Energia Hidràulica

L’Energia Hidroelèctrica consisteix en aprofitar, mitjançant un salt existent en un curs d’aigua, l’energia potencial continguda en la massa d’aigua per convertir-la en energia.

aigua2

  • Introducció
  • L'energia hidràulica
  • Tipologia de plantes hidroelèctriques
  • Dispositius per a l’aprofitament energètic
  • Beneficis ambientals
  • Impacte ambiental

Les primeres aplicacions de l’energia hidràulica daten de fa mes de 2000 anys i consistien en la utilització de rodes hidràuliques per elevar aigua a canals de reg, moldre gra, per accionar eines en els processos de fabricació del paper, els teixits i la metal·lúrgia. Finalment, i en èpoques molt més recents, l’aparició de les turbines va afavorir un aprofitament molt millor de l’energia hidràulica, que es va poder utilitzar per accionar màquines i, ja en el segle XX, per la producció a gran escala d’energia elèctrica.

En el cas de Catalunya, l’energia hidràulica va jugar un paper molt important en la industrialització. La indústria tèxtil catalana es va començar a desenvolupar imitant el model britànic, que utilitzava el carbó com a font primària d’energia i la màquina de vapor com a font d’energia mecànica per accionar la industria. La mala qualitat del carbó català, però, no va permetre el creixement significatiu del sector tèxtil català fins que no es va substituir el carbó per l’energia hidràulica de les conques del Ter i el Llobregat. Ja en el segle XX, i després de la introducció de l’electricitat i el generador elèctric, l’energia cinètica i potencial de l’aigua s’ha aprofitat per generar corrent elèctric. En l’actualitat, l’energia hidroelèctrica disposa d’una tecnologia ben establerta, que ha estat generant energia a preu competitiu els darrers cent anys, que és la principal font de corrent elèctric en més de 30 països, i que subministra al voltant de la cinquena part de la producció d’energia elèctrica mundial.

Cal considerar que una quarta part de l’energia associada a la radiació solar que incideix sobre la Terra es gasta en convertir aigua del mar en vapor, que va a parar a l’atmosfera terrestre. Quan el vapor d’aigua condensa, la major part de l’energia de procedència solar que conté es transforma en calor que es queda a l’atmosfera. Només una petita fracció, el 0,06%, de l’energia solar capturada pel vapor queda retinguda en l’aigua que va a parar a les capçaleres dels rius. L’energia transportada pels rius, en el retorn de l’aigua fins al mar, constitueix el total de recursos hidràulics disponibles que, a nivell mundial, s’avaluen en uns 40000 TWh. D’aquests recursos es considera que seria tècnicament possible aprofitar 14000 TWh

A nivell mundial, la potència total instal·lada l’any 2002 en grans centrals hidroelèctriques s’avaluava en uns 740GW. La potència total instal·lada en centrals hidroelèctriques de petita potència (centrals de potència inferior a 10 MW ) és més difícil d’avaluar, però s’estima que pot representar una contribució addicional d’entre un 5 10% de la potència total de les grans centrals.

A Espanya les precipitacions anual mitjanes són d’uns 3,5 · 1014 kg / any (700 mm/m2 anuals, en una superfície de 5· 105 km2 ) repartides de manera desigual en el territori. Així, les conques hidrogràfiques del Nord produeixen més de la tercera part de les aportacions dels rius en el 10% de la superfície del país, mentre que el 90% restant del territori entra en la categoria de les regions semiàrides.

Pel que fa a Catalunya, l’any 2003 hi havia 38 centrals hidroelèctriques de més de 10 MW de potència (gran hidràulica) en funcionament, amb una potència total instal·lada de 2047,1MW . En l’actualitat existeixen, també, unes 354 centrals minihidràuliques, de les quals 302 estan en funcionament i 43 es troben aturades. La potència total instal·lada en aquestes centrals és de 278,6 MW.

L’aprofitament de l’energia hidràulica es realitza mitjançant la captació (amb embassament o sense) del cabal del riu que és conduït cap a la central (canonada forçada) on, utilitzant el desnivell d’alçada per adquirir energia cinètica, és turbinat i retornat, finalment, al riu mitjançant el canal d’aforament. Trobar un lloc on situar les centrals hidroelèctriques depèn dels nivells pluviomètrics de la zona, i també de les seves característiques topogràfiques.

Una minicentral hidroelèctrica produeix electricitat, que no pot emmagatzemar-se i ha d’ésser consumida en el moment de la producció. Segons l’ús final de l’energia elèctrica, podem distingir les següents aplicacions.

  • Producció d’electricitat per ser venuda a la xarxa: En aquest cas el sistema elèctric, mitjançant la companyia distribuïdora de la zona, compra tota l’energia elèctrica produïda per la minicentral a un preu i amb unes condicions tècniques determinats.
  • Electrificació rural:En determinades zones allunyades de la xarxa general d’electrificació i en les quals el cost d’inversió i manteniment de la xarxa de transport resulta molt elevat, pot ser socialment rendible construir una xarxa local d’electrificació que obtingui l’energia d’una minicentral hidràulica.

Les instal·lacions hidroelèctriques actuals tenen potències útils que poden ser molt diferents. Però la tipologia de les centrals no depèn només de la potència, ja que es pot contruir una central a partir d’un volum d’aigua petit que viatgi amb una velocitat molt gran i una altra a partir d’un volum d’aigua molt gran que viatgi amb una velocitat petita, i tenir la mateixa potència. Tot i això, requeririen unes instal·lacions i unes turbines molt diferents, que comportarien una tipologia molt diferent.

Les instal·lacions es poden classificar segons criteris basats en:

  • L’altura del salt d’aigua
  • La capacitat o la potència de sortida.
  • El tipus de turbina utilitzada.
  • La localització i el tipus de presa.

Els criteris de classificació no són independents els uns dels altres i, encara que ens fixarem en la tipologia i l’altura del salt d’aigua per caracteritzar les diferents instal·lacions, veurem que els criteris citats abans estan relacionats entre ells.

Segons la tipologia de salt d’aigua podem discriminar entre:

  1. Les centrals de regulació solen construir-se en emplaçaments hidràulics que tenen la possibilitat d’emmagatzemar les aportacions d’un riu mitjançant la construcció d’un embassament. En aquestes centrals destaca la capacitat d’emmagatzemar grans quantitats d’aigua que poden ser turbinades en el moment en que es requereixi. Així la regulació d’aquestes centrals pot ser diària, multiestacional o fins i tot plurianual. En general aquesta capacitat de regulació s’utilitza per a proporcionar energia durant hores punta de consum. Aquest tipus d’instal·lacions són pròpies de grans centrals hidràuliques.
  2. Les centrals fluents consisteixen en aprofitaments hidroelèctrics que capten una part del cabal circulant pel riu, el condueixen cap a la central per ser turbinat i posteriorment, aquest cabal es retorna al riu. Aquestes centrals es caracteritzen per tenir un salt pràcticament constant, i un cabal turbinat molt variable, depenent de la hidrologia. Les minicentrals hidràuliques solen tenir períodes de regulació diaris i responen, en la gran majoria, a esquemes de centrals fluents.

Atenent a l’altura del salt, les centrals es poden classificar en:

  1. Preses amb salt d’aigua baix. Rescloses. Salts d’aigua amb altures inferiors als 10 m. Les rescloses serveixen per mantenir el salt d’aigua i allotgen la planta de producció d’energia. Aquestes centrals no tenen gaire capacitat d’emmagatzematge i l’energia que generen varia amb el cabal del riu. Per cabals que depenguin fortament de l’estacionalitat o de les condicions meteorològiques, el subministrament d’energia pot no ser prou fiable. Les mini-centrals hidroelèctriques d’aquest tipus tenen dimensions petites, però, per centrals hidroelèctriques de potència més gran, s’ha d’utilitzar grans volums d’aigua, és a dir, instal·lacions de grans dimensions que comporten elevades inversions.
  2. Preses amb salt d’aigua mitjà. Salts d’aigua amb altures entre 10 m i 100 m (aproximadament). Les grans centrals hidroelèctriques com una presa en un punt estret de la vall d’un riu són d’aquesta tipologia. La gran reserva d’aigua darrera la presa permet mantenir el ritme de producció fins i tot en moments en que el cabal d’aigua que entrada en el pantà és petit. Aquesta tipologia de presa pot tenir associat, en alguns casos, un salt d’aigua d’altura superior als 100 m.
  3. Preses amb salt d’aigua alt. Salts d’aigua amb altures de més de 100 m (aproximadament). En aquestes centrals, la reserva d’aigua està molt per sobre de la central de producció d’energia i el desnivell pot arribar a ser de 1000 m. L’aigua es condueix des de la presa fins a la turbina de la central de producció a través de canonades que, en el punt més baix (a l’entrada de la turbina), estan sotmeses a pressions molt elevades. Per cada 10 m de desnivell la pressió s’incrementa en una atmosfera. Encara que la planta de producció d’energia i la presa tenen dimensions reduïdes, la llarga canonada i l’estructura capaç de resistir altes pressions comporta un increment de costos.

La roda hidràulica consisteix en una roda proveïda a la perifèria de nombrosos àleps o paletes, sobre els quals és exercida la força de l’aigua d’un corrent o d’un salt.

Les dues tipologies més antigues eren les rodes hidràuliques amb descàrrega inferior, amb l’aigua interactuant amb les pales de la part inferior de la roda (“undershot”); i les rodes de descàrrega superior, amb l’aigua caient sobre pales que delimiten calaixos tancats, i que s’omplen d’aigua i fan moure la roda per l’acció de l’impacte i del pes de l’aigua (“overshot”).

  • La roda hidràulica amb descàrrega inferior té la avantatge de que es pot utilitzar en qualsevol corrent o canal, però presenta l’inconvenient de que es torna ineficient quan es produeixen avingudes (creixement del cabal i del nivell de l’aigua).mill-wheel-352246_1920
  • La roda hidràulica amb descàrrega superior no presenta problemes en els períodes d’avingudes, però necessita un salt d’aigua d’una altura com a mínim igual al diàmetre de la roda. Això no es pot aconseguir en els trams més baixos dels rius, on els pendents són molt suaus.ibukun-166227_1280
  • La roda hidràulica amb descàrrega a mitja altura, al nivell de l’eix de rotació (breastshot), fou el darrer model desenvolupat. En aquest cas, es canalitzava l’aigua a través d’unes parets laterals i s’emplaçava la roda de manera que l’aigua arribés a mitja altura de la roda. D’aquesta manera es podien evitar els problemes generats en les avingudes del riu sense necessitat d’haver d’utilitzar salts d’aigua tan alts com els de les rodes amb descàrrega superior.waterwheel-778801_1280
Les turbines hidràuliques són motors rotatius atèrmics mitjançant els quals es transfereix i es transforma energia cinètica, potencial, o de pressió de l’aigua en un treball útil.

Les turbines poden ser classificades segons la direcció en que arriba l’aigua: turbines radials, axials o tangencials; o, també, segons com actua l’aigua: turbines d’acció, o de reacció.

  • Les turbines d’acció consten d’un rodet, o roda guarnida d’àleps en forma de culleres on té lloc la transferència d’energia i quantitat de moviment en desviar un doll d’aigua que hi incideix a gran velocitat. El fluid entra en els àleps sense omplir-los ben bé, i la pressió d’entrada és igual que la pressió de sortida.
  • Les turbines de reacció estan constituïdes per una corona d’àleps de regulació estàtica, per a obtenir la direcció i secció adequada de la vena fluida, i una corona d’àleps, o rodet. En el rodet té lloc la transferència d’energia a l’eix de la màquina que es produeix a través de la força de reacció de l’aigua (desviada per les pales del rodet) sobre les pales del rodet (efecte de reacció).

Actualment es construeixen els següents tipus de turbines hidràuliques:

1. Roda Pelton

Turbina d’acció patentada per Lester Allen Pelton (1829-1908) i utilitzada per grans salts d’aigua i petits cabals. Les turbines Turgo i el rodet “cross-flow” són variants de la roda Pelton.

turbine-75105_1920Per salts superiors a 250 m (i per alçades molt més petites en el cas de minicentrals), la roda Pelton és la millor turbina. La roda Pelton és una roda amb un conjunt de doble culleres muntades al voltant del seu caire. La roda és accionada a través d’un raig d’aigua que arriba amb velocitat molt gran i que xoca contra les culleres. L’aigua empeny les culleres cedint (en condicions òptimes) pràcticament tota l’energia cinètica que tenia en el moment d’entrar. Com que l’energia és cedida a través d’una sèrie d’impulsos curts, aquest tipus de turbina s’anomena turbina d’impuls. Una diferència important entre la turbina d’impuls i la de reacció és que, mentre la de reacció treballa totalment submergida i sotmesa a una diferència de pressió, la d’impuls treballa a l’aire i a la pressió atmosfèrica.

L’eficiència de la roda de Pelton és la màxima quan la velocitat de les culleres és la meitat de la velocitat de l’aigua del raig. En conseqüència, hi ha una velocitat angular de rotació òptima per a cada combinació d’alçada de salt i diàmetre de la roda. La potència de la turbina es pot regular (segons exigeixi la demanda) ajustant la secció del raig d’aigua. Són variants de la roda de Pelton la turbines Turgo, i les turbines de flux transversal (crossflow) Mitchell-Banki i Ossberger.

2. Turbina Francis

water-power-334885_1920Turbina de reacció i radial ideada per James Bicheno Francis (1815-1892) apropiada per salts i cabals mitjans.

És la turbina més utilitzada a les centrals hidroelèctriques. Es pot trobar en instal·lacions on l’alçada de salt va des de 2 m fins a 200 m. Són turbines de flux radial i, encara que el flux va cap a dins en lloc d’anar cap a fora com en la turbina Fourneyron, el principi de funcionament és el mateix.

En la turbina Francis l’aigua  (fluid inlet) entra per la circumferència exterior (volute) amb una velocitat orientada a través de les pales guia (guide vanes). Mentre l’aigua recorre els àleps corbats del rotor (runner blades) es desvia lateralment i perd la component del moviment en el sentit de la rotació i en el sentit de baixada. Finalment flueix cap avall a la sortida de la turbina (fluid outlet).

3. Turbina Kaplan

Turbina de reacció i axial inventada per Viktor Kaplan (1876-1934) apropiada per a petits salts i grans cabals.

En els propulsors, o turbines de flux axial, l’àrea a través de la qual entra aigua a la turbina és la màxima possible, és a dir, coincideix amb tota l’àrea escombrada per les pales del rodet. És per això que el flux axial és el més desitjable quan es necessita interactuar amb grans volums d’aigua, i s’ha convertit en el flux habitual quan el salt d’aigua és de poca alçada.

Kaplan_TurbineAquestes turbines tenen l’avantatge sobre les de flux radial de que és tècnicament més fàcil de variar l’angle d’inclinació de les pales quan la demanda d’energia experimenta variacions i, per tant, aquesta possibilitat millora la seva eficiència sota demandes variables. Les turbines de flux axial s’anomenen, també, turbines Kaplan.

L’aigua que entra a la turbina es arremolinada al voltant del rodet a través de les pales guia. En aquest cas, però, la velocitat de rotació de les pales del rotor és apreciablement més gran que la velocitat de l’aigua (més del doble de gran). Això fa possible velocitats de rotació grans per velocitats petites de l’aigua entrant. Com que la velocitat de rotació de la pala en els punts més allunyats de l’eix és més gran que prop de l’eix i, en canvi, l’aigua arremolinada gira més ràpidament a la part central que a l’exterior, l’angle d’inclinació de la pala ha d’augmentar amb la distància a l’eix (això és el que dona als propulsors la seva forma particular).

  1. L’energia hidràulica és una energia renovable.
  2. L’aprofitament de l’energia hidroelèctrica no comporta la generació de CO2 ni pluja àcida, ni emissions tòxiques que tinguin efectes importants sobre l’atmosfera.
  3. Les minicentrals poden anar lligades a canalitzacions de proveïment d’aigua.
  4. Les centrals hidroelèctriques poden anar lligades a l’emmagatzematge d’aigua i a la regulacions del cabal dels rius.
  5. Les centrals hidroelèctriques permeten adaptar l’oferta d’energia elèctrica a la demanda i, d’aquesta manera, es converteixen en elements estabilitzadors de la xarxa elèctrica. Els embassaments són reserves d’energia que estabilitzen la sortida d’energia. Com que el cabal dels rius és variable, l’entrada d’energia que subministra un riu sense embassament (sense reserva d’aigua) és variable també. Permet una ràpida resposta als canvis de demanda.

  1. Efectes hidrològics: torrents, curs dels rius, mantell freàtic, subministrament d’aigua, reg, etc.
  • Les instal·lacions hidroelèctriques no són consumidores d’aigua però incideixen en la gestió d’aquest recurs (reordenen els recursos hídrics). Canalitzar torrents en canonades per accionar turbines no comporta canvis en el flux d’aigua al fons de la vall (després de passar per la turbina), però pot tenir un efecte important en els nivells intermedis.
  • Emmagatzemar aigua en una reserva (presa) pot reduir el cabal aigües avall de la presa com a resultat de la major evaporació (la superfície lliure de l’aigua molt més extensa incrementa l’evaporació) i afecta a la qualitat de l’aigua (l’aigua quieta d’un embassament i l’aigua corrent tenen propietats i qualitat diferent).
  • Les canalitzacions amb formigó o asfalt impedeixen que el curs de l’aigua alimenti el mantell freàtic dels llocs per on està canalitzada.
  1.  Efectes de les preses.
  • La construcció d’una presa comporta la inundació d’una determinada regió i, per tant, té un impacte irreversible en aquesta regió, i un impacte no tan fort, però considerable, en el seu entorn.
  • Una presa actua com a barrera per l’aigua i pels sediments que transporta el riu. La agricultura, i també l’entorn natural, depenen dels sediments transportats pels rius en les crescudes.
  • L’acumulació de sediments en una presa redueix la seva capacitat i escurça la seva vida productiva.
  • Les preses, amb la interrupció de les aportacions de sediment aigües avall que comporten, poden afavorir el retrocés dels deltes dels rius on estan situades.
  • En entorns ambientals fràgils, el procés de construcció d’una presa (que dura uns quants anys) pot tenir efectes que van més enllà del període de construcció. La possibilitat de l’esfondrament d’una presa (terratrèmols, o altres causes) comporta un risc per les persones i els bens instal·lats aigües avall. En tot el món hi ha unes 15000 preses. En les últimes dècades la freqüència de catàstrofes acompanyades de pèrdues de vides humanes sembla ser d’un desastre cada 6-10 anys. Per tant, podem dir que la probabilitat de que es produeixi una catàstrofe és d’una per cada 120000 preses-any. (El risc d’accident nuclear que comporti pèrdues de vides humanes és també d’un per cada 120000 reactors any).
  • Les preses situades en zones amb més alt risc de terratrèmols, no només estan afectades elles mateixes d’un risc més alt d’accident, sinó que incrementen, també, el risc de que es produeixin terratrèmols a conseqüència. Aquest increment de risc és degut a l’acció del pes de l’aigua acumulada en l’embassament sobre el territori.
  • Les preses tenen un impacte visual i paisatgístic.
  1. Efectes ecològics sobre el terreny, les plantes i els animals.
  • Es destrueixen totalment els ecosistemes inundats. Impacte irreversible.
  • Les preses actuen com a barreres.
  • La descomposició de la vegetació sota l’aigua produeix metà. Encara que sempre s’havia considerat que el nivell de emissions de metà no tenia influència apreciable sobre l’efecte hivernacle, estudis recents dels nivells d’emissions a 10 grans centrals hidroelèctriques del Brasil han posat de manifest que les diferències entre els nivells d’emissió de les centrals és molt gran. En el cas estudiat, entre la central amb menys emissions i la central amb més emissions hi havia un factor 500 de diferència. En el cas pitjor, el nivell d’emissions semblava comparable al nivell d’emissions de les centrals tèrmiques, però es necessitaven més dades per poder determinar les emissions netes, i per poder establir una comparació definitiva.
  1. Efectes socials.
  • La construcció de preses comporta submergir zones habitades sota l’aigua i desplaçar les corresponents poblacions. Les persones afectades per aquest desplaçament paguen més que ningú el cost de la instal·lació, mentre que les persones que viuen en les zones que fan servir les reserves d’aigua i l’energia elèctrica produïda n’obtenen el benefici.

En el moment de fer la valoració final, no podem oblidar que no es tracta d’elegir entre hidroelectricitat, amb les seves avantatges i inconvenients, i no res; sinó que cal triar entre hidroelectricitat o la utilització d’una altra font d’energia primària per produir energia elèctrica que també té avantatges i inconvenients. Per acabar, convé tenir present, també, que encara no hi ha un acord entre els diferents sectors de la societat sobre com repercutir els beneficis i les pèrdues a nivell ambiental en la valoració econòmica de les diferents formes d’energia. En conseqüència no hi ha un acord social en els criteris que han de permetre comparar la utilització de les diferents formes d’energia.

Comments are closed