Centrales Electricas

CENTRALES CENTRALES ELÉCTRICAS ELÉCTRICAS I

Primera edición 2010

Alfredo Madrazo Maza Javier Balbás García

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética de la Universidad de Cantabria.

Título: "Centrales Eléctricas I" Autores: Alfredo Madrazo Madrazo Maza y Javier Balbás García ISBN: 978-84-693-3339-6 978-84-693-3339-6 Depósito Legal SA-612-2010 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Santander Edita: Escuela Técnica Técnica Superior de Ingenieros Ingenieros de Caminos, Canales Canales y Puertos de Santander Primera edición, Julio de 2010 Escuela Técnica de Ingenieros de Caminos, C. y P. Avda. los Castros Castros s/n 39005 Santander (Cantabria) (Cantabria)

INDICE

INTRODUCCIÓN A LAS CENTRALES ELÉCTRICAS EL ÉCTRICAS

5

CENTRALES ELÉCTRICAS

5

SUBESTACIÓN ELÉCTRICA

6

SUBESTACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

6

SUBESTACIÓN DE MANIOBRA

7

CENTRO DE TRANSFORMACIÓN

7

CLASIFICACIONES DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS

8

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA (ENERGÍAS RENOVABLES)

11

MEDICIÓN DE LA ENERGÍA

12

POTENCIA Y SU MEDIDA

13

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL Y LA LLUVIA ÁCIDA

14

EFECTO INVERNADERO Y CAMBIO CLIMÁTICO

15

PARAMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIÓN ELÉCTRICA EL ÉCTRICA

19

CARGA

19

DEMANDA

19

CURVAS DE CARGA

19

PARÁMETROS RELATIVOS A LA DEMANDA

21

PARÁMETROS RELATIVOS A LA PRODUCCIÓN

22

ASPECTOS ECONÓMICOS Y TÉCNICOS EN LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD

24

ASPECTOS ECONÓMICOS

24

ASPECTOS TÉCNICOS

28

LA ENERGÍA EN ESPAÑA Y LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

31

ENERGIA EÓLICA

35

BENEFICIOS

40

CRÍTICAS

41

ESTADISTICAS

41

ENERGIAS ALTERNATIVAS "EL HIERRO"

43

1

LA ENERGÍA SOLAR

45

CENTRAL TERMOSOLAR

50

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOSOLAR

54

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

55

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL FOTOVOLTAICA

58

ACTUALIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAÍCA

59

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LAS CENTRALES SOLARES

60

ENERGÍA DEL MAR

61

ENERGÍA MAREMOTRIZ

61

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL MAREMOTRIZ

62

ENERGIA DE LAS OLAS

64

ENERGÍA DE LAS CORRIENTES MARINAS

68

ENERGÍAS TÉRMICA Y OSMÓTICA DEL MAR

69

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA MARINA

69

ENERGIA GEOTÉRMICA

71

CAPTADORES GEOTERMICOS

72

CAPTADOR HORIZONTAL

72

CAPTADOR VERTICAL

73

BIOMASA

75

PROCESOS INDUSTRIALES

77

PROCESO DE COMBUSTIÓN

77

PROCESO DE GASIFICACIÓN

77

PROCESOS BIOQUÍMICOS Y QUÍMICOS

78

PROCESO PIROLISIS

79

TIPOS DE BIOCOMBUSTIBLES

80

APLICACIONES DE LA BIOMASA

83

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIOMASA

84

CENTRAL TERMICA CONVENCIONAL

87

IMPACTO DE LAS CENTRALES TÉRMICAS EN EL MEDIO AMBIENTE

89

COMENTARIOS

91

2

CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO

93

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO

95

IMPACTO DE LAS CENTRALES DE CICLO COMBINADO EN EL MEDIO AMBIENTE

97

COMENTARIOS

98

CENTRAL DE COGENERACION

101

VENTAJAS

104

INCONVENIENTES

104

EJEMPLO DE INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN (HOSPITAL DE VALDECILLA, SANTANDER)

105

CENTRAL NUCLEAR

107

ENERGIA NUCLEAR EN EL MUNDO

108

FISIÓN NUCLEAR

109

FUSIÓN NUCLEAR

110

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR

113

REACTORES NUCLEARES

115

COMPONENTES DEL NÚCLEO DEL REACTOR

117

FAMILIAS DE REACTORES NUCLEARES

120

MATERIALES, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CENTRAL NUCLEAR

127

RESIDUOS RADIACTIVOS

138

ORIGEN DE LOS RESIDUOS RADIACTIVOS

139

CLASIFICACIÓN DE RESIDUOS RADIACTIVOS

140

REELABORACIÓN O REPROCESO

142

ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS

143

GESTIÓN, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS DE BAJA Y MEDIA ACTIVIDAD

151

TRANSPORTE DE SUBSTANCIAS RADIACTIVAS

153

IMPACTO DE LAS CENTRALES NUCLEARES EN EL MEDIO AMBIENTE

157

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

159

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

161

CLASIFICACIONES DE CENTRALES HIDRAÚLICAS

167

DISPOSICIONES GENERALES DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS

174

APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO DE UN RÍO

177

MAGNITUDES CARACTERISTICAS DE UN APROVECHAMIENTO

180

3

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

186

ENERGIA DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA

188

ELEMENTOS DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS

189

ANEXOS

203

ECUACION DE CONTINUIDAD

203

ECUACIÓN DE BERNOUILLI

205

APLICACIONES DE BERNOUILLI

209

BIBLIOGRAFÍA

213

4

INTRODUCCION A LAS CENTRALES ELÉCTRICAS

INTRODUCCIÓN A LAS CENTRALES ELÉCTRICAS

Un sistema eléctrico de potencia (S.E.P.) puede definirse como un conjunto de máquinas convertidoras, transformadoras, líneas y otros muchos elementos eléctricos convenientemente conectados y coordinados, mediante los cuales se genera, transporta, distribuye y utiliza la energía eléctrica.

Figura INT- 1 “Esquema general de un sistema de energía eléctrica”, fuente [48]

A continuación se presentan algunos de los componentes que forman un sistema eléctrico de potencia que pueden resultar interesantes para este tema.

CENTRALES ELÉCTRICAS "Lugar y conjunto de instalaciones, incluidas las construcciones de obra civil y ed ificios necesarios, utilizados directa e indirectamente para la producción de energía eléctrica" Es una instalación de producción de energía eléctrica que comprende los grupos generadores, la aparamenta asociada y la parte de las obras en las que está instalada. 5


Figura INT- 2 "Vista de la central nuclear de Ascó" fuente [19]

SUBESTACIÓN ELÉCTRICA Conjunto situado frente a la aparamenta eléctrica y edificios necesarios para realizar las siguientes funciones: o

Transformación de la tensión, de la frecuencia o del número de fases.

o

Rectificación (corriente alterna a continua).

o

Compensación del factor de potencia.

o

Conexión de uno o más circuitos.

(No están incluidos los centros de transformación)

SUBESTACIÓN DE TRANSFORMACIÓN Destinada a la transformación del nivel de tensión mediante uno o más transformadores cuyos secundarios se emplean en la alimentación

de otras

subestaciones o centros de transformación.

6


Figura INT- 3 "Subestación transformadora"

SUBESTACIÓN DE MANIOBRA Destinada a la conexión de dos o más circuitos y su maniobra.

CENTRO DE TRANSFORMACIÓN Instalación de uno o varios transformadores reductores con la aparamenta y obras necesarias.

Figura INT- 4 "Centro de transformación sobre apoyo metálico"

7


La principal diferencia con las subestaciones eléctricas son la potencia y niveles de tensión nominales. Centro alimentado por una línea de distribución en alta o media tensión, que reduce ésta a un valor de 230/400 V. y del cual parten las líneas de distribución en baja tensión. CLASIFICACIONES DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS La primera clasificación será según la función que desempeña dentro del sistema de energía eléctrica. o

Central de base o centrales principales: Suministran la mayor parte de la energía eléctrica de forma continua, es decir, sin interrupciones de funcionamiento, sometidas a variaciones de carga muy limitadas, haciendo las paradas imprescindibles para las operaciones de mantenimiento. Tales características, suelen ser cubiertas por centrales del tipo nuclear, térmica y en algunos casos hidráulicas de agua fluyente.

o

Centrales de punta: Trabajan en paralelo con las centrales de base y cubren las horas de mayor consumo, (horas punta de demanda). Han de ser instalaciones de respuesta muy rápida, tanto en lo referente a la puesta en marcha como a la regulación de sus elementos. Por tales razones técnicas, suelen ser centrales del tipo hidráulico con embalse para su regulación y de ciclo combinado o con turbinas de gas.

o

Centrales de reserva: Sirven para sustituir total o parcialmente a las centrales de base, bien por falta de materia prima, bien por fallos o averías. No se deben confundir con las centrales de punta, pues el trabajo de las de reserva no es periódico sino ocasional. Suelen utilizarse para esta finalidad las del tipo térmica de carbón (turbinas de vapor) o grupos diesel.

8


o

Centrales de socorro o de emergencia: Tienen la misma finalidad que las anteriores. En este caso se trata de pequeñas centrales autónomas que pueden ser transportadas fácilmente (presentan movilidad), a los lugares donde se requiere su asistencia. Tienen rapidez de respuesta. Generalmente son grupos diesel.

o

Centrales de acumulación o de bombeo: Son centrales hidroeléctricas que pueden aprovechar sus instalaciones, en momentos de poca demanda y coste eléctrico reducido, para recuperar el agua, utilizada anteriormente para la generación de electricidad, devolviéndola al embalse situado aguas arriba.

Una segunda clasificación será según el tipo de mando y control: Manual.

o

Semi-automática.

o

Automáticas.

o

Y una tercera clasificación según el tipo de energía primaria (carbón, agua, viento, etc.) que se utilice, dentro de las cuales se comentarán algunas variedades en sus procesos. La producción de electricidad se producirá en unas maquinas eléctricas denominadas generadores. Existen generadores síncronos y asíncronos, habitualmente para estos usos se utilizan los síncronos.

9


10

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA

PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA (Energías Renovables)

Las fuentes de energía comerciales más utilizadas actualmente en el mundo son el petróleo, el carbón, el gas natural, la energía hidráulica y la nuclear. Son los tipos de energía que hoy en día responden mejor, por su disponibilidad y costes de utilización, a las necesidades energéticas de la humanidad, y son las más conocidas por todos. Las energías renovables, aunque cuantitativamente tienen hoy en el plano comercial una importancia relativa (salvo la hidráulica y la eólica), están llamadas a jugar un papel importante a medida que se vayan agotando las reservas de las energías fósiles. Estas energías renovables utilizan como energía primaria la energía hidráulica (aprovechamiento de la energía del agua), la energía eólica (aprovechamiento del potencial de viento), la energía solar, tanto en usos térmicos (calentamiento de fluidos) como en usos fotovoltaicos (producción de energía eléctrica); la energía geotérmica; y las energías marinas (olas, mareas y corrientes marinas). Junto a estas modalidades, se incluye también la biomasa, la cual aunque en su uso emite CO 2 , éste ha sido previamente fijado en el combustible, por lo que su balance global a este respecto se considera aproximadamente neutro. De éstas, son conocidos los aprovechamientos de la energía hidroeléctrica para generación de electricidad y el uso de la biomasa en los países emergentes como Brasil. Aunque tradicionalmente constituyeron una pequeña parte de la aportación a los sistemas energéticos, desde finales de los años ochenta, con el desarrollo de nuevas tecnologías, como las de la energía eólica, la solar o la utilización de residuos urbanos, este tipo de energías incrementa paulatinamente su participación en el mercado de generación eléctrica. Los países desarrollados comenzaron a impulsar este tipo de energías como consecuencia de la crisis de los hidrocarburos de los años setenta. Esta crisis había causado efectos negativos muy importantes en sus economías. En aquellos momentos, la participación del petróleo en los balances de energía primaria de estos países alcanzaba tasas mayoritarias del orden del 50% o más, en el caso de España

11


el 70%; la elevación de los precios del petróleo era continua; había una incidencia muy negativa en sus balanzas de pagos, etc. Los responsables de las políticas energéticas de estos países centraron su atención en el ahorro energético y, además, en la posibilidad del desarrollo de las energías renovables, por ser fuentes energéticas autóctonas y no agotables. Más recientemente, durante la década de los noventa, el principal argumento para la promoción de estas energías ha sido el medioambiental. El objetivo de un desarrollo sostenible exigía, entre otras cosas, la limitación de emisiones de gases de efecto invernadero y, por ello, el cumplimiento del "Protocolo de Kyoto" es uno de los motivos que más se esgrimen para el fomento de estas energías. Finalmente, entre otros motivos que justifican la promoción de este tipo de energías se puede mencionar el hecho de que favorecen un mayor enlace social y económico, como la fijación de población en áreas rurales; la creación de puestos de trabajo (en muchos casos en zonas no industrializadas); el desarrollo tecnológico y el de la industria de bienes de equipo.

MEDICIÓN DE LA ENERGÍA La energía tiene las mismas unidades que la magnitud trabajo. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de trabajo y de energía es el julio (J), definido como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton cuando desplaza su punto de aplicación 1 metro. Para la energía eléctrica se emplea como unidad el kilovatio-hora (kWh) definido como el trabajo realizado durante 1 hora por una máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio (kW). Su equivalencia es: 1 kWh = 3,6 x 10 6 J Para poder evaluar la denominada "calidad energética” de las distintas fuentes de

energía se establecen unas unidades basadas en el poder calorífico de cada una de ellas.

12


Las más utilizadas en el sector energético son: kilocalorías por kilogramo de combustible (Kcal/Kg); tonelada equivalente de carbón (tec); y tonelada equivalente de petróleo (tep). Sus definiciones son: -

Kcal/kg aplicada a un combustible , nos indica el número de kilocalorías que obtendríamos en la combustión de un kilogramo de ese combustible. 1kcal = 4,185 x 10 3 J

-

Tonelada equivalente de carbón (tec). Representa la energía liberada por la combustión de una tonelada de carbón tipo (hulla). 1 tec = 2,93 x 10 10 J

-

Tonelada equivalente de petróleo (tep). Equivale a la energía liberada en la combustión de una tonelada de crudo de petróleo. 1 tep = 4,185 x 10 10 J 1 tep = 107 kcal = 11700 kWh = 1,428 tec

POTENCIA Y SU MEDIDA La potencia de un sistema es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el vatio, definido como la potencia de una máquina que realiza el trabajo de 1 julio en el tiempo de 1 segundo (su símbolo es W). En el sector eléctrico se utilizan múltiplos de esta unidad: el kilovatio (kW), que equivale a 1.000 vatios; el megavatio (MW), que tiene 10 6 vatios; y el gigavatio (GW), que equivale a 10 9 vatios.

13


El kilovatio hora (kWh) se usa para medir la energía producida o consumida por una instalación instalación y el e l kilovatio (kW), para medir la potencia o capacidad. El kWh es, por tanto, la energía producida o consumida por una instalación de potencia 1 kW, trabajando durante una hora.

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL Y LA LLUVIA ÁCIDA Teniendo en cuenta que la naturaleza tiene su propia capacidad de auto depuración y reciclaje y que, por tanto, las emisiones, inmisiones o vertidos de productos contaminantes pueden variar de un lugar a otro afectando de forma diferente, la contaminación ambiental podría definirse como “la incorporación de sustancias o

energía al medio po r encima de su capacidad de asimilación o de recuperación”. Un ejemplo ejemplo de contaminación contaminación ambiental ambiental se puede encontrar encontrar en

las centrales centrales

eléctricas al devolver al medio (río o embalse), el agua utilizada para refrigerar en el proceso de generación generación de energía. Se controla rigurosamente rigurosamente que esta agua no sea la causa de una variación significativa de la temperatura del medio.

Figura PFE- 1 “Formación de la lluvia ácida", fuente [19]

14


Cuando esas sustancias o energía se introducen en la atmósfera de forma artificial en unas determinadas condiciones y por encima de los umbrales considerados límite, hablamos de contaminación atmosférica. Uno de los episodios más estudiados de contaminación atmosférica es la denominada lluvia ácida, que se produce al combinarse con el agua de las nubes los óxidos de nitrógeno y azufre, emitidos como resultado de la combustión de combustibles fósiles, y precipitar. Esta lluvia acidificada puede dañar de manera importante los bosques, ríos y lagos. Entre los años 1960 y 1970 se observaron fuertes indicios de daños por acidificación en ecosistemas de ríos y lagos del Norte de Europa, por lo que se dio importancia a este tipo de contaminante y se introdujeron políticas y actuaciones tendentes a la prevención y control de este fenómeno, que condujeron al establecimiento de unos estrictos límites de emisión en las instalaciones de combustión que emiten contaminantes acidificantes acidificantes vigentes en la actualidad. El sector eléctrico español lleva trabajando muchos años en el campo de la contaminación atmosférica, y para evitar este fenómeno, las centrales térmicas de combustibles fósiles disponen de equipos de descontaminación para limpiar los gases de la combustión, y emplean cada vez más combustibles combustibles de mejor calidad ambiental. ambiental.

EFECTO INVERNADERO Y CAMBIO CLIMÁTICO El llamado efecto invernadero es un fenómeno natural que permite a los seres vivos la vida en el Planeta al mantener la temperatura en la superficie terrestre, reflejando parte de la radiación solar y devolviendo parte de la energía, reteniendo solamente la necesaria. Esta reflexión se produce por la existencia de una capa de gases de efecto invernadero que permite mantener el equilibrio térmico. Parte de las radiaciones se reflejan en la parte exterior de la capa de gases y parte la atraviesan, siendo estas últimas reflejadas, en parte, por la propia superficie terrestre y devueltas al espacio. Aunque el clima mundial siempre ha evolucionado evolucionado de forma natural, los científicos creen que esa capa de gases que envuelve el planeta presenta una concentración superior a los umbrales que se consideran naturales.

15


Figura PFE- 2 “Efecto invernadero", fuente [19]

Figura PFE- 3 “Efecto invernadero", fuente [¡Error! No

se encuentra el origen de la referencia. ]

16


Cuanto mayor es la concentración de CO 2 en la atmósfera, atmósfera, mayor será la la energía que se refleja, en la parte interna de la capa, en relación a la que se devuelve al espacio, con lo que aumenta la temperatura de la Tierra provocando cambios en el clima que no responden a pautas naturales. La producción de electricidad, al quemar combustibles como petróleo, carbón ó gas, que contienen carbono, está añadiendo un exceso de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Las concentraciones de CO 2 en la atmósfera a lo largo de los últimos 200 años han aumentado en casi una tercera parte, principalmente debido al empleo de combustibles fósiles y a la tala de bosques. Más de la mitad del efecto invernadero creado por el ser humano puede atribuirse al CO 2 y tres cuartas partes de este CO 2 proceden del uso de combustibles combustibles fósiles. La intensificación de este fenómeno ha provocado el consecuente aumento de la temperatura global, el derretimiento de los hielos polares y el aumento del nivel de los océanos. Aunque hace más de una década que la alarma por el Cambio Climático había sido denunciada ante la opinión pública, la preocupación oficial no se inicia hasta la celebración, en 1992, de la Convención de las Naciones Unidas sobre el Clima, como consecuencia de la Conferencia de Río de Janeiro (Brasil). En ella, la mayoría de los países industrializados se comprometieron a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Este esfuerzo común internacional se ha plasmado en la firma del Protocolo de Kyoto en diciembre de 1997, que supone la aparición del primer instrumento legislativo de carácter vinculante para los firmantes, y mediante el cual, los países industrializados se comprometen a reducir un 5,2% sus emisiones de gases de efecto invernadero en el período 2008-2012, con respecto a los niveles de 1990. Asimismo, establecen para ello ello una serie s erie de mecanismos encaminados encaminados a la reducción más efectiva posible, creando mercados de permisos de emisión y toda una infraestructura administrativa para la obtención de créditos de emisión a través de transferencia de tecnologías limpias a los países en desarrollo. Si el protocolo de Kyoto fuera aceptado por la mayoría de los países, se habría alcanzado un gran hito en la forma de afrontar los problemas ambientales globalmente.

17


En el año 2001 en España, de acuerdo con los datos del Ministerio de Medio Ambiente, las emisiones de CO 2 del Sector de la Transformación y Producción de Energía representaron el 27,7% del total, dentro del cual el Sector Transporte es responsable del 56,7%. En 2004, se ha aprobado un Plan de Asignación de Emisiones para los sectores industriales de nuestro país, y el Sector Eléctrico deberá continuar esforzándose en la solución de este problema. Actualmente el cambio climático se perfila como el mayor reto ambiental para la humanidad. El desafío mundial para este milenio es satisfacer la creciente demanda de energía, limitando las emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente el dióxido de carbono (CO 2), a través del desarrollo de políticas que orienten la economía y la sociedad hacia un consumo energético responsable, favoreciendo la eficiencia energética y haciendo un uso racional de la energía mediante el ahorro y la utilización de sistemas no contaminantes, especialmente fuentes limpias y renovables.

18

PARÁMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIÓN ELÉCTRICA

PARAMETROS Y ASPECTOS RELATIVOS A LA GENERACIÓN ELÉCTRICA CARGA Se denomina carga al valor, en un instante dado, de la potencia absorbida o suministrada en un punto cualquiera del sistema eléctrico. La carga puede referirse a un aparato, una red, una central, o a un abonado, no es una magnitud constante sino que varía según el consumo. Cuando el consumo es máximo y el valor de carga más elevado se denomina carga máxima o punta de carga. DEMANDA La demanda de una instalación eléctrica receptora es el valor medio de la carga habitualmente en Kilovatios que absorbe durante un intervalo de tiempo determinado. La principal característica de la demanda es su variación con el tiempo, sin embargo presenta una regularidad sobre la base de determinados ciclos temporales. La demanda total será la suma de la demanda de todos los abonados.

CURVAS DE CARGA La representación y estudio de las curvas de carga dan una idea a las centrales eléctricas o al sistema eléctrico de generación, del consumo o potencia al cual se debe hacer frente en determinados periodos o momentos de tiempo. Para determinar las variaciones de carga del sistema se suelen utilizar unos aparatos denominados registradores que imprimen

gráficas o datos donde se registran y

visualizan las variaciones de demanda de potencia que existen en el tiempo. a. Curvas de carga diaria.

19


Son una representación, donde en ordenadas aparecen las potencias demandadas y en abscisas el tiempo (horas), en el cual tiene lugar dicha demanda.

POTENCIA (kW)

OTROS USOS

DOM STICO

TIEMPO 8:00 HORAS

(Horas)

21:00 HORAS

Gráfica PAG- 1 "Curva de carga diaria, para distintos usos"

b. Curva de demanda anual. POTENCIA

Pinstalada PMáxima

PMedia

P (t)

ENERG A ANUAL (EC)

0

8760

NÚMERO HORAS

Gráfica PAG- 2 "Curva de demanda anual"

20


También denominada curva monótona de carga, se obtiene de las curvas de carga diarias a lo largo de un año, sumando para cada nivel de potencia demandada el número de horas en que dicha potencia se ha igualado o superado La información obtenida de la curva monótona será útil para programar la producción a lo largo del año. Según se traten distintos periodos de tiempo o distintos parámetros relacionados con la carga, se obtendrán curvas que aporten una u otra información. Del estudio de las distintas curvas de carga, entre las que se encuentran las tratadas anteriormente, se pueden deducir importantes conclusiones, entre las que se tienen:



Para establecer el proyecto de la central eléctrica ha de tenerse en cuenta el tipo de demanda que habrá que cubrir dicha central y en qué condiciones (individualmente, en grupo, etc.)



El tipo o tipos de generadores más convenientes a utilizar para cubrir la demanda de potencia, trabajando a máximo rendimiento o rendimiento económico de explotación. Nunca se proyectará un generador para trabajar a la potencia máxima del sistema, pues la mayoría del tiempo funcionaría a muy bajo rendimiento.

PARÁMETROS RELATIVOS A LA DEMANDA a. Energía consumida durante el año (E C). A partir de la curva monótona, la energía anual será el área comprendida entre los ejes cartesianos y la curva. b. Potencia instalada (P i). Es la suma de todas las potencias nominales receptoras del sistema alimentado por la central. c. Potencia máxima (Pmax). 21


Es la máxima potencia demandada por la red. d. Carga media anual o potencia media (Pmed). Es el reparto equitativo de todo lo consumido a lo largo de todo el año.

Pmed



Ec 8760

e. Factor de carga (m). Relación entre la energía consumida y la que se consumiría si el sistema absorbiera constantemente la potencia máxima.

m

Pmed  8760 Pmax  8760



Pmed Pmax

f. Factor de demanda o simultaneidad (s). Varía según el número de abonados y representa un valor que indica las probabilidades de conexión simultánea de los distintos receptores. s 

Pmax Pinstalada

Nº Abonados

1

6

13

20

≥ 50

Factor (s)

1

0,8

0,6

0,5

0,4

Tabla PAG- 1 "Factor de simultaneidad en función del número de abonados"

PARÁMETROS RELATIVOS A LA PRODUCCIÓN a. Potencia total de la central (P t). Suma de las potencias nominales de los grupos generadores que componen la central eléctrica de producción. b. Potencia disponible (P D). 22


Es la suma de las potencias nominales de los grupos generadores que se encuentran disponibles en un momento determinado. Se diferencia de la potencia total de la central a la hora de tener en cuenta los grupos que se encuentran fuera de servicio, por revisión, avería, recarga, etc. dejando de generar total o parcialmente. c. Factor de instalación (Fi) Relaciona la capacidad generadora de la central con el máximo consumo de los receptores. Fi

Pt



Pinstalada

d. Utilización anual (T). Es el número de horas anuales que la central debiera trabajar a plena carga (P t) para producir la misma energía que durante un año a carga variable.

T



EC



Pt

Pmed  8760 Pt

e. Factor de utilización (Fu) Es la relación entre el número de horas de utilización anual a plena carga respecto al número de horas del año. Pmed  8760 Fu



T 8760



Pt



8760

Pmed Pt

f. Factor de reserva (FR) Es la relación entre el valor de la potencia total de la central y la potencia máxima demandada y representa la capacidad de generación de reserva de la central eléctrica. Pt FR



Pt Pmax



Pinst Pmax



Fi s

Pinst

23


El valor de la potencia total siempre debe ser mayor que el de la potencia máxima demandada, es más, en el caso de una única central se debiera aplicar el valor de la potencia disponible en lugar de la total, pues se debe asegurar el suministro en cualquier momento, incluidas reparaciones, averías, etc. También se debiera tener en cuenta, si fuera el caso, la central eléctrica como parte integrada de un sistema eléctrico, donde las carencias de una las podrían suplir las otras, pudiendo entonces trabajar algunas de ellas sin reserva.

ASPECTOS

ECONÓMICOS

Y

TÉCNICOS

EN

LA

PRODUCCIÓN

DE

ELECTRICIDAD

Las compañías eléctricas se plantean la producción de energía eléctrica a partir de dos máximas:



Desde el punto de vista económico, el de minimizar costes de producción.



Desde el punto de vista técnico, la posibilidad de afrontar demandas variables y crecientes con el tiempo, manteniendo la calidad en el servicio eléctrico.

ASPECTOS ECONÓMICOS Los costes de la generación de electricidad se pueden clasificar en: -

Costes de capital o costes fijos, derivados de la propia capacidad productora. Son constantes e independientes del número de horas de servicio, se reparten por igual durante la vida útil de la central o el tiempo estimado.

-

Costes de explotación o costes variables, debidos al combustible, energía primaria y mantenimiento de la instalación. Estos costes si varían, dependiendo del número de horas de servicio, de las variaciones del precio del combustible, mano de obra, etc.

24


Para establecer un método que nos permita estudiar las ventajas y desventajas económicas

de varias centrales eléctricas, se establecerán las siguientes

aproximaciones: a) Los costes fijos son proporcionales a la potencia nominal total de la central eléctrica. b) Estos costes fijos se mantienen constantes y se reparten equitativamente a lo largo de los años previstos, obteniéndose en coste fijo anual. c) Los precios del combustible se mantendrán constantes según el periodo de tiempo estipulado (habitualmente 1 año) donde se aplicaría la inflación que se considere. d) Los costes variables se supondrán proporcionales a la energía eléctrica producida (suponiendo que a mayor energía existirá un mayor mantenimiento de la planta). Y con estas hipótesis, se obtiene:

C fijo anual = Pt p i (euros/año) Pt → potencia nominal de la central kW. p → precio del kilovatio instalado actualizado a la fecha de la puesta en servicio de la instalación o central (euros/kW). i → tasa de gastos fijos que representa la cantidad de dinero que hay que pagar anualmente por euro invertido (euros/año euros)

C variable anual = E c = Pt h c

(euros/año)

E → producción de energía durante un año (kWh/año). c → precio de la energía en barras de la central (euros/kWh).

25


h →

horas de utilización a máximo rendimiento, para producir la

totalidad de la energía generada en un año (horas/año).

Siendo el coste total la suma del coste fijo más el coste variable y será el coste necesario para mantener en servicio la central produciendo una energía anual E (kWh/año).

C Total anual = C f + C v = Pt p i + Pt h c Se define el coste anual por kilovatio instalado (C P) como: CP = C Total anual / Pt = p i + h c

Cp

hc

pi

h Gráfica PAG- 3 "Coste anual por kW instalado"

Se define el coste específico (C e) (Gráfica PAG- 4) como el coste total del kilovatio hora producido, siendo:

Ce



Ct E



Pt  p  i  Pt  h  c Pt  h



pi c h

En el caso que se plantearan dos centrales con distintos costes fijos y variables las graficas podrían servir de estudio comparativo. Se suponen la central A y la central B, entre las cuales:

-

Coste fijo de la central A es mayor que el de la central B. 26


Ce

c h Gráfica PAG- 4 "Coste específico (Coste anual por kW producido) "

-

Coste variable de la central A es menos pronunciado que el de la central B, según aumentan las horas de funcionamiento h.

Si se representan las gráficas de ambas centrales existe un punto de corte que representa las horas de funcionamiento (h 0) donde ambas tienen los mismos costes CP y Ce.

Cp

hB cB h A c A

p A i A pB iB

h0

h

Gráfica PAG- 5 "Cálculo de las horas de funcionamiento"

Para calcular el valor de h 0 se igualan ambas expresiones del coste C P, obteniendo:

h0



p A  i A

 p B  iB CB  C A 27


El valor obtenido de h 0 representa el valor frontera hasta el cual o a partir del cual puede resultar más interesante, desde el punto de vista económico, una central u otra. En el caso anterior se tiene que para valores inferiores a h 0 resulta más rentable la central B, dado que el coste anual por kilovatio generado es menor. En cambio a partir de h0 es preferible la central A, tanto más cuanto más se aleje de dicho punto. Si en lugar de obtener h 0 mediante la igualdad de los costes C P, se hubiera obtenido mediante la igualdad de los costes C e, los resultados y el valor de h 0, hubieran sido los mismos. Ce

Central B Central A

h0

h

Gráfica PAG- 6 "Comparativa de centrales"

De todo lo tratado hasta ahora se pueden extraer las siguientes conclusiones: 

Cuanto mayor sea el factor de utilización "h", menor será el coste del kWh producido por la central (gráficas del coste C e).



Cuando el sistema de generación este compuesto de varias centrales, se podrán establecer ciertos criterios para optimizar la producción del kWh.

ASPECTOS TÉCNICOS Desde el punto de vista técnico, las centrales eléctricas cuentan con diversos tipos de grupo generador, los cuales se pueden estudiar atendiendo a las siguientes características: 28




Características estáticas, las cuales están relacionadas con la capacidad de producción, entre la potencia máxima y el mínimo técnico 1. Por ejemplo: -

Las centrales térmicas permiten el funcionamiento entre la potencia máxima y potencia de mínimo técnico.

-

Las centrales hidráulicas pueden ver afectadas su producción por las variaciones del salto o la disponibilidad de agua en la cuenca.



Características dinámicas, las cuales hacen referencia a la capacidad de variar el valor de la potencia producida para afrontar cambios o variaciones de carga. Serán mucho mayores en las centrales hidráulicas que en las térmicas o nucleares (en las térmicas se tiene una gran inercia en la caldera y complejo sistema de tuberías). Además, en las térmicas las variaciones de potencia producida producen dilataciones y expansiones con su correspondiente fatiga mecánica. Características dinámicas importantes son las siguientes: -

Duración de mantenimiento bien preventivo o por avería.

-

Tiempo de arranque mínimo, importante en situaciones de emergencia del sistema (las mejores son las de gas e hidraúlicas).

-

Estabilidad de regulación cuando aparecen desequilibrios entre la potencia generada y la potencia consumida.

Pero los aspectos técnicos, del tipo de generación empleada, también tienen repercusiones económicas, tal es el caso de: -

Las características del paro y puesta en marcha del grupo generador (calor desperdiciado y combustible utilizado).

1

El mínimo técnico se define como la termodinámico estable.

potencia necesaria para mantener el proceso

29


-

Coste de la fatiga de los materiales cuando, como se ha visto anteriormente, se producen variaciones en la potencia generada, en cortos espacios de tiempo.

Como planteamiento comparativo de las distintas centrales eléctricas, se presenta a continuación una valoración según los costes de instalación, combustible y energía producida para los distintos casos.



Coste instalación, el más significativo será el de las centrales nucleares, en oposición a las centrales térmicas de gas cuyo coste de instalación es mucho menor.



El coste del combustible es un valor muy fluctuante, así el coste de uranio, que en su día era significativamente económico, en la actualidad

se ha

incrementado notablemente. Del mismo modo tanto el gas como el petróleo están asociados a países de muy poca estabilidad política, con la consiguiente alteración de suministros y precio. Ahora bien, lo que sí se puede confirmar, es que en condiciones normales, el coste más económico es el del agua y las energías renovables como el viento, la mar, el calor del sol y de la tierra. 

El coste de energía producida en kWh, también es favorable a las centrales hidroeléctricas, estando entre las menos favorecidas las térmicas de gas y al día de hoy donde las tecnologías no son todavía las óptimas, las centrales de energías renovables.

En este aspecto cabe destacar la importancia que toma en el coste de la energía producida, el haber superado el coste de las instalaciones, previsto en la vida útil de la central, caso especialmente significativo en las centrales nucleares.

30


LA ENERGÍA EN ESPAÑA Y LA EFICIENCIA ENERGÉTICA En España, dada la falta de fuentes propias de materia prima del tipo al petróleo, gas, etc. se sufre una fuerte dependencia de terceros países en el abastecimiento energético, lo cual ocasiona una fuerte variación de precios en el mercado interno y con vistas a la exportación. Alrededor de la segunda mitad del siglo pasado se crearon las centrales hidroeléctricas y nucleares que existen en la actualidad y hasta hace muy poco tiempo, lo más significativo en España como materia prima energética era el agua y el carbón de las minas de Asturias y León. Actualmente, para cubrir el exceso de demanda energética, se está apostando por el gas como materia prima a importar de terceros (dado su menor impacto ambiental) y por la compra de energía eléctrica a países vecinos como Francia. Europa considera que España tiene un potencial importante en energía eólica y solar, animando y subvencionando su implantación. Por lo tanto, la ampliación de la generación eléctrica en España se fundamenta en la actualidad, en las centrales de turbinas de gas y en las energías renovables del tipo a la eólica, solar o las minicentrales hidroeléctricas. Algunas asociaciones del mundo energético, están animando a la construcción de centrales nucleares debido a que son, dentro de las no renovables las que, con referencia al impacto ambiental, menos contaminan, aunque por otro lado sean las que más seguridad y control requieran. Presentándolas, como están realizando en otros países como Gran Bretaña, las compañeras de las centrales renovables y así suplir la carencia de estas últimas para hacer frente a la potencia demandada, siendo además esta última, una generación variable incapaz de presentarse como una central del tipo base o principal. Por último, comentar que en España, se está impulsando la Eficiencia Energética, "La energía más segura en términos de suministro, más barata, y más respetuosa con el medio ambiente es aquella que no se consume".

31


La Eficiencia Energética debe ser una de las políticas clave para intentar conciliar las necesidades energéticas del mundo en desarrollo, que trata de impulsar el crecimiento y mejorar las condiciones de vida, con la necesidad de asegurar la sostenibilidad medioambiental. El Plan de Acción para la eficiencia energética se publicó en octubre de 2006 con el objetivo de introducir medidas concretas que ayuden a conseguir el 20% de ahorro en 2020 y mantener la posición de Europa como una de las regiones más competitivas y eficientes en el uso de la energía. El Plan de Acción plantea que la Eficiencia Energética debe controlar y reducir la demanda energética, para lo que se proponen acciones tanto en el lado de la demanda como en el de la oferta energética, incluyendo 10 acciones prioritarias:



Etiquetado de aparatos y equipos y normas mínimas de eficiencia energética.

Figura PAG- 1 "Categoría según su eficiencia energética", fuente [20]



Establecer requisitos de eficiencia y construir edificios de muy bajo consumo de energía («viviendas pasivas»).



Aumentar la eficiencia de la generación y distribución de electricidad.

32


La investigación en tecnologías de alta Eficiencia Energética y baja emisión de carbono constituye un mercado internacional que está cobrando importancia rápidamente y se espera que suponga miles de millones de euros en los próximos años. Europa debe velar por que sus industrias estén a la cabeza mundial en estas nuevas generaciones de tecnologías y procedimientos. El objetivo de esta iniciativa fue que el Libro Verde de Eficiencia Energética, y la dinámica posterior que pretendía crear, sirvieran para poner a la UE en vanguardia de los esfuerzos para hacer de la Eficiencia Energética una prioridad mundial.



Consumo eficiente del combustible de los vehículos.



Facilitar una financiación adecuada de las inversiones en Eficiencia Energética para pequeñas y medianas empresas y empresas de servicios energéticos.



Estimular la Eficiencia Energética en los nuevos Estados Miembros.



Uso coherente de los impuestos.



Sensibilización respecto a la Eficiencia Energética.



Eficiencia Energética en zonas urbanizadas.



Impulsar la Eficiencia Energética en todo el mundo.

La Eficiencia Energética debe buscarse en toda la cadena de valor del sector energético, desde la generación, pasando por el transporte y la distribución (lado de la oferta) hasta el consumo final realizado por los usuarios (lado de la demanda). En cada uno de estos eslabones existe un potencial de mejora y por ello se han establecido medidas y políticas para impulsar la eficiencia y lograr el mejor uso de la energía. En el lado de la oferta energética existe un gran potencial de ahorro a través del impulso al desarrollo de unas tecnologías más eficientes energéticamente y con las menores emisiones posibles en:

33




El transporte de la electricidad supone un 10% de pérdida de la energía producida en barras de central (2% para el transporte y 8% para la distribución).



La producción de electricidad supone unas pérdidas medias del orden de un 33%. El uso de centrales de ciclo combinado supone un incremento en los rendimientos de hasta el 60% frente al 40% que tradicionalmente se ha obtenido con la generación termoeléctrica.



La cogeneración tiene también un potencial importante. En 2006, sólo el 13% de la electricidad consumida en la UE se producía aprovechando esta posibilidad.

Para la elaboración del Plan de Acción, la Comisión Europea estudió una serie de medidas aplicables con el objetivo de fomentar Eficiencia Energética en el lado de la demanda, determinando el ahorro potencial de cada una de ellas: 

Requerimientos de eficiencia energética en productos, servicios y edificios.



Mayor información y servicios a los ciudadanos.



Medidas sobre el transporte.



La mejora del (0,1 %) de las pérdidas cuantificadas en (22.404 10 6 KWh), supondría que, los honorarios del 4 % por ingeniería se valorarían en: 0,001 x 22.404 10 6 KWh/año x 0,11248 Є/KWh x 0,04 = 100.800 Є/año →

8400 Є/mes. ¡¡¡ Un buen sueldo !!!

34

ENERGÍA EÓLICA

ENERGIA EÓLICA

La energía eólica tiene su origen en el sol, ya que este es el responsable de que se produzca el viento. Entre el 1 y el 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Si se aprovechara en su totalidad esto sería suficiente para abastecer cinco veces la necesidad energética mundial anual. Pero la tecnología actual solo permite aprovechar los vientos horizontales, próximos al suelo, siempre que su velocidad no sea demasiado elevada ni demasiado baja. Una central eólica convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica.

Figura EOL- 1 " Torres aerogeneradoras", aerogeneradoras", fuente [6]

Los aerogeneradores son los aparatos empleados para transformar la fuerza cinética del viento en electricidad. electricidad. El viento mueve un conjunto de aspas que van colocadas en el extremo superior de una torre a una determinada altura, más bien elevada para mejorar su rendimiento, debido a que a más altura, mayor velocidad del viento. La torre soporta las hélices y la góndola con el mecanismo y suele medir entre 40 y 60 metros lo que equivale a un edificio edificio de 15 plantas. 35

ENERGÍA EÓLICA

Se suelen colocar lejos de obstáculos como árboles o edificios que pueden crear turbulencias turbulencias en el aire. La mayoría de los generadores actuales son tripala ya que, al día de hoy, se ha demostrado que son los más eficientes debido a su menor rozamiento con el aire. El material de las palas más usual es la fibra de vidrio y el poliéster, lo que permite una significativa reducción de peso, aumento de su resistencia y disminución del ruido generado. Las palas se orientan y diseñan para optimizar el rendimiento o llegar a participar en la parada del sistema. También se las prepara para poder hacer frente a posibles problemas del tipo al de las sobretensiones atmosféricas.

En la "góndola" se encuentra el mecanismo rotor así como diversos aparatos de medición.

Figura EOL- 2 "Esquema de la góndola y accesorios", fuente [4]

Debido a la altura en la que se encuentra el generador y al rozamiento que el aire produce sobre éste, es conveniente que el equipo tenga una toma a tierra para evitar la electricidad estática. Del mismo modo se preparará la derivación a tierra del pararrayos ante una posible descarga atmosférica.

36

ENERGÍA EÓLICA

El anemómetro medirá la velocidad del aire asegurando el funcionamiento entre unos valores entre 5-20 m/sg.

Figura EOL- 3 "Esquema interno de la góndola", fuente [4]

Se denomina "Rotor" 2 al conjunto formado por las palas y el eje al que van unidas, a través de una pieza llamada buje. Una parte importante del sistema de transmisión es el "multiplicador de vueltas", que será el encargado de transmitir un número de revoluciones adecuado al generador, para el funcionamiento correcto de este 3. La máquina eléctrica encargada de la conversión de energía, tendrá acoplada a su salida un sistema eléctrico-electrónico de conversión, encargado de producir una señal eléctrica de buena calidad por debajo de 1 kV de alterna y preparada para la siguiente etapa de transformación. transformación. La señal obtenida será nuevamente tratada para su transmisión y acoplamiento a la red eléctrica, para lo cual se utiliza un transformador eléctrico situado, en la mayoría de los casos, en la base de la torre eólica, con los adecuados sistemas de seguridad y protección. 2

No confundir con el rotor de la máquina eléctrica, incluido en el aerogenerador y encargado de generar la energía eléctrica. 3

Últimamente se está estudiando la sustitución del multiplicador de vueltas por la utilización de la máquina eléctrica multipolar y así reducir las pérdidas energéticas asociadas.

37

ENERGÍA EÓLICA

Posteriormente se transportará a la subestación eléctrica eléctrica transformadora (Figura EOL4) si 4) si fuera necesario o la conexión con la red eléctrica próxima.

Figura EOL- 4 "Subestación eléctrica de una central eólica"

Dado el carácter aleatorio de la producción de energía eléctrica por vía eólica, las centrales de este tipo deben disponer de una fuente auxiliar para tener garantizado garantizado en todo momento el suministro de energía eléctrica en el centro de control. Normalmente, los aerogeneradores se instalan agrupados en parques eólicos para aprovechar mejor las posibilidades energéticas del lugar, reducir costes y evacuar la energía desde un solo punto y reducir así el impacto ambiental. Por lo general se suelen instalar en zonas de montaña aunque últimamente en muchos países (Norte de Europa) 4 se están instalando parques en el mar, frente a las costas, ya que pese a su coste más elevado, la fuerza del viento también es mayor. Dada la ubicación habitual de las centrales eólicas y el tamaño significativ o de las torres, de las aspas, etc. cobra suma importancia, el coste del transporte y colocación (cimentación (cimentación incluida) de los aerogeneradores, así como su conexión a la red eléctrica. De hecho en las ofertas de los proveedores siempre aparecen como "No incluidas".

4

La costa danesa y escandinava entre otras, posibilita la ubicación de este tipo de instalaciones dada la existencia de una plataforma continental más extensa que facilita la fijación de los aerogeneradores al fondo marino, siendo esta tarea una de las más problemáticas.

38

ENERGÍA EÓLICA

A continuación se presentan una serie de fotografías que aportan una idea de la magnitud de los elementos utilizados en la construcción de una torre aerogeneradora, así como de la dificultad de su transporte y necesidad de vías de acceso.

Figura EOL- 5 " Transporte especial, obra civil y presentación de torres eólicas", fuentes [58] [59] [ 60]

39

ENERGÍA EÓLICA

Posteriormente, se detallan las dimensiones habituales de las torres eólicas en relación con la potencia del aerogenerador 5.

Figura EOL- 6 "Dimensiones de los grupos aerogeneradores" fuente [19]

BENEFICIOS



No produce emisiones dañinas para el medio ambiente.



El parque eólico español evita la emisión de 9.000.000 de toneladas de CO 2 anuales.



Los parques eólicos son compatibles con otros usos (ganadería, agricultura,…)



En poco tiempo el aerogenerador recupera la energía gastada en su fabricación, instalación y mantenimiento.

5

Respecto a la relación dimensión-potencia mencionada cabe destacar el rápido avance tecnológico de la energía eólica y de su potencia generada para dimensiones cada vez menores.

40

ENERGÍA EÓLICA



Los aerogeneradores no requieren suministro de combustible por lo que son ideales para países en vías de desarrollo.



Su mantenimiento es escaso.

CRÍTICAS



Respecto al posible impacto medioambiental: o

Los aerogeneradores provocan un gran impacto paisajístico.

o

Las hélices pueden provocar daños en las aves que chocan con ellas.

o

Contaminación acústica generada por el giro de las turbinas.

o

Los parques se instalan a menudo en zonas salvajes o vírgenes que quedan modificadas por las obras de instalación.



Alteraciones en la calidad del sistema eléctrico.

ESTADISTICAS

Gráfica EOL- 1 "Evolución de la potencia eólica en España" fuente [17]

41

ENERGÍA EÓLICA

42

"

ENERGIAS ALTERNATIVAS "EL HIERRO"

El nuevo planteamiento energético que se desea desarrollar en la isla de "El Hierro" del archipiélago canario, está fundamentado en una combinación de tecnologías de energías renovables que aporten autonomía a la demanda de energía eléctrica y así se sustituye el difícil abastecimiento eléctrico que significa el suministro a una isla alejada del continente.

Figura HIE- 1 "Descripción del plan energético de El Hierro", fuente: Suplemento XLSEMANAL nº 1.068.

El diseño del nuevo suministrador consistirá en las siguientes partes:



Planta desaladora: instalada junto a la playa, la cual se encargará de eliminar la sal del agua marina para imposibilitar su entrada en el circuito de la central y así evitar la corrosión de los distintos mecanismos.

43

"



Depósito de almacenamiento inferior: provisto de un volumen de 225.000 m 3. Aquí, el agua desalada será acumulada hasta que llegue un momento de superávit energético, momento el cual la e lectricidad será utilizada para bombear agua hacia el depósito superior.



Central de bombeo: se encarga de bombear del depósito inferior al superior.



Depósito superior o embalse: con un volumen de 500.000 m 3, previsto para cubrir la demanda de la población estimada para el año 2030. El salto de agua aprovechable es de unos 682 metros.



Central hidro-eólica: una central de 9,9 MW de potencia. Se calcula que el agua acumulada en el depósito superior genera electricidad necesaria para una semana. A partir de esta semana si fuera necesario se pondría en funcionamiento la central diesel convencional.



Parque eólico: instalación no muy grande provista inicialmente de una decena de aerogeneradores que ofrecen una potencia conjunta de 10 MW, potencia que en un principio se considera suficiente.



Central diesel: con una potencia de 11,36 MW, abastece en la actualidad la demanda eléctrica de la isla. Cuando el sistema “limpio y renovable” comience a

funcionar, quedará relegada a una central de punta o de emergencia (si no hay viento, ni agua en el depósito superior, se activará).

44

ENERGÍA SOLAR

LA ENERGÍA SOLAR

El Sol es una esfera gaseosa, formada fundamentalmente por helio, hidrógeno y carbono. Su masa es del orden de 330.000 veces la de la Tierra. Se estima su edad en unos 6.000 millones de años y en la misma magnitud se calcula su probable duración de vida. A escala humana, su radiación puede considerarse prácticamente inagotable. En el seno del Sol se producen continuas reacciones nucleares de fusión en las que el hidrógeno se transforma en helio, liberándose en esta reacción nuclear la correspondiente cantidad de energía. Por tanto, el Sol se comporta como un reactor nuclear que “quema” masa y la convierte en energía de acuerdo con la fórmula E=mc 2.

Una parte de ella se recoge en la cara iluminada de la Tierra, a la cual llega en forma de radiación. La radiación solar es casi fija en el exterior de la atmósfera terrestre. Se llama constante solar y vale I=1.350 W/m 2. No toda esta energía llega a la superficie terrestre, ya que al atravesar la atmósfera pierde intensidad debido a la absorción, difusión y reflexión por acción de los gases, vapor de agua y partículas en suspensión que tiene nuestra capa atmosférica.

Figura SOL- 1 "Filtraje de la radiación solar en W/m2 y porcentaje", fuente [4]

45

ENERGÍA SOLAR

Por tanto, la radiación global que recibe la Tierra del Sol, se divide en: -

Radiación directa, que es la que atraviesa la atmósfera sin sufrir cambio alguno la dirección.

-

Radiación dispersa o difusa que es la recibida después de los fenómenos de reflexión y difusión.

La energía solar que finalmente llega a la Tierra en forma de radiaciones es enorme, aunque su densidad media a lo largo del año es baja: un promedio de unos 100 W/m 2 en la zona Norte de Europa, y de unos 200 W/m 2 en el sur de nuestro continente. Por tanto, este recurso energético en España es importante. A título únicamente anecdótico, podría decirse que la energía eléctrica total consumida en un año en la Península equivaldría a la energía solar que se recibe en un área de 2.000 Km 2. Sin embargo, el carácter aleatorio y muy disperso de esta energía tiene numerosas limitaciones a la hora de su aprovechamiento.

Figura SOL- 2 "Mapa de líneas isoenergéticas solares (KWh anuales por m2 de superficie)", fuente [4]

46

ENERGÍA SOLAR

En el gráfico adjunto se refleja un mapa de España con las líneas iso-energéticas solares6, y en donde se pueden apreciar los valores medios registrados en nuestra geografía. En la actualidad existen dos vías principales de aprovechamiento de la energía solar, la energía térmica y la energía fotovoltaica.

ENERGIA SOLAR TERMICA El aprovechamiento de la energía solar térmica consiste en utilizar la radiación del Sol para calentar un fluido que, en función de su temperatura, se emplea para producir agua caliente, vapor o energía eléctrica. Tiene así lugar una absorción de energía solar y su transformación en calor. Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar por vía térmica se suelen dividir en tres grupos: 1. Sistemas de utilización de energía solar a baja temperatura, en los que el calentamiento del agua se produce por debajo de su punto de ebullición, es decir, de 100 ºC. La mayor parte de los equipos basados en esta tecnología se aplican a la producción de agua caliente sanitaria y a climatización.

Figura SOL- 3 "Edificio dotado con placas solares", fuente [12]

6

Definidas como las líneas con igual radiación solar.

47

ENERGÍA SOLAR

Para estas temperaturas se utilizan como equipos de captación los llamados "colectores planos solares", que son instalaciones muy sencillas que se sitúan en los tejados de los edificios o en lugares despejados, de forma que puedan recibir las radiaciones solares directamente y transmitirlas en forma de calor a un fluido (Figura SOL- 3). Estos paneles constan, fundamentalmente, de los siguientes elementos (Figura SOL- 4): -

Una superficie captadora de la radiación solar que está constituida, normalmente, por un material metálico de color negro (para temperatura <50º C pueden utilizarse plásticos). Los objetivos son: absorber la máxima radiación solar, convirtiéndola en energía térmica con el mayor rendimiento posible, y transferir la mayor cantidad de calor posible al f luido portador.

-

Un circuito por donde circula el fluido capaz de transferir el calor captado. Suele ser líquido o gas.

-

Una cubierta transparente y protectora.

-

Un aislante térmico y una caja protectora para adaptarse al resto de la instalación.

Figura SOL- 4 "Componentes de una placa solar", fuente [4]

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ENERGÍA SOLAR

Figura SOL- 5 "Esquema de funcionamiento de energía solar para agua sanitaria", fuente [11]

Empleando unos colectores de luz que se instalan sobre el tejado de las casas, es posible calentar agua y dotar de agua caliente sanitaria ACS a la vivienda.

Figura SOL- 6 "Versión SCP vacío para agua caliente sanitaria", fuente [11]

En el hemisferio norte se orientan hacia el sur y en el hemisferio sur hacia el norte. 2. Sistemas de utilización de energía solar a media temperatura que se emplean en aquellas aplicaciones que requieren temperaturas de entre 100 ºC y 300 ºC para

49

ENERGÍA SOLAR

calefacción, para proporcionar calor en procesos industriales, suministro de vapor, etc. Se realiza con los llamados "colectores de concentración". 3. Sistemas de utilización de energía solar a alta temperatura que se aplican, entre otros usos, en climatización, producción de vapor para uso directo y producción de energía eléctrica en centrales termosolares, alternativa que requiere temperaturas superiores a los 250 ºC – 300ºC. En este caso, los requisitos de concentración de la radiación solar son superiores a los que se obtienen con los procedimientos de media temperatura. Estos sistemas permiten conseguir temperaturas superiores, incluso, a los 2.000ºC (Hornos solares).

CENTRAL TERMOSOLAR Una Central Termosolar es una instalación que permite el aprovechamiento de la energía del sol para la producción de electricidad. Tiene un ciclo térmico semejante al de las centrales termoeléctricas convencionales: la energía calorífica que se produce en un determinado foco es transformada en energía mecánica mediante una turbina y, posteriormente, en energía eléctrica mediante un alternador. La única diferencia es que mientras en las centrales termoeléctricas convencionales el foco calorífico se consigue por medio de la combustión de una fuente fósil de energía (carbón, gas, fuel óleo), en las solares, el foco calorífico se obtiene mediante la acción de la radiación solar que incide sobre un fluido. Hay diversos esquemas de centrales termosolares. Entre los tipos desarrollados de mayor interés, cabe mencionar, especialmente, las centrales de tipo torre central y las de colectores distribuidos. -

Las centrales de tipo torre central disponen de un conjunto de helióstatos (espejos) direccionales de grandes dimensiones que concentran la radiación solar en un punto, la caldera, y el calor es transferido a un fluido (agua u otros) que circula por la misma. La caldera suele estar situada en una torre de gran altura. La temperatura del fluido debe ser la precisa para producir vapor de agua en un intercambiador de calor, comenzando así un ciclo convencional de agua/vapor. 50

ENERGÍA SOLAR

La posibilidad de direccionamiento del espejo, vista en el helióstato, para mejorar la captación de los rayos solares, ha encontrado su aplicación en la mejora del rendimiento del panel solar convencional (Figura SOL- 7).

Figura SOL- 7 "Panel y orientador solar", fuente [9]

-

Las centrales de colectores distribuidos están formadas, en esencia, por un conjunto de espejos cilíndrico-parabólicos que concentran la radiación sobre su eje focal.

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ENERGÍA SOLAR

Dicho eje se encuentra recorrido por un tubo colector por el que circula un fluido térmico (generalmente aceites minerales) que a su paso por cada colector, aumenta gradualmente su temperatura hasta alcanzar la necesaria para producir valor de agua en una serie de intercambiadores de calor, tal como que ocurre con las centrales térmicas. El vapor que de esta forma se genera acciona un grupo turbo-generador convencional para producir energía eléctrica.

Figura SOL- 8 "Colectores distribuidos", fuente [10]

La central expuesta utiliza la tecnología de cilindros parabólicos (comentada anteriormente), muy avanzada tecnológicamente. En ella el fluido que circula por el tubo, es calentado a unos 400ºC y utilizado para producir vapor a 370ºC y 100 bares de presión, cuya misión será la de mover una turbina. La estructura de la central de cilindros parabólicos y su esquema se detallan a continuación (Figura SOL-9).

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ENERGÍA SOLAR

Figura SOL- 9 Esquema de una central solar de colectores distribuidos", fuente [10]

En la fotografía siguiente (Figura SOL- 10) se percibe la gran extensión que puede precisar una central solar.

Figura SOL- 10 "Central, NevadaSolar One", fuente [10]

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ENERGÍA SOLAR

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TERMOSOLAR

Hay diversos esquemas de centrales termosolares. Entre los tipos desarrollados de mayor interés se pueden mencionar las centrales de tipo torre central y las centrales de colectores distribuidos. A continuación se detalla un esquema de funcionamiento de una central termosolar del tipo torre central (Figura SOL- 11). Una central de este tipo, está formada por un campo de helióstatos (1) o espejos direccionales de grandes dimensiones, que reflejan la luz del sol y concentran los haces reflejados en una caldera (2) situada sobre una torre (3) de gran altura. En la caldera, el aporte calorífico de la radiación solar reflejada es absorbido por un fluido térmico (sales fundidas, agua u otros). Dicho fluido es conducido hacia un generador de vapor (5), donde transfiere su calor a un segundo fluido, generalmente agua, el cual es convertido así en vapor.

Figura SOL- 11 "Esquema de funcionamiento de una central termosolar tipo torre", fuente [2]

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ENERGÍA SOLAR

A partir de este momento el funcionamiento de la central es análogo al de una central térmica convencional. Por tanto, este vapor es conducido a una turbina (6) donde la energía del vapor es convertida en energía mecánica rotatoria que permite al generador (7) producir electricidad. El fluido es posteriormente licuado en un condensador (8) para repetir el ciclo. Como la producción de una central solar depende en gran medida de las horas de insolación, para aumentar y estabilizar su producción, suele disponerse de sistemas de almacenamiento térmico o sistemas de apoyo (4) intercalados en el circuito de calentamiento. La energía producida, después de ser elevada su tensión en los transformadores (9), es transportada mediante las líneas de transporte eléctricas (10) a la red general del sistema. El desarrollo de este tipo de centrales se enfrenta a varias limitaciones: económicas, por la necesidad de competir con otras centrales cuando sus costes son todavía excesivamente altos; tecnológicas, derivadas de la necesidad de superar problemas tales como la mejora de la eficiencia de los sistemas de concentración y almacenamiento; tienen, finalmente, una importante variabilidad en la disponibilidad de la radiación solar, ya que están sometidas a los ciclos día/noche y a las incertidumbres meteorológicas.

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA El aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica se realiza a través de la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante el llamado efecto fotovoltaico. Esta transformación se lleva a cabo mediante “células solares” que están fabricadas con materiales semiconductores (por ejemplo, silicio) que generan electricidad cuando incide sobre ellos la radiación solar. Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar por vía fotovoltaica permiten la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante células fotovoltaicas. Estas células, construidas con un material semiconductor (silicio, cadmio, galio, etc.) hacen posible la producción de electricidad directamente a partir de la radiación luminosa en virtud del efecto fotovoltaico.

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ENERGÍA SOLAR

Figura SOL- 12 "Partes de una placa fotovoltaica", fuente [4]

Cuando el sol ilumina la célula, la energía de radiación provoca una corriente eléctrica en el interior de la misma, generando una fuerza electromotriz entre dos electrodos adosados, respectivamente, a cada capa de la célula.

Figura SOL- 13 "Esquema interno de una placa fotovoltaica", fuente [4]

Sin embargo, la tensión eléctrica entre los bornes de la célula es de sólo unos 0,58 Voltios para una radiación luminosa de aproximadamente 1 kW/m 2. Esta tensión es, en general, poco útil, por lo que se suele recurrir a conectar en serie un número determinado de células del mismo tipo. Así, para la intensidad de radiación indicada anteriormente, 36 células forman lo que se llama un “módulo fotovoltaico” y la tensión generada es de unos 18 Voltios, tensión suficiente para su aprovechamiento comercial.

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ENERGÍA SOLAR

Un aspecto positivo a tener en cuenta es la abundancia del silicio en nuestro planeta, aunque el coste de su fusión a precios aceptables es un reto que tiene actualmente esta tecnología para hacerla competitiva. Otro reto es una mejora en la eficiencia de las células fotovoltaicas, hasta conseguir cifras del orden del 18 -20%.

Figura SOL- 14 "Instalación fotovoltaica para un hogar", fuente [4]

Actualmente no es viable económicamente la producción de electricidad en grandes cantidades por la vía fotovoltaica, habiéndose comenzado a ser aplicada con buenos resultados en instalaciones de baja potencia para pequeños suministros, sobre todo en puntos de consumo aislados de la red general de distribución eléctrica.

Figura SOL- 15 "Farola solar", fuente [40]

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ENERGÍA SOLAR

Así, por ejemplo, en el alumbrado rural (señalización, bombas de agua, etc.), en telecomunicaciones (repetidores, radioteléfonos, radiobalizas), etc. No obstante, existen también en España y en otros países europeos, instalaciones conectadas a la red de distribución, contribuyendo con ello a una reducción sustancial de sus costes. En concreto, en España, que es un país puntero en el desarrollo de esta tecnología, la industria fotovoltaica está recibiendo un fuerte impulso por el establecimiento legal de una prima alta, con la cual el gobierno ayuda económicamente a este tipo de producción eléctrica. En estos sistemas conectados a la red de distribución eléctrica, un elemento fundamental desde el punto de vista económico es el inversor, que convierte en corriente alterna la corriente continua generada en los paneles fotovoltaicos.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL FOTOVOLTAICA

En España, y en otros países europeos, existen instalaciones conectadas a la red eléctrica de distribución. En estos sistemas un elemento fundamental es, lógicamente, el inversor, que convierte la corriente continua generada en los paneles fotovoltaicos en corriente alterna, para poder evacuar la corriente eléctrica producida. Un esquema de funcionamiento de una central fotovoltaica puede resumirse de la forma presentada en la siguiente figura (Figura SOL- 16). El elemento básico de una central fotovoltaica es el conjunto de células fotovoltaicas, que captan la energía solar, transformándola en corriente eléctrica continua mediante el efecto fotoeléctrico. Están integradas, primero, en módulos y luego se forman con ellos los paneles fotovoltaicos (1). Lógicamente, la producción de electricidad de dichas células depende de las condiciones meteorológicas existentes en cada momento, (fundamentalmente de la insolación). Dichas condiciones son medidas y analizadas con la ayuda de una torre meteorológica (2). Como la energía eléctrica que circula por la red de transporte lo hace en forma de corriente alterna, la corriente continua generada en los paneles solares debe ser transformada a corriente alterna. Es conducida, entonces, primeramente a un armario

58

ENERGÍA SOLAR

de corriente continua (4), para ser convertida en corriente alterna por medio de un inversor (5) y ser finalmente transportada a un armario de corriente alterna (6).

Figura SOL- 16 "Esquema de funcionamiento de una central fotovoltaica", fuente [2]

Posteriormente, la energía eléctrica producida pasa por un centro de transformación (7) donde se adapta a las condiciones de intensidad y tensión de las líneas de transporte (8) para su utilización en los centros de consumo. El funcionamiento de todos los equipos de la central se supervisa desde la sala de control (3), en la que se recibe información de los distintos sistemas de la instalación: torre meteorológica, inversor, armarios de corriente continua y alterna, centro de transformación, etc.

ACTUALIDAD DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAÍCA En la actualidad y como en todas las tecnologías de reciente aparición, están apareciendo problemáticas con el perfecto estado y prestaciones de las placas solares fotovoltaicas, que en un principio se estiman para una vida útil de 25 años. A parte de los conocidos fenómenos atmosféricos (granizadas de cierta magnitud), donde algunas compañías aseguradoras se mantienen al margen, se encuentran los referidos al proceso de fabricación. 59

ENERGÍA SOLAR

Cuando se intenta rebajar el precio de venta para animar a la utilización, muchas veces se recurre al cambio de materiales en la fabricación de los elementos o dispositivos, en otros casos, como se ha comentado anteriormente, la inexperiencia en su utilización obliga a cambios constructivos. En el caso de las placas fotovoltaicas se comprueba que con el paso del tiempo, en algunos modelos se amarillean tanto las células como los materiales, además mediante la comprobación de termografías, se detectan puntos calientes en su extensión, presentando diferencias térmicas considerables, que pueden llegar a dañar las cajas de las celdas. Estas observaciones conllevan a realizar unas previsiones pesimistas del rendimiento productivo de la placa y de su vida útil. Por lo tanto, técnicamente se están implantando en la fabricación de las placas fotovoltaicas, ciertas mejoras entre las que se encuentran, la utilización de cajas de aluminio en sustitución de las de plástico y disipadores de calor para la protección de las celdas y por otro lado la mejora de calidad en el resto de los materiales que componen la estructura.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LAS CENTRALES SOLARES

Desde el punto de vista medioambiental, la producción de electricidad a partir de este tipo de sistemas no genera ningún tipo de emisiones atmosféricas, no produce vertidos líquidos y evita el uso de combustibles fósiles. No obstante, las grandes centrales termosolares pueden dar lugar a impactos importantes sobre el paisaje y precisan de grandes superficies para los helióstatos, por lo que podrían provocar, en algunas ocasiones, conflictos con otros usos del suelo. Debe tenerse en cuenta que la instalación de 1 kW de potencia exige la ocupación entre 6 y 10 m 2 de superficie.

60

ENERGÍA DEL MAR

ENERGÍA DEL MAR

El mar se puede aprovechar como una fuente de energía eléctrica, según el Barómetro de Eurobserv'er, principalmente de cinco maneras:



Aprovechando la diferencia de alturas ocasionadas entre la bajamar y la pleamar (Energía mareomotriz).



Utilizando el movimiento de las olas del mar (Energía de las olas).



Beneficiándose de las corrientes marinas (Energía de las corrientes marinas).



Mediante el gradiente térmico de las aguas del mar a distintas profundidades.



Por último, gracias a la distinta concentración salina habida en distintas zonas marinas, como por ejemplo en un estuario.

La primera, la Energía Mareomotriz, es la que en la actualidad participa con la mayor generación eléctrica, siendo las dos últimas, mediante el gradiente térmico y por presión osmótica las que menos contribuyen.

ENERGÍA MAREOMOTRIZ El ascenso y descenso de las mareas es producido por las acciones gravitatorias del sol y de la luna. La variación entre la marea baja y la marea alta, se da en un periodo aproximado de 12 horas y 30 minutos. El nivel de la superficie del mar puede variar entre 2 y 15 metros entre la bajamar y la pleamar. La instalación de una central mareomotriz solo es posible en lugares con una diferencia de al menos 5 metros entre la marea baja y la alta. Hay pocos puntos en el globo donde ocurre este fenómeno (Figura MAR- 1). La ubicación ideal para instalar una central mareomotriz es un estuario, una bahía o una ría donde el agua del mar penetre, ya que se ha de construir un dique y la bocana debe ser estrecha para que la construcción sea viable (Figura MAR- 2).

61

ENERGÍA DEL MAR

Figura MAR- 1 "Principales lugares para el aprovechamiento de la energía del mar", fuente [4]

Figura MAR- 2 "Situación óptima para la ubicación", fuente [4]

El dique deja pasar el agua para permitir el aumento del nivel de la superficie y posteriormente es cerrado creando un depósito estanco.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL MAREOMOTRIZ Siguiendo el esquema de funcionamiento de la Figura MAR- 3, se puede representar de la siguiente manera:



En un principio con las compuertas abiertas se permite la subida del nivel del mar. Cuando este nivel ha llegado a su máximo valor, las compuertas se cerrarán.



Con las compuertas cerradas el nivel del mar desciende hasta llegar a la máxima diferencia de alturas en ambos lados del dique. 62

ENERGÍA DEL MAR

Figura MAR- 3 "Esquema de funcionamiento de una central mareomotriz", fuente [4]



Llegado a ese punto se facilitará el paso del agua a través de las turbinas, aprovechando su energía y transformándola en energía eléctrica.

Figura MAR- 4 "Ubicación de la turbina", fuente [4]

Un ejemplo de este tipo de aprovechamiento se encuentra en Francia, "La Central Mareomotriz de Rance" (Figura MAR- 5),

puesta en servicio en 1966 con una

generación de 240MW de potencia, poco menos del 90% de la energía marina total generada en Europa.

63

ENERGÍA DEL MAR

Figura MAR- 5 "La central mareomotriz de Rance (Francia)", fuente [5]

La central de Rance se realizó, construyendo un dique que cierra la entrada del estuario y a través de una esclusa, permite la comunicación de este con el mar, asegurando además la navegación por su interior.

ENERGIA DE LAS OLAS Consiste en el aprovechamiento de la oscilación y de la fuerza de las olas. Por un lado se emplean una serie de construcciones en la línea de la costa diseñadas para aprovechar el movimiento del oleaje y generar electricidad.

Figura MAR- 6 "Construcción en la costa", fuente [4]

64

ENERGÍA DEL MAR

Figura MAR- 7 "Esquema interno", fuente [4]

El empuje generado por las olas es aprovechado, canalizando el agua y el aire desplazado por ellas, para mover unas turbinas que permitan la generación de energía eléctrica. A la hora de elegir la turbina ésta debe tener las palas simétricas para que gire en una única dirección al aumentar y disminuir la presión en la cámara de aire. La estructura (hormigón) es sólida y resistente a la notable corrosión del mar. En la actualidad, se encuentra en fase avanzada el proyecto de construcción de una central de este tipo, en el nuevo puerto de Mutriku (Guipúzcoa) con una potencia de 480 kW.

Figura MAR- 8 "Pelamis Wave Power", fuente [13]

65

ENERGÍA DEL MAR

Otra manera, de obtener energía eléctrica a partir de las olas, es a partir de su movimiento ondulatorio y su correspondiente variación de altura en la superficie. Un sistema de este tipo es el denominado "Pelamis" (Figura MAR- 8) el cual consiste en la unión de varios brazos cilíndricos, unidos por unas articulaciones, que permiten la flexión en sentido vertical y horizontal y así poder acompañar la forma de la ola en su movimiento. Al tiempo de permitir la flexión, las articulaciones en su movimiento accionan unos sistemas hidráulicos para generar electricidad.

Figura MAR- 9 "Disposición de Pelamis y su colocación", fuente [13]

Las dimensiones del Pelamis están del orden de 50 m largo x 3,5 m diámetro. Un instalación de tres Pelamis (750 kW/und.), con proyecto de ampliación (en 10 unidades), se encuentra en Portugal "Central de Aguçadoura", situada a 5 Km. de la costa norte portuguesa, promovida por Enersis (principal promotor de energías renovables en Portugal) junto con Ocean Power Energy (OPD). Existen sistemas del tipo boya (Figura MAR- 10), formado principalmente por dos partes. Uno de las partes permanece fija, la otro parte que es móvil, y se desplaza sobre la anterior, se mueve verticalmente siguiendo, en todo momento, el nivel de la superficie de las olas.

66

ENERGÍA DEL MAR

Figura MAR- 10 "Tipo boya utilizada en Santoña (Cantabria) y esquema funcionamiento", fuente [14]

De tal forma, que la parte móvil se eleva y descienda sobre una estructura similar a un pistón, donde se instala una bomba hidráulica. El fluido entra y sale de la bomba con el movimiento e impulsa un generador que produce energía eléctrica. La generación, tratamiento y transporte de la energía se desglosa en el siguiente esquema.

BOYA

Olas

Movimiento vertical flotador

Línea eléctrica submarina

Bomba Hidráulica

Generador trifásico

Rectificador AC/DC

Equipamiento terrestre

- Transmisión eléctrica

- Ondulación DC/AC

- Comunicación

- Transformación

RED ELECTRICA

Figura MAR- 11 "Principio de funcionamiento tipo boya", fuente [15]

En el caso particular de la central generadora de Santoña (España) se pretende llegar a suministrar 1,2 MW de potencia con la instalación de un total de nueve boyas, siendo la primera en instalar capaz de generar 40 kW . 67

ENERGÍA DEL MAR

La central generadora de Santoña finalmente se diseño realizando una transmisión eléctrica en corriente alterna desde la boya (primera en instalar) hasta un centro de transformación submarino 7.

ENERGÍA DE LAS CORRIENTES MARINAS Otra forma de beneficiarse de la energía del mar, es el aprovechamiento del movimiento de las significativas masas de agua que forman las corrientes marinas. Las centrales consisten en molinos marinos del tipo al de la Figura MAR- 12, que aprovechan dichas corrientes.

Figura MAR- 12 "Tipo boya utilizada y central Lynmouth ", fuente [5]

Una instalación de este tipo, se encuentra a tres kilómetros de la costa de Lynmouth, en el Reino Unido. Es el más potente del mundo (300 kW). Para cimentar este ingenio fue preciso ahondar quince metros en el lecho marino. Ha comenzado a operar a mediados de 2003.

7

El centro de transformación submarino, preparado para la conexión del total de las ocho boyas, consiste en una estructura metálica con el correspondiente blindaje y aislamiento de los elementos internos y conexiones externas. Estos elementos formarán una etapa de elevación de la tensión hasta valores recomendables (del orden de 12 kV) para su transporte por línea submarina hasta el punto de la costa más adecuado.

68

ENERGÍA DEL MAR

Los países europeos con más empeño en esta tecnología son Irlanda del Norte, País de Gales y Francia.

ENERGÍAS TÉRMICA Y OSMÓTICA DEL MAR La diferencia de temperatura entre las aguas superficiales y las del fondo es resultado del grado de penetración del calor solar en el agua del mar (un litro de agua de mar contiene 35 gramos de sales). Así, en la superficie, la temperatura puede superar holgadamente los 20ºC mientras que, en el fondo, esta oscila entre 0 y 7 grados. En las zonas tropicales próximas al Ecuador y con profundidades superiores a 500 metros la diferencia de temperaturas puede alcanzar los 25ºC. En Japón y Hawái existen proyectos avanzados del orden de 5 MW. En Noruega se encuentra una instalación basada en el cambio de salinidad en un estuario realizado por la empresa STARKAFT, de potencia 2-4 MW. Ambas tecnologías se encuentran en fase de investigación para su optimización y desarrollo, siendo en la actualidad las menos utilizadas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA MARINA Como ventajas se encuentran: -

Como fuente renovable, la Mar, ocupa un 70% de la superficie terrestre.

-

Es una fuente renovable de energía, no contaminante y silenciosa.

-

Disponible en cualquier época del año y en cualquier clima.

Y como desventajas: -

Depende de la amplitud de las mareas.

69

ENERGÍA DEL MAR

-

Impacto sobre la fauna y flora, especialmente en el caso de la energía mareomotriz.

-

Potencia limitada.

-

Se encuentran en contacto permanente con uno de los agentes más corrosivos que existen, el agua de mar.

-

Alto costo de transporte, mantenimiento, reparación e instalación.

70

ENERGÍA GEOTÉRMICA

ENERGIA GEOTÉRMICA La energía geotérmica aprovecha el calor acumulado en la corteza terrestre.

Figura GEO- 1 "Distintas capas de la tierra y su temperatura", fuente [4]

Los yacimientos geotérmicos se dividen en tres categorías, de alta, media y baja temperatura. Las dos primeras categorías, poco frecuentes, se utilizan para la conversión de la energía geotérmica en energía eléctrica. Las principales aplicaciones de los yacimientos de tercera categoría se encuentran en el sector residencial e industrial, como son el suministro de calor a sistemas de calefacción o de agua caliente (Captadores geotérmicos). En la actualidad, para los yacimientos geotérmicos de alta y media temperatura, la tecnología no permite la extracción del calor directamente sino que precisa de la existencia de algún fluido en la proximidad a la zona cálida que permita el intercambio o el accionamiento en la superficie . Su hallazgo es harto complicado, encontrándose principalmente en zonas de reciente actividad volcánica o sísmica.

71


El funcionamiento de una planta geotermal se describe en la siguiente figura:

Figura GEO- 2 "Funcionamiento de una planta geotermal", fuente [4]

Las plantas geotérmicas tienen la ventaja de no producir ningún tipo de combustión como sí lo hacen las de petróleo y las de carbón. El inconveniente que tiene este tipo de energía es que el agua caliente extraída del subsuelo es liberada en la superficie contaminando térmicamente los ecosistemas, al aumentar su temperatura natural.

CAPTADORES GEOTERMICOS La posibilidad de aprovechar la energía geotérmica, a poca profundidad, se consigue mediante los captadores geotérmicos.



CAPTADOR HORIZONTAL

Esta solución se recomienda en caso de no querer realizar una perforación, por cualquier motivo. La transferencia de energía se produce a través de un circuito de

72


tubos que se entierran en el terreno, a 1,2 – 1,5 m. de profundidad. De igual forma la transferencia de calor se hace por medio de un fluido portador de calor.

Figura GEO- 3 "Captador geotérmico horizontal", fuente [16]



CAPTADOR VERTICAL

Esta solución es la más utilizada. Para esto se realiza una perforación de 110 – 140 mm. de diámetro y 50 - 100 m. de profundidad. Luego, se coloca una sonda (de 2 o 4 tubos) para el intercambio de calor mediante la circulación de un fluido portador de calor.

Figura GEO- 4 "Captador geotérmico vertical", fuente [16]

73


CAPTADOR VERTICAL

CAPTADOR HORIZONTAL

Constante durante todo el año

Ligeramente Variable en el año

Requerimiento del suelo

Mínimo

Alto

Impacto sobre el terreno

Mínimo

Alto

Libre

Limitado

Muy buena

Buena

Muy bajo

Bajo

1 m / 0,75-1 m2 perforación / área suelo radiante

1 m2 / 1,5-2 m2 área suelo radiante / área terreno

Mayor

Menor Aprox. 50% del captador Vertical

Temperatura del suelo

Uso del terreno en el futuro Transmisión de la energía Consumo de energía eléctrica Relación de cálculo (referencia) Costes de instalación

Tabla GEO- 1 "Comparativa de captadores geotérmicos", f uente [16]

74

BIOMASA

BIOMASA

MASA BIOLÓGICA →

CANTIDAD DE MATERIA VIVA

La biomasa es el proceso de transformación que sufre la materia orgánica de origen animal o vegetal. Por medio de este proceso, que puede hacerse de forma natural o artificial, se generan subproductos que no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de productos de mercado, pero pueden utilizarse como combustible.

Según la procedencia de la materia se puede desarrollar la clasificación mostrada en el siguiente esquema,

Biomasa Natural

Podas

Biomasa Residual

Agrícola Ganadero

Urbano

Agrícola Ganadero Excrementos Podas frutales

Biomasa Cultivos

Industrial

Plásticos Aceites Materia Prima

Serrín

Cultivos orientados a la producción de biocombustible: Maíz, Cáñamo, Arroz,

Aguas Residuales

Esquema BIO- 1 "Clasificación según la procedencia de la materia"

Se denomina "Biomasa residual" al proceso destinado a transformar residuos con la posibilidad de generar energía.

75

BIOMASA

-

Residuos agrícolas y forestales. Cultivos energéticos.

-

Residuos de animales.

-

Residuos de industrias agrícolas y forestales.

-

Residuos sólidos urbanos. Aguas residuales.

Figura BIO- 1 "Biomasa residual", fuente [41]

Otra clasificación se encuentra al diferenciar los procesos y los productos generados: -

Combustión: producción de calor.

-

Gasificación: combustión incompleta con poco oxígeno (Se obtiene gas pobre).

-

Pirolisis: combustión a altas temperaturas y ausencia total de oxigeno, obteniéndose carbón, alquitrán, combustible gaseoso,…

-

Procesos bioquímicos y químicos: obtención de biocombustible .

Normalmente el término "Biomasa" estará referido a la obtención de combustible. Biocombustible será el combustible energético obtenido directa o indirectamente de recursos biológicos y sus características serán: -

Tendrá 1/3 del valor energético del combustible fósil.

-

Sus aplicaciones serán en motores de poca potencia y bajo rendimiento. 76

BIOMASA

-

Su utilización es muy reciente por lo cual tanto la recogida de la materia como la distribución del biocombustible es deficitaria.

-

No emite ni CO ni CO 2 (contaminación y efecto invernadero).

-

Tampoco dióxido de azufre (lluvia ácida).

PROCESOS INDUSTRIALES



PROCESO DE COMBUSTIÓN

Empleada tanto en generación de calor como en calor de proceso (vapor). Se utilizan residuos y algún cultivo energético.

Figura BIO- 2 "Caldera de biomasa", fuente [42]

Este tipo de caldera esta preparada para la problemática generación de cenizas que aparece en la combustión de la biomasa.



PROCESO DE GASIFICACIÓN

Proceso de oxidación parcial (presencia de oxígeno controlada) que transforma la materia orgánica en productos gaseosos. 77

BIOMASA

Gasificación

Biomasa con cierto grado de humedad

Biomasa con bajo grado de humedad

O2 (controlado)

Aire

Gas medio

Gas pobre Combustión

Motor de combustión

Energía mecánica / eléctrica

Calor

Vapor

Motor

Energía mecánica / eléctrica

Esquema BIO- 2 "Procesos de gasificación"



PROCESOS BIOQUÍMICOS Y QUÍMICOS

Dentro de los procesos bioquímicos se encuentran: -

Digestión Anaerobia, la cual consiste en la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Se consigue un gas combustible (biogás) y un residuo utilizado como fertilizante. Biogás

→

CH4 + CO2

Utilizándose bien como gas natural, bien en automoción. De esta forma se tratarán la biomasa residual procedente de ganaderías y granjas, aguas residuales, etc. (un alto grado de humedad).

78

BIOMASA

-

Fermentación aeróbica (Se obtiene el etanol). El proceso consiste en: o

Trituración y molienda.

o

Fermentación (acción de determinados microorganismos).

o

Destilación para obtener una mayor pureza.

Utilizado en Biomasa con alto contenido en azúcares o almidones. El etanol es utilizado en motores, mezclado con gasolina y en una proporción no superior al 20%, sin precisar la preparación del automóvil.

Artículo BIO- 1 "Recortes artículo de prensa", fuente [46]



PROCESO PIROLISIS

Proceso que consiste en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia total de oxígeno.

79

BIOMASA

En el proceso endotérmico puede aprovecharse, a la hora de precisar calor, materia obtenida anteriormente o similares. A 250ºC

700º - 900ºC 600º C

Comienza la descomposición

Residuos urbanos

Obteniéndose productos: - Gaseosos - H, CO, Hidrocarburos,… - Líquido - Aceite, alcoholes,… - Sólido - Coque (Alquitrán, carbón, …)

Se utilizará para los residuos agrícolas, forestales y residuos sólidos urbanos.

TIPOS DE BIOCOMBUSTIBLES

-

Biogás: gas combustible generado en medio natural o en la biodegradación de la materia mediante la acción de microorganismos en ausencia de oxigeno (ambiente anaeróbico). Este combustible se obtendrá a partir de biomasa residual procedente de ganaderías y granjas, aguas residuales, excrementos, etc. "El vertedero controlado de Meruelo (principal vertedero de Cantabria) cuenta desde marzo de 1996 con una planta de captación y eliminación de biogás. Esta Instalación, se ha ampliado en una segunda fase, para aprovechar energéticamente dicho biogás en grupos motor-alternador. De esta forma el vertedero no sólo reduce su impacto sobre el medio ambiente sino que mejora su rentabilidad".

"La instalación cuenta con cinco grupos generadores Guascor, con una potencia de 477kW cada uno, sin embargo, en la nave se ha previsto el espacio suficiente para la ubicación de hasta seis grupos similares a los montados".

80

BIOMASA

"También se disponen en esta nave todos los elementos de control de la planta así como el grupo

de transformación

de la energía eléctrica con sus

correspondientes sistemas de medida y control. Con todo ello la energía eléctrica producida se emplea en parte en el consumo propio de la planta, exportándose el resto a la red". Fuente: Eurocomercial S.A. (ambiente).

-

Biodiesel: a partir de aceites vegetales usados o sin usar y grasas animales (sustituirá al gasóleo). "Uno de los hitos del gobierno de Lula ha sido la promoción de los combustibles de origen vegetal- derivados del girasol, caña de azúcar, soja…- conocidos como biodiesel".

"Esta forma de energía, que se usa ya en el transporte público, es más barata y produce un 46% menos de CO2 que el petróleo. Además, la creación de plantas de procesado permite a Brasil autoabastecerse". Fuente: "Artículo de

la revista Muy Interesante" Se genera mediante un proceso químico. Un ejemplo de ello es la obtención es la reacción química de los aceites vegetales con el metanol. Durante el proceso también se puede obtener glicerina, compuesto utilizado en la industria cosmética. La mayor desventaja de este tipo de biocombustible es la utilización de cultivo denominado energético, para lo cual, se están destinando amplias extensiones de terreno que en un principio su utilización estaba orientada para otro tipo de cultivo. Es utilizado como combustible en automoción mezclado con diesel en distintas proporciones. En algunos países europeos utilizan el residuo tratado del aceite usado de cocinar, como combustible en los autobuses públicos desde hace un tiempo. Con la utilización de biodiesel las empresas de transporte, quieren dar un paso más en la implantación de sus Sistemas de Gestión Medioambiental, y colaborar al cumplimiento de la Normativa Europea 2003/30/CE sobre el fomento del uso de

81

BIOMASA

biocarburantes en el transporte, así como a las derivadas de la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto.

Figura BIO- 3 "Biobus, concienciando sobre su aportación", fuente [31]

Figura BIO- 4 "Planta de bioetanol de Alcázar de San Juan, Ciudad Real", fuente [19]

-

Bioetanol: obtenido mediante un proceso bioquímico (fermentación aeróbica) a partir de biomasa con alto contenido en azúcares, almidones o celulosas. Es utilizado como combustible en automoción (se mezcla con la gasolina al 5-15%, permitiéndose con diesel mediante un aditivo). 82

BIOMASA

-

Biobutanol: ofrece la ventaja de que es un combustible no corrosivo y puede ser distribuido en canalizaciones (tipo oleoductos).

APLICACIONES DE LA BIOMASA Como principales aplicaciones de la biomasa se encuentra la generación de diversos tipos de energía, siendo las más usuales los siguientes tipos: -

Energía térmica/eléctrica: Una central de biomasa es una instalación que permite el aprovechamiento de la biomasa para la producción de electricidad. Tiene un ciclo térmico similar al de las centrales térmicas convencionales: la energía calorífica que se produce en un determinado foco es transformada en energía mecánica rotatoria mediante una turbina y, posteriormente, en energía eléctrica a través de un generador. La diferencia está en que el combustible principal utilizado para producir la energía calorífica en el caso de las centrales de biomasa (centrales de poca potencia y bajo rendimiento) lo constituyen principalmente los residuos forestales, los cultivos de plantas energéticas, o los residuos agrícolas. Al respecto de este tipo de energía, en los últimos años, aparece la aplicación doméstica-industrial de la calefacción y también de la producción de agua caliente sanitaria mediante biomasa.

Figura BIO- 5 "Caldera doméstica y almacén de biomasa", fuente [31]

83

BIOMASA

Figura BIO- 6 "Esquema sistema solar y caldera alimentada con biomasa", fuente [31]

-

Energía mecánica: motores de vehículos alimentados con biocarburantes.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIOMASA Como ventajas se encuentran: -

Desde el punto de vista de cambio climático, se considera que los gases de invernadero emitidos en la producción de electricidad a partir de la biomasa no tienen impacto negativo, ya que el CO 2 producido en la combustión es aproximadamente el mismo que la cantidad fijada por la masa vegetal durante su crecimiento. En cualquier caso, en la hipótesis de no utilizarse la biomasa en una central, el CO2 volvería a la atmósfera a través del proceso natural de descomposición de la materia orgánica.

-

Tiene contenidos de azufre prácticamente nulos por lo que la emisión de dióxido de azufre es mínima.

-

El uso de la biomasa como carburante en motores de combustión interna reduce el empleo de los motores alimentados por combustibles fósiles que provocan altos índices de contaminación.

84

BIOMASA

Por otro lado, como desventajas se indican las siguientes: -

El rendimiento de las calderas de biomasa es inferior al de las que usan combustible fósil.

-

Se necesita mayor cantidad de biomasa para conseguir la misma cantidad de energía con otras fuentes.

-

Los canales de distribución de la biomasa están menos desarrollados que los de combustibles fósiles.

85

BIOMASA

86

CENTRAL TÉRMICA

CENTRAL TERMICA CONVENCIONAL

Las centrales térmicas convencionales producen energía eléctrica a partir de combustibles fósiles, como son el carbón, el fuel o el gas. Además, utilizan tecnologías clásicas para la producción de electricidad, es decir, mediante un ciclo termodinámico de agua/vapor. Por consiguiente el apelativo de "convencionales" se refiere al hecho de que emplean combustibles y tecnología tradicionales, que fueron la base de las primeras experiencias de producción de electricidad. Y sirve, asimismo, para diferenciarlas de otras centrales termoeléctricas (como las nucleares o las termosolares) que se han incorporado al abastecimiento eléctrico en fechas más recientes y merced a tecnologías más modernas. Este tipo de centrales también se diferencian de las instalaciones que generan electricidad mediante gas, utilizando las nuevas tecnologías de ciclo combinado (turbina de gas y turbina de vapor), y que están teniendo una implantación importante a lo largo de los últimos años. El gas utilizado puede ser gas natural transportado a la central o bien, obtenido a través de un proceso de gasificación del carbón.

Figura TER- 1 "Escorias de la central GICC de Elcogás, Ciudad Real"

87

CENTRAL TÉRMICA

El funcionamiento de una central térmica convencional se detalla a continuación, tomando como ejemplo una central de carbón, un esquema simplificado de su funcionamiento es el siguiente,

CHIMENEA

GRUPO TURBINA-GENERADOR

TOLVA

CALDERA

CONDENSADOR

Figura TER- 2 "Esquema de central térmica clásica de carbón”, fuente [4]

El carbón almacenado en el parque cerca de la central es conducido mediante una cinta transportadora hacia una tolva (1) que alimenta al molino. Aquí el carbón es pulverizado finamente para aumentar la superficie de combustión y así mejorar la eficiencia de su combustión. Una vez pulverizado, el carbón se inyecta en la caldera, mezclado con aire caliente para su combustión. La caldera está formada por numerosos tubos por donde circula agua, que es convertida en vapor a alta temperatura. Los residuos sólidos de esta combustión caen al cenicero para ser posteriormente transportados a un vertedero. Las partículas finas y los humos se hacen pasar por los precipitadores y los equipos de desulfuración, con el objeto de retener un elevado porcentaje de los contaminantes que en caso contrario llegarían a la atmósfera a través de la chimenea.

88

CENTRAL TÉRMICA

El vapor de agua generado en la caldera pasa a accionar los alabes de las distintas turbinas de vapor puestas según presión de trabajo, haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador eléctrico. En el generador, la energía mecánica rotatoria es convertida en electricidad de media tensión y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las pérdidas del transporte a los puntos de consumo, la tensión de la electricidad generada es elevada en un transformador, antes de ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión. Después de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en líquido en el condensador. El agua que refrigera el condensador proviene de un río o del mar, y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración o, en circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen.

IMPACTO DE LAS CENTRALES TÉRMICAS EN EL MEDIO AMBIENTE

Los efectos sobre el medio ambiente de las centrales de carbón se derivan de las emisiones atmosféricas y residuos que se producen en la combustión del mineral (óxidos de azufre, nitrógeno y carbono, así como partículas, principalmente), del tratamiento del agua que se transforma en vapor (vertidos químicos) y de la refrigeración necesaria para condensar el vapor (efecto térmico). Estos problemas ambientales están regulados, y las empresas eléctricas disponen de los medios necesarios para su minimización. El establecimiento en las centrales eléctricas de niveles específicos de emisión de SO2, NOX y partículas, y los criterios sobre los niveles de inmisión que deben ser respetados en cualquier tipo de condiciones, llevaron hace tiempo a la adopción de sistemas de protección: equipos de desulfuración, retención de partículas mediante precipitadores electrostáticos, difusión atmosférica mediante chimeneas de elevada altura, sistemas de vigilancia continua de la calidad ambiental en el entorno de las centrales, etc.

89

CENTRAL TÉRMICA

Actualmente se están desarrollando nuevas tecnologías que permitan una combustión “limpia” del carbón, como son las de lecho fluidificado, la gasificación del carbón, etc.

Por su parte, los riesgos de contaminación química a causa de los vertidos procedentes del sistema de tratamiento del agua para su conversión en vapor, se tratan mediante depuración de las aguas residuales hasta los límites establecidos por la normativa existente en cada momento. La elevación de la temperatura del medio líquido que se produce por el vertido del agua de refrigeración utilizada para condensar el vapor (contaminación térmica), es actualmente despreciable, pues la refrigeración se efectúa generalmente en circuito cerrado, es decir, empleando torres de refrigeración. En algunas centrales antiguas, que tienen circuito abierto, el sistema de refrigeración está calculado en forma tal que la elevación de la temperatura del agua queda dentro de los límites legislados y no produce una significativa alteración del ecosistema.

Figura TER- 3 "Esquema del impacto medioambiental de una central térmica de carbón", fuente [2]

En cuanto a las centrales de fuel-óleo inciden sobre el medio ambiente de manera bastante similar a las de carbón, ya que el proceso de generación de energía eléctrica es muy parecido: la diferencia sustancial es que estas centrales, en vez de quemar carbón, queman fuel.

90

CENTRAL TÉRMICA

No obstante, su efecto medioambiental es algo menor, ya que el contenido en partículas sólidas del fuel es inferior al del carbón y la combustión de fuel implica menores emisiones de óxidos de nitrógeno y de carbono que la combustión de carbón. Por el contrario, suele ser mayor su emisión de óxidos de azufre aunque actualmente se ha mejorado este tema con la utilización de fuel-óleos con menor contenido de azufre. Estos efectos medioambientales son neutralizados en las centrales de fuel con instalaciones de equipos de descontaminación parecidos a los de las centrales de carbón. Además, conviene señalar que bastantes instalaciones de este tipo se han reconvertido para poder utilizar también como combustible el gas natural. El gas natural es la materia prima menos contaminante de las utilizadas en las centrales del tipo térmico. También debe ser tomado en consideración un último efecto sobre el medio ambiente, común a muchas otras industrias, que es la llamada contaminación acústica, debida al nivel de ruido producido por ciertos equipos de la central. En la actualidad, la mayoría de las centrales tienen instalados insonorizadores en su maquinaria más ruidosa, de forma que el ruido en el exterior de la central no es significativo.

COMENTARIOS La ubicación de una central térmica se realizará siguiendo los siguientes criterios:



Cercanía a las materias primas (Asturias, Aragón, etc.)



Cerca de puertos donde se puedan abastecer (Algeciras o Cádiz, Almería, Castellón, etc.)

El gas natural además de ser la materia prima menos contaminante de las utilizadas en las centrales del tipo térmico, posee mayores posibilidades en el proceso de generación de energía eléctrica, pudiendo trabajar mediante turbinas de gas y crear un sistema de vapor mediante calor (ciclo combinado).

91

CENTRAL TÉRMICA

Otras grandes ventajas del gas natural son

la comodidad del transporte y

almacenamiento (gaseoducto, estado líquido a -160º, barcos metaneros, etc.), su extracción y el reducido tratamiento previo a la utilización en el proceso. En España se ha realizado en los últimos años una apuesta clara por la utilización del gas natural en detrimento de las centrales nucleares.

92

CENTRAL DE CICLO COMBINADO

CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO

Es una central en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina vapor (ciclo Rankine). Fundamentalmente consta de un compresor de aire que permite la combu stión del gas natural, alcanzando los gases de combustión una temperatura de unos 1.300ºC. Posteriormente, se expanden estos gases en una turbina de gas hasta la presión atmosférica, y esta energía mueve tanto el compresor de aire como un generador, que producirá una parte de la energía eléctrica de la planta. Como los gases de escape de la turbina de gas tienen todavía temperaturas del orden de los 600 ºC, permiten su aprovechamiento en una caldera de recuperación de calor para la generación de vapor de agua, que, mediante su expansión en la correspondiente turbina de vapor, acciona también un generador eléctrico. Por tanto, los tres equipos principales de una planta de ciclo combinado son: la turbina de gas, la caldera de recuperación y la turbina de vapor. Se hace, a continuación, una breve descripción de cada uno de estos elementos:



La turbina de gas proviene del desarrollo para uso energético de los turbogeneradores y consta de: compresor, cámaras de combustión y la propia turbina. o

El compresor es rotativo y es arrastrado por el mismo eje que la turbina, con un número de etapas variable según las diferentes tecnologías. Su función es inyectar aire a presión (entre 15 y 30 kg/cm2) para la combustión del gas y la refrigeración de las zonas calientes.

o

Las cámaras de combustión producen la mezcla del gas natural y el aire y la combustión de la misma. El diseño de este elemento es muy variable (silos, anular, cámaras secuenciales) según los distintos fabricantes, tratando de potenciar unas variables u otras (temperatura de entrada en turbina, producción de NO x) con el fin de mejorar el diseño y el rendimiento de la turbina de gas. 93


o

La turbina de gas recibe los gases de la cámara de combustión y se produce la expansión de los mismos en las tres o cuatro etapas de las que consta. Cada etapa de expansión está constituida por una corona de alabes fijos, seguida de una corona de alabes sujetos al rotor. En los alabes fijos se transforma la entalpía de los gases en energía cinética, mientras que en los alabes rotóricos se recupera esta energía cinética y se transforma en energía mecánica de rotación, que se transmite a un eje. Parte de la potencia transmitida a este eje es consumida en arrastrar al compresor (2/3), mientras que el resto mueve el generador eléctrico. El rendimiento de una turbina de gas aumenta con la temperatura de los gases a la entrada a la misma. Esto ha motivado el continuo aumento de esta magnitud, exigiendo el desarrollo de materiales capaces de soportar altas temperaturas. En la actualidad, la temperatura de entrada está alrededor de los 1.300/1.400ºC, saliendo los gases de la última etapa a temperaturas superiores a los 600ºC, por lo que se llevan a la caldera de recuperación de calor.



La caldera de recuperación es un intercambiador de calor en el que al fluido caliente lo constituyen los gases de escape procedentes de la turbina de gas y que circulan por el exterior y el fluido frío es el agua-vapor que circula por el interior de los tubos. Posee, generalmente, los mismos componentes de una caldera convencional (precalentadores, economizadores, evaporadores, sobrecalentadores y calderines) y, en algunos, casos incorporan by-pass de gases. Mediante este dispositivo se puede aislar la caldera del escape de la turbina de gas, de forma que ésta pueda funcionar en ciclo abierto cuando se revise o repare la caldera. También existe la posibilidad de aportar combustible adicional a la caldera para aumentar la potencia total del ciclo.



La turbina de vapor suele ser de tres cuerpos. Se trata de máquinas convencionales, las cuales han alcanzado una gran madurez en su diseño, y que deben adaptarse a las condiciones específicas de cada instalación en cuanto a presión de escape y caudal de vapor disponible. Las variantes que se emplean son 94


las llamadas de “acción” o “reacción”, según el modo en que se realice la

expansión del vapor. Conviene señalar que el desarrollo actual de esta tecnología tiende a acoplar las turbinas de gas y de vapor a un mismo eje, accionando así, conjuntamente, un único generador eléctrico.

Figura CC- 1 "Esquema de flujos de una central de ciclo combinado", fuente [19]

El desarrollo tecnológico de este tipo de centrales ha sido espectacular en los últimos años. El alto rendimiento que tienen, las buenas prestaciones que ofrecen en su explotación y el menor impacto ambiental, hacen que este tipo de centrales sean de las más interesantes en la expansión de los sistemas eléctricos de gran parte de los países del entorno, incluido España.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL DE GAS DE CICLO COMBINADO La central de gas de ciclo combinado es una central en que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos, el esquema de funcionamiento es el que se detalla a continuación (Figura CC- 2).

95


La turbina de gas consta de un compresor de aire, una cámara de combustión y la cámara de expansión. El compresor comprime el aire a alta presión para mezclarlo posteriormente en la cámara de combustión con el gas. En esta cámara se produce la combustión del combustible en unas condiciones de temperatura y presión que permiten mejorar el rendimiento del proceso, con el menor impacto ambiental posible. Posteriormente, los gases de combustión se conducen hasta la turbina de gas (2) para su expansión. La energía se transforma, a través de los alabes, en energía mecánica de rotación que se transmite a su eje. Parte de esta potencia es consumida en arrastrar el compresor (aproximadamente los dos tercios) y el resto mueve el generador eléctrico (4), que está acoplado a la turbina de gas para la producción de electricidad. El rendimiento de la turbina aumenta con la temperatura de entrada de los gases, que alcanzan unos 1.300 ºC, y que salen de la última etapa de expansión en la turbina a unos 600 ºC. Por tanto, para aprovechar la energía que todavía tienen, se conducen a la caldera de recuperación (7) para su utilización.

Figura CC- 2 "Esquema de funcionamiento de una central de gas de ciclo combinado", fuente [2]

La caldera de recuperación tiene los mismos componentes que una caldera convencional (precalentador, economizador, etc.), y, en ella, los gases de escape de la turbina de gas transfieren su energía a un fluido, que en este caso es el agua, que circula por el interior de los tubos para su transformación en vapor de agua. 96


A partir de este momento se pasa a un ciclo convencional de vapor/agua. Por consiguiente, este vapor se expande en una turbina de vapor (8) que acciona, a través de su eje, el rotor de un generador eléctrico (9) que, a su vez, transforma la energía mecánica rotatoria en electricidad de media tensión y alta intensidad. A fin de disminuir las pérdidas de transporte, al igual que ocurre con la electricidad producida en el generador de la turbina de gas, se eleva su tensión en los transformadores (5), para ser llevada a la red general mediante las líneas de transporte (6). El vapor saliente de la turbina pasa al condensador (10) para su licuación mediante agua fría que proviene de un río o del mar. El agua de refrigeración se devuelve posteriormente a su origen, río o mar (ciclo abierto), o se hace pasar a través de torres de refrigeración (11) para su enfriamiento, en el caso de ser un sistema de ciclo cerrado. Conviene señalar que el desarrollo actual de esta tecnología tiende a acoplar las turbinas de gas y de vapor al mismo eje, accionando así conjuntamente el mismo generador eléctrico.

IMPACTO DE LAS CENTRALES DE CICLO COMBINADO EN EL MEDIO AMBIENTE El fomento de la utilización del gas natural para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado está dentro de las políticas medioambientales de numerosos países de la UE, por sus ventajas en comparación con otro tipo de centrales. Asimismo, estas centrales tienen un rendimiento térmico superior a las plantas convencionales, ya que este rendimiento puede aumentar de un 38/40%, hasta el 60%. En efecto, la combustión de gas natural implica una menor emisión por kWh producido de óxidos de nitrógeno y, sobre todo, de óxidos de carbono. En concreto cabe señalar que la relación (CO 2 emitido/kwh producido) en el caso del gas natural utilizado en las centrales de ciclo combinado, es algo menos de la mitad de lo emitido por una central térmica convencional de carbón.

97


Figura CC- 3 "Esquema del impacto medioambiental de una central térmica de gas natural", fuente [2]

Por todo ello, en el documento “Planificación de los sectores de la electricidad y gas.

Desarrollo de las redes de transporte 2002- 2011”, aprobado por el Gobierno en octubre de 2002, además del establecimiento de un Plan de Ahorro y Eficiencia Energética y del fomento de la cogeneración, se apuesta por una penetración importante del gas natural en la generación de electricidad que, junto a las energías renovables, supondrá una considerable reducción de las emisiones del Sector Eléctrico. Esta estrategia supone una de las mayores aportaciones de España para hacer frente al Cambio Climático.

COMENTARIOS Como se citó anteriormente la utilización del gas natural tiene numerosas ventajas frente a otras materias primas. Pero además, la central del tipo ciclo combinado ofrece, sumado a la mejora del rendimiento, la opción de la construcción por etapas de la central eléctrica. El hecho de constar de dos ciclos de trabajo permite, al finalizar el primero de ellos, poder trabajar generando energía mientras se construye el segundo. Existe una variedad del ciclo combinado denominada "Central de gasificación integrada con ciclo combinado", en la cual el gas utilizado proviene de la gasificación del carbón y otros componentes y se realiza en la misma central.

98


Figura CC- 4 "Parque de carbones de la central GICC Elcogás, Puertollano, Ciudad Real"

La gasificación del carbón permite un tratamiento limpiador de los agentes contaminantes. Aún así cabe recordar que continúa existiendo en España la dependencia energética y económica con países exportadores de gas.

99


100

CENTRAL DE COGENERACIÓN

CENTRAL DE COGENERACION

Las centrales de cogeneración permiten la producción y aprovechamiento combinado de calor y electricidad. Es una forma de aprovechamiento energético con elevado rendimiento, utilizada ya desde principios de siglo. Es, por tanto, una solución atractiva cuando existen necesidades de energía térmica y eléctrica de forma prácticamente continua.

Figura COG- 1 "Caldera de recuperación Prodinco, em presa Aznar S.A.", fuente [17]

Las instalaciones de cogeneración están diseñadas de forma que el vapor producido en la caldera, además de ser enviado a los turbogeneradores para producir electricidad, puede ser extraído en determinados puntos de la turbina o del escape de la turbina, para suministrar calor a procesos industriales (en los países nórdicos de climas muy fríos, se utiliza también este calor para los sistemas de calefacción urbana - “district heating”). Los sistemas de cogeneración hacen posible la obtención de rendimientos energéticos mayores que los que se conseguirían con producciones separadas de electricidad y calor, llegando el rendimiento en algunos casos al 80%. 101


Tienen, lógicamente, un menor impacto medioambiental que los procesos convencionales debido a este alto rendimiento y especialmente en aquellas instalaciones de cogeneración que utilizan gas natural como combustible. Existen diversos sistemas de cogeneración según el tipo de turbogeneradores y combustibles que se empleen, de su situación en el proceso productivo, de la estructura energética de la fábrica en la que se aplican, del horario laboral de ésta, de su nivel de demanda energética, de la disponibilidad de combustibles, etc. Así, hay sistemas de cogeneración basados en el ciclo de turbina de gas, el ciclo con motor diesel, el ciclo con turbina de vapor, el ciclo combinado y el aprovechamiento de calor residual con turbina de vapor.

Figura COG- 2 "Cogeneración mediante máquina de gas", fuente [43]

La cogeneración con turbina de gas permite maximizar la producción de calor útil frente a la producción eléctrica, permitiendo suministrar la demanda térmica a alta temperatura. Por sus características se utilizan en los sectores de refino, químico y en la fabricación de pasta de papel, en los que se exige un funcionamiento continuo y elevadas necesidades energéticas. Las gamas de potencia suelen variar entre 5 y 50 MW.

102


La cogeneración mediante motor alternativo de gas, gasóleo o fuel-óleo es, en general, atractiva cuando la demanda térmica es baja frente a la demanda eléctrica. Proporciona vapor y agua caliente a 85- 95ºC. Presenta la ventaja frente a las turbinas de gas de que el rendimiento apenas disminuye con el tamaño. Se utilizan habitualmente en sectores con ciclo de funcionamiento diario o semanal, como es el caso de los sectores Terciario y Servicios, en la industria de la alimentación y en la textil.

Figura COG- 3 "Evolución de la cogeneración en España", fuente [17]

También hay posibilidad de cogeneración en procesos industriales donde existe una elevada cantidad de calor (altos hornos, fabricación de ladrillos, etc.). El aprovechamiento del calor residual con un sistema de turbina de vapor, permite la generación eléctrica, bien para la demanda interna de la propia instalación, bien para vender a la red eléctrica. En esta situación se observa que la energía principal es la térmica, frente a la energía eléctrica. Finalmente, otras posibilidades que presentan las instalaciones de cogeneración son: la utilización de los gases calientes de escape de la turbina de gas o del motor alternativo, para el secado, o para la producción de frío en máquinas de absorción.

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VENTAJAS



Mejora el rendimiento de la instalación.



Menor inversión que otras centrales como las nucleares.



Se reduce la contaminación a nivel global.



Diversificación energética (varias formas de producir electricidad).



Ahorro económico (se puede autoabastecer y / o vender la electricidad).



Incremento de la garantía de abastecimiento. Aumenta la reserva energética.



Legislación favorable.



Diseño modular. A la hora de su construcción se puede dividir en dos etapas pudiendo acelerar la puesta en marcha



Desarrollo de la industria del gas.



Ahorro de energía primaria.

INCONVENIENTES



Nuevo competidor (para las compañías eléctricas).



Arranque de la central problemático. Los motores o turbinas deben producir la electricidad en fase con la de la red y esto no lo hacen instantáneamente.



Aumento de la contaminación a nivel local.



Sigue contaminando (se mejora el rendimiento pero la contaminación es la misma).



Requiere la construcción de gasoductos.

104


EJEMPLO DE INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN (HOSPITAL DE VALDECILLA, SANTANDER) La instalación de cogeneración se diseñó para autosatisfacer el mayor nivel de demanda eléctrica del hospital sin vertido de corriente a la Red. Ello obligó a unificar las acometidas exteriores de Red en una y realizar un anillo de distribución en alta tensión (12 kV) a los dos centros existentes. El equipo generador sería movido por motores debido a su mayor rendimiento eléctrico y capacidad de adaptación a fluctuaciones de la carga y horarios de funcionamiento. Para la generación de vapor a 12 bares a partir de la recuperación térmica de los motores, se diseñó una caldera donde ceder el calor de los gases de cada motor, apoyada por un quemador de post-combustión. El calor de bloque motor se aprovecha para la preparación de agua caliente para usos sanitarios del hospital. El análisis operativo y de rentabilidad condujo a diseñar la instalación para su funcionamiento en días laborables en horario punta y llano, modificando la contratación eléctrica. Por último, se tuvo presente que en situación de emergencia, el sistema fuese capaz de cubrir, junto con los equipos de emergencia, la demanda eléctrica del hospital. La demanda térmica del hospital para los servicios de calefacción, A.C.S. (Agua Caliente Sanitaria), lavandería y esterilización es satisfecha por su Central Térmica de vapor saturado a 12 bares.

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106

ENERGIA NUCLEAR

CENTRAL NUCLEAR La energía nuclear es la energía liberada en los procesos controlados bien de ruptura (Fisión Nuclear) o bien de formación (Fusión Nuclear) de los núcleos atómicos que constituyen los elementos. En la actualidad el proceso utilizado para la obtención de energía nuclear es el de la fisión, encontrándose el de la fusión en periodo de prueba y estudio (ITER "International Thermonuclear Experimental Reactor"). Una central nuclear es una instalación que aprovecha la energía liberada en forma de calor, en la fisión de los núcleos de uranio, para producir energía eléctrica. En la siguiente figura están ubicadas las centrales nucleares españolas a 31 de diciembre de 2006 y posteriormente se indican sus características y año de puesta en marcha.

Figura NUC- 1 "Centrales nucleares españolas", fuente [2]

Se encuentran las centrales de primera generación (1960), segunda generación (1970) y tercera generación (1980). 107

ENERGIA NUCLEAR

TIPO

AÑO

CENTRAL

POTENCIA

José Cabrera

160 MW

PWR

1960

Sta. María de Garoña

466 MW

BWR

1971

Almaraz I

980 MW

PWR

1981

Almaraz II

982,6 MW

PWR

1983

Ascó I

1032,5 MW

PWR

1983

Ascó II

1027,2 MW

PWR

1985

Cofrentes

1092 MW

BWR

1984

Vandellós II

1087,1 MW

PWR

1987

Trillo

1066 MW

PWR

1988

(1)

(1) Año de primera conexión a red eléctrica. Tabla NUC- 1 "Características de las centrales nucleares españolas"

ENERGIA NUCLEAR EN EL MUNDO Son muchos los países industrializados que apuestan por la energía nuclear. Algunos ejemplos los encontramos en las nuevas centrales de Estados Unidos (Texas y Alabama), China (A mediados de 2007 comenzó la construcción de la central de Dalian), Rusia (Sosnovy), Francia, Inglaterra, la última incorporación de Italia, etc. Además han sido numerosas las llamadas a los países industrializados para que ayuden a los países en desarrollo que desean disponer de reactores nucleares tanto en su financiación como en el asesoramiento para establecer los programas de los equipamientos, servicios y personal necesarios. Una de las facetas más importantes de esta cooperación es la selección del modelo y tamaño del reactor a instalar. La tendencia al aumento de la potencia de los reactores en los países que tienen grandes demandas de electricidad y, en consecuencia, redes adecuadas de transmisión y distribución, choca con las posibilidades de muchos países en desarrollo, cuyas redes no pueden soportar a veces centros de generación 108

ENERGIA NUCLEAR

con tales capacidades y se recuerda que una de las grandes problemáticas en el mundo energético es la imposibilidad de almacenar la energía eléctrica. Las necesidades de estos países son de reactores de tamaño menor, cuyo desarrollo aún no está suficientemente avanzado para estar disponible de manera inmediata. Así ocurre en el caso de reactores modulares con potencias comprendidas entre 165 y 300 MW, actualmente desarrollándose en África del Sur.

FISIÓN NUCLEAR La fisión nuclear es aquella reacción en la que núcleos de átomos pesados, al capturar un neutrón incidente, pueden dividirse en dos fragmentos (raramente en tres) formados por núcleos de átomos más ligeros, llamados productos de fisión, con emisión de neutrones, rayos gamma y con un gran desprendimiento de energía. Los neutrones son partículas de gran eficacia para producir reacciones nucleares, porque además de poseer una masa considerable, no poseen carga eléctrica y por lo tanto, no están sujetos a los efectos de la repulsión electrostática. El núcleo blanco al capturar el neutrón se vuelve inestable, produciéndose su escisión, y dando lugar a una situación de mayor estabilidad con la producción de los fragmentos más ligeros.

Figura NUC- 2 "Fisión nuclear", fuente [19]

109

ENERGIA NUCLEAR

En un proceso de fisión, como consecuencia de la reacción, se producen varios neutrones que a su vez inciden sobre otros núcleos fisionables generando así más neutrones que producirán más sucesivos choques con otros núcleos. Este efecto multiplicador se conoce como "reacción en cadena". Para que se produzca la reacción de fisión en cadena es necesario que se cumplan determinadas condiciones de cantidad de material fisionable (masa crítica) y geometría del mismo. La fisión nuclear puede producirse de forma espontánea, pero en general es provocada por un neutrón incidente con una determinada energía, y viene acompañada de emisión de neutrones y de radiaciones gamma, y de la liberación de una importante cantidad de energía. Las reacciones más importantes son las que utilizan como núcleo fisionable el uranio235, siendo la energía liberada en estos procesos de unos 200 MeV por reacción. Esta energía se manifiesta en forma de calor.

FUSIÓN NUCLEAR La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. La energía solar tiene su origen en la fusión de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. El interés práctico de la fusión nuclear se encuentra en la cantidad de energía obtenida y en la abundancia de los elementos atómicos empleados, lo que le da el carácter de energía inagotable. En las reacciones nucleares de fusión se suelen emplear el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio). El deuterio se encuentra en el agua del mar y el tritio se puede

110

ENERGIA NUCLEAR

obtener mediante reacciones nucleares de neutrones con los dos isótopos del litio (material abundante en la corteza terrestre). Además, un reactor de fusión es intrínsecamente seguro ya que la propia reacción se detiene al cortar el suministro de combustible. No depende de ningún sistema externo de seguridad susceptible de errores. Para efectuar las reacciones de fusión, se deben cumplir los siguientes requisitos:



Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina PLASMA.



Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo.



Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dan lugar a reacciones de fusión.

Los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas del plasma. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:

En un TOKAMAT los campos magnéticos

se

crean

con

bobinas externas y con la corriente que circula por el plasma, que a su vez lo calienta. El calentamiento es óhmico.

Figura NUC- 3 "Confinamiento magnético (TOKAMAT)", fuente [44]

111

ENERGIA NUCLEAR



Fusión por confinamiento magnético (FCM): las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina TOKAMAK (Figura NUC- 3). Existen otros dispositivos como el denominado "Stellarator", donde los campos magnéticos se crean enteramente con bobinas externas, sin corriente en el plasma. El calentamiento es externo.



Fusión por confinamiento inercial (FCI): consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocando su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión.

La fusión nuclear tiene lugar cuando dos núcleos de átomos ligeros se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.

Figura NUC- 4 "Reacción de fusión Deuterio-Tritio", fuente [4]

Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos que reaccionan, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello es preciso calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas (10 7 ó 108 ºC), como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas. En la tierra, para reproducir estos procesos de una

112

ENERGIA NUCLEAR

manera eficiente, es necesario calentar el combustible a una temperatura 10 veces mayor que la del sol. El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas, de modo que los átomos estarán altamente ionizados, donde la materia se encuentra en un cuarto estado, diferente del sólido, líquido o gaseoso, recibe el nombre de plasma. El requisito de cualquier reactor de fusión es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión, evitando que escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de la fusión. En principio, por cada miligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ. El objetivo final de la investigación en este campo, al igual que la fisión nuclear, es construir plantas de generación de energía eléctrica.

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL DE FISIÓN NUCLEAR Si bien hay distintos tipos, en España las centrales nucleares utilizan en su mayor parte reactores de agua a presión (PWR). Estos emplean como refrigerante agua ligera y como moderador agua ligera o grafito. La fisión se lleva a cabo dentro del reactor nuclear que es un recipiente cerrado y aislado por gruesas paredes de hormigón. El reactor está contenido por una vasija. En su interior tiene lugar la fisión. Las barras de control absorben neutrones disminuyendo el número de fisiones dentro del reactor, de esta forma regulan la potencia y en caso de emergencia, para que este no explote.

113

ENERGIA NUCLEAR

Una combinación de refrigerante y moderador (agua corriente ligera) es presurizada, mediante el presionador, hasta 150 atmósferas y bombardeada a través del núcleo reactor. La fisión produce calor que eleva la temperatura del agua refrigerante a 325 ºC, esta agua ligera transfiere el calor en un intercambiador a un circuito secundario, el cual mediante la generación de vapor será el encargado de accionar la turbina. El agua ligera se enfría en los condensadores y bombea nuevamente para volver a comenzar el ciclo en estado líquido de baja temperatura y así mejorar el rendimiento del ciclo correspondiente. La turbina mueve un alternador que es el que produce la energía eléctrica. Un transformador aumenta la corriente de 25-36 kV hasta valores de muy alta tensión (400 kV o tensión de la línea de transporte correspondiente) para ser transportada por la red eléctrica. A continuación y siguiendo la Figura NUC- 5, se detalla el proceso en una central nuclear (PWR) del tipo a las habidas en España. Una central nuclear de agua a presión consta de un edificio de contención (1), que es una construcción blindada y hermética compuesta normalmente por una base cilíndrica rematada por una cúpula. En él se alojan los principales componentes del circuito primario, como el reactor (15), los generadores de vapor (22), el presionador (21) y las bombas del refrigerante (19). Representa por tanto la parte más característica de una central nuclear. El calor generado por las fisiones de los núcleos del combustible alojado en el reactor se transmite al fluido refrigerante (en este caso agua ligera) que se mantiene en estado líquido debido a su gran presión. El refrigerante es conducido hacia los generadores de vapor. A la salida de estos, esta agua vuelve al reactor impulsada por las bombas del refrigerante. En los generadores de vapor, el agua del circuito secundario, sin mezclarse con la del circuito primario, se convierte en vapor, que se conduce al edificio de turbinas a través de las tuberías de vapor principal (3) para accionar los alabes de las turbinas de vapor

114

ENERGIA NUCLEAR

(5 y 6). El vapor que se sale de las turbinas pasa nuevamente a estado líquido en el condensador (10). El agua utilizada se toma de un río o del mar y, a través de una o varias torres de refrigeración (23) se enfría antes de volverla a utilizar.

Figura NUC- 5 "Esquema de funcionamiento de una central nuclear PWR", fuente [2]

La energía del vapor que llega a las turbinas se convierte en electricidad mediante un generador eléctrico (7). La tensión de salida del mismo se aumenta convenientemente mediante transformadores elevadores (8) para ser enviada a la red general a través de las líneas de energía eléctrica (9). Entre las instalaciones relevantes de una central nuclear se encuentra, asimismo, el edificio de combustible. En él se encuentra el sistema de almacenamiento de combustible gastado, que permite la pérdida paulatina de su actividad, cargándose posteriormente en un contenedor adecuado para su confinamiento en un almacén centralizado.

REACTORES NUCLEARES Se define un reactor nuclear como una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena que tienen lugar en el núcleo del reactor, 115

ENERGIA NUCLEAR

compuesto por el combustible, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y el moderador en el caso de los reactores nucleares térmicos.

Figura NUC- 6 Reactor nuclear BWR y momento de su recarga en la central de Garoña", fuente [19]

Hay dos formas de diseñar un reactor nuclear: bien sea retardando los neutrones veloces o bien incrementando la proporción de átomos fisibles. Para la tarea de retardar los neutrones se emplea un moderador (agua ligera, agua pesada, grafito) y a los neutrones lentos resultantes se les denomina térmico, de modo que los reactores basados en esta técnica se conocen como reactores térmicos, a diferencia de los que emplean neutrones veloces, denominados reactores rápidos. A la hora de construir un reactor, es necesario tener una masa crítica de combustible, esto es, suficiente material fisible, en una óptima disposición del combustible y del resto de los materiales del núcleo, para mantener la reacción en cadena. La disposición de los absorbentes de neutrones y de las barras de control permite mantener la criticidad en operación y la subcriticidad en parada y puesta en marcha.

116

ENERGIA NUCLEAR

COMPONENTES DEL NÚCLEO DEL REACTOR El núcleo es la parte del reactor donde se produce y se mantiene la reacción nuclear en cadena liberando energía. Su objetivo es calentar el agua del circuito primario. Se diseña para operar de forma segura y controlada, de modo que se maximice la cantidad de energía extraída del combustible. Cada componente del núcleo del reactor juega un papel importante en la generación de calor:



Combustible El combustible de un reactor nuclear puede ser de dos tipos de materiales, uno de ellos un material fisionable en cantidades tales que se alcance la masa crítica, y colocado de tal forma que sea posible extraer rápidamente el calor que se produce en su interior debido a la reacción nuclear en cadena. También se encuentra el material fértil que mediante reacciones de captura radiactiva con neutrones de alta velocidad generan material fisionable, necesario para desarrollar la reacción de fisión.

Figura NUC- 7 "Composición de un elemento combustible", fuente [18]

Los combustibles empleados en las centrales nucleares están en forma sólida, aunque varían desde el dióxido de uranio cerámico ligeramente enriquecido, uranio

117

ENERGIA NUCLEAR

en tubos de aleación de magnesio hasta dióxido de uranio enriquecido o natural en tubos de aleación de zirconio, todo depende del tipo del reactor. En general, un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de

las varillas de combustible, aunque debe mencionarse la

disposición hexagonal del reactor ruso de agua a presión WER. En determinados elementos algunas varillas se reemplazan por los tubos guía de las barras de control sujetados a las partes superior o inferior del elemento. Sujetando los tubos guía a las rejillas de soporte de combustible se consigue que los centros de las varillas de combustible y los tubos guía estén a la misma distancia. Todos los elementos de combustible tienen el mismo diseño mecánico. Para asegurar la calidad de los elementos de combustible, se realizan numerosas inspecciones y ensayos tanto de las materias primas como del producto final.



Barras de control Los haces de barras de control proporcionan un medio rápido para el control de la reacción nuclear, permitiendo efectuar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia. Tienen forma cilíndrica y están fabricadas con materiales captadores de neutrones (carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio) y suelen tener las mismas dimensiones que las varillas de combustible. La reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control. Para que un reactor funcione durante un período de tiempo tiene que tener un exceso de reactividad, que es máximo con el combustible fresco y va disminuyendo con la vida del mismo hasta que se anula, momento en el que se hace la recarga del combustible. En funcionamiento normal, un reactor nuclear tiene las barras de control en posición extraída del núcleo, pero el diseño de las centrales nucleares es tal que ante un fallo en un sistema de seguridad o de control del reactor, siempre actúa en el sentido de seguridad del reactor introduciéndose las barras de control en el núcleo y llevando el reactor a parada segura en pocos segundos.

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ENERGIA NUCLEAR



Moderador Los neutrones producidos en la fisión tienen una elevada energía en forma de velocidad. Para que se produzcan nuevos choques conviene disminuir su velocidad de modo que aumente la probabilidad de que sean capturados por otro átomo fisionable y no se rompa la reacción en cadena. Se usa como moderador un elemento con un número másico pequeño que frene a los neutrones mediante dispersiones elásticas (donde la energía transmitida es sólo cinética) y con poca tendencia a capturarlos. Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, agua pesada y el grafito.

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Refrigerante La mayor parte de la energía desprendida por fisión es en forma de calor. A fin de poder emplear este, por el centro del reactor debe pasar un refrigerante, que generalmente transmite el calor a un intercambiador o generador de vapor, en el caso de existir circuito secundario. El refrigerante debe ser anticorrosivo, tener una gran capacidad calorífica y no debe absorber los neutrones. Los refrigerantes m ás usuales son gases, como el anhídrido carbónico y el helio, y líquidos como el agua ligera y el agua pesada. Incluso hay algunos compuestos orgánicos y metales líquidos como el sodio que también pueden emplearse para este fin.



Reflector En una reacción nuclear en cadena, un cierto número de neutrones tiende a escapar de la región donde esta se produce. Esta fuga neutrónica puede reducirse con la existencia de un medio reflector, aumentando así la eficiencia del reactor. El medio reflector que rodea al núcleo debe tener poca tendencia a la captura neutrónica. La elección del material depende del tipo de reactor. Si tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador, pero si tenemos un reactor rápido el material del reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original.

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Blindaje

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Cuando un reactor está en operación, sale gran cantidad de radiación en todas direcciones. Es necesaria una protección para proteger al público y a los trabajadores de la instalación de las radiaciones de neutrones y rayos gamma ocasionados por los productos de fisión. Por ello, es necesario colocar un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones. Por otro lado, también es preciso preparar la instalación ante un posible incremento de temperatura accidental. Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo.

FAMILIAS DE REACTORES NUCLEARES Las diversas combinaciones de combustible, moderador y refrigerante configuran los diversos tipos de reactores nucleares existentes. Estos pueden clasificarse según varios criterios, los más comunes son los siguientes: -

Según la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión: Reactores rápidos y reactores térmicos.

-

Según el combustible utilizado: Reactores de uranio natural, en los que la proporción de U-235 en el combustible es la misma que se encuentra en la naturaleza (aproximadamente 0,7%); reactores de uranio enriquecido, en los que la proporción de U-235 se ha aumentado hasta alcanzar entre un 3 y un 5%.

-

Según el moderador utilizado: Los que utilizan agua ligera, agua pesada o grafito.

-

Según el material usado como refrigerante: Los materiales más utilizados son el agua (ligera o pesada) o un gas (anhídrido carbónico y helio), que a veces actúan simultáneamente como refrigerante y moderador. Otros refrigerantes posibles son: aire, vapor de agua, metales líquidos o sales fundidas.

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ENERGIA NUCLEAR

Los principales tipos de reactores nucleares que actualmente están en operación comercial en el mundo son los siguientes: a) Reactor de agua a presión (PWR) El reactor de agua a presión es el tipo de reactor más utilizado en el mundo y ha sido desarrollado principalmente en Estados Unidos, Alemania, Francia, y Japón. Los de diseño soviético se denominan WER. Las centrales nucleares españolas de José Cabrera (Zorita), Almaraz I y II, Ascó I y II, Vandellós II y Trillo pertenecen a este tipo. El combustible empleado es dióxido de uranio (UO 2) enriquecido que va envainado en tubos de aleaciones de zirconio. Las varillas de combustible están agrupadas, por lo general, en haces de 17×17, sujetas por rejillas y con un cabezal de salida y otro de entrada que se ajustan a las rejillas superior e inferior del núcleo. De este modo, se forman los elementos combustibles (longitud de aprox. 4m) que ocupan la zona inferior del espacio hueco de la vasija, estando en la parte superior los elementos guía de las barras de control, que estarán parcialmente extraídas durante funcionamiento normal. En este tipo de reactor el agua ligera actúa tanto de refrigerante (a presión para que no hierva en el interior del reactor) como de moderador, pudiéndose utilizar también como moderador el grafito. El reactor, se halla inserto en una vasija de acero de aproximadamente 25-30 cm. de espesor y unas 400 TM de peso, provista de una tapa que va embragada a la vasija en condiciones nominales de funcionamiento, y que puede retirarse de la misma para proceder a la recarga del combustible. El control del reactor se lleva a cabo por medio de las barras de control y por ácido bórico disuelto en el refrigerante. Tanto las barras de control como el boro son buenos absorbentes de neutrones y tienden a hacer menos reactivo el núcleo, de forma que ajustando la concentración de boro y la longitud de las barras de control

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ENERGIA NUCLEAR

que se insertan en el núcleo puede variarse el nivel de potencia del reactor e incluso pararlo.

Figura NUC- 8 "Esquema de funcionamiento de una central nuclear equipada con un reactor PWR", fuente [18]

En una central PWR las barras de control, así como sus mecanismos de accionamiento, van instalados en la parte superior de la vasija, permitiendo subir o bajar cada barra, de forma que al insertarse más o menos en el núcleo, su superficie de absorción de neutrones aumenta o disminuye, variando así la potencia. El edificio de contención contiene todo aquello que puede haber estado en contacto con material radiactivo, por tanto, todo el circuito primario, incluido el intercambiador (generador de vapor), deberán encontrarse en su interior. Al final de cada ciclo de operación, que dura entre 12 y 24 meses, tiene lugar la recarga del reactor, momento en el que se extraen los elementos combustibles más gastados y se insertan los elementos nuevos o frescos. b) Reactor de agua en ebullición (BWR) El reactor de agua en ebullición, al igual que el anterior, es muy utilizado y su tecnología ha sido desarrollada, principalmente, en Estados Unidos, Suecia, Alemania y Japón. En España pertenecen a este tipo de las centrales nucleares de Santa María de Garoña y Cofrentes.

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El combustible es UO 2 enriquecido y va envainado en tubos de aleaciones de zirconio formando elementos combustibles (longitud de aprox. 3.5 m). Las varillas de combustible se agrupan generalmente en conjuntos prismáticos de 8×8, enlazadas mediante rejillas soporte y dos cabezales, uno de entrada, y otro de salida, en la rejilla superior. Cada uno de los elementos combustibles se encierra en una caja prismática de zircaloy.

Figura NUC- 9 "Esquema de funcionamiento de una central nuclear equipada con un reactor BWR”, fuente [18]

En este reactor se utiliza agua ligera como moderador y como refrigerante. La ebullición del agua ligera tiene lugar en el interior del núcleo del reactor. El vapor producido se separa del caudal del agua refrigerante por medio de unos separadores y unos secadores (situados en la parte superior del reactor) y a continuación fluye a la turbina principal. Una particularidad de estas centrales es que las barras de control están situadas y se introducen por la parte inferior de la vasija. Esto es así dado que el acceso al núcleo del reactor desde la parte superior de la vasija es imposible, debido a la presencia de los separadores y secadores de vapor. El movimiento de subida (inserción) o bajada (extracción) de las barras de control para regular el reactor y controlar la fisión y la reacción en cadena, se realiza mediante un sistema hidráulico maniobrado desde el exterior y preparado ante una posible parada de emergencia.

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ENERGIA NUCLEAR

c) Reactor de agua pesada (HWR) Este tipo de reactor ha sido desarrollado principalmente en Canadá (Reactores CANDU) y en la India. Emplea como combustible uranio natural o enriquecido, en forma de óxido, introducido en tubos de circonio aleado. Su principal característica es el uso de agua pesada (D 2O) como moderador, existiendo versiones que utilizan como refrigerante agua pesada a presión o agua ligera en ebullición. En su diseño más habitual, el moderador se encuentra separado del refrigerante en una calandria, un tanque amplio atravesado por los tubos de presión que contienen el combustible. El refrigerante pasa por los tubos manteniéndose a una cierta presión para que no entre en ebullición, produciéndose el vapor en los intercambiadores de calor por los que circula agua ligera. El control del reactor se puede realizar variando el nivel del moderador o mediante las barras de control. d) Reactor de grafito-gas (GCR) Este tipo de reactores, desarrollado principalmente en Francia y Reino Unido, genera el vapor mediante un circuito intercambiador de calor, exterior o interior a la vasija que contiene el núcleo. A este tipo pertenecía la central española de Valdellós I, actualmente en fase de desmantelamiento. Se emplea uranio natural como combustible, grafito como moderador y CO 2 como refrigerante. El moderador de grafito se dispone en forma de cubos de ladrillos con canales verticales que lo atraviesan. Los elementos de combustible se alojan en dichos

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canales, uno encima de otro, en tanto que algunos están ocupados por las varillas de control, compuestas de acero al boro. El refrigerante es anhídrido carbónico y sale de los canales sobre los elementos de combustible. Este transporta el calor desde el reactor (entre 350 y 400ºC) y por ello, se emplea para hervir el agua que producirá el vapor para el turbogenerador. El gas, una vez ha entregado el calor, es devuelto al reactor. El núcleo de un reactor con refrigeración a gas está rodeado por un reflector de grafito que devuelve parte de los neutrones que intentan escapar. El intercambiador de calor no posee protección contra radiaciones, pues aunque el anhídrido carbónico pasa por el centro del reactor, no se vuelve radiactivo. La mayoría de los reactores con refrigerantes gaseosos tienen máquinas muy complicadas encima del reactor para repostarlo mientras funciona. e) Reactores nucleares avanzados En 1985, a requerimiento de una serie de empresas eléctricas americanas se solicitó al Electric Power Research Institute, un documento que contuviera aquellos requisitos que debían cumplir las nuevas centrales nucleares, basándose en la experiencia acumulada y que incorporase además las nuevas tecnologías. Como consecuencia de esto se publico en 1990, el primer informe sobre los requisitos de los nuevos reactores avanzados. En el documento aparecían nuevos conceptos de reactores clasificados en tres grupos: reactores evolutivos, reactores pasivos y reactores intrínsecamente seguros. Los diseños de reactores avanzados incorporan mejoras de la seguridad en cuanto a una mayor protección ante la emisión de radiación al medio ambiente y en cuanto a la seguridad pasiva, basada en fuerzas naturales como la convección y la gravedad que permite reducir la dependencia de sistemas y componentes activos, tales como bombas y válvulas. Ante la existencia de perturbaciones y accidentes, los sistemas de control, vigilancia y protección, ampliamente digitalizados, pondrán de nuevo a funcionar a

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la central en condiciones normales o en un estado de cierre seguro, de manera automática, sin la intervención del operador. En lo que respecta a la seguridad pasiva, sus funciones serán independientes del suministro de la corriente eléctrica, aprovechando mecanismos termo-hidráulicos tales como la diferencia de densidad debidas a diferentes temperaturas y tanques de agua elevados, a fin de permitir el flujo del refrigerante al sistema del reactor por gravedad para alcanzar niveles máximos de refrigerante. Los reactores evolutivos están caracterizados por un nuevo diseño basado en los conceptos clásicos de las centrales que están actualmente en operación. Es decir, se incorporan componentes probados, que con anterioridad han demostrado su fiabilidad, y se diseña una estructura óptima pero redundante y diversificada, que hace innecesario el diseño de un prototipo previo. Se les denomina

“evolutivos” porque son una evolución de los reactores

actualmente en funcionamiento. Esto favorece un importante ahorro económico, además de una reducción del tiempo necesario para el licenciamiento y el comienzo de la construcción de las primeras unidades. Los reactores pasivos incorporan innovaciones relacionadas con los sistemas de seguridad pasivos basados en la circulación natural para realizar la refrigeración y en la gravedad para los sistemas de fluido de emergencia. Se caracterizan por su menor complejidad, lo cual facilita su manejo, y porque reducen considerablemente el riesgo a cualquier posible error humano. El concepto de reactor pasivo se lleva al máximo exponente de seguridad si se hacen diseños intrínsecamente seguros. Este nuevo concepto, a diferencia de los dos anteriores, si necesita de prototipos, con lo cual su desarrollo es más lento y el proceso de licenciamiento es más largo. Reactores del tipo avanzado son: Reactor avanzado de gas (AGR), Reactor avanzado de agua a presión (APWR), Reactor avanzado de agua en ebullición (ABWR), etc.

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Por otra parte, se encuentra el programa español de centrales nucleares avanzadas desarrollado mediante la participación de las empresas españolas más relevantes del sector nuclear como "ENSA Equipos Nucleares S.A." y financiado por empresas del sector eléctrico y empresas suministradoras americanas (Westinghouse). El objetivo del programa se fundamenta en la preparación de futuras soluciones y mejoras en el campo de la energía nuclear y en la contribución al mantenimiento de la tecnología nuclear en España. Algunos de los proyectos en los que se ha dado una importante participación son: Proyecto ALWR, Proyecto EPR, Proyecto EBWR, etc.

Artículo NUC- 1 "Recorte artículo de pre nsa", fuente [21]

MATERIALES, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CENTRAL NUCLEAR Los grandes edificios que forman una central nuclear requieren muchas cantidades de materiales, que deben cumplir rigurosas normas de construcción, de composición y de propiedades físicas, químicas y estructurales.

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La tabla adjunta muestra una lista de los materiales de construcción que hay que emplear en cuatro modelos diferentes de reactores de distintos suministradores: el llamado EPR (Reactor europeo de agua a presión) para Estados Unidos de la empresa francesa Areva, el AP-1000 de la americana Westinghouse y los modelos ABWR (Reactor avanzado de agua a presión) y ESBWR (Reactor económico simplificado de agua en ebullición), ambos de General Electric. Cantidades tan elevadas suponen inversiones mayores que la necesitada para la construcción del Empire State Building. Del mismo modo se tendrá presente la necesidad de un número significativo de operarios tanto en la construcción como en el posterior funcionamiento.

MATERIAL

CANTIDAD

Hormigón

420.000 metros cúbicos

Acero de armaduras y partes empotradas Acero estructural y de pasarelas, techumbres y varios Tubería de gran diámetro

45.000 toneladas 25.000 toneladas

Tubería de pequeño diámetro

12.900 toneladas

Bandejas de cables

66.000 metros

Conductos

360.000 metros

Cableado

2.500.000 metros

7.800 toneladas

Tabla NUC- 2 "Cantidades de material", fuente [44]

Los criterios de diseño de las estructuras, sistemas y componentes de una central nuclear están orientados al cumplimiento de las funciones fundamentales contra el escape de sustancias radiactivas. Esto es, el control de la potencia del reactor, la refrigeración del combustible (manteniendo el equilibrio térmico) y el confinamiento de las sustancias radiactivas dentro de las barreras físicas. Estas tres funciones fundamentales han de cumplirse tanto en condiciones normales de operación, como en el caso de incidentes operacionales previstos o después de situaciones accidentales.

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Además, en el diseño de los sistemas, estructuras y componentes más importantes para la seguridad de la instalación, caben destacar las siguientes condiciones: -

Control de accesos y protección física de las instalaciones.

-

Salidas de emergencia y comunicaciones (internas y externas).

-

Pruebas e inspecciones periódicas, mantenimiento, reparaciones y vigilancia en servicio.

-

Seguridad en todos los sistemas que contienen material radiactivo o fisionable.

Los criterios de selección del emplazamiento se fundamenta en la evaluación de los sucesos externos que pudieran afectar a la central, tanto naturales (caída de rayos) como de origen humano (incendios), del impacto radiológico sobre la población y el medio ambiente de la zona (dispersión radiactiva), de los planes de emergencia y de la disposición de un adecuado sistema de refrigeración externa (se comenta a continuación). El sistema de refrigeración exterior es necesario para conseguir la condensación del vapor procedente de la turbina y la posible reutilización y aprovechamiento del agua. El agua utilizada en el condensador, para condensar el agua procedente de la turbina, se debe también enfriar, dado su significativo aumento de temperatura. En el caso de que los condensadores de vapor se alimenten a partir del mar, de un río, de un lago o de un embalse próximos, si el agua se toma aguas arriba de la central y su vertido se realiza algunos metros más abajo, es decir, se devuelve al medio del que se tomó, se conoce como sistema abierto de refrigeración. A la hora de la devolución de esta agua a su medio natural se deberán mantener ciertos criterios y normas impuestos por el correspondiente organismo competente, para respetar la no influencia en el medio. En el caso en que el agua que pasa por el condensador, sea llevada a las torres de refrigeración, donde se enfría, para recircularla de nuevo al condensador, se conoce como refrigeración mediante recirculación abierta (Figura NUC- 10). De esta manera,

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la cantidad de agua tomada del medio acuático es mucho menor, ya que sólo se toma la necesaria para reponer el agua evaporada en las torres de refrigeración. Si cerca de la central no se dispone de ningún curso de agua abundante, se pueden utilizar torres de refrigeración que mantienen la temperatura del agua a bajos niveles.

Figura NUC- 10 "Sistema de refrigeración de recirculación abierta", fuente [18]

El penacho producido en las torres de enfriamiento es única y exclusivamente vapor de agua libre de contaminante alguno, debido a la estanqueidad de los circuitos de la central que así lo aseguran. Una clasificación de los tipos de torre de refrigeración es aquella que se fundamenta en la forma de mover el aire a través de la misma. Algunos ejemplos se encuentran en:



Las torres de refrigeración de tiro natural, donde el agua cae en forma de duchas en su interior y es enfriada por la corriente de aire ascendente que se produce de forma natural. Es decir, el aire que penetra por la base asciende de forma natural por el interior de la torre, aprovechando la diferencia de temperaturas entre la base y la parte superior. Se produce un tiro similar al de una chimenea.



En las torres de refrigeración de tiro mecánico, forzado o inducido, se utilizan ventiladores para mover el aire a través de la torre. Cuando los ventiladores se

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sitúan en la entrada del aire, parte inferior de la torre, de tal forma que sirven de impulsores del aire, se denominan de tiro forzado. Cuando son colocados a la salida del aire, generalmente en la parte superior de la torre, se las denomina de tiro inducido.

Figura NUC- 11 "Torre de refrigeración"

Figura NUC- 12 "Central nuclear de Trillo, G uadalajara, a orillas del río Tajo, torres de tiro natural de más de 150 m. de altura" , fuente [19]

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Los edificios principales de una central nuclear son los siguientes: edificio de contención (reactor), edificio de turbinas, edificios auxiliares (laboratorio, etc.), edificio de combustible (elementos de combustible tanto de recarga como los ya utilizados, piscinas, ATI, etc.), edificio eléctrico y edificio de turbogeneradores diesel. Sin olvidar la necesaria subestación eléctrica y los correspondientes transformadores elevadores.

Figura NUC- 13 "Grupo de transformadores"

El edificio eléctrico, donde están localizados los sistemas eléctricos, los centros de control de motores, las cabinas de potencia y la sala de control, que es cerebro de la central desde donde se controlan todos los sistemas de la central.

Figura NUC- 14 "Sistemas eléctricos de la central nuclear de Garoña", fuente [26]

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La sala de control muestra a los operadores, a través de sus pantallas, computadores, paneles y registradores, la situación de la central en cada momento.

Figura NUC- 15 "Operario en la sala de control de la central nuclear de Garoña", fuente [26]

Merecen especial atención los sistemas auxiliares de alimentación eléctrica, ya que durante la fase de funcionamiento normal, la corriente que consumen los equipos de la central se toma de la que generan sus propios alternadores, pero para las operaciones de arranque, parada y emergencias es necesario disponer de fuentes de alimentación exteriores suficientemente fiables y que sean redundantes.

Figura NUC- 16 "Grupo-generador de emergencia"

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Normalmente la central recibe energía eléctrica de la red de alta tensión a través de líneas de transmisión independientes. Para casos de emergencia, dispone además de su propia planta de generadores accionados por motores diesel (Figura NUC- 16). PROTECCION RADIOLÓGICA Las distintas fuentes de radiación que existen a nuestro alrededor emiten radiaciones de diversos tipos. Incluso en nuestro entorno cotidiano, los objetos que nos rodean (micro-ondas, teléfonos móviles, etc.) son emisores de radiación.

Figura NUC- 17 "Espectro de frecuencias", fuente U niversidad de Murcia, Prof. R. Barzana"

Si bien existen radiaciones inocuas para los seres vivos, hay otras que tienen la suficiente energía como para arrancar electrones de los átomos, convirtiendo a estos últimos en iones. A estas radiaciones se las denomina "ionizantes".

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En la radiación no ionizante, los enlaces atómicos permanecen estables, no así con la radiación ionizante con la cual, los enlaces atómicos se rompen. Las radiaciones electromagnéticas tienen una doble naturaleza, son ondas, pero también partículas (fotones). El tipo de onda y su energía están relacionados con su frecuencia. Las radiaciones ionizantes pueden ser partículas subatómicas cargadas, a es tas se las denominan radiaciones directamente ionizantes. Pero también pueden estar constituidas por ondas electromagnéticas de alta frecuencia y energía (tipo rayos x) o por neutrones, siendo estas las denominadas radiaciones indirectamente ionizantes. Las radiaciones indirectamente ionizantes se originan principalmente, como posteriormente se estudiará, en la desintegración de los núcleos de los átomos inestables de substancias radiactivas como el uranio. Los núcleos de átomos radiactivos emiten principalmente los siguientes tipos de radiaciones:



Radiación

tipo α, constituida por una radiación corpuscular, donde cada

corpúsculo está cargado positivamente con 2 neutrones y 2 protones.



Radiaciones tipo β, cuyo flujo estará formado por electrones o positrones, también

de naturaleza corpuscular.



Radiaciones tipo γ, cuyo flujo de ondas electromagnéticas de naturaleza

ondulatoria, carentes de masa en reposo y de carga. Esta radiación es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético del núcleo.



En la fisión como en otro tipo de reacciones nucleares, se produce una radiación de neutrones, las cuales tendrán masa pero sin carga.

Recibe el nombre de irradiación, la acción de someter a una persona u objeto a las radiaciones ionizantes.

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Cuando una persona está sometida a la irradiación de una fuente externa, la dosis de radiación que se recibe es igual al producto de la tasa de dosis (dosis recibida en la unidad de tiempo) por el tiempo durante el cual se está expuesto a la radiación. Dosis de radiación = tasa de dosis x t

exposición

Por su parte, la tasa de dosis de radiación en un punto es proporcional al flujo de radiación en él, y este flujo decrece con el alejamiento de la fuente de radiación según el producto de otros dos factores: el primero sigue la ley de decrecimiento con el cuadrado de la distancia, es decir, que aunque la radiación no fuese absorbida en su recorrido desde la fuente hasta el objeto de la irradiación, la tasa de dosis disminuiría en forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al foco emisor, en el caso de una fuente puntual. Además, la radiactividad es absorbida parcialmente por el medio interpuesto entre emisor y receptor, lo que significa que, el segundo factor de decrecimiento de la tasa de dosis en función de la distancia, sigue una ley exponencial. Como consecuencia de lo anterior, la protección contra la irradiación por una fuente externa se consigue mediante la combinación de tres factores: tiempo de exposición, distancia y blindaje. El tiempo de exposición ha de reducirse de modo que la persona permanezca en la zona de irradiación durante el periodo mínimo que sea imprescindible, y debe controlarse el tiempo en que se permanece en dicha zona. La distancia entre la fuente y la persona ha de controlarse también, procurando que se esté lo más lejos que sea posible de la fuente. Como no siempre es posible que la combinación entre tiempo de exposición y distancia den lugar a una dosis admisible, la protección se consigue interponiendo una sustancia que absorba la radiación entre la fuente y el sujeto, a esto es a lo que se llama un blindaje contra la radiación.



Las radiaciones alfa son absorbidas fácilmente por todos los cuerpos, bastan para ello unos centímetros de aire o algunas centésimas de milímetro de agua, por lo que la protección frente a la radiación alfa no necesita ningún blindaje.

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Figura NUC- 18 "Poder penetrante de los distintos tipos de radiaciones", fuente [18]



La radiación beta, aunque algo más penetrante, se absorbe también con facilidad, bastando para ello algunos metros de aire, un milímetro de agua, o un sólido delgado.



Por el contrario, la radiación gamma es muy penetrante, por lo que, para protegerse de ella, son necesarios blindajes de un material pesado, como pueden ser el plomo o el hormigón, de gran espesor.



Los neutrones son también muy penetrantes, sin que sean absorbidos por el aire, pero sí por el agua. Los compuestos de algunos elementos químicos, como el boro y el cadmio, son buenos absorbentes de neutrones.

En las centrales nucleares el reactor está rodeado de un fuerte blindaje, que absorbe gran parte de la radiación gamma y los neutrones, y la central se divide en áreas, según los niveles de radiación que hay en ellas. El acceso al interior de aquellas áreas en las que el nivel de radiación es apreciable está rigurosamente controlado y sólo se permite el acceso a ellas al personal que ha de realizar allí un trabajo concreto; a la vez se limita su tiempo de permanencia en la zona y se mide la dosis recibida, que nunca puede rebasar los límites autorizados por la reglamentación. En el interior de la central, al igual que en las zonas de oficinas, descanso, etc., el nivel de radiación es nulo.

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RESIDUOS RADIACTIVOS Se considera residuo radiactivo cualquier materia o producto de desecho, para el cual no está previsto ningún uso, que contiene o está contaminado con radio-nucleídos en concentraciones o niveles de actividad superiores a los establecidos por las autoridades competentes. Se clasifican en dos tipos:



Residuos de baja y media actividad (RBMA): aquellos que contienen isótopos emisores beta y/o gamma cuyo periodo de semi-desintegración es inferior o igual a 30 años y no desprenden calor. Se incluyen dentro de este grupo las herramientas y diversos materiales empleados en determinadas zonas de las centrales nucleares, las jeringuillas, guantes y material médico diverso en las unidades de Medicina Nuclear y Radioterapia en los hospitales, las fuentes radiactivas empleadas en la industria, y los restos biológicos contaminados procedentes de los ensayos en los laboratorios de investigación.

Figura NUC- 19 "Carga de residuos de baja y media actividad", fuente [19]



Residuos de alta actividad (RAA): aquellos que contienen isótopos emisores alfa cuyo periodo de semi-desintegración superior a 30 años y pueden desprender calor. Son generados en las centrales nucleares y están constituidos por el combustible gastado o por los subproductos vitrificados que se generan cuando se reprocesa el combustible.

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ORIGEN DE LOS RESIDUOS RADIACTIVOS Todas las actividades industriales, y concretamente las de producción de energía eléctrica, generan siempre residuos. Estos pueden ser más o menos cuantiosos o nocivos, y pueden aparecer en las distintas fases de los procesos de construcción y de producción debido a la continuada manipulación de materiales. Las principales aplicaciones que producen residuos radiactivos se dividen en energéticas (es el grupo más importante donde los residuos son generados en las distintas etapas del combustible nuclear y en el desmantelamiento de las centrales nucleares y que representan alrededor del 95% de la producción total) y en no energéticas (derivadas de los usos de los isótopos radiactivos en la investigación, en la medicina y en la industria) también denominadas “pequeños productores”. Así pues, las actividades que generan residuos radiactivos se pueden clasificar en las siguientes:



Producción de electricidad de origen nuclear: se incluyen los residuos generados en todo el ciclo del combustible nuclear, desde la minería (estériles de minería), fabricación de elementos de combustible y todas aquellas actividades asociadas a su uso en los reactores nucleares hasta aquellos generados durante la gestión del combustible gastado.



Aplicaciones de radioisótopos en medicina, industria e investigación: se incluyen los residuos generados en radiodiagnóstico, en las unidades de radioterapia y medicina nuclear de los hospitales (residuos líquidos radioactivos, jeringuillas, guantes, etc.) las fuentes radiactivas (fuentes encapsuladas para gamma grafía) en la industria y los restos biológicos contaminados procedentes de ensayos de laboratorios.



Clausura de instalaciones nucleares y radiactivas: incluyen principalmente los residuos generados por el desmantelamiento y clausura de las instalaciones de generación de electricidad (componentes externos al blindaje biológico, vasija del reactor, hormigón contaminado, filtros, etc. y el propio combustible gastado almacenado en la piscina de combustible y en el reactor).

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CLASIFICACIÓN DE RESIDUOS RADIACTIVOS En España, desde el punto de vista de su gestión, los residuos radiactivos se clasifican en:



Residuos de Baja y Media Actividad (RBMA): tienen un origen diverso. Básicamente, se producen en las centrales nucleares, en hospitales, en centros de investigación y en instalaciones industriales que emplean fuentes radiactivas. Tienen baja actividad específica y no generan calor, y contienen radionucleidos emisores beta-gamma con períodos de semi-desintegración inferiores a 30 años. Este tipo de residuos incluye líquidos inmovilizados en cemento, herramientas y materiales de operación utilizados en determinadas zonas de las centrales nucleares; jeringuillas, guantes y material médico diverso empleado en las unidades de medicina nuclear y radioterapia en hospitales, y otros materiales residuales contaminados procedentes de ensayos en laboratorios de investigación.



Residuos de Alta Actividad (RAA): en España, los residuos de alta actividad están constituidos fundamentalmente por el combustible gastado de las centrales nucleares. Se trata de residuos en estado sólido y se almacenan inicialmente en las piscinas dispuestas a tal efecto dentro de las propias centrales, ya que el agua facilita su manejo y proporciona el blindaje y la refrigeración necesarios para que no afecten a las personas y al medio ambiente. Generalmente desprenden calor y contienen radio-nucleídos de alta actividad con un período de semi-desintegración superior a 30 años.

Dado que no todos los países emplean la misma clasificación, la Comisión Europea ha recomendado unificar criterios, para lo cual propone la siguiente clasificación, en vigor desde el 1 de enero de 2002:



Residuos radiactivos de transición: residuos, principalmente de origen médico, que se desintegran durante el período de almacenamiento temporal, pudiendo a continuación cuestionarse como residuos no radiactivos, siempre que se respeten unos valores de desclasificación.

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

Residuos de baja y media actividad: su concentración en radio-nucleídos es tal que la generación de energía térmica durante su evacuación es suficientemente baja. A su vez se clasifican en: o

Residuos de vida corta

que contienen nucleídos cuya vida media es

inferior o igual a 30 años, con una concentración limitada de radionucleídos alfa de vida larga. o

Residuos de vida larga con radio-nucleídos y emisores alfa de vida larga cuya concentración es superior a los límites aplicables a los residuos de vida corta.



Residuos de alta actividad: residuos con una concentración de radio-nucleídos tal que debe tenerse en cuenta la generación térmica durante su almacenamiento y su evacuación. Este tipo de residuos se obtiene principalmente del tratamiento y acondicionamiento del combustible gastado.

En España, el tratamiento de los residuos radiactivos se efectúa de acuerdo con el Plan General de Residuos Radiactivos, que aprueba el gobierno y pone en práctica la Empresa Nacional de Residuos Radiactivos (ENRESA), creada en 1984. En la actualidad, está vigente el V Plan General de Residuos Radiactivos, en el que se incluye una revisión de todas las actuaciones necesarias y soluciones técnicas aplicables durante un intervalo temporal de actividad de los residuos radiactivos, comprendiendo el estudio económico-financiero actualizado del coste de dichas actuaciones. ENRESA tiene como misión la gestión adecuada de los residuos radiactivos producidos en España, consiguiendo un almacenamiento seguro y a largo plazo de los mismos. Los costes de las actividades derivadas de la gestión de residuos deben ser financiados por los generadores de dichos residuos, y tienen que cubrir los gastos ocasionados por todas las etapas de la gestión, aunque éstas se realicen después de haber terminado la vida útil de las centrales nucleares o de cualquier otra instalación generadora.

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ENERGIA NUCLEAR

En el sector núcleo-eléctrico, esta financiación se hace a través de una cuota porcentual (0,8% aprox.) sobre la recaudación por venta de toda la energía consumida en el país. En el caso de las instalaciones radiactivas (“pequeños productores”), se establece una

tarifa por la prestación del servicio, que debe ser abonada en el momento de la recogida de los residuos. El importe actualizado de las cantidades recaudadas, incluyendo los intereses generados, garantiza el pago de los gastos de la gestión, que alcanzarán su máximo cuando se lleve a cabo el tratamiento definitivo de los residuos de alta actividad.

REELABORACIÓN O REPROCESO Aunque un elemento de combustible haya terminado su período de utilidad en un reactor, no ha consumido más que una pequeña parte del uranio -235 que contenía. El combustible gastado, tras unos años de estancia en la piscina de la central, puede considerarse como residuo radiactivo (ciclo abierto), en cuyo caso se procede a su gestión definitiva, o se considera como un producto del que se puede recuperar el uranio y el plutonio que contienen, para su aprovechamiento energético posterior (ciclo cerrado). La actividad de reproceso consiste en separar el uranio y el plutonio no quemados, quemando productos de fisión y actínidos no recuperados. El uranio y el plutonio se reciclan en fábricas como material fisionable, cerrando así el ciclo del combustible nuclear. Los residuos generados son solidificados por vitrificación, encapsulándolos en cilindros de acero inoxidable, siendo éstos los únicos residuos de alta actividad derivados del ciclo de combustible nuclear. Esto se realiza en plantas de gran complejidad, de las cuales no existe ninguna en España. En Francia, funciona la planta de reproceso de La Hague, propiedad de COGEMA, con dos unidades capaces de reprocesar 800 toneladas de combustible gastado al año. En Reino Unido, funcio na únicamente la instalación “Thorp” de la

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planta de Sellafield, propiedad de BNFL, que alcanzó las 50.000 toneladas de combustible gastado a principios de octubre de 2002. Ambas plantas funcionan con la condición de retornar los residuos radiactivos a los países a los que ofrecen sus servicios de reprocesado de combustible gastado.

ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS Durante todo el ciclo del combustible, y en otras muchas prácticas que suponen el uso con radiaciones o materiales radiactivos, se producen residuos radiactivos. Los residuos (RBMA) poseen actividad durante como máximo 300 años siendo su origen como anteriormente se ha descrito, un 90% de las centrales nucleares y un 10% de aplicaciones médicas, industriales, de investigación, etc. Los residuos (RAA) estarán activos durante períodos comprendidos entre 300 años y miles de años, fundamentalmente el combustible irradiado de las centrales nucleares. Los residuos de baja y media actividad se acondicionan para convertirlos en una estructura estable sólida y duradera, interponiendo entre ellos y el medio ambiente una serie de barreras para proceder a su almacenamiento: barrera físico-química (bidones), barrera de ingeniería (estructuras de hormigón) y barrera geológica (capas de cobertura).

Figura NUC- 20 "Barreras para el almacenamiento", fuente [1 9]

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Cuando los combustibles irradiados no se someten a reproceso, como es el caso español, se convierten en residuos de alta actividad, que se acondicionan en contenedores especiales para su almacenamiento. El almacenamiento de residuos radiactivos puede ser de dos tipos: temporal y definitivo. El almacenamiento temporal de residuos de alta actividad se realiza en las propias instalaciones nucleares que los producen o en almacenamientos intermedios. En España, los residuos de alta actividad se almacenan en las piscinas de combustible destinadas a tal fin en el interior de las propias centrales que los producen.

Figura NUC- 21 "Piscina de combustible gastado de la central nuclear de Garoña”, fuente [26]

Dada la prolongación de la vida útil de las centrales nucleares, la capacidad de almacenamiento de las piscinas, para la cual fueron proyectadas ha sido insuficiente. En España se optó por ampliar la capacidad de las piscinas hasta su límite de diseño, pero una vez alcanzado el límite de las piscinas, o bien para dar paso al desmantelamiento, se han construido almacenes temporales individuales en las propias centrales, siendo este el caso de las centrales nucleares de Trillo y José Cabrera que emplean la tecnología de almacenamiento en seco en contenedores.

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Figura NUC- 22 "Almacenamiento en seco de la central de Trillo y contenedor ENSA-DPT", fue nte [25]

En el caso de la central nuclear de Trillo se comenzó a emplear a partir de 2003 su almacenamiento en seco de combustible gastado, en contenedores metálicos, fuera del recinto de contención, debido a que su piscina se encontraba ya saturada. Los contenedores metálicos utilizados en Trillo, denominados ENSA-DPT (Doble Propósito Trillo) es decir, para almacenamiento y transporte, han sido diseñados y fabricados por la empresa cántabra Equipos Nucleares SA. Normalmente, la tecnología de almacenamiento en seco solo es posible tras un período de enfriamiento previo en las piscinas de las centrales nucleares.

Para la central nuclear de José Cabrera cuya explotación expiró el 30 de abril de 2006, el cumplimiento de la reglamentación establecida, referente al cese de la explotación,

precisa

que

antes

de

la

concesión

de

la

autorización

de

desmantelamiento de la central, el combustible gastado haya sido descargado del núcleo y de la piscina de almacenamiento, o que se disponga de un plan para la gestión de dicho combustible aprobado por el Ministerio correspondiente.

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Figura NUC- 23 "Contenedores HI-STORM en la central nuclear de Hatch, USA y sistema de transporte en seco", fuente [25]

La opción elegida para cumplir con la reglamentación, fue la utilización de un Almacén Temporal Individualizado (ATI) ubicado en el propio emplazamiento de la central y basado en el uso de contenedores en seco. La instalación de almacenamiento está básicamente constituida por una losa de apoyo de hormigón armado, donde se ubican los contenedores de almacenamiento, con las correspondientes protecciones y seguridad y de un pequeño edificio para almacenar el equipo auxiliar. El sistema de almacenamiento en seco utilizado para el caso se denomina HI-STORM 100 (Holtec International Storage and Transfer Operation Reinforced Module) y se encuentra operativo desde hace años en varias instalaciones de Estados Unidos. El diseño original del sistema de almacenamiento ha sido adaptado a las características del combustible de la central de José Cabrera, que es de menor longitud, además el sistema se complementa con un contenedor de transporte, denominado HI-STAR. El almacenamiento temporal a medio o largo plazo del combustible irradiado es en cualquier caso una etapa intermedia de la gestión, para lo que se dispone hoy día de tecnologías suficientemente desarrolladas y probadas, tanto si se realiza en húmedo,

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es decir en piscinas, como en seco en contenedores metálicos o de hormigón, o en bóvedas con circulación de aire para la eliminación del calor.

Figura NUC- 24 "Contenedores metálico y de hormigón y bóveda con circulación de aire", fuente [23]

El uso de dichos contenedores de almacenamiento requiere una aprobación de la Dirección General de Política Energética y Minas, tras la revisión técnica por parte del CSN8, de acuerdo al artículo 80 del Reglamento de Instalaciones Nucleares y Radiactivas. De igual forma la construcción del almacén en las centrales es debidamente autorizada conforme a la legislación vigente El almacenamiento en contenedores es la solución utilizada generalmente en situaciones individualizadas (ATI) para completar la capacidad de almacenamiento de una central nuclear, mientras que las bóvedas o cámaras permiten el a lmacenamiento de mayor número de elementos combustibles a más bajo precio, siendo esta la solución generalmente utilizada para instalaciones de almacenamiento temporal centralizadas tanto de combustible irradiado como de los residuos de alta actividad vitrificados. Las instalaciones de almacenamiento intermedio requieren medidas de vigilancia y control continuadas, una forma de economizar sus gastos de seguridad, control y gestión es su utilización por varias centrales nucleares al mismo tiempo ubicando y 8

CSN Consejo Superior Nuclear.

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construyendo el recinto adecuadamente. Estas instalaciones se denominan de Almacenamiento Temporal Centralizadas (ATC).

Figura NUC- 25 "Esquemas de cámaras ATC ”, fuente [19]

Figura NUC- 26 "Almacén temporal centralizado, El Cabril, Córdoba", fuente [26]

La solución prevista en el VI Plan General de Residuos Radiactivos es disponer en el año 2010 de un Almacén Temporal Centralizado (ATC), para todas las centrales españolas.

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El almacenamiento de residuos de baja y media actividad se realiza en instalaciones superficiales o a poca profundidad. En España, existe una única instalación de almacenamiento temporal superficial de residuos de baja y media actividad en El Cabril, en la provincia de Córdoba, en operación desde 1992.

Figura NUC- 27 "Diseño del almacén temporal el Cabril", fuente [30]

Respecto al almacenamiento definitivo, hay un consenso internacional sobre la viabilidad técnica de los almacenes geológicos profundos (AGP), existiendo a este respecto un alto grado de desarrollo en muchos países, aunque los procesos de implantación están siendo más lentos de lo previsto fundamentalmente por problemas de aceptación y por el hecho de existir soluciones temporales satisfactorias. En la Unión Europea países de reconocida experiencia en la energía nuclear como Francia, Suecia o Finlandia, han desarrollado programas sobre el AGP, presentándolo como el almacenamiento definitivo de los residuos. Actualmente no hay ninguna instalación operativa a nivel industrial, a excepción de la denominada "WIPP" en Estados Unidos para residuos del programa de defensa.

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Pero se encuentran en fase repositorios nucleares AGP como el previsto en Yucca Mountain, el cual estaría ubicado en Nevada (160 Km. de Las Vegas) y destinado a la disposición final de los elementos combustibles gastados de los reactores de potencia, de los de uso naval, de producción, experimentales y de investigación y para los residuos de alta actividad vitrificados que incluyen parte de los generados en programas de defensa.

Figura NUC- 28 "Esquema de un almacén geológico profundo", fuente [44]

Tal y como se verá posteriormente, las características del lugar a ubicar el repositorio deben de participar en la seguridad del residuo almacenado, formando parte de las barreras de protección. En el caso del repositorio de Yucca Mountain el terreno es semiárido, con escasa precipitación pluvial y muy baja densidad de población. Consiste en un bloque de 5 Km. de largo por 1,5 Km. de ancho, ubicado a 300 metros de profundidad en una zona formada por capas de roca volcánica originadas hace 10 a 13 millones de años y donde es muy escasa la infiltración de agua. Por otro lado, se realizó la caracterización geológica y geoquímica, incluyendo la construcción de un túnel exploratorio. También

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se ha optimizado el diseño del repositorio y se han evaluado los materiales de los contenedores. GESTIÓN, TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE RESIDUOS RADIACTIVOS DE BAJA Y MEDIA ACTIVIDAD Se entiende por gestión de residuos como el conjunto de actividades que conducen a su reutilización, su desaparición o su neutralización y evacuación a lugares adecuados, garantizando la seguridad a largo plazo. La gestión de residuos radiactivos engloba todas las tareas administrativas y técnicas necesarias para la manipulación, tratamiento, acondicionamiento, transporte y almacenamiento de los residuos radiactivos, teniendo en cuenta tanto los factores económicos como los de seguridad. El almacenamiento de los residuos de baja y media actividad está basado en la interposición de barreras naturales y artificiales entre dichos residuos y el medio ambiente, de modo que estén perfectamente aislados durante el tiempo necesario hasta que su radiactividad decaiga a niveles inofensivos. Para almacenar los residuos radiactivos de baja y media actividad generados en España, ENRESA dispone del Centro de Almacenamiento de El Cabril, en la provincia de Córdoba, en funcionamiento desde 1992, y con capacidad de llenado hasta 2020. El aislamiento de residuos se realiza mediante la interposición de barreras naturales y artificiales entre los residuos y el ser humano, de forma que impidan el escape de radionucleidos. Las barreras artificiales se diseñan, construyen y colocan considerando el diseño del repositorio por el que se haya optado y tienen en consideración las características y la conexión con el sistema de barreras naturales. Las barreras naturales no han sido construidas por el hombre pero sí seleccionadas y caracterizadas de forma que, reúnan los requisitos funcionales necesarios para que, en conjunción con las barreras de ingeniería artificiales, confieran al sistema la seguridad adecuada. Las barreras naturales son las responsables a más largo plazo de la seguridad del sistema, aun considerando la degradación de las barreras de

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ingeniería y el acontecimiento de eventos no deseables, pero sí previsibles. Las barreras naturales están constituidas por las formaciones geológicas donde se ubica el repositorio y las aguas y gases que contienen, y las barreras artificiales están compuestas por matrices de inmovilización, paredes de hormigón y arcillas compactadas especiales (Bentonita) utilizadas como material de relleno y sellado. Las cuatro barreras empleadas son las siguientes:



Barrera de ingeniería: constituida por las estructuras, blindajes y sistemas de almacenamiento. Los requisitos funcionales y las características de las componentes de las barreras de ingeniería deben ser: -

Aislar el repositorio del agua procedente de la barrera geológica.

-

Suministrar protección mecánica frente a posibles eventos sísmicos o de otros orígenes.

-

Retardar al máximo la salida de los radionucleidos almacenados.

El diseño de las barreras de ingeniería deberá tener en cuenta tanto las características de la formación geológica donde se encuentra el repositorio como las condiciones de presión, temperatura y radiación a las que estarán sometidas en las distintas fases del funcionamiento a largo plazo de la instalación. 

Barrera química: La composición química del residuo, bien como elementos combustibles o como residuos vitrificados constituye la primera barrera. Se inmoviliza el residuo en una matriz sólida, estable y duradera, que sea químicamente inerte. Esta operación se conoce como acondicionamiento. Los materiales más empleados para la matriz son: cemento, asfalto y polímeros.



Barrera física: es el contenedor donde están confinados los residuos inmovilizados evitando así su contacto con el exterior y su posible dispersión. Los contenedores son bidones metálicos, los cuales deben ser resistentes a la corrosión para retardar la llegada de agua al combustible, durables para proteger

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mecánicamente a los elementos combustibles, y de materiales que disipen bien el calor y sean estables frente al calor y la radiación. Los materiales del grupo de los aceros (materiales consumibles) son mecánicamente muy resistentes y su comportamiento frente a la corrosión es bueno y cuantificable. ENRESA en su concepto de referencia utiliza como material para las cápsulas acero al carbono, asignándole una integridad mínima de 1000 años en los análisis de seguridad, si bien los ensayos de corrosión realizados indican que serían necesarios más de 10.000 para su corrosión completa.



Barrera geológica: se compone por las barreras naturales seleccionadas en la ubicación del repositorio y se deben caracterizar por tener: -

Profundidad y extensión suficiente para aislar al repositorio de procesos naturales no deseados.

-

Estabilidad tectónica (carencia de fallas activas) y zona de bajo nivel sísmico.

-

Poca complejidad estructural (simplicidad).

-

Homogeneidad litológica.

-

Baja permeabilidad y gradiente hidráulico.

-

Condiciones adecuadas de retención de radionucleidos (capacidad reductora y de retardo, inmovilización).

El abanico de litologías que cumplen estos requisitos es muy amplio, si bien las más extendidas son: granitos, arcillas y sales.

TRANSPORTE DE SUBSTANCIAS RADIACTIVAS El transporte de las sustancias radiactivas, en condiciones seguras, se realiza según las recomendaciones establecidas por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). La legislación europea vigente para esta actividad es el Acuerdo Europeo para el Transporte de Mercancías Peligrosas por Carretera.

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Las entidades internacionales involucradas en los diferentes modos de transporte, Organización Marítima Internacional, Organización Internacional de Aviación Civil, RID (transporte de ferrocarril por Europa) y ADR (transporte por carretera en Europa), han basado sus reglamentos internacionales en los del OIEA.

Figura NUC- 29 "Transporte sustancias radiactivas", fuente [19]

Las denominaciones combustible gastado y residuos de alta actividad comprenden todo tipo de combustibles nucleares irradiados que contienen uranio o plutonio y los residuos radiactivos en forma de residuos vitrificados. Todos estos materiales radiactivos proceden de diversas fases del ciclo del combustible nuclear y son transportados por vía férrea, marítima o por carretera. Los bultos se clasifican en varias categorías, de las que destacan, para los residuos de mayor actividad, los tipos A y B. El tipo A sirve para materiales de actividad media (combustible sin irradiar y fuentes de uso terapéutico). El tipo B corresponde a materiales de alta actividad (combustible irradiado o gastado, fuentes de actividad elevada, plutonio y residuos vitrificados). Los bultos del tipo B deben asegurar el confinamiento del contenido, la subcriticidad y la protección radiológica de los operadores, el público, los bienes y el ambiente, lo que implica estructuras adecuadas, limitadores de choque y paredes de acero inoxidable en cuanto a resistencia y sistemas de disipación de calor generado por los materiales nucleares (generalmente aletas). 154

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Figura NUC- 30 “Características de un embalaje para el transporte de residuos vitrificados” Fuente [19]

La integridad del contenedor debe ser demostrada por modelación o ensayos a plena escala o en maqueta en las condiciones de accidente siguientes:



Caída libre desde 9 metros de altura.



Caída sobre punzón.



Temperatura de 800ºC durante 30 minutos.



Inmersión en agua a 200 metros de profundidad.

Además, el transporte realizado por algunas empresas hace seguimiento por GPS de la ruta y poseerán planes de emergencia de los que se harán simulacros anualmente. Un ejemplo del transporte comentado es el efectuado con material para reprocesar o reprocesado. Francia y Reino Unido son los dos países europeos donde se reprocesan muchos de los combustibles irradiados en otros países, y por lo tanto hacia o desde donde se realiza para este fin un número significativo de desplazamientos con materiales de alta actividad. El Organismo de Ciencia y Tecnología de Japón realizó un estudio que analizó el impacto medioambiental del residuo vitrificado en el lecho marino costero por un

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extenso periodo de tiempo. Este estudio concluyó que la máxima exposición podría ser mil veces menor que los niveles de radiación encontrada en el ambiente natural. El interés de Japón y de otros países por el empleo del reproceso de los combustibles irradiados y el de plutonio y otros materiales derivados de este, queda demostrado por la flota de barcos especiales para el transporte por mar de estos materiales, que se están construyendo. Los buques que transportan el material nuclear cuentan con una serie de medidas de seguridad que superan ampliamente las aplicadas a cargueros convencionales:

Figura NUC- 31 "Barco para el transporte radiactivo, PNTL Pioneer ing Maritime Safety Standards”, f uente [33]



Doble casco que refuerza su capacidad de soportar daños en caso de colisión.



Flotabilidad mejorada para asegurar que el buque continuará a flote aun en las circunstancias más extremas.



Sistemas dobles de navegación, comunicaciones, control de carga y refrigeración.



Navegación y seguimiento por satélite.



Motores y hélices dobles. 156

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

Equipos adicionales, incluyendo sistema de inundación de bodegas y un generador eléctrico extra.

Además periódicamente serán sometidos a inspecciones de mantenimiento y revisiones regulares de los equipos.

IMPACTO DE LAS CENTRALES NUCLEARES EN EL MEDIO AMBIENTE Las centrales nucleares transforman energía térmica en eléctrica al igual que lo hacen las centrales térmicas convencionales, pero la diferencia está en la manera de producir esa energía. En las centrales nucleares, la energía térmica se genera por un proceso de fisión nuclear, mientras que en las centrales convencionales se produce por la reacción química de combustión del carbón, fuel óleo o gas natural. Por ello, las centrales nucleares no generan CO 2, ni SO2, ni NOx, ni ningún otro tipo de gases contaminantes de la atmósfera. El efecto diferenciador fundamental es el del impacto radiológico que puedan producir en su operación las centrales nucleares, así como los residuos radioactivos que generan y el agravante, por su carácter radiactivo,

en el proceso de

desmantelamiento de dicha central. Por tanto, deben estudiarse los efectos ambientales que pueden producir los efluentes líquidos y gaseosos, los residuos sólidos de baja y media actividad y los residuos sólidos de alta actividad. Durante la operación de una central se exige un seguimiento continuo y exhaustivo de los niveles de radioactividad nuclear de los efluentes y de los residuos generados. Además, el impacto radiológico que pueden producir en el entorno se debe controlar a través de Programas de Vigilancia Radiológica Ambiental (PVRA), cuyos resultados son evaluados y controlados por el Consejo de Seguridad Nuclear. Tal y como se ha visto anteriormente, según la clasificación del residuo se deberá realizar un tipo de tratamiento para su almacenamiento, con la seguridad, gestión y control adecuados y asegurados.

157

ENERGIA NUCLEAR

Por otro lado, al igual que en otros tipos de centrales eléctricas se consumen cantidades importantes de agua en el proceso de refrigeración. Cantidades que se deberán disminuir lo más posible con las técnicas más adecuadas (por ejemplo de torres de refrigeración).

158


CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Una central hidroeléctrica es aquella instalación cuya función es generar energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía cinética o potencial de un cierto caudal de agua.

Figura HID- 1 "Central Hidroeléctrica Itaipu, río Parana, embalse nivel normal de llenado 1350 Km2", f uente [48]

Existen una gran variedad de centrales hidroeléctricas en función de su ubicación, tipo de aprovechamiento, tipo de mando, potencia generada, etc.

159


Este tipo de centrales presenta ventajas muy significativas desde el punto de vista medioambiental y técnico, ventajas que se irán exponiendo y detallando a lo largo de este capítulo, aunque su construcción (algunas de grandes dimensiones) también requiere, en la mayor parte de los casos, obras de ingeniería civil muy importantes, obligando a la realización de otras infraestructuras en su entorno y a un estudio previo, durante y en fase de explotación del posible impacto medioambiental originado.

Figura HID- 2 "Previa demolición y posterior constr ucción de una central hidroeléctrica", fuente [49]

Figura HID- 3 "Dimensiones de la centr al de las Tres Gargantas, China”, f uente [49]

160


En España existen unas 800 centrales hidroeléctricas instaladas, de las cuales 20 de ellas son de más de 200 MW, mientras que existen centenares de pequeñas instalaciones con potencias menores de 20 MW. El siguiente mapa representa las centrales mayores de 20 MW. Se indica el nombre de las 10 centrales mayores de 300 MW.

Figura HID- 4 "Centrales hidroeléctricas potencia superior a 20 MW" , fuente [2]

Figura HID- 5 "Presa de Villarino (Salamanca)", f uente [19]

161


FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

El funcionamiento de una central hidroeléctrica se va a describir, realizando una previa distinción de tipología según la forma de obtener el salto hidráulico, es decir, el desnivel de las aguas que permite a estas adquirir una energía potencial que posteriormente se utilizará para su conversión en energía eléctrica. De esta forma, se distingue un primer tipo de central hidroeléctrica, que además facilita la descripción de todos sus componentes, la central de "Agua embalsada o a pie de presa". Este tipo de central crea el salto hidráulico mediante el atajamiento de la corriente natural del río gracias a una barrera artificial denominada presa o azud. La presa más las características del terreno facilitarán la sucesiva acumulación de agua generando un embalse de un determinado volumen y a una determinada altura. La central se encargará aprovechar la energía potencial del agua embalsada. El funcionamiento se detalla a continuación, siguiendo la siguiente figura,

Figura HID- 6 "Central hidroeléctrica a pie de presa", fuente [2]

La presa (2) situada en el lecho del río, favoreciéndose de la orografía del terreno, acumula artificialmente un volumen de agua que sirve para formar un embalse (1), lo

162


que permite que el agua embalsada vaya alcanzando cierta altura, adquiriendo una energía potencial, transformable en energía eléctrica . Para ello, se sitúa en el paramento aguas arriba de la presa unas tomas de agua formadas por una bocina de admisión, protegida por una rejilla metálica filtradora (3), y por una cámara de compuertas que permite controlar la entrada del agua en la galería de presión, previo a una tubería forzada (4) que conduce finalmente el agua hasta la turbina situada en la sala de máquinas de la central. El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética, es decir, perdiendo altura y adquiriendo velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre las paletas de la turbina hidráulica (6), transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina esta unido al del operador eléctrico (8) que al girar convierte la energía mecánica giratoria en energía eléctrica alterna de media tensión y alta intensidad. Esta energía eléctrica es convertida mediante transformadores (9) en corriente de baja intensidad y alta tensión para incorporarla al sistema eléctrico mediante las líneas de transporte (10). El agua una vez que ha cedido su energía es restituida al río aguas debajo de la central a través del desagüe.

Figura HID- 7 "Central hidroeléctrica de bombeo", fuente [2]

163


Una ampliación de este tipo de central es la llamada "Central de bombeo o reversible" la cual incorpora un segundo embalse situado a distinta cota ( Figura HID- 7). Este segundo embalse permite la recuperación del agua turbinada agua arribas con el grupo eléctrico en funcionamiento como motor. Para la construcción de estas centrales es preciso incorporar una conducción abierta o pozo vertical, denominada "Chimenea de equilibrio" (4), que permita evitar los fenómenos denominados "Golpes de ariete" originados por los cambios bruscos de velocidad, del agua a presión que transportan las tuberías, al abrir y cerrar las válvulas.

Figura HID- 8 "Subestación eléctrica y chimenea de e quilibrio de la central de Villarino", f uente [19]

Los cambios bruscos de velocidad en las tuberías de presión también pueden aparecer, en regulación, por los cambios de carga en el grupo turbina-generador. Desde el punto de vista económico, el funcionamiento óptimo de la central será funcionando como generador de energía eléctrica en las horas de mayor consumo (horas punta) y actuando como motor, consumiendo energía, embalsando agua a cota superior, cuando la energía eléctrica tenga un coste inferior (horas valle). Un segundo tipo de central hidroeléctrica (Figura HID- 9) es aquella que utiliza un canal de transporte de agua, denominado canal de derivación, encargado de llevar el agua por un camino alternativo a su cauce natural, con menor pendiente y rugosidad 164


que este y así ir creando a lo largo de su extensión una mayor diferencia de alturas entre ambos.

Figura HID- 9 "Presentación de una central hidroeléctrica de derivación", fuente [4]

Figura HID- 10 "Canal de derivación"

De esta forma en un punto adecuado, se procederá a la devolución de las aguas al río previo paso por una tubería de presión y el grupo turbina-generador y así aprovechar el salto hidráulico originado. Entre los tipos de centrales comentados, se encuentran las soluciones mixtas que posiblemente sean las más utilizadas pues en su construcción se pueden adaptar mejor a las posibilidades.

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Línea eléctrica

Piscifactoría

Canal de derivación Azud

Cámara de carga

Desagüe Tubería forzada

Sala máquinas

Figura HID- 11 "Esquema de la central hidroeléctrica de Purón (Asturias)", fuente [17]

En este tipo de centrales se embalsa el agua dándole salida a través de una galería de presión, similar a un canal de derivación, lo que permite seguir ganando altura respecto el cauce del río, siguiéndole una tubería de presión forzada que lleva el agua al grupo turbina-generador. Dada la importancia de neutralizar los cambios de presión originados en la tubería forzada es preciso incluir también la chimenea de equilibrio Por último y cuando no exista la posibilidad de aprovechar un salto hidráulico, pero en cambio si se tenga abundante caudal con la energía cinética necesaria, aparecen las centrales denominadas de "Agua fluyente". Estas centrales aprovechan directamente el cauce natural del río para accionar las turbinas, son poco frecuentes pues requieren caudales importantes en cualquier época del año. El estudio y diseño de la central y de su caudal de equipamiento se desarrolla a partir del caudal medio estimado, obtenido de las épocas de mínimo y máximo caudal. Cuando se supera el máximo caudal, este pasara a través de los aliviaderos, trabajando el resto del año a un rendimiento aceptable.

166


Figura HID- 12 "Central de agua fluyente", fuente [1]

Hasta ahora se han descrito, genéricamente, los distintos tipos de funcionamiento de una central hidráulica, a continuación se clasificarán según distintos criterios y se presentarán varias disposiciones según las características del terreno. Posteriormente de desarrollará el estudio de las distintas partes que la forman, su construcción y funcionamiento, para terminar con el análisis y su valoración como medio generador de energía eléctrica. CLASIFICACIONES DE CENTRALES HIDRAÚLICAS Los tipos de centrales hidráulicas son variadísimos ya que, en todos los casos, su construcción y tecnología están muy condicionados por las peculiaridades y características que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas. Cuando se vaya a poner en marcha una instalación de este tipo, hay que tener en cuenta que, la topografía del terreno va a influir tanto en la obra civil (incluidos permisos y estudios necesarios) como en la selección de la maquinaria. A continuación se desarrollan distintas clasificaciones atendiendo a parámetros de significativa relevancia. 1. En base a la potencia nominal generada 9, las centrales se dividen según la Figura HID- 13. En España se concede el calificativo de energía renovable a aquellas

9

Posteriormente se tratarán métodos de estudio para el cálculo de la potencia, rendimiento y energía de una central hidroeléctrica.

167


centrales hidráulicas cuya producción es inferior a los 10 MW., debiéndose esto a la relación que se establece entre el impacto ambiental que provocan unas y otras.

Figura HID- 13 "Clasificación según potencia generada”, fuente [4]

Desde el punto de vista de obra civil, permisos, subvenciones, impacto medioambiental, etc. una minicentral obedece a principios completamente distintos a las grandes centrales alimentadas por enormes embalses. 2. Una segunda clasificación según la altura del salto (lo cual influirá entre otras cosas, en el tipo de turbina más interesante):

Figura HID- 14 "Rodete de la central Camporriondi (Asturias), caudal 4 m 3 /sg"

168


a. Centrales de alta presión, cuyo salto está por encima de los 200 metros de altura (alcanzando incluso los 2.000 metros). En estas los caudales son relativamente pequeños de unos 20 m 3/s máximo por turbina. Suelen estar ubicadas en zonas de alta montaña (Habitualmente utilizan la turbina tipo Pelton).

Figura HID- 15 "Esquema de instalación de una turbina Pelton", fuente [19]

b. Centrales de media presión. Comprende los saltos entre 20 y 200 metros de altura.

Figura HID- 16 "Rodete de la central Cordiñanes"

169


Según que altura la central puede estar bajo la presa o alejada de ella si con ello se consigue más altura. Los caudales en este caso alcanzan los 200 m 3/s. (Suele utilizarse la turbina tipo Francis).

Figura HID- 17 "Esquema de instalación de una turbina tipo Francis”, fuente [19]

Figura HID- 18 "Rodete de una turbina tipo Kaplan de la empresa Fahime", fuente [51]

c. Centrales de baja presión. Corresponden a saltos pequeños de menos de 20 metros, con caudales en la turbina de unos 300 m 3/s, aunque los hay de

170


más del doble, llegando a 600 ó 800 m 3/s. (Suele utilizarse la turbina tipo Kaplan o de tipo hélice).

Figura HID- 19 "Esquema de instalación de una turbina tipo kaplan", fuente [19]

3. Según constitución o finalidad: a. Centrales de derivación (tratadas anteriormente). b. Centrales de agua corriente o fluyente (tratadas anteriormente).

a. Sala de máquinas. b. Subestación transformadora elevadora. c. Presa.

Figura HID- 20 "Esquema de una central de agua fluyente", fuente [50]

c. Centrales de agua embalsada, tratadas anteriormente, presentadas en la Figura HID- 21 y donde se pueden diferenciar:

171




Centrales de Regulación, capaces de regular el caudal de paso a través de las turbinas dependiendo de las posibilidades, necesidades o intereses económicos.

Figura HID- 21 "Central de agua embalsada y al exterior ”, fuente [1]



Centrales de Bombeo, pueden volver a bombear el agua que ha pasado por la turbina desde el embalse inferior al embalse superior (Figura HID- 22).

Figura HID- 22 "Central de agua embalsada de bombeo y en caverna", fuente [49]

Según la ubicación de la sala de máquinas: d. Centrales al exterior, en las cuales la obra está ubicada a la intemperie o incorporada a la presa (Figura HID- 21).

172


e. Centrales en caverna, en las cuales, la sala de máquinas se encuentra integrada en la montaña o por bajo del lecho del río, sin edificio alguno al exterior. Su construcción obedece a razones técnicas constructivas y económicas.

Figura HID- 23 "Central en caverna, entrada y sala de máquinas de Camporriondi (1954) Ingeniería Alemana"

4. Por último, la clasificación atendiendo al tipo de control empleado en la central hidroeléctrica: a. Centrales automáticas, aquéllas que pueden funcionar sin la intervención directa del personal y en las cuales las maniobras de puesta en servicio, paro, regulación de la potencia y de la tensión, se ejecutan de una manera automática. Este tipo de central es muy interesante para reducir costes de explotación, desarrollando el control mediante autómatas programables adecuados a las necesidades. Dependiendo del grado de automatización empleado en el sistema de control, se tienen:



Centrales vigiladas automáticas o semiautomáticas, en las cuales se desarrolla una vigilancia por personal del servicio. 173




Centrales con mando a distancia y controladas desde otro operador.



Centrales completamente automáticas, sin ningún tipo de control por parte del operario.

b. Centrales manuales, son aquellas que para funcionar necesitan de la intervención directa del personal de servicio.

DISPOSICIONES GENERALES DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS Tal y como se vio en el funcionamiento de la central eléctrica, la formación un salto o aprovechamiento hidráulico puede desarrollarse de distintas formas atendiendo a la orografía del terreno a tratar, presentando numerosas variantes en la disposición de los elementos constituyentes: 1. Primera disposición, en la cual se puede presentar un azud o presa, de distinta envergadura dependiendo si su función es simplemente desviar el caudal o formar un embalse significativo, para lo cual habrá que dimensionar la presa. Mediante el canal de derivación se incrementa el salto.

Línea eléctrica Piscifactoría

Desagüe

Canal de derivación Azud

Cámara de carga

Tubería forzada

Sala máquinas

Figura HID- 24 "Esquema de la central hidroeléctrica de Purón (Asturias), salto de 27m.", fuente [17]

Cuando el salto es menor a 12 metros el agua desemboca directamente a las turbinas (pudiendo o no existir canal de derivación), si el salto es superior a 12 metros pasa por un ensanchamiento (cámara de presión o de carga que evita la 174


entrada de aire a la canalización posterior y regula la presión) desde donde parte la tubería de presión que en conducción forzada lleva el agua a la tubería.

2. Segunda disposición. En esta disposición, se substituye la cámara de presión por la chimenea de equilibrio, ambas con la misma finalidad.

1. Presa para embalsar las aguas. 2. Galería de presión derivada directamente de la presa a nivel inferior al máximo admisible. 3. Chimenea de equilibrio. 4. Tubería de presión. 5. Sala de máquinas. 6. Canal de desagüe. 7. Subestación eléctrica elevadora. Figura HID- 25 "Esquema de la segunda disposición", fuente [50]

3. Tercera disposición, donde no aparece el canal de derivación, saliendo la tubería forzada directamente de la presa.

Figura HID- 26 "Esquema de la central hidroeléctrica de Lanzahita (Avila), salto bruto de 108,8 m.", fuente [17]

175


4. Cuarta disposición, donde se prescinde del canal de desagüe.

1. Presa. 2. Canal de derivación. 3. Cámara de presión. 4. Tubería de presión. 5. Sala de máquinas. 6. Subestación eléctrica elevadora.

Figura HID- 27 "Esquema de la cuarta disposición", fuente [50]

5. Quinta disposición, donde no se utilizan ni el canal de derivación, ni el desagüe. Además la tubería de presión comienza en el embalse, no en la presa.

1. Presa. 2. Tubería de presión. 3. Sala de máquinas. 4. Subestación eléctrica elevadora.

Figura HID- 28 "Esquema de la quinta disposición", fuente [50]

1. Presa. 2. Sala de máquinas. 3. Canal de desagüe. 4. Subestación eléctrica elevadora.

Figura HID- 29 "Esquema de la sexta disposición”, fuente [50]

176


6. Sexta disposición, donde se suprimen el canal de derivación y las tuberías de presión. Situación muy frecuente en saltos de pequeña altura, determinados sólo por la presa.

7. Séptima disposición, donde la sala de maquinas se encuentra formando conjunto de la presa. Por lo general se trata de centrales de agua corriente, para pequeños saltos.

Figura HID- 30 "Esquema de la central hidroeléctrica de Virgen de las Viñas (Burgos), salto buto de 8,5 m., caudal 24,5 m3 /sg", fuente [17]

APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO DE UN RÍO La posibilidad, de incluir varios afluentes en el aprovechamiento global del río, puede ocasionar la mejora del rendimiento del conjunto. Cuando se presente esta posibilidad, existen varias soluciones, entre las que se encuentran las siguientes: 1. Primera solución, donde se tienen un río y su afluente con distintos saltos, aprovechados ambos, por la misma sala de máquinas.

177


1. Presa de embalse sobre río principal.

7. Cámara de presión del afluente.

2. Canal de derivación del río principal.

8. Tubería forzada del afluente.

3. Cámara de presión del río principal.

9. Sala de máquinas.

4. Tubería forzada del río principal.

10. Canal de desagüe.

5. Presa de derivación sobre el afluente.

11. Subestación elevadora.

6. Canal de derivación del afluente.

Figura HID- 31 "Esquema de la primera solución", fuente [50]

2. Segunda solución, se tienen un río y su afluente con un salto único. Las presas se encuentran situadas de tal forma que los canales de derivación de ambas terminan en una misma cámara de presión, común. De dicha cámara saldrá la única tubería forzada del conjunto. 1. Presa de embalse sobre río principal. 2. Canal de derivación del río principal. 3. Presa de derivación sobre el afluente. 6. Canal de derivación del afluente. 7. Cámara de presión común. 8. Tubería forzada común. 9. Sala de máquinas. 10. Canal de desagüe. 11. Subestación elevadora.

Figura HID- 32 "Esquema de la segunda solución", fuente [50]

178


3. Tercera solución, se tienen un río con dos o más afluentes, y se presenta como un conjunto de las dos soluciones anteriores.

1. Presa de embalse de cabecera sobre río principal. 2. Presa de derivación sobre el río principal y sus afluentes. 3. Canales de derivación. 4. Cámaras de presión. 5. Tubería forzada de presión. 6. Salas de máquinas. 7. Canal de desagüe. 8. Subestación transformadora elevadora.

Figura HID- 33 "Esquema de la tercera solución", fuente [50]

4. Cuarta solución, se tienen un río con dos o más afluentes pero a diferencia con la solución anterior se realiza con una única sala de máquinas.

1. Presas de derivación sobre el río principal y sus afluentes. 2. Canales de derivación. 3. Cámaras de presión. 4. Sifón para el trasvase de agua a la ladera opuesta del río. 5. Tubería forzada de presión común. 6. Sala de máquinas. 7. Canal de desagüe. 8. Subestación transformadora elevadora.

Figura HID- 34 "Esquema de la cuarta solución", fuente [50]

179


Mediante los canales de derivación y las cámaras de carga se recogen las aguas del río y de los distintos afluentes, para terminar en una única y común tubería forzada de presión. Se utilizarán acueductos o sifones para salvar el paso del río.

MAGNITUDES CARACTERISTICAS DE UN APROVECHAMIENTO 1. RESPECTO AL SALTO En las centrales hidráulicas no se aprovecha toda la altura del salto, existen pérdidas asociadas a la altura equivalente, por diversas causas que se expondrán a continuación. Para el estudio de estas pérdidas se definen las siguientes magnitudes características de un aprovechamiento hidráulico (Figura HID- 35),

Figura HID- 35 "Saltos y pérdidas en una central embalsada", fuente [50]



Salto total o natural (H): diferencia de nivel o cota, entre la parte superior del embalse y las aguas remansadas a la salida del socaz o desagüe. 180




Salto bruto o disponible (H'): diferencia de cota entre la entrada a la tubería forzada y salida del tubo de aspiración (salida de la turbina) o la entrada al socaz.



Salto neto (H''): es lo realmente aprovechable del salto bruto, descontando las pérdidas existentes en su trayecto (turbina incluida). El salto neto será lo que represente la altura hidráulica entre la entrada y la salida de la turbina, es función del diseño y tipo de turbina y debe calcularse para cada caso.

En el caso de centrales de derivación hay unas pérdidas de altura tanto en el canal de derivación como en el canal de desagüe, las cuales se pueden representar por el producto de la longitud del canal y su pendiente. H' (salto bruto) = H Total - (L2 m2 + L7 m7) Siendo, L2 = longitud del canal de derivación. m2 = pendiente del canal de derivación. L7 = longitud del canal de desagüe. m7 = pendiente del canal de desagüe.

La pendiente del canal de derivación realmente no es así pero la diferencia es despreciable, del mismo modo se han despreciado las pérdidas de la cámara de presión, si la hubiera. A continuación y siguiendo la Figura HID- 35, se van a describir las distintas pérdidas que se pueden encontrar, en el caso genérico de una central de agua embalsada, asociándolas a los distintos tipos de salto tratados anteriormente.



Pérdidas debidas al remanso (h 1), representan la no horizontalidad de las aguas remansadas, cuya pendiente va disminuyendo según se acercan a la presa.



Pérdidas en el canal de derivación (h 2), durante el canal de derivación se tienen unas pérdidas de nivel que variarán según la pendiente, la sección en contacto con el agua, la rugosidad de las paredes, etc.

181




Pérdidas en la cámara de presión o en la chimenea de equilibrio (h 3), originadas en parte por el rozamiento de las rejillas filtrantes de dicha cámara.



Pérdidas en la tubería de presión (h 4), debidas a los cambios de dirección, sección, rozamientos, etc. existentes.



Pérdidas en la turbina (h 5), donde se incluyen además de las pérdidas debidas propiamente a sus conducciones, las características de cualquier máquina electromotriz (rendimiento del grupo turbina-generador).



Pérdidas en el tubo de aspiración (h 6), similares a las de otras conducciones.



Pérdida en el canal de desagüe (h 7).

Y todas estas pérdidas se pueden asociar a los distintos saltos según: Siendo H (salto total), H' (salto bruto) = H - (h1 + h2 + h3 + h7) H'' (salto neto) = H' - (h 4 + h5 + h6) H'' (salto neto) = H - (h 1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6 + h7)

2. RESPECTO CAUDALES CARACTERISTICOS Se definen los siguientes caudales característicos: 

Caudal natural (Qn), se define como el caudal en un instante y en un punto o sección determinados, si no existiera ningún factor directo o indirecto que lo modificara. El caudal natural, cualquiera que sea la naturaleza del curso de agua, es variable a lo largo del río.



Caudal real (Qr ),

es el caudal en un instante y en un punto o sección

determinados, existiendo las instalaciones correspondientes.

182




Caudal real decretado (Q d), es una variedad del caudal real, que no considera la parte del mismo que supera un valor determinado.



Caudal corregido (Q C), para un instante y sección dados en su recorrido, es el caudal que existiría si no fuera por los cambios de volumen de agua almacenados aguas arriba al punto de medida. QC = Qr + Qembalsado - Qdesembalsado Caudal de servidumbre (Q s), caudal que debe mantenerse aguas abajo para mantener otras necesidades, del tipo medioambiental y ecológico, aparte de la producción de eléctrica. Caudal medio característico (Q m), será la media aritmética de los caudales (natural, real, corregido) observados durante un periodo considerado del año y durante el mayor número de años posible. Caudal de equipamiento o turbinable máximo (Q eq), caudal máximo que el conjunto de las instalaciones pueden absorber en régimen normal Caudal de mínimo equipamiento (Q eq.m), caudal mínimo necesario para que el conjunto de las instalaciones puedan funcionar. Caudal de estiaje (Q e), es el caudal límite inferior que se mantiene por lo menos 10 días al año. Caudal mínimo semi-permanente (Q m.s), se define como el caudal límite inferior que se mantiene por lo menos 180 días al año.

Teniendo presente los caudales definidos, se presentan las siguientes curvas características representativas de un río. Curva hidrógrafa anual, es aquella que representa los caudales medios diarios en el eje de ordenadas y los días del año en el eje de abscisas. También en el eje de ordenadas se pueden representar los caudales anuales medios que resumen los aforos, en un lugar determinado, realizados en los últimos años.

183


Figura HID- 36 "Curva hidrógrafa últimos años-periodo mensual", fuente [17]

Curva de caudales acumulados, la cual se obtiene de la hidrógrafa anual, sumando para cada nivel de caudal el número de horas que dicho caudal se ha igualado o superado a lo largo del año.

Volumen anual vertido por máximo

Volumen anual turbinable

Volumen anual vertido por mínimo técnico

Figura HID- 37 "Curva de caudales acumulados", f uente [1]

El volumen anual vertido por mínimo técnico es aquel que se desperdicia, porque no llega al mínimo caudal necesario para el funcionamiento de la instalación.

184


La relación entre el caudal de equipamiento (Q eq) y el caudal de equipamiento mínimo (Qeq.m) depende del tipo de turbina empleada: Qeq.m = k Qeq Turbinas Pelton k= 0,10

Turbinas Kaplan k=0,25

Turbinas Francis k=0,40

3. RESPECTO AL REGIMEN

En lo que se refiere al régimen de los cursos del agua, se distinguen: Régimen Glaciar, para los

cursos de gran altura que serán alimentados por

glaciares y masas de nieve. Su caudal máximo tendrá lugar en verano y las épocas de estiaje durante el invierno, entre noviembre y mayo.

Figura HID- 38 "Presa Jocica (Asturias) en época de estiaje"

Régimen pluvial, para los cursos de media altura que serán alimentados por lluvias producidas. El estiaje se produce en verano y principios de otoño, siendo los caudales del resto del año muy variables.

185


Régimen mixto: para los ríos alimentados a la vez por las nieves de las grandes alturas y las lluvias de media altura. Se originan dos épocas de estiaje, una en invierno y la otra en verano.

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA La potencia teórica se define como el trabajo realizado en un segundo por una masa de agua que pasa de una posición superior a otra inferior. Esta diferencia de cotas viene representada por el salto bruto o salto disponible (H').

Pt

ρdensidad 



w t



Fe t



m  g  H' t

m V

Qcaudal 

m3 t

 m3   m   Kg  m2   Kg      Pt watios  g   2   H' m  Pt   Pt  Q  ρ  g  H'  1000  3   Q   3    m   sg   sg   sg 

 m   2   sg 

g  9,81

caballo vapor   736watios

 m 3   m  Kg  1  C.V     9,81   2   H' m   Pt  1000  3   Q     sg 736 watio sg  m       

Pt



1000  Q  H' C.V.  75

Las turbinas no aprovechan en su totalidad el salto bruto, por lo tanto, el rendimiento de la turbina incluidas las pérdidas en la tubería forzada y las del tubo de aspiración, resultan:

186


ηt



H' ' H'

La potencia mecánica al eje de la turbina o potencia mecánica es:

Pm



1000  Q  H'  η t C.V.  75

La potencia eléctrica suministrada por el generador dependerá a su vez del rendimiento del generador (ηG) y del transformador (η I), de tal forma que a la salida del generador se tendrá una potencia eléctrica:

Pe



1000  Q  H'  η t  ηG C.V.  75

Y a la salida del transformador:

Pe



1000  Q  H'  η t  ηG  ηI C.V.  75

La expresión en kilovatios de la potencia será:

Pe



1000  Q  H' 1  kW   η t  ηG  ηI C.V.     75 1,34  C.V. 

Si se desea hallar la potencia eléctrica de suministro al usuario, se debiera tener en cuenta el resto de los rendimientos: 

Rendimiento de las líneas de transmisión (η II)



Rendimiento de las subestaciones transformadoras reductoras (η III)



Y más si el sistema eléctrico así lo planteara.

Obteniendo un rendimiento global: η Global = ηt + ηG + ηI + ηII + ηIII

187


Cuando se desee hallar el rendimiento de la instalación de una central hidráulica, se resuelve el cociente entre la potencia eléctrica a la salida del generador ( en otros caso se utiliza la potencia eléctrica a la salida del transformador elevador) y la potencia teórica de la instalación: ηinstalacio n



Pe Pt

ENERGIA DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA

En las centrales con presa el elemento característico es la energía que se puede obtener variando o utilizando todo el volumen de agua que cúbica la presa, si se tiene volumen de la presa "V" y una altura media de la presa "H m": W  m  g  Hm m   Kg   V   m3  g      Hm m  3 2    m   sg 

W  julios  1000 

 m  1  Kg   kWh  3              V m 9,81 H m    m 3 2  6  Julios  m sg 3,6 10      

W kWh   1000 

W kWh  

1  V  Hm kWh  367

Si se tiene en cuenta el valor del rendimiento de la instalación:

Winstalació n



instalació n 367

 V  Hm kWh 

188


ELEMENTOS DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS

1. Presa, construcción encargada de atajar el cauce natural del río, bien para embalsar (presas de embalse) o bien para desviar (presas de derivación) las aguas. Es el elemento más importante de la central y depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno donde se realiza la instalación. Según el material utilizado en su construcción se tienen distintos tipos de presas, incoherentes (de tierra, de escollera, mixtas) y coherentes, proporcionan resistencia e impermeabilidad al conjunto (de mampostería, de hormigón armado), siendo estas últimas de hormigón las más utilizadas en la actualidad dada su gran aportación. Dentro de este tipo de presas, coherentes de hormigón, se encuentran diversos tipos según la disposición constructiva, teniendo:



Presas de gravedad, en las cuales la fuerza antivuelco la soporta el propio peso de la presa.

Figura HID- 39 "Presa de arco, Jocica (Asturias)"



Presas de arco sencilla, las cuales forman un arco transmitiendo las fuerzas a los laterales del valle. Suelen situarse en valles angostos con laderas

189


rocosas de buena calidad. La sección de estas presas es una sección recta. 

Presa de bóveda, es una variedad de las anteriores, en la cual, la sección también es curva. El ahorro de hormigón es significativo.



Presas a contrafuerte, son el resultado de estudios realizados para la reducción del hormigón empleado.

Figura HID- 40 "Presa de contrafuertes", fuente [ 49]

2. Canal de derivación, de poca pendiente y rozamiento al agua, utilizado para conseguir una cierta altura o salto, previo paso a la cámara de presión y posterior tubería forzada.

Figura HID- 41 "Canal de derivación de 54 km., Chira Piura, Peru", fuente [54]

190


Los canales van revestidos interiormente de mampostería u hormigón para facilitar el deslizamiento de agua en su interior.

Los canales pueden realizarse: 

En desmonte, es decir excavando el terreno, formando las paredes de material natural, aportando estabilidad.



A media ladera, utilizando un terraplén artificial a un lado de la ladera.



En terraplén, utilizando terraplenes a ambas laderas.



En túnel, el cual consiste en una galería subterránea por donde el agua circula por gravedad sin ningún tipo de presión.

La pendiente de los canales de derivación ha de ser mínima para afectar en lo menos posible al salto útil, del aprovechamiento hidráulico. Además existen limitaciones de velocidad según el tipo de material del que esté construido el canal, para evitar posibles erosiones. La pendiente se calcula haciendo uso de la fórmula de Bazim:

 

h  α  1  β

b  b    V2 S  S

h = desnivel del canal por cada kilómetro de longitud (en proyección) b = perímetro mojado S = sección que ocupa el canal α y β = coeficientes de Bazim

En la cual se observan los factores determinantes, entre los que se encuentran: 

La velocidad del agua.

191




La naturaleza y el estado de las paredes del canal, representados por los coeficientes de Bazim (α y β):



TIPO DE PARED

α

β

PÚLIDA

0,15

0,07

CEMENTO

0,19

0,25

MAMPOSTER A

0,24

0,25

La relación (b/S), representa los valores geométricos del canal, por ejemplo, un canal con pendiente mínima es aquel con la relación (b/S) mínima, caso de canal semicircular. Pero este tipo de sección, semicircular, es de muy compleja construcción por lo que se recurre a formas trapezoidales o rectangulares del tipo descrito en las figuras siguientes, donde se cumplan las condiciones indicadas: a0

t α

a0



2t senα

a0

t

a0



2t sen 90 o

 2t

192


En la práctica, para canales de derivación abiertos con muros de hormigón, se recomiendan los siguientes valores: o

Pendientes de valor comprendido entre 0,2 y 1 %

o

Velocidades comprendidas entre 0,5 y 1,5 m/sg

Para canales construidos en tierra, la pendiente depende de la composición del terreno.

3. Tuberías forzadas de presión, son la tubería cerrada que libera el salto, conduciendo el agua hasta las turbinas. Pueden ser metálicas o de hormigón, y suelen encontrarse instaladas en la superficie del terreno.

Figura HID- 42 "Trasvase Tajo-Segura", fuente [17]

La elección del número de tuberías forzadas depende a su vez del número de grupos turbina-generador instalados y de la oportunidad de mantener la independencia del funcionamiento de dichos grupos. Pero desde el punto de vista económico es conveniente reducir su número al máximo. 193


Figura HID- 43 "Tuberías forzadas de hormigón ( vista interior) y metálicas (vista exterior)", fuente [48]

Una vez seleccionado el número de tuberías es necesario determinar su diámetro. Este puede ser constante a lo largo de toda su longitud o decreciente a medida que disminuye la altura. Esta solución es la más adecuada para grandes saltos. La determinación del diámetro óptimo se basa en un compromiso económico entre el coste de los materiales y el coste asociado a las pérdidas de carga que se produzcan. Es evidente que a mayor diámetro mayor coste, pero menores pérdidas, es decir, más capacidad de producción de energía.

Los trabajos de soldadura se ejecutaron con soldadores calificados. El contrato incluyó la toma de radiografías al 100% de las 268 uniones soldadas. Únicamente fue necesario reparar un 0.2% del total de longitud de soldadura realizada. ·

·

Se aplicaron códigos A.P.I., AWS y ASME.

Se realizó además la pintura de todas las uniones y la reparación de la pintura dañada en el transporte de los tubos. ·

Figura HID- 44 "Informe de ejecución de tubería forzada de un proyecto hidroeléctrico", fuente [55]

194


La construcción y montaje de las tuberías forzadas ha de desarrollarse con sumo cuidado de no perder las características de diseño para que no existan posibles escapes y pérdidas añadidas y en el caso de las metálicas debe desarrollarse especial atención a su mantenimiento, dada la posible corrosión de los agentes atmosféricos.

4. Aliviaderos, son elementos de seguridad vitales de la presa, previstos para evacuar el caudal máximo de crecida, evitando de este modo, que se produzcan inundaciones y daños en la presa y en el lugar. Podrían atender también, a las necesidades mínimas ecológicas o de riego, en el caso de que fuera necesario. Se distinguen básicamente tres tipos: 

Aliviaderos de superficie, utilizados en presas de tierra, se disponen independientemente de la presa.



Vertederos, son aliviaderos fijos (sin partes móviles) cuya estructura forma parte de la presa.

Figura HID- 45 "Vertederos de coronación", fuente [19]

Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, por efecto de la energía cinética del agua vertiente, los vertederos se

195

CENTRALES HIDROELÉCT HIDROELÉCTRICAS RICAS

diseñan para que la mayoría de esta energía se pierda en una cuenca que se encuentra en el pie de la presa, llamada de amortiguación.

Figura HID- 46 "Vertederos laterales independientes ", fuente [48]

Figura HID- 47 "Cuenca de amortiguación de un vertedero", fuente [48]



Aliviaderos móviles, también denominados compuertas, compuertas , poseen una parte móvil que permite su apertura, cierre y regulación, en algunos casos, según necesidad.

196


Figura HID- 48 "Compuertas del embalse de Alloz", fuente [53]

Los excedentes hídricos, que el embalse no es capaz de almacenar, son descargados y restituidos al río aguas abajo a través del aliviadero de crecidas. Este se compone de una estructura de hormigón, con cuatro vanos controlados por compuertas de 10 m de ancho por 11 m de alto y un canal de descarga. Su capacidad de evacuación es de 2.880 m3/seg.

Figura HID- 49 "Descripción técnica del aliviadero de Chubut (Argentina)", fuente [56]

5. Toma de agua, es un elemento de funcionamiento, funcionamient o, su misión es captar agua para el funcionamiento de las turbinas de la central su número y capacidad dependen del volumen y altura del embalse y de los servicios que debe abastecer, además es recomendable tener siempre alguna opción opción de reserva en el caso de avería. Su ubicación se encontrará en la máxima profundidad útil del aprovechamiento de la presa. Existen varios tipos, según su forma constructiva, constructiva, entre las que se encuentran:



Tipo compuerta, la la cual consiste, consiste , como su propio nombre indica, en unos unos accionamientos mediante compuertas, habitualmente uno de regulación, que permite el funcionamiento normal y otro de seguridad, ante posible avería y posterior reparación.

197


Figura HID- 50 “Disposición constructiva de una toma de tipo compuerta”, fuente [50]

En este tipo de toma, hay que disponer de un sistema de By Pass, para permitir que exista en ambas parte de la compuerta la misma presión y así facilitar su accionamiento. Del mismo modo se deben incorporar rejillas filtrantes que evitan el paso de cuerpos sólidos.



Tipo mariposa, mariposa, se suelen utilizar utilizar en saltos de pequeña altura, están formados formados por una compuerta que gira sobre un eje diametral, no precisando de By Pass para su abertura, pero originan unas inevitables pérdidas de carga al permanecer la compuerta en la situación del paso de agua.

Figura HID- 51 "Cuerpo de una toma del tipo mariposa, empresa Fahime”, fuente [51]

198




Tipo esférico, de funcionamiento funcionamient o similar al tipo de mariposa, mariposa , pero su abertura es total, no produciendo perdidas de carga. Su accionamiento suele ser lento y pueden servir servir como válvulas de regulación.

6. Desagües de fondo, fondo, elementos que, aunque aunque puedan ayudar ayudar a las tareas de los los aliviaderos, en el caso de necesidad o emergencia, su principal misión es el posible vaciado del embalse. 7. Chimeneas de equilibrio (Concepto "Golpe de Ariete"). La chimenea de equilibrio consiste en una conducción abierta o pozo vertical, conectado al final final de la galería de presión, presión, encargada de recibir recibir la onda de sobresobrepresión generada por los cambios de velocidad del fluido en las tuberías. Es necesaria siempre que la instalac instalación ión se encuentre constituida por una galería de presión, seguida por una tubería forzada, las cuales conducen el agua a las turbinas.

Figura HID- 52 "Chimenea de equilibrio de la tubería del embalse de Prada", fuente [57]

Estos cambios de presión del fluido, sobre las paredes de la tubería, se denominan "Golpes de ariete".

199


Si no existiera la chimenea de equilibrio, la onda de sobre -presión se trasmitiría a las paredes de la tubería, pudiendo originar su ruptura. Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente y el regulador automático actúa, cerrando la válvula de admisión, se produce una disminución significativa de la velocidad del agua, generando una sobre-presión (positiva) en la tubería. Esta sobre-presión positiva se refleja en la chimenea de equilibrio ocasionando un aumento de nivel del agua. Si en lugar de aumentar, hubiera disminuido (sobre presión negativa), el efecto en la chimenea de equilibrio hubiera sido la disminución de nivel. La realidad es que, independientemente de la causa (positiva o negativa), el nivel del agua en la chimenea de equilibrio efectuará una sucesión decreciente de aumento y disminución, dado el carácter senoidal de la onda de sobre-presión que se genera. La oscilación del agua es de forma senoidal y el periodo "T" depende de la longitud "L" y la sección "A GP " de la galería de presión (anterior a la chimenea) y de la sección "A CH" de la chimenea de equilibrio, quedando una expresión de la forma:

T  2π

L  A CH g  A GP  senα

Siendo "α" el ángulo de inclinación de la chimenea de equilibrio.

El golpe de ariete es tanto mayor cuanto más brusco es el cierre y por ello es necesario conocer el valor de la sobre-presión en función del tiempo de actuación, para calcular con arreglo a ella, el espesor de la tubería. La valoración del golpe de ariete se desarrolla mediante la "Teoría de Allievi", la cual reúne todos los factores que intervienen.

200


Considerando una tubería de material, diámetro y espesor constante, se define la celeridad de las ondas de presión "a", como el valor de la velocidad de propagación de las mismas y su valor viene dado por la siguiente expresión:

a 1

c   m sg  ε  D   Ee

c = velocidad de propagación del sonido en el agua (1420 m/sg a 15ºC) ε = módulo de elasticidad del volumen de agua (2 10 8 Kg/m2)

E = módulo de elasticidad del material de la tubería (kg/m 2) e = espesor de la tubería (m) D = diámetro de la tubería (m)

La celeridad disminuye con el aumento del diámetro y con la reducción del espesor de la tubería. Si el material, sección o diámetro no se hubieran mantenido constantes, hubiera sido necesario realizar un análisis por tramos, obteniendo las aceleraciones para cada uno de ellos y posteriormente aplicar la siguiente expresión:

am



L1  L 2 L1 L 2 a1



a2

 ...  L n  ... 

Ln an

Si se definen: 

TC tiempo de cierre del elemento.



TP tiempo de propagación de la onda desde la válvula por la tubería hasta la chimenea de equilibrio y volver a la válvula después de haberse reflejado. TP = 2L / a

201


Se tienen, los siguientes tipos de cierre en función de los tiempos: 

Cierre rápido, cuando TC ≤ TP (Caso más desfavorable)



Cierre lento, cuando TC ≥ TP

Si se consideran los cierres rápidos, el valor de la sobre-presión viene definido por la siguiente expresión: h

a  v 0 g

 v1 

h = sobre-presión (m) a = celeridad (m/sg) v0 = velocidad de régimen (m/sg) v1 = velocidad final, después de la maniobra de cierre, (m/sg)

Siendo nulo el valor de v 1 para un cierre total de la válvula. Y la variación de altura que adquiere el nivel del agua en las chimeneas de equilibrio, tiene un valor: Δz

  Δv

L  A GP g  A CH

senα

Siendo preciso respetar las variaciones de altura respecto el nivel estático al diseñar la construcción de la chimenea de equilibrio y así evitar entre otras cosas que se formen bolsas de aire en la galería de presión.

202

ANEXOS

ANEXOS ECUACION DE CONTINUIDAD

La ecuación de continuidad es una expresión matemática del hecho de que la velocidad neta de flujo de masa por unidad de tiempo hacia el interior, a través de cualquier superficie cerrada, es igual al aumento de masa por unidad de tiempo dentro de la superficie. Se tiene una tubería cerrada a través de la cual circula un fluido incompresible. La Figura ANE- 1, representa un tramo de dicha tubería con dos secciones transversales fijas en los extremos de áreas A 1 y A2. Si las velocidades, tangentes a la pared, de ambas secciones son V 1 y V2 respectivamente, se tiene que en un intervalo de tiempo Δt, el volumen de fluido que se transporta entre el punto A y el punto B, es igual a un

cilindro de base A 1 y altura V1 Δt. Del mismo modo el volumen de fluido que se transportará en un intervalo de tiempo Δt, es igual a un cilindro de base A 2 y altura V2 Δt. V1 V2 A1

A2 C A

D

B

Figura ANE- 1 "Fluido en movimiento en el interior de una tubería", fuente [36]

Siendo la densidad la misma, a igualdad de masas se tiene igualdad de volúmenes, obteniendo: A1 V1 Δt = A2 V2 Δt A1 V1 = A2 V2 = constante El producto de la sección por su velocidad permanece constante a lo largo de la tubería.

203

ANEXOS

204

ANEXOS

ECUACIÓN DE BERNOUILLI

Si un fluido, del tipo del caso anterior, a través de una tubería de sección variable, cambia de velocidad, es preciso que exista una fuerza, y para que ésta se origine sobre el fluido, será necesaria una diferencia de presión sobre el fluido en distintas zonas. Entonces, cuando la sección de una tubería de flujo varía, la presión debe variar a lo largo del tubo. Si además existe una diferencia de altura, aparecerá una diferencia de presión adicional. Para deducir la ecuación se aplica el teorema trabajo-energía al fluido contenido en un tramo de una tubería, del tipo al representado en la Figura ANE- 2.

P2 ΔS1 = segmento AB

D ΔS2

= segmento CD

C

A2

FLUJO

y2

y1

B A

A1

P1

Figura ANE- 2 "Tramo de una tubería con diferencia de altura", fuente [36]

205

ANEXOS

El trabajo realizado sobre el fluido en un intervalo de tiempo (Δt), teniendo en cuenta el signo negativo de la presión sobre la sección A 2, es por tanto: W = P1 A1 ΔS1 - P2 A2 ΔS2 Y teniendo en cuenta la ecuación de continuidad, en la que se decía que la masa desplazada permanece constante: W = (P1 - P2) ΔV Para obtener la variación de energía total, se hallan las variacio v ariaciones nes de energía cinética y potencial. La variación de energía cinética viene dada por la expresión:

ΔE ΔE cinética

ΔE ΔE cinética

1 m v 22 2





1 m v 12 2

1 2

 2 S 2 v 22  A 1S1v12   ρ A 1 2

 ρ V v 22  v 12 

ΔE ΔE cinética

Y la variación de energía potencial:

 m g y 2 - m g y1

ΔE ΔE potencial ΔE ΔE potencial

 V g y 2 - y 1 

Aplicando el teorema trabajo-energía: trabajo-energía: ΔE cinética + ΔE W = ΔE ΔE potencial

(P1 - P2) ΔV =

1 ρ V v 22 2

(P1 - P2) =



1 ρ v 22 2



 v 12  + V g y 2 - y 1 

 v 12  +  g y 2 - y 1 

206

ANEXOS

P1  ρ g y1 

P

1 ρ v 12 2

1 2

 P2  ρ g y 2  ρ v 22

1 2

 ρ g y  ρ v 2  constante

Siendo la presión absoluta (no manométri m anométrica). ca).

207

ANEXOS

208

ANEXOS

APLICACIONES DE BERNOUILLI 1. Determinación Determinación de la velocidad de de derrame y del caudal de un vertedero. Se considera que el derrame es al aire, por lo tanto solamente se considera la presión por la carga en el punto "A".

PAtmosférica B hB

vB

yB

vA

GB

A GA

y'A yA

hA = y'A + yA De 2 a 4 metros

Figura ANE- 3 "Vertedero", fuente [50]

Si inicialmente, se considera considera la velocidad en el punto "A" despreciable: despreciable:

P ATM

1 2

1 2

 ρ g y B  ρ v B2  P ATM  y' A ρg  ρ g y A  ρ v A2 g y B



1 2 vB 2

v B2

1 2 vB 2

 y' A g  g y A

 g y' A  y A  y B 

 2 g y' A  y A  y B  y' A  y A = h A

209

ANEXOS

El valor de "h B" obtenido experimentalmente, se encuentra entre los valores de (0,72 h A y h A), si se toma el valor intermedio h B = 0,86 h A, e "yB", al encontrarse libre de carga, se toma igual a h B / 2, se tiene:

vB

 



vB

2 g  h A



hB 



2 

 3,344 h A

En el caso, de que la velocidad en el punto "A" fuera distinta de cero:

P ATM

1 2

1 2

 ρ g yB  ρ v B2  P ATM  y' A ρg  ρ g y A  ρ v A2  y' A g  g y A 

1 2 v A 2

 y' A g  g y A  g y B 

1 2 v A 2

g y B 1 2 vB 2

1 2



1 2 vB 2

v B2

h  1   g  h A  B   v A2 2  2 

Si se toma nuevamente la aproximación de h B = 0,86 h A, se tiene:

vB

 11,183 h A  v A2

El caudal, a través de la sección de la vena líquida, suponiendo el vertedero con una solera de longitud "L", es: Q

 h B L vB

210

ANEXOS

2. Determinación de la velocidad de derrame y del caudal de un desagüe de fondo. El fluido sufre una contracción a la salida del orificio, que obliga a aplicar Bernouilli a la sección contraída "S B", situada a una diferencia de alturas, respecto la superficie del fluido contenido en el depósito, de valor "h A". Aplicando Bernouilli a la superficie del fluido cubicado en el depósito y a la sección contraída de salida (Figura ANE- 4), se obtiene : PAtmosférica vA

h

hA

SB

v S

Figura ANE- 4 "Desagüe de fondo", fuente [50]

P ATM

1 2

1 2

 ρ g h A  ρ v A2  P ATM  ρ v 2

Considerando la velocidad v A despreciable y la presión, de la sección de salida, la atmosférica, se tiene: v

2 g h A

La velocidad de salida es igual a la adquirida por el cuerpo al caer desde una altura h A.

211

ANEXOS

La experiencia verifica que la velocidad de salida en la zona contraída "v", tiene un valor menor que el calculado, dado que la velocidad no se reparte de modo uniforme en la sección contraída, de tal forma que la velocidad efectiva será igual a: v efectiva

   v    2 g h A

 = coeficiente de velocidad Para calcular el caudal, se utilizará la sección contraída y el valor de la velocidad efectiva. Q

 SB v efectiva

La relación entre la sección del orificio y la sección contraída, la aporta el coeficiente de contracción "  ", quedando la expresión: Q

  S v efectiva

212

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Nota: Imágenes de portada según fuente 19 y Presa de La Jocica, aprovechamiento hidroeléctrico del río Dobra, propiedad de la empresa Navarro, S.A. Particular agradecimiento por la documentación y fotografías facilitadas a la empresa Navarro, S.A. y a la central de gasificación integrada de ciclo combinado Elcogás S.A.

215

BIBLIOGRAFIA

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Centrales Electricas

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