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Minicentrales hidroeléctricas

La primera clasificación de una minicentral depende exclusivamente del dimensionado de potencia eléctrica de producción. Sin embargo, y desde un punto de vista ambiental, resulta necesario conocer otros parámetros de la instalación. Referencias en este sentido son comunes en la bibliografía y no siempre coincidentes. En este manual práctico estableceremos una clasificación propia.

Para realizar un análisis medioambiental de una minicentral hidroeléctrica habremos de tener en cuenta los siguientes elementos de que consta:

- Obra civil, donde se incluyen las obras de desviación y/o retención de los caudales (azudes y/o presas), las tomas, canales y cámara de carga y/o depósito de regulación, las tuberías forzadas, los edificios y canales de descarga.

- Turbinas, generadores y elementos de control y protección, componentes todos ellos cuyas características dependerán del diseño de la minicentral; y que, a excepción del tipo de turbina, no han de repercutir sobre el ecosistema fluvial.

- Equipo eléctrico de potencia; transformadores, paneles de control y línea de salida hasta su conexión con la red: sin repercusiones sobre el medio fluvial. Pueden provocar otro tipo de afecciones al medio: apertura de pistas, nuevos tendidos eléctricos, etc.

Respecto al modo de alimentación de agua, las minicentrales pueden ser clasificadas en tres grandes grupos.

Minicentrales fluyentes

Se basan en recoger, mediante una obra de toma, un cierto caudal que circula por el cauce pero sin regularlo; caudal que es conducido hasta la central. Vamos a distinguir cuatro subtipos:

Aquéllas que no disponen de elementos de toma ni de conducción y que sitúan la turbina directamente en el curso fluvial; son un caso especial (minicentrales fluyentes sin toma).

Aquéllas otras que no precisan la construcción de un azud para desviar el agua sino que poseen una toma sumergida y protegida por una rejilla; sí tienen elemento de conducción; son poco frecuentes (minicentrales fluyentes sin azud).

Aquéllas que presentan un canal de derivación, más o menos corto, y que lleva el agua directamente hasta la minicentral (minicentrales fluyentes con azud).

Y aquéllas que presentan un canal de derivación de cierta longitud y una tubería forzada hasta la minicentral. Esta tubería precisa de la existencia de una cámara de carga o un pequeño embalse que le dote de presión. (minicentrales fluyentes con azud y cámara de carga).

A la hora de diferenciar estos dos últimos subtipos de minicentrales convendrá especificar la longitud de tramo de río derivado (lo que se suele denominar segmento de toma) y la altura de salto útil, con el fin de caracterizar mejor la minicentral y valorar su afección al medio fluvial.

También hay que tener en cuenta que cuando la cámara de carga es lo suficientemente grande se puede provocar una regulación del caudal a turbinar; regulación que, aunque limitada, puede ser suficiente para cubrir las oscilaciones de la demanda eléctrica.

Minicentrales de regulación propia

Tienen la posibilidad de almacenar caudales de agua con el fin de poderlos utilizar (turbinar) en el momento que se necesite. La capacidad de regulación se consigue mediante la construcción de una presa de más de 3 m. de altura (y que puede alcanzar hasta varias decenas de metros de altura) o de un gran depósito junto a la cámara de carga. Suelen presentar un canal de derivación y tuberías forzadas.

El objetivo de maximalización de la rentabilidad económica de las instalaciones conduce a una pauta de explotación denominada de emboladas o hidropuntas (‘hydro-peaking’) que se utiliza cuando el volumen embalsable (regulable) y la escasez de caudal del río no permiten la explotación de la turbina de un modo continuado. Tales puntas o máximos de caudal dirigidos hacia la turbina se producen durante el día en las jornadas laborables, mientras que por las noches y durante los fines de semana (menor demanda energética: menor precio del KWh producido) la turbina se paraliza y las compuertas se cierran con el fin de acumular agua para la siguiente embolada.

Un tipo especial de instalaciones dentro de este grupo son las denominadas minicentrales a pie de presa, que aprovechan la energía potencial que produce la diferencia de cotas de la presa. Por lo general se sitúan en embalses construidos para otros usos, y pueden turbinar tanto los caudales excedentes como los desembalsados para riego o para servidumbre ecológica. Suelen disponer de una tubería forzada que conduce el agua hasta la central.

Minicentrales en canal de riego o de abastecimiento

Estas minicentrales se sitúan en conducciones de agua construidas para otros usos, como el riego o el abastecimiento a poblaciones. Su afección ambiental suele ser nula puesto que se aprovechan de infraestructuras creadas para otros fines.

Elementos de incidencia ambiental de una minicentral

Las características básicas de los distintos elementos que conforman una minicentral y que tienen importancia ambiental son:

Presa y/o azud

Dependiendo de si la minicentral tiene capacidad de regulación o no: se puede adoptar un criterio de 3 m. de una altura para diferenciar azud y presa (ésta última de mayor tamaño). Son construcciones que interrumpen el curso fluvial y cuyo destino es sobreelevar el nivel del agua y, en el caso de centrales de regulación, almacenarla.

La toma de agua suele conllevar una serie de elementos adicionales: sistemas de desbaste (rejas con peines de limpieza automatizados), sistemas para evitar la entrada de peces (generalmente rejillas; en los casos más sofisticados se instalan barreras eléctricas), una pequeña balsa de decantación de arenas y limos y una compuerta con aliviadero para regular la entrada de agua.

Pueden existir otros elementos tales como desagües y escalas para peces.

La altura de presa superior a los 0,5 m. es una dimensión a partir de la cual el impacto sobre los movimientos migratorios de la fauna se considera importante, pudiendo llegar a ser crítica para algunas especies incluso con alturas menores. Las escalas para peces, aunque aún no frecuentes en nuestros ríos, vienen a paliar esta problemática. Con el fin de garantizar la circulación de la fauna piscícola durante la detracción de caudales requieren un diseño de localización y dimensionado muy preciso, así como un mantenimiento periódico.

Instalaciones de derivación

Presentes en un porcentaje alto de las minicentrales. Tienen gran importancia medioambiental y su principal impacto sobre el ecosistema fluvial es la detracción de caudales en un largo tramo del río. Existen tres componentes básicos:

a. Canal de derivación, de longitud muy variable. Pueden ser exteriores (abiertos o cerrados) o en túnel; los exteriores siguen la morfología del terreno que atraviesan y también se denominan canales de contorno. Su pendiente es la menor posible, normalmente alrededor de un 0,05%, con el fin de mantener la energía potencial del agua. La conducción también puede ser mediante tubería a presión.

b. Cámara de carga, de capacidad variable. A veces (sobre todo en largos trayectos exteriores del canal) el sistema de rejas y desbaste se sitúa a la entrada de la cámara. Sus dimensiones han de ser suficientes para poner en carga la tubería hasta la minicentral (dotar de presión a la tubería); y al mismo tiempo, evitar remolinos y entradas de aire a la conducción. Del mismo modo, existen algunas minicentrales, bastante antiguas en general, con cámaras de recarga lo suficientemente grandes como para funcionar como depósitos de regulación, que permiten a la central operar en "emboladas".

c. Tubería forzada, que une la cámara de carga con las turbinas. En su comienzo puede presentar una chimenea para equilibrio de la presión interna. Su trazado responde a la máxima pendiente obtenible y ha de estar preparada para soportar la presión de la columna de agua y la sobrepresión producida por el golpe de ariete en el caso de parada brusca de la turbina. Generalmente son construidas en acero u hormigón reforzado.

Edificio

Destinado a proteger el equipo productor de energía (turbinas y generadores) así como los elementos de control.

Canal de descarga o socaz

Cuyo fin es restituir el agua turbinada al río sin que produzca una erosión excesiva en el cauce. Puede estar presente o no.

Tecnología de las instalaciones

La potencia instantánea que se obtiene en una minicentral es directamente proporcional a la altura del salto de agua y al caudal turbinado. Estas magnitudes son fundamentales a la hora de plantear la instalación de una planta de producción hidroeléctrica.
La altura del salto es la distancia vertical de desplazamiento del agua en el aprovechamiento hidroeléctrico. Se han de tener en cuenta 3 definiciones:

- salto bruto, o distancia comprendida entre el nivel máximo aguas arriba del salto y el nivel normal del río donde se descarga el caudal turbinado;

- salto útil, o desnivel comprendido entre la superficie libre del agua en el punto de carga y el nivel de desagüe de la turbina;

- y salto neto, o altura del salto que impulsa la turbina y que es igual al salto útil menos las pérdidas de carga producidas a lo largo de la conducción forzada, si existiese.

Atendiendo a estas diferentes alturas, el rendimiento hidráulico vendrá dado por el cociente de la diferencia entre el salto útil menos el salto neto, y multiplicado por el salto útil. Este rendimiento no es siempre constante ya que el salto neto varía según el caudal turbinado, debido a las pérdidas en la conducción.

En las minicentrales de tipo fluyente el rendimiento hidráulico permanece prácticamente constante, pero el caudal que se turbina es muy variable y dependerá de la aportación del río en cada momento, lo que hace que la potencia disponible (potencia instantánea) esté relacionada directamente con el caudal instantáneo del río. En las de regulación, el caudal turbinado es prácticamente constante.

El caudal máximo que puede turbinar una minicentral se denomina caudal de equipamiento o caudal nominal. Caudales superiores no son utilizables y son vertidos al río. Al mismo tiempo existe un caudal mínimo a partir del cual la minicentral deja de ser rentable operativamente. Este caudal mínimo es proporcional al caudal de equipamiento, y su relación es un coeficiente que depende del tipo de turbina instalada. El caudal de equipamiento se elige de forma que el volumen de agua turbinada a lo largo del período de explotación previsto sea máximo.

De este modo, la potencia nominal o de diseño de una minicentral vendrá dada por la siguiente expresión:

Pn = 9,8 Qn Hn Rtur Ralt

donde "Pn" es la potencia nominal medida en KVA (kilo-voltio-amperios, unidad de medida de potencia instantánea); "9,8" es la aceleración de la gravedad, en m/s2; "Qn" es el caudal de equipamiento o caudal nominal, en m3/s; "Hn" es la altura de salto neto, en metros; "Rtur" es el rendimiento de la turbina; y "Ralt" es el rendimiento del alternador (ambos adimensionales).

Para calcular la potencia instantánea en un momento determinado se sustituirá el caudal de equipamiento por el caudal instantáneo, y se multiplicará la expresión por el rendimiento del transformador eléctrico de salida.

Caudales de servidumbre

El potencial hidroeléctrico bruto de una cuenca hidrográfica es el resultado de la escorrentía natural del agua expresada en términos de energía potencial a través de los desniveles topográficos. El potencial técnicamente explotable se deduce del anterior considerando las pérdidas inevitables de escorrentía, los estudios de viabilidad técnica y los rendimientos propios de los equipamientos hidráulicos, mecánicos y eléctricos.

De este modo, la mayoría de los ingenios hidroeléctricos existentes hoy día no contemplan en sus planes de explotación el mantenimiento de unos caudales de servidumbre derivados de la afección de su actividad sobre el medio fluvial. Debido a la búsqueda de maximizar la producción eléctrica, los caudales circulantes por el tramo de cauce derivado suelen ser bajos o, incluso, nulos, si exceptuamos los vertidos por aliviadero en avenidas; lo que reduce la circulación de caudales por el cauce a los períodos de avenidas, lluvias generalizadas y las paradas de la minicentral.

Por otra parte, en algunos casos el método de operación de la minicentral es el de "emboladas", caracterizado por períodos de turbinado con caudales próximos al de equipamiento y períodos de parada hasta recuperar el nivel de agua en el azud y/o en la cámara de carga. En otros casos no es el productor quien ajusta su frecuencia de explotación a la demanda de electricidad sino que es la propia red la que "desconecta" la producción en momentos de exceso de oferta de potencia.

La demodulación que esto comporta en los caudales aguas abajo de la minicentral conlleva perturbaciones graves no sólo a la fauna y vegetación fluviales, sino también a las posibilidades de aprovechamiento para otros usos, como abastecimiento, recreativo, etc.

Con todo ello, es necesario determinar en el momento del diseño de la minicentral, cuál va a ser el caudal mínimo necesario dejar circular desde la toma de agua hasta su devolución tras ser turbinada. El criterio que se ha de considerar a la hora de establecer un caudal mínimo es el de la «conservación del funcionamiento o dinámica del ecosistema fluvial a lo largo de la distribución longitudinal del río» (Docampo & G. de Bikuña, 1993; Correa Lloreda, 1996); es decir, que el caudal que se deje en los distintos tramos permita que el río siga comportándose como tal en las distintas estaciones del año (COB, 1995).

Al mismo tiempo, no sólo se han de determinar numéricamente los caudales necesarios para la persistencia natural del ecosistema fluvial, sino que también se ha de establecer un modelo de gestión hidrobiológica del tramo de río afectado por la actividad de la minicentral hidroeléctrica: subtramo de extracción de caudal + subtramo de afección de los caudales ya turbinados.

Fuente: Sica / ITDG

 

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