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El calor del sol calienta la superficie de los mares, transformando el agua en vapor que al enfriarse se transforma en nubes, lluvia y nieve. Tarde o temprano este agua vuelve al mar, cerrando el llamado ciclo del agua. Los griegos ya empleaban la rueda hidráulica o noria, en el siglo III a.C. para elevar agua hasta una acequia. Sin embargo, las primeras referencias detalladas de la rueda hidráulica, así como sus aplicaciones provienen del imperio romano, cuando aparecen la rueda hidráulica horizontal (o “molino romano”) y el molino de rueda vertical de paletas, que se denominaba “molino vitruviano”.
Más adelante, la rueda hidráulica se transformó en la gran máquina de la Edad Media, utilizándose en molinos harineros, en aserraderos, para accionar fuelles y martillos, para la batanadura de la lana; incluso fueron usadas en el proceso de extracción de los minerales en la famosa mina del Potosí, en Bolivia. Estas grandes ruedas hidráulicas medievales de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos de fuerza, gracias a la innovación tecnológica que supusieron las ruedas de carga superior.
Las máquinas utilizadas en la actualidad accionan los alternadores de una central hidroeléctrica para producir corriente eléctrica. Los tres tipos más corrientes son las turbinas Petlon, Francis y Kaplan, cada una apropiada para un desnivel o salto y un caudal de agua:
Salto
Caudal
Potencia
Rendimiento
Rueda Pelton
Turbina Francis
Turbina Kaplan
70 - 1.800 m
0,1 - 50 m³/s
50 - 200.000 kW
85 %
18 - 520 m
0,2 - 700 m³/s
50 - 750.000 kW
90%
7 - 60 m
0,7 - 1000 m³/s
50 - 180.000 kW
95 %
Como muestra del tamaño real de estas turbinas tenemos las imágenes siguientes:
Rueda Pelton
Turbina Kaplan
Turbina Francis en la presa china de las Tres Gargantas
Las centrales que aprovechan ríos con caudal constante a lo largo del año tienen un simple dique para retener agua y la llevan hasta la turbina mediante una tubería. Son las presas fluyentes. Es más corriente disponer de un muro o presa que retenga el río, formando un embalse, y éste puede aprovecharse para regadío, abastecimiento de agua potable o para generación eléctrica. Son centrales de regulación, cuyo esquema es el que se puede ver más abajo.
En ambos casos, la presa retiene al agua por dos posibles principios:
Cuando es el peso del propio muro el que sujeta, se habla de presas de gravedad.
En las presas de bóveda, el muro forma un arco, con lo que esfuerzo se descarga sobre las montañas que cierran el embalse.
aunque las presas reales adaptan ambos principios en la medida de lo posible.
PRESAS DE GENERACIÓN
Las centrales hidroeléctricas suelen ser presas de regulación, y su esquema es el siguiente: por el interior de la presa discurre la conducción, que se estrecha formando una tubería forzada al llegar a la turbina. Para evitar sobrepresiones hay chimeneas de equilibrio por cada tubería, y en los cimientos hay pozos de drenaje para extraer el agua del subsuelo, que podría llegar a levantar la construcción por efecto de la presión de la humedad en el suelo.
En la parte superior del muro existen siempre aliviaderos para que rebose agua sobrante, y además se colocan compuertas para el vaciado en previsión de lluvias fuertes.
La energía del agua hace girar a las turbinas, y éstas impulsan a los alternadores de la central, que generan corriente alterna a unos 15.000 V. Esta corriente se eleva hasta los 400.000 V en los transformadores, y a este valor se transporta a través de la red eléctrica.
Para aprovechar la energía excedente de centrales térmicas en horas de bajo consumo, se eleva agua desde embalses inferiores con el fin de almacenar agua para las horas punta de consumo. En este caso se habla de centrales de bombeo, que en algunos casos pueden ser presas construidas en la cima de una montaña expresamente para este cometido.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
La influencia que tiene un embalse en el medio ambiente se puede valorar con los siguientes puntos, que en algunos casos pueden ser ventajas e inconvenientes a la vez:
Se evitan inundaciones en temporada de lluvias.
Cambia las condiciones de humedad ambiental y acuíferos subterráneos.
Se sedimentan arenas y materias orgánicas que no seguirán río abajo. Esto, además es causa de que las presas se colmaten entre 40 y 200 años.
El agua almacenada tiene multitud de fines, de regadío, consumo, recreo,...
Se inunda una extensión importante de territorio, inutilizando tierras de labor y bosques.
CÁLCULOS CON ENERGÍA HIDRÁULICA
Ya sabemos que el agua almacenada en el embalse tiene una altura o salto, y esta diferencia de altura respecto a la turbina se transforma en energía cinética del agua. La energía del agua se aprovecha para girar la turbina que está unida al alternador, y éste genera electricidad. Las expresiones de la potencia del agua pueden ser cualquiera de las dos siguientes, y se usa una u otra dependiendo de que se conozca el salto o la velocidad del agua:
P = Q · d · g · h
P = ½ ·Q · d · v²
donde:
Q: caudal del agua
d: densidad del agua (1000 kg/m³)
g: aceleración de la gravedad
h: salto
v: velocidad de paso del agua por la turbina
Para ver cómo se obtienen ambas expresiones, pulsa aquí para visitar la demostración
Esas dos fórmulas corresponden a la potencia que desarrolla el agua. Pero en la turbina hay rozamientos, torbellinos de agua, etc. que se valoran mediante su rendimiento. A su vez, en el alternador se pierde energía en forma de calor, por efectos electromagnéticos, etc., y también tiene un rendimiento. En ambos casos, el rendimiento viene dado por la expresión:
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