Diseño de una minicentral hidroeléctrica.

La instalación de una mini central hidroeléctrica de pasada depende de diversos factores, por ello se hace indispensable estudios previos para un correcto diseño.

Hay que tener en cuenta las distintas partes del proceso y los costes que implica cada una: la fase de proyecto, la ejecución y por último, la fase de funcionamiento, además de considerar la orografía del terreno, los accesos, el tipo de instalación, el tamaño, la potencia y el punto de conexión entre cada una de las fases.

Ya técnicamente hablando, la potencia de una central hidroeléctrica es proporcional a la altura del salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas variables para el diseño de las instalaciones y el dimensionamiento de los equipos, así como también el coste de inversión e implantación de una central hidroeléctrica.

En detalles, los aspectos primordiales a connsiderar para el desarrollo hidroeléctrico: - Topografía del terreno, para medir la caída y realizar la ubicación y recorridos

de todos los elementos.- Geografía, para determinar el posicionamiento de la infraestructura básica.- Hidrología y Meteorología del río con la finalidad de medir los caudales

extremos (máximos y mínimos), es decir, la cantidad de agua que pasa por el río durante un tiempo determinado, para ello es importante realizar AFOROS. Por tanto, en función de la ubicación del futuro aprovechamiento, primeramente se recopilarán las series hidrológicas (de más de 25 años) de las estaciones de aforo existentes en la zona de implantación de la central, con los datos de caudales medios diarios, para realizar el correspondiente estudio.

- Geología, evaluar los tipos y condiciones del suelo, siendo factores determinantes la evaporación y la humedad.

- Establecer accesos hacia los sitios del proyecto.- Dimensionar el proyecto (diseño): Esto en lo referente a la determinación del

salto neto, la potencia a instalar. - Realizar Estudio de Impacto Ambiental- Desarrollar plan de mitigación, compensación y reubicación.- Definir estrategias de comunicación para la divulgación de los beneficios que

el proyecto brindará a las áreas de influencia.- Realizar estimación financiera, económica y de producción: Aquí es de vital

importancia poner en la balanza parámetros tan importantes como indice de potencia, índice de energía y tiempo característico. El costo aproximado de una central varia aproximanadamente entre 1 y 2 millones de dolares por MW. Una central que genera 400 mega, son aproximadamente 400 millones de dólares.

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Instalaciones de obra civil

Las Centrales hidroeléctricas son sistemas formados por múltiples obras civiles, que dependiendo de la ubicación de la central, se pueden enumerar los siguientes elementos:

Azud Toma Canal de derivación Cámara de carga Tubería forzada Edificio central y equipamiento electro-mecánico Canal de descarga Subestación y línea eléctrica

A) Azud: Muro trasversal al curso del río, que provoca un remanso de agua sin producir una elevación del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal del río hacia la toma de la central.

B) Tomas: Consiste en la estructura que se realiza para desviar parte del agua del cauce del río y facilitar su entrada desde el azud. La toma normalmente dispone de una rejilla que evita la entrada de elementos sólidos al canal. Existe otro tipo de toma que es la sumergida. Se realiza un canal excavado transversalmente en el cauce del río, de manera que el agua entra a través de la reja superior que protege esta entrada, y sale transversalmente al curso del río para incorporarse al canal de derivación. C) Canal de derivación: El canal de derivación se utiliza para conducir agua hasta las turbinas de la central. Estos conductos de comunicación pueden ser canales, túneles o tuberías para llegar a la cámara de carga. Para llegar a la turbina sólo se utilizan tuberías.

D) Cámara de carga: La cámara de carga es un depósito localizado al final del canal del cual arranca la tubería forzada. En algunos casos se utiliza como depósito final de regulación, aunque normalmente tiene solo capacidad para suministrar el volumen necesario para el arranque de la turbina sin intermitencias. La cámara de carga debe contar además con un aliviadero, ya que en caso de parada de la central el agua no turbinada se desagua hasta el río o arroyo más próximo.

E) Tubería forzada: Es la que conduce el agua desde la cámara de carga hasta la turbina, esta tubería debe soportar la presión producida por la columna de agua, además de la sobrepresión que se podría provocar por golpe de ariete en caso de parada brusca de la minicentral. Esta tubería puede ser colocada de manera enterrada o aérea.

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Son construidas de acero, fibrocemento y/o plástico reforzado con fibra de vidrio. El espesor mínimo de la tubería forzada es de 6mm (la cual se calcula en función del salto y del diámetro, y a su vez el diámetro suele ir en función del caudal).

F) Edificio central: Es aquí donde se ubica el equipamiento: turbinas, bancadas, generadores, alternadores, cuadros eléctricos, cuadros de control, etc. El edificio será ubicado según lo indique la topografía, geología y accesibilidad al lugar, independiente de donde se sitúe, debe contar con las conducciones necesarias para que el agua llegue a las turbinas con las menores pérdidas de carga posibles. Además se debe tomar en cuenta que el diseño de dicho edificio debe generar el menor impacto visual posible, minimizando también los costes económicos.

G) Canal de descarga: Es el encargado de conducir las aguas turbinadas hacia el punto de descarga.

H) Línea eléctrica: Es la encargada de transportar la energía producida hasta los centros de consumo o hasta la red de distribución.

Imagen 5: Esquema Central Hidroeléctrica De Pasada. Fuente: Castro, Adriana: “Mini centrales hidroeléctricas”. Edición Propia

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Equipamiento electromecánico

Dentro del desarrollo de la energía hidroeléctrica se encuentra la utilización de tecnologías muy avanzadas, las que tienen como fin generar el mayor rendimiento posible y una alta eficiencia.

Dentro de estos equipos se encuentran:

El generador: Máquina encargada de transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica. Basa su funcionamiento en la inducción electromagnética la cual, a su vez, se basa en la Ley de Faraday.El generador se compone de dos partes:- Rotor o inductor móvil, genera un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina.- Estátor o inducido fijo, es aquí donde se genera la corriente eléctrica aprovechable.

Transformador de tensión:Según sea la tensión de trabajo del generador, la transformación puede ser baja/media o media/alta tensión. El objetivo es elevar la tensión al nivel de la línea existente para permitir el transporte de la energía eléctrica con las mínimas perdidas posibles.

La Turbina:Turbomáquina motora, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía Hidráulica-mecánica en eléctrica. A continuación se describirán los tipos de turbinas existentes.

- Turbina Pelton: Están diseñadas para grandes saltos hidráulicos con caudal bajo. Consiste en una rueda con cucharas, las que convierten la energía del chorro de agua que salta sobre las cucharas. Tiene una galería de presión, la que transporta el fluido por largas alturas y luego suministra a la turbina con las válvulas de aguja para aumentar velocidad del flujo.

Imagen 6: Turbina Pelton.

Sus principales partes son:

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Cazoletas: tiene forma de cuchara doble, es la que recibe el chorro justo en su arista, la que circula por esta cavidad, dando una dirección al chorro.Inyector: regula el chorro de agua gracias a sus válvulas de agujas.Regulador: permite mantener constante la velocidad de la turbina.

Estas turbinas pequeñas son utilizadas en equipamientos domésticos. Las turbinas de mayores tamaños son utilizadas según su combinación de presión, velocidad y volumen, dependiendo de la cantidad de potencia que se requiera de ellas.

- Turbina Francis: Están diseñadas para rangos amplios, para grandes saltos, caudales y desniveles. Esta ventaja ha hecho que la turbina Francis sea actualmente la más usada en el ámbito mundial, mayormente en centrales hidroeléctricas.

Imagen 7: Turbina Francis.

Las principales partes de esta turbina son:Caja espiral, predistribuidor: distribuidor Fink, rotor y el tubo de aspiración.

Hay que tener en cuenta que las turbinas Francis se diferencian entre ellas según el tipo de rodete que poseen.

Existen de tres tipos, y son:Rodetes lentos: son los utilizados en grandes saltos. El número de revoluciones es menor, y los álabes son más espesos con tal de que su cara posterior de dirección al chorro con las paredes de los álabes, de tal forma de impedir el origen de remolinos.

Rodetes normales: se utiliza en saltos de tamaño medio, normales. El diámetro de estos rodetes es levemente mayor al del tubo de aspiración, lo que permite que el agua entre en forma radial y salga de forma axial.

Rodetes rápidos: utilizados para saltos cortos, obtiene altas velocidades al rotar, y además el cambio de dirección del agua se realiza más bruscamente de lo normal.

Las aplicaciones de la turbina Francis dependen del diseño, el cual a su vez depende de cada lugar donde se ubica. Es costoso, pero el tiempo de vida que tiene es mucho mayor que cualquier otro tipo de turbina. Se utiliza para la producción de electricidad en bombeo llenando la turbina, y como turbina para generar energía.

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Las ventajas de la turbina Francis es que por su diseño entrega un alto rendimiento, ya que las pérdidas de agua son mínimas. Su diseño robusto entrega ahorros económicos, ya que requiere una mantención menor y permite ser instalada en emplazamientos complicados, y aún así entrega altas velocidades de giro.

Su desventaja es que los sellos de la turbina presentan cierto grado de presión, por lo que se recomienda no instalar una turbina Francis en alturas mayores a los 800 metros.

El uso de esta turbina es para emplazamientos donde el flujo hidráulico sea en una dirección. Además, se debe controlar constantemente el comportamiento de la cavitación.

- Turbina Kaplan: Esta turbina es desarrollada por el ingeniero Viktor Kaplan, el que crea una turbina hélice con los álabes de rodete orientables. Esto permite que la turbina se adapte bien a cualquier tipo de carga, ya que la posición de los álabes puede variar y se colocan en dirección del flujo de agua. Es una turbina de reacción de flujo axial que se emplea en saltos de poca altura. Existen de dos tipos:

Turbina Kaplan: de admisión total, son regulables los álabes del rodete y del distribuidorTurbina semi-Kaplan: de admisión radial o axial, son regulables solo los álabes del rodete.

Imagen 8: Modelo hélice Kaplan.

La turbina Kaplan es muy similar a la Francis, pero esta posee un instrumento ubicado en el interior del cubo del rodete que es el que le permite el cambio de posición de los álabes. Este instrumento es conocido como servomotor.

- Turbina Bulbo: Son un modelo especial de las Kaplan. Están desarrolladas para saltos de muy poca altura y un caudal grande. Este tipo de turbina queda sumergido completamente bajo el agua, por lo que su ingreso es permitido por la instalación de un pozo con diseño exterior aerodinámico.

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El flujo de las turbinas Bulbo es axial.

El lugar donde se realiza la acción del rodete que permite el pivoteo de álabes se encuentra entre dos superficies cilíndricas coaxiales.

En comparación con las turbinas Kaplan, las Bulbo tienen una disminución en las pérdidas de carga, mejorando así el rendimiento y mejores condiciones a la cavitación.

Imagen 9: Turbinas Bulbo

Existen tres tipos de turbinas Bulbo:1.- Bulbo con alternador en el exterior: es poco utilizada porque causa vibraciones2.- Bulbo con alternador en la periferia: utilizan las palas hélice como brazo del rotor.3.- Bulbo con alternador en el interior: son los más usados en la actualidad ya que son reversibles mareomotrices.

Las turbinas Bulbo entregan dos ventajas importantes para las centrales mareomotrices: el paso de agua a través de ella axialmente y funcionan en los dos sentidos, además de funcionar como bomba llenando embalses.

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Ventajas y Desventajas de las Minicentrales Hidroeléctricas

La energía obtenida en minicentrales hidroeléctricas ofrece, los siguientes beneficios:

- Uso no consuntivo del agua, ya que ésta se recoge del río en un punto y se devuelve al cauce en una cota inferior, una vez transformada su energía en energía eléctrica a su paso por la turbina.

- Carácter autóctono, por lo que su desarrollo implica la reducción del grado de dependencia del sector energético exterior.

- Energía limpia, no produce residuos contaminantes, excepto en la fase de construcción.

- Costos de mantenimiento son bajos- Es respetuosa con el medio ambiente, porque los impactos que genera son

pequeños y fácilmente minimizables, incluso muchos son evitables si se toman las medidas adecuadas.

- Es inagotable gracias al ciclo hidrológico natural.

Las desventajas de la aplicación de la energía hidroeléctrica basada en mini centrales son las siguientes:

- No es una energía almacenable.- Imprevisibilidad de las precipitaciones.- Coste inicial elevado

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Generación de Energía Eléctrica

Para que la energía eléctrica llegue a la casa se necesita de tres pasos: Generación, Transmisión y Distribución.

Generación: la generación y producción de la electricidad generadas por las Centrales Hidroeléctricas, es mediante el uso del agua. Esta cae con fuerza por una tubería, poniendo en movimiento un equipo llamado turbina, la turbina está acoplada a un generador que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.La energía eléctrica es la transformación de otros tipos de energías existentes en la naturaleza. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.Existen dos tipos de energía: potencial (agua en un embalse) y cinética (agua en movimiento), la potencial se puede transformar en cinética.

El generador se conforma de la manera más simple de un espiral que gira al ser impulsado por alguna energía externa (en este caso energía hidráulica), y un campo magnético uniforme, formado por un imán que se encuentra en el seno del espiral anteriormente mencionado.

A medida que el espiral rota, el flujo magnético en dicho espiral cambia con el tiempo, produciéndose fuerza electro-motriz, que pasa a un circuito externo por donde se transportará la corriente eléctrica.

Transmisión: una vez producida la energía, esta se inyecta a un sistema eléctrico en alto voltaje (220.000 Volts). En Chile existen 4 sistemas eléctricos:

- Sistema Interconectado Central (SIC): este sistema abastece la gran mayoría de nuestro país (71,03%), abarcando desde Taltal por el norte hasta la Isla Grande Chiloé, la generación es mayoritariamente hidroeléctrica, pero también existen centrales termoeléctricas y una central eólica.

- Sistema Interconectado del Norte Grande (SING): abastece la primera y casi la totalidad de la segunda Región (28,06% del país), la generación en su mayoría es termoeléctrica, aun así existen dos centrales hidroeléctricas.

- Sistema Eléctrico Aislado de Aysén: abastece solo la XI región (0,29% del país), existen minicentrales hidroeléctricas, motores eléctricos y una central eólica.

- Sistema Eléctrico Aislado de Magallanes: abastece a la XII Región (0,62% del país), la generación es solamente termoeléctrica.

Distribución: en la Región Metropolitana, Chilectra tiene sus instalaciones y funcionan de la siguiente manera:

- Recibe la energía en alto voltaje 220.000 Volts desde el SIC en una subestación denominada de enlace que transforma los 220.000 V en 110.000 V.

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- Luego sigue un sistema de subtransmisión en 110.000 V hasta que llega a otra subestación que se llama primaria o de bajada donde los 110.000 V son transformados en 12.000 o 23.000 V.

- Al observar las postaciones en las calles, hay unas líneas que van en forma horizontal que son tres, y hay otras que se ven cuatro que van en formado cervical. Estas tres, son las que llevan 23.000 o 12.000 voltios.

- Cada cierta cantidad de postes se encuentran los transformadores, que tienen forma de radiadores, estos transforman los 12.000 V en 220 V, los cuales se ocupa en los hogares.

A continuación se muestra una imagen donde queda mas claro lo anteriormente expuesto.

Imagen 10. Generación, Transporte Y Distribución de la energía EléctricaFuente: ENDESA CHILE

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Instalaciones más representativas: ENDESA SA, aplicaciones en Chile y el extranjero.

Endesa Chile es la principal empresa privada de generación de energía eléctrica de Latinoamérica, y tiene presencia en cinco países de la región: Argentina, Brasil, Chile, Colombia y Perú.

Sus 55 centrales generadoras, que abarcan las más diversas tecnologías, son una sólida muestra de su compromiso con la región. En total, su capacidad instalada alcanza los 15666 MW de los cuales 55,16% son hidráulicos, 44,72% térmicos y 0,12% eólicos.

En lo que respecta a Chile, la compañía es la principal empresa generadora del país, además de una de las empresas con mayor capitalización bursátil. Cuenta con 5674 MW de potencia, considerando su coligada Atacama, lo que en suma representa el 44,4% de la capacidad instalada chilena. El 70,7% de la capacidad instalada de Endesa Chile y sus filiales en Chile es hidráulica; el 28,9% es térmica, y el 0,4%, eólica. Dicha capacidad se distribuye en 24 centrales en el SIC, principal sistema eléctrico del país que abarca desde Taltal a Chiloé, territorio en el que vive alrededor del 93% de la población, y 2 en el SING, los principales sistemas eléctricos de Chile. Hay que considerar que Endesa nació bajo el alero del Estado chileno con la misión estratégica de dotar de energía eléctrica al país, tarea que ha cumplido a cabalidad tanto en su fase de empresa pública como privada.

Su participación en Argentina alcanza los 4523,6 MW, los cuales representan el 18,5% del Sistema Interconectado de ese país. En Brasil, Endesa Chile posee 986,8 MW de potencia, que representan aproximadamente el 1% de la capacidad instalada, a través de su participación en el holding Endesa Brasil. En Colombia opera con 2894,7 MW, un 21,5% de la capacidad instalada. Finalmente e Perú tiene 1597,5 MW, un 31%del Sistema Peruano.

A continuación se detallan sus Minicentrales de pasada en Chile y un ejemplo en el extranjero (Colombia)

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Minicentral Hidroeléctrica de pasada Ojos de Agua

Imagen 11: Mini Hidráulica De Pasada “Ojos de Agua”. Fuente: ENDESA CHILE

Ubicación: Comuna de San Clemente, provincia de Talca, VII Región del Maule. Ruta CH 115 aprox. Km 100.

Características GeneralesPotencia Declarada 9 MWGeneración Anual (EGB) 2007 45,5 GWFrecuencia 50 HzFactor de Carga 2007 58%Caudal Turbinable 13,3 m3/sAltura de Caída 71,5 mTabla 1: Características generales de la Mini Hidráulica De Pasada “Ojos de Agua”. Fuente: ENDESA CHILE

Características UnidadesUnidad N° 01Potencia por Unidad (MW) 9Tipo Turbina FrancisFabricante Turbina IngeteamAño Puesta en Servicio 2008Tensión Generador (kV) 6,9Fabricante Generador IndarTipo Transformador TrifásicoPotencia Transformador (MVA) 51/40/11Relación de Transformación (kV) 161/13,8/6,9Tabla 2: Unidades representativas de la mini Hidráulica De Pasada “Ojos de Agua”. Fuente: ENDESA CHILE

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Minicentral Hidroeléctrica de pasada Los Molles

Imagen 12: Mini Hidráulica De Pasada “Los Molles”. Fuente: ENDESA CHILE

Ubicación: 81 Km al oriente de Ovalle, IV Región.

Características GeneralesPotencia Declarada 18 MWGeneración Anual (EGB) 2007 59,15 GWFrecuencia 50 HzFactor de Carga 2007 37,51%Caudal Turbinable 1,86 m3/sAltura de Caída 1153 mTabla 3: Características generales de la mini Hidráulica De Pasada “Los molles”. Fuente: ENDESA CHILE

Características UnidadesUnidad N° 01 02Potencia por Unidad (MW) 9Tipo Turbina Pelton de Eje HorizontalFabricante Turbina CharmillesAño Puesta en Servicio 1952Tensión Generador (kV) 13,8Fabricante Generador Brown BoveriTipo Transformador MonofásicoPotencia Transformador (MVA) 6,6Relación de Transformación (kV) 13,2/69Tabla 4: Unidades representativas de la mini Hidráulica De Pasada “Los Molles”. Fuente: ENDESA CHILE

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Minicentral Hidroeléctrica de pasada Sauzalito

Imagen 13: Mini Hidráulica De Pasada “Sauzalito”. Fuente: ENDESA CHILE

Ubicación: 13 Km al Oriente de Rancagua, VI Región

Características GeneralesPotencia Declarada 12 MWGeneración Anual (EGB) 2007 69,68 GWFrecuencia 50 HzFactor de Carga 2007 62,28%Caudal Turbinable 45 m3/sAltura de Caída 25 mTabla 5: Características generales de la mini Hidráulica De Pasada “Sauzalito”. Fuente: ENDESA CHILE

Características UnidadesUnidad N° 01Potencia por Unidad (MW) 12Tipo Turbina Kaplan de Eje VerticalFabricante Turbina NeypricAño Puesta en Servicio 1959Tensión Generador (kV) 13,8Fabricante Generador Siemens SH.Tipo Transformador TrifásicoPotencia Transformador (MVA) 13Relación de Transformación (kV) 13,8/110Tabla 6: Unidades representativas de la mini Hidráulica De Pasada “Sauzalito”. Fuente: ENDESA CHILE

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Minicentral Hidroeléctrica de pasada Tequendama

Imagen 14: Mini Hidráulica De Pasada “Tequendama”. Fuente: ENDESA CHILE

Ubicación: 54 Km de Bogotá, Colombia.

Características GeneralesPotencia Declarada 19,5 MWGeneración Anual (EGB) 2007 114,91 GWFrecuencia 60 HzFactor de Carga 2007 67,27%Caudal Turbinable 5,7 m3/sAltura de Caída 410,5 mTabla 7: Características generales de la mini Hidráulica De Pasada “Tequendama”. Fuente: ENDESA CHILE

Características UnidadesUnidad N° 02 03Potencia por Unidad (MW) 9,45 10,05Tipo Turbina Pelton de Eje VerticalFabricante Turbina GEC Alsthom/NeypricAño Puesta en Servicio 1998Tensión Generador (kV) 13,8Fabricante Generador AlsthomTipo Transformador TrifásicoPotencia Transformador (MVA) 20Relación de Transformación (kV) 115/13,8Tabla 8: Unidades representativas de la mini Hidráulica De Pasada “Tequendama”. Fuente: ENDESA CHILE

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ANÁLISIS Y CONCLUSIONES

Desde el punto de vista hidráulico, el funcionamiento de las mini centrales hidroeléctricas de paso generan energía como cualquier otra, es decir, transforman la energía hidráulica en electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos puntos. La energía se transforma primero en energía mecánica en la turbina hidráulica, ésta activa el generador, que transforma en un segundo paso la energía mecánica en energía eléctrica.

La potencia instalada no constituye el criterio básico para diferenciar una minicentral de una central hidroeléctrica convencional. Una minicentral no es una central convencional a escala reducida. Una turbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseño completamente distinto del de otra de unos cientos de megavatios.

Ahora, con respecto al diseño, para la instalación de una minicentral hidroeléctrica depende de diversos. Hay estudios de las series hidrológicas que pueden tardar más de 25 años.

Junto con esto, se deben tener en cuenta las distintas partes del proceso y los costes que implica cada una: la fase de proyecto, la ejecución y por último, la fase de funcionamiento, además de considerar la orografía del terreno, los accesos, el tipo de instalación, el tamaño, la potencia y el punto de conexión entre cada una de las fases.

En este sentido es de vital importancia poner en la balanza parámetros tan importantes como índice de potencia, índice de energía y tiempo característico. El costo aproximado de una central varia aproximanadamente entre 1 y 2 millones de dólares por MW. Una central que genera 400 mega, son aproximadamente 400 millones de dólares.

Sin embargo, cabe destacar que las mini centrales de pasada en un principio son mas rentables que las centrales de embalse, debido a que el tiempo que demora construirlas es mucho menor que el una central de embalse, por lo que se recupera la inversión de forma mas rápida. Por otra parte el beneficio económico a futuro se ve reflejado en el costo de mantenimiento que tienen las mini centrales respecto de las grandes.

Además las mini centrales de pasada utilizan el recurso agua de manera equilibrada y controlada, lo que reduce enormemente el impacto ambiental que producen los embalses al inundar miles de hectáreas. Por lo mismo se considera que la “mini

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hidráulica” es una energía renovable, debido a que la relación entre los impactos ambientales que generan y los beneficios que producen es aceptable.

La energía de las mini centrales depende netamente de las condiciones climáticas del sector, por lo que su aplicación en ciertos lugares, que no tengan los recursos hidráulicos necesarios, puede llegar a ser inviable.

La transformación del entorno, en donde se emplazan las mini centrales, es reducida ya que aprovecha los desniveles ya existentes en los flujos de agua, por otra parte es importante prestar especial atención al caudal ecológico del curso utilizado para la producción eléctrica, para conservar el ecosistema fluvial y evitar alteraciones en la flora y fauna del entorno.

El uso no consuntivo del agua es de gran importancia, ya que toda el agua que se ocupa en las mini centrales es devuelta al cauce natural del río en una cota inferior, como si nunca se hubiese utilizado esa agua.

A modo de conclusión, se puede afirmar que las mini centrales hidroeléctricas son un método particular de generación de energía eléctrica, que en comparación con las mega centrales tiene aspectos muy positivos, como la rápida recuperación de la inversión, el casi nulo impacto ambiental, y por supuesto la diferencia de costos tanto en mantenimiento como en inversión entre estas centrales y aquellas de mayor escala, sin embargo no son lo suficientemente productivas, o mas bien, no tienen la misma cantidad de producción energética que una central mas grande, lo que la hace siempre ser una opción para proyectos de menor escala y/o menor demanda.

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REFERENCIAS

Bibliográficas:

- Martínez, Germán: “Mini centrales hidroeléctricas: Mercado eléctrico, aspectos técnicos y viabilidad económica de inversiones”, Ma. del Mar Serrano López. Madrid, Bellisco, 2004.

- Castro, Adriana: “Mini centrales hidroeléctricas”. Madrid: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, octubre de 2006.

- Prieto Montt, Manuel José: “El modelo chileno de gestión hidroeléctrica: una aproximación desde la sustentabilidad profunda”, profesor guía Jonathan Barton, Carlos Bauer. Chile, 2007.

Entrevistas:

- Don Maxs Humberto Ardiles, Profesor de Hidráulica General.

- Don Carlos Flores, Ingeniero Hidráulico, ENDESA S.A.

Sitios Web:

- Sitio web del curso: HIDRAULICA GENERAL, CCL1280-1. Escuela de Construcción Civil. http://cursos.puc.cl/ccl1280-1/

- Facultad de Ingeniería PUC, Mini centrales hidroeléctricas. Proyectos de generación para centrales. http://www2.ing.puc.cl/ich/DIHA%203.0/Seminarios/Tehel%20-%2021%20junio.pdf

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http://www2.ing.puc.cl/ich/DIHA%203.0/Seminarios/Tehel%20-%2021%20junio.pdf

http://www2.ing.puc.cl/ich/DIHA%203.0/Seminarios/Tehel%20-%2021%20junio.pdf

http://cursos.puc.cl/ccl1280-1/

mini centrales hidroeléctricas - trabajo final

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