Obras de energía hidráulica

Este artículo, fue originalmente publicado en francés en el sitio web de la Enciclopedia de Energía en diciembre de 2015 bajo el número 70 : Les ouvrages hydrauliques, fue traducido al español por José Cornejo Cárcamo bajo la supervisión de Ana Escartín y Thierry Nallet. Formación: Máster LEA Traducción Especializada Multilingüe, université Grenoble Alpes.

Dentro de las grandes infraestructuras hídricas, las más comunes son: acondicionamiento de ríos, presas, canales y esclusas, túneles y tuberías hidráulicas, embalses de agua, estaciones de bombeo y centrales hidroeléctricas.

Estas infraestructuras cumplen distintos propósitos, como: la protección contra las crecidas; contribuir al desarrollo de actividades humanas: para la navegación fluvial; permitir el transporte de mercancías; los trasvases de agua, es decir, la transferencia de grandes cantidades de agua de una región a otra; el abastecimiento de las ciudades, las industrias y los cultivos de regadío; así como la generación de energía hidroeléctrica. En el texto siguiente solo se abordarán las estructuras destinadas a la producción de energía eléctrica, principalmente las presas y las centrales hidroeléctricas.

1. Presas

Las corrientes naturales en valles o llanuras se encuentran por debajo del nivel de la tierra en la que han trazado su lecho. Además, la profundidad del río puede bajar durante períodos de estiaje y fluctuar considerablemente en función de las crecidas. Además, el recurso hídrico disponible en dicho río varía en función de las estaciones e incluso de los años. En estas condiciones, a menudo es difícil obtener agua del cauce de manera regular y segura sin utilizar ninguna fuente de energía destinada al bombeo o a otras técnicas de recuperación.

La función principal de una presa, en un río, es regular el nivel del agua para establecer un flujo de agua constante o poco variable. A su salida, la presa puede alimentar por efecto de gravedad, un canal o tubería que conduzca el agua hasta sus consumidores. El cuerpo de agua en sí puede dar origen a actividades humanas. También, se suele intentar crear un volumen de almacenamiento de agua para contrarrestar las irregularidades del recurso hídrico en distintos momentos, o para atenuar las crecidas, mediante el aumento de la altura de la presa. (Ver: Mali: l’aménagement hydroélectrique de Sélingué).

Las presas tienen como finalidad el permitir usos diversos del agua, tales como: abastecer ciudades, industrias y cultivos, generar energía hidroeléctrica o, a veces, para actividades de pesca y de ocio. Cuando una presa tiene varios usos se denomina embalse de usos múltiples.

1.1. Presas antiguas

Se han encontrado rastros de presas antiguas en varios países de Medio Oriente. Se cree que la presa llamada ‘Sadd al-Kafara’ de Wadi Garawi, en Egipto, ubicada al sureste de El Cairo, que data del 2900-2600 a.C., es la presa de piedra más antigua del mundo. Al parecer, fueron necesarios más de 100.000 m³ de material para construir esta presa, con una longitud en la parte superior de 106 m, una altura de unos 15 m y un grosor que varía entre los 84 m en la base y los 62 m en la parte superior.

Parece ser que la presa consistía en un relleno de rocas grandes o residuos de cantera compactados entre dos muros de 13 m de espesor de coronación con revestimientos exteriores de mampostería de piedra tallada, cuidadosamente ajustada. Esta gigantesca obra tardó, probablemente, casi un decenio en realizarse. Sin embargo, todo parece indicar que la presa nunca recibió agua. Fue parcialmente destruida por una inundación y los egipcios abandonaron la obra.

1.2. Presas modernas: vertederos fijos y presas móviles

La presa más sencilla consiste en un vertedero fijo en el que el río desemboca en caso de crecida. Estos vertederos, antiguamente hechos de mampostería y actualmente de hormigón o recubiertos con una capa exterior protectora de escollera, permiten el control de las inundaciones.

El vertedero fijo crea una masa de agua cuyo nivel varía en función de la cantidad de agua vertida ypermite desviar parte de la corriente o controlar la erosión del lecho aguas arriba cuando se trata de un río que tiende a ahondar su lecho. Ahora bien, este tipo de vertederos no permite el paso de los sólidos arrastrados en el cauce del río, por lo que el embalse tiende a llenarse de sedimentos y pierdas paulatinamente. Por lo general, se utiliza una pequeña compuerta de esclusa para crear un flujo de limpieza del fondo, delante de la entrada situada al extremo del vertedero. Sin embargo, este dispositivo no permite regular el nivel de sedimentos en el depósito del vertedero.

Con el fin de permitir el paso de los sedimentos y regular mejor el nivel del agua, se utiliza una presa móvil compuesta de varias compuertas y dos diques laterales no sumergibles para completar el cierre del embalse. Las compuertas permiten regular a voluntad el nivel del agua independientemente de las fluctuaciones en el caudal del río y también pueden mantenerse abiertas para permitir el paso de las crecidas.

1.3. Tipos de presas modernas: presas de embalse

El aumento de la masa de agua responde generalmente a la necesidad de generar capacidad de almacenamiento de agua para afrontar las fluctuaciones de dicho recurso. Cuando se trata de un proyecto hidroeléctrico, el aumento de la masa de agua puede ser el resultado de un equilibrio económico óptimo entre el costo de la presa y la cantidad de energía generada, los cuales aumentan en función de la altura de la presa. Entre las presas más altas actualmente existentes se encuentran la presa de terraplén de Nourek, en Tayikistán, de 304 m de altura, la presa de bóveda de hormigón de Xiaowan, en China, de 292 m de altura, y la presa de gravedad de hormigón de Grande-Dixence, en Suiza, de 285 m de altura.

La presa de las Tres Gargantas está situada en el corazón de China, en el río Yangtsé, en la provincia de Hubei. Se puso en funcionamiento por etapas, entre 2006 y 2009, hasta convertirse en un embalse de 600 kilómetros de extensión. Se trata de una presa de gravedad que mide 2.335 m de largo y unos 140 m de alto, con un aliviadero de 116.000 m³/s de capacidad. Para construirla, se necesitaron veintisiete millones de m³ de hormigón, con una capacidad de embalse de 39.300 millones de m³.

Dependiendo de las condiciones topográficas del emplazamiento, la calidad de los cimientos y los revestimientos de las orillas, así como de la disponibilidad de materiales de construcción, las presas de embalse pueden ser de diferentes tipos.

La presa de gravedad es capaz de resistir la presión del agua gracias a su propia masa. En un inicio, las presas de gravedad se construían usando mampostería, más tarde hormigón, hoy en día, existen cada vez más presas de gravedad de hormigón compactado con rodillo (HCR). El hormigón compactado por rodillos es un hormigón con bajo contenido de cemento, que se utiliza en grandes cantidades mediante técnicas de compactación.

Los diques o presas de materiales sueltos también son resistentes a la presión del agua por su propio peso. Pueden ser diques de tierra con un diseño compacto para presas pequeñas, pero las presas más grandes están formadas por varios elementos, algunos de ellos aseguran su estabilidad y otros aseguran su impermeabilización.

Con una misma altura, una presa de materiales sueltos será mucho más voluminosa y tendrá un mayor agarre al suelo que una presa de gravedad de hormigón o HCR. Esto se debe a que las pendientes de los espaldones de un dique son mucho más débiles que los de una presa de hormigón.

La impermeabilización puede obtenerse gracias a un núcleo central de arcilla compactada, hormigón plástico u hormigón asfáltico ubicado en el eje de la presa y sostenido por espaldones de tierra o de escollera aguas arriba y aguas abajo. Se conocen como presas de materiales sueltos con núcleo.

La impermeabilización también puede obtenerse gracias a una pantalla en el espaldón aguas arriba de la presa, en cuyo caso hablamos de una presa con pantalla aguas arriba, que puede ser bituminosa o de hormigón.

Las presas de bóvedas resisten la presión del agua principalmente debido a su forma de bóveda horizontal, que permite que la fuerza se transfiera a las orillas. Este tipo de presas requiere que las orillas del valle sean capaces de absorber grandes presiones. Cuanto más ancho sea el valle, más se habrá de reforzar el efecto de bóveda del arco mediante el efecto de masa de la presa. De ahí que hablemos de presa de arco-gravedad, en la que se combinan ambos mecanismos.

Otra variante de las presas de gravedad es la presa de contrafuertes, que se compone de muros verticales que transfieren la presión a los contrafuertes. En algunos casos también encontramos presas de arcos múltiples, que desvían la presión del agua hacia una serie de contrafuertes que separan las bóvedas.

Además, algunas presas reúnen distintas soluciones, como la presa de Roselend, que cuenta con una bóveda en la parte más profunda del desfiladero y alas formadas por presas de contrafuertes.

Con respecto a las presas de embalse, la evacuación de sedimentos del embalse solo es posible si resulta económicamente viable reducir el nivel del embalse cada año en la época de las crecidas, mediante desembalses efectuados a través de las grandes compuertas ubicadas en la base de la presa. En muchos casos, resulta imposible evacuar todo el sedimento del embalse, ya sea porque este está diseñado para hacer frente a períodos de sequía o, porque la pérdida de producción hidroeléctrica durante prolongados períodos de descarga sería insostenible. Por lo tanto, se debe prever un espacio vacío, es decir, un volumen en el fondo del embalse que irá llenándose gradualmente durante la vida útil de la obra. En este caso, la retención de sedimentos en el embalse de la presa puede, en algunas ocasiones, provocar una fuerte erosión del cauce aguas abajo, por lo que este efecto debe ser estudiado con el fin de establecer posibles medidas de compensación

1.4. Necesidad de un aliviadero

Una presa no puede almacenar el agua acarreada por las crecidas de mayor magnitud y, por lo tanto, debe estar equipada con un aliviadero. La energía que debe disiparse cuando una crecida pasa por el aliviadero de la presa suele ser considerable. Por ejemplo, una crecida de 300 m³/s que fluye por el aliviadero de una presa de 50 m de altura, libera una fuerza de 150 MW que debe disiparse al pie de la presa, de lo contrario, esta energía podría erosionar fuertemente el valle aguas abajo de la estructura, lo que podría incluso poner en peligro los cimientos de la propia presa. Por esta razón, un aliviadero suele incluir un vertedero libre o controlado por compuertas, una estructura de transición y una estructura de disipación, que puede ser un cuenco o colchón amortiguador excavado artificialmente.

2. Energía hidroeléctrica

Aunque la energía hidroeléctrica no es el único tipo de producción eléctrica que se genera mediante la fuerza del agua, las centrales hidroeléctricas producen la mayor parte de la energía hídrica. Otro mecanismo que utiliza la fuerza del agua es la turbina hidráulica. Estas turbinas explotan la energía cinética de las corrientes marinas o fluviales [artículo 068], dichas instalaciones explotan la energía de las olas y la energía térmica de los mares [artículos 041 y 051].

Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía potencial del agua que se desvía de un cauce y se restituye posteriormente aguas abajo. La energía del salto de agua resultante se transforma en energía mecánica por medio de la turbina y más tarde en energía eléctrica por medio de un alternador.

2.1. El papel de la energía hidroeléctrica en la combinación energética

La energía hidroeléctrica es la primera fuente renovable y la tercera fuente de producción eléctrica del mundo, con un 16,0% en 2015, por detrás del carbón (39,3%) y el gas (22,9%), pero por delante de la energía nuclear (10,6%)¹. En Francia, la generación de energía hidroeléctrica alcanzó los 53,6 TWh en 2017, es decir, el 10,1% de la producción total de electricidad del país².

A diferencia de los métodos de producción de la energía renovable que denominamos intermitentes (como la eólica y la solar), las presas y las centrales eléctricas, pueden almacenar grandes cantidades de energía potencial procedente de los embalses e introducirla a la red eléctrica cuando se desee con una fuerte capacidad de respuesta. Así pues, la energía hidroeléctrica no solo es la principal fuente de energía renovable, sino también el complemento imprescindible a las energías renovables intermitentes, para garantizar la estabilidad de la red eléctrica.

El desarrollo de la energía hidroeléctrica está respaldado por una fuerte demanda de energía eléctrica en varias regiones importantes del mundo y por el existente interés en desarrollar las fuentes renovables sin producción de gases de efecto invernadero (GEI). Entre 2010 y 2030, se producirán 225 GW/año en el mundo, de los cuales 34 GW/año, es decir, un 15%, procederá de centrales hidroeléctricas, según la Agencia Internacional de la Energía.

Las economías emergentes presentan un gran potencial de desarrollo, ya que solamente se utiliza el 30% del potencial hidroeléctrico de América del Sur y el 22% del de Asia. De los 176 GW de capacidad que se están construyendo actualmente en el mundo, el 63% se encuentra en Asia y el 19% en América del Sur.

En 2017, África apenas aprovechaba el 7% de su elevadísimo potencial hidroeléctrico explotable, estimado en torno al 10% del potencial mundial. El desarrollo de las redes africanas de interconexión regional permite prever la realización de proyectos hidroeléctricos de gran envergadura para atender a las necesidades propias de esas regiones.

En Francia, aunque todavía quedan yacimientos sin explotar, la producción hidroeléctrica se ha estancado en los últimos años debido a la escasez de lluvias, al envejecimiento de las infraestructuras, que requieren operaciones de mantenimiento, y a un aumento muy limitado del consumo de energía eléctrica.

2.2. Potencia, altura de caída y capacidad de las centrales hidroeléctricas

Las centrales pueden clasificarse en función de tres criterios:

2.2.1. Escala de potencia

Existen dos categorías principales de centrales hidroeléctricas en función de la potencia instalada: por un lado, las minicentrales hidroeléctricas, también llamadas minihidráulicas o small hydro (en inglés), por otro lado, las grandes centrales hidroeléctricas o large hydro (en inglés). El límite entre estas dos categorías puede variar de un país a otro, pero generalmente se sitúa en los 10 MW.

En Francia, para la hidroelectricidad a pequeña escala, la Agencia de Medio Ambiente y Gestión de la Energía (ADEME por sus siglas en francés) emplea la clasificación establecida por la Unión Internacional de Productores y Distribuidores de Energía Eléctrica (UNIPEDE):

• Pequeña central para una potencia de entre 2.000 y 10.000 kW
• Minicentral para una potencia de entre 500 y 2.000 kW
• Microcentral para una potencia de entre 20 y 500 kW
• Picocentral para una potencia inferior a 20 kW

A finales de 2012, el sector de la minihidráulica constituía el 87% de las instalaciones hidroeléctricas de Francia, incluyendo los departamentos (DOM) y territorios de ultramar (TOM), pero solamente el 9% de la potencia instalada y alrededor del 10% de la producción de energía hidroeléctrica [artículo 033]. Las grandes centrales hidroeléctricas suponen la mayor parte de la potencia instalada, que oscila entre unas pocas decenas y varias decenas de miles de MW para las instalaciones más potentes.

En la actualidad, la obra construida de mayor capacidad de producción es la presa de las Tres Gargantas, en China. Esta instalación cuenta con una potencia instalada total de 22.500 MW. Está compuesta por 26 turbinas de 700 MW y 8 unidades adicionales (6 unidades de 700 MW y 2 unidades de 50 MW). La capacidad productiva de las Tres Gargantas es tres veces la potencia instalada de la mayor central nuclear de Kashiwazaki-Kariwa (7 reactores), con un total de 8.212 MW. La potencia de la segunda central hidroeléctrica más grande, Itaipú, en la frontera entre Brasil y Paraguay, es de 14.000 MW.

Si llega a completarse, el proyecto de la presa Gran Inga, en el Congo, superará a todas las centrales existentes. De hecho, este proyecto prevé una potencia instalada de 39.000 MW.

2.2.2. Capacidad, altura y potencia

La potencia hidráulica de un salto de agua se expresa en vatios (W), es el resultado de multiplicar la densidad del agua (1000 kg/m³) por el caudal Q (en m³/s) y por la altura del salto H (en m) [artículo 017].

Una corriente de agua pierde gradualmente su energía potencial debido a la fricción con el fondo y las orillas a medida que esta desciende. En una central hidroeléctrica, el agua se desvía en un punto determinado, se transporta hasta la central mediante tuberías hidráulicas altamente eficientes, y posteriormente, se restituye aguas abajo. Así se produce un salto de agua, cuya energía hidráulica, es transformada en energía mecánica por la turbina y después en energía eléctrica por el alternador. La potencia eléctrica que suministra la central al transformador y luego a la red eléctrica, es igual a la potencia hidráulica del salto de agua menos las pérdidas sufridas debido al descenso de la presión dentro de las tuberías hidráulicas, al rendimiento de la turbina, al rendimiento del alternador y al consumo realizado por los equipamientos auxiliares. Para ofrecer una magnitud aproximada, se suele decir que la potencia de una central expresada en kW equivale a 8 QH, lo que corresponde a un rendimiento global de la instalación del 82%.

De acuerdo con esta fórmula aproximada, la turbina debe alimentarse con un caudal de 40 m³/s para generar una potencia de 100 MW con un salto de 300 m de altura, y con 830 m³/s para generar la misma potencia con una altura de salto de 15 m.

2.3. Clasificación de las centrales en función de la altura y el funcionamiento

Dentro de las dos clases principales de centrales (minicentrales y grandes centrales), no todas funcionan de la misma manera ni tienen la misma capacidad de almacenamiento ni tampoco cuentan con la misma altura de salto.

2.3.1. Clasificación por funcionamiento: de presión, de bombeo o mareomotrices

Las centrales hidroeléctricas de presión que utilizan la energía del salto de agua también pueden almacenar energía potencial en un embalse para generar electricidad para la red cuando sea necesario, y así, mantener la estabilidad de la red.

Las centrales de acumulación por bombeo, también conocidas como centrales de bombeo, tienen la capacidad de utilizar la energía disponible en la red cuando dicha energía es muy reducida. O bien, cuando es excesiva, de bombear el agua de un embalse inferior hasta un embalse superior y transformar así la energía eléctrica en energía potencial almacenada. Actualmente, las centrales de bombeo son el único medio disponible para almacenar grandes cantidades de energía.

Las centrales mareomotrices utilizan la energía de las mareas. Durante la marea alta, almacenan el agua en una balsa o en un embalse creado artificialmente por medio de diques. Luego alimentan las turbinas con el agua almacenada durante los periodos de aguas bajas. La optimización del funcionamiento lleva a bombear, por turbina o por bomba, el agua en ambas direcciones durante un ciclo de mareas: se trata de bombeo por turbina directo e indirecto y del bombeo directo e indirecto tradicional.

2.3.2. Clasificación por capacidad de almacenamiento

Con respecto a las centrales de presión, solamente su funcionamiento depende de la capacidad de almacenamiento del embalse. Este se caracteriza por la constante de vaciado, término empleado por la compañía de distribución EDF (Électricité de France). Esta constante corresponde al tiempo teórico que se necesitaría para vaciar el embalse si se utilizaran las turbinas a la máxima potencia. De este modo, EDF establece una distinción entre las centrales de agua fluente, las de represada y las de embalse.

Las centrales de agua fluente tienen una constante de vaciado que generalmente no alcanza las dos horas. Pueden ser centrales de media o gran altura de salto con una única toma sin almacenaje, o centrales de baja altura situadas en la parte inferior de los ríos, donde el desnivel es pequeño y, por lo tanto, la producción de energía se realiza por medio de un caudal fuerte, de ahí que resulte difícil obtener una constante de vaciado elevada y regular. Una central de agua fluente utiliza la energía del río tal y como se presenta, con sus variaciones diarias o estacionales, sin poder adaptarse a la demanda de energía o favorecer las horas de producción en las que la energía tiene un alto valor. Sin embargo, la Compagnie Nationale du Rhône(CNR), principal productor francés de energía renovable, ha regulado la cadena de centrales hidroeléctricas de baja presión del Ródano, lo que permite destinar a la red una potencia máxima de unos 400 MW durante un periodo de 12 horas.

Las centrales de represada disponen de una constante de vaciado de entre dos y doscientas horas. Su capacidad de almacenamiento les permite modular la energía suministrada durante el día o incluso la semana. Su gestión permite seguir las variaciones del consumo en dichos periodos de tiempo (picos de consumo matutino y vespertino, diferencia entre días laborables y fines de semana). Estas obras suelen encontrarse en zonas de media montaña.

Las centrales de embalse tienen una constante de vaciado de más de doscientas horas. Estas centrales son las estructuras con los embalses de mayor tamaño. Por lo tanto, permiten el almacenamiento estacional de agua y la regulación de la producción para hacer frente a los picos de consumo de electricidad: en verano para los países en los que el pico de consumo proviene del aire acondicionado y en invierno para aquellos en los que proviene de la calefacción. También, son conocidas como centrales de punta. En Europa, se suelen encontrar en las zonas de media y alta montaña. Algunos embalses tienen la capacidad de almacenar varios años de suministro de agua, permitiendo garantizar la producción de energía y el abastecimiento de agua en países donde suele haber años con poca lluvia.

Las centrales de agua represada y de embalse pueden combinarse con la función de bombeo para crear una central de bombeo. Además, existen centrales de bombeo que funcionan en un circuito completamente cerrado entre dos embalses, especialmente en los países donde los recursos hídricos son menos abundantes.

Asimismo, las centrales se pueden clasificar en función de las características de llenado de sus embalses, que conllevan ciertas limitaciones en cuanto al uso eléctrico que se les puede dar. De hecho, la velocidad de llenado del embalse, en función del caudal natural, tiene un impacto directo en la flexibilidad de uso.

2.3.3. Clasificación por altura del salto

Las obras hidráulicas, se pueden clasificar según la altura de salto, es decir, por el desnivel entre la toma de agua y el lugar de restitución. Si se resta al salto bruto la pérdida de carga que se produce en las tuberías hidráulicas, se obtiene el salto neto entre el punto de entrada y el punto de salida de la turbina hidráulica. En este sentido, se establece una distinción entre las centrales hidroeléctricas de baja presión (low-head), de media presión (medium-head) o de alta presión (high-head). Sin embargo, no existe una clasificación estandarizada para este tipo de obras, ya que la delimitación de las categorías de salto de agua es arbitraria y varía de un país a otro o de un autor a otro. Por lo general se acepta que las centrales son de baja presión cuando funcionan con un salto de agua útil de entre 2 y 20 m. Estas centrales suelen encontrarse en grandes ríos con baja pendiente, y presentan por lo general un funcionamiento de agua fluente. Además, están equipadas con turbinas Kaplan o grupos bulbo y pueden conducir por turbina caudales de gran volumen.

Las centrales de baja presión, suelen ser centrales de agua fluente o, en ocasiones, funcionar parcialmente como centrales de represada, cuando se trata de un gran embalse, para almacenar un gran volumen de agua en la parte superior.

Se habla de centrales hidroeléctricas de media presión cuando se trata de saltos de unas pocas decenas de metros, es decir, desde 20 m y hasta 50 o 60 m de salto o incluso 100 m para algunos autores. Este tipo de central se encuentra en zonas de media montaña, a menudo al pie de una presa y tiene un funcionamiento de represada. Las turbinas que se utilizan son Kaplan o Francis.

Para los saltos que se encuentran por encima de los valores indicados anteriormente, se habla de centrales de alta presión. Estas instalaciones se encuentran a menudo en las zonas de alta montaña y están equipadas con turbinas Francis o Pelton en el caso de los saltos más altos. En 2010, la central hidroeléctrica de Bieudron, en Suiza, ostentaba el récord mundial del salto más alto, con 1.880 m de altura, equipada con turbinas Pelton de una potencia unitaria de 400 MW.

Notas y referencias

¹ Agencia Internacional de la Energía. World Energy Outlook, 2013. (Disponible en inglés)

² RTE. Bilan Electrique, 2012. (Disponible en francés)

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