La generación de energía hidroeléctrica

Introducción

Entre los múltiples usos del agua –abastecimiento, regadío, usos ambientales, usos industriales, etc.– existe un grupo de usos que utiliza las posibilidades del agua como fuente de energía mecánica. Entre estos usos que aprovechan la energía del agua en su transcurrir por los ríos, en la actualidad y en la práctica, solamente existe uno: la producción de energía hidroeléctrica. Se denomina energía hidroeléctrica a aquella que se obtiene de aprovechar la energía potencial de una masa de agua situada en el cauce de un río o retenida en un embalse para convertirla primero en energía mecánica, mediante el giro de una turbina y, posteriormente, en energía eléctrica en un generador acoplado a la turbina.

El agua presenta, entre otras muchas propiedades, la característica de ser una fuente energética renovable gracias a un ciclo natural. La transformación de su energía potencial gravitatoria en energía eléctrica permite un alto nivel de eficiencia energética, ya que en el proceso se pueden alcanzar elevados grados de rendimiento, del orden del 90%. Hoy en día pocas tecnologías energéticas consiguen unos rendimientos tan elevados. Como fuente de energía renovable, la energía hidroeléctrica es la más importante en España. Supone aproximadamente el 50% de la energía primaria de origen renovable que se consume en España.

Además, desde la óptica medioambiental, la hidroelectricidad es una fuente energética con un impacto sobre el entorno que es moderado, puntual o limitado espacialmente y reversible en el tiempo, presentando normalmente un balance global asumible. La experiencia adquirida en el diseño de obras hidráulicas y la incorporación de criterios para la reducción de los posibles efectos medioambientales son elementos que garantizan la realización de las obras y su posterior explotación con criterios de sostenibilidad.

Se calcula que cada kWh producido en una central hidroeléctrica evita la importación de 220 gr de petróleo o su equivalente energético, si se trata de otro combustible fósil. En un año de producción hidroeléctrica media, España se ahorra la impor tación de unos 7 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep).

Adicionalmente, los embalses hidroeléctricos juegan un importante papel como elemento regulador de caudales y en la laminación de avenidas.

Desde el punto de vista del sistema eléctrico, los aprovechamientos hidroeléctricos, sobre todo aquellos dotados de un embalse asociado, proporcionan una elevada calidad y garantía al suministro de energía eléctrica, facilitando el seguimiento de la cur va de carga, esto es, de las variaciones de la demanda, la regulación de la frecuencia y de la tensión y contribuyendo en caso necesario a la rápida reposición del servicio o a la sustitución inmediata de la producción de centrales térmicas convencionales o nucleares en caso de indisponibilidad fortuita (reserva rodante). De cara al futuro, además de las funciones mencionadas, la energía hidroeléctrica probablemente tenga un papel adicional de compensación de las variaciones de otros medios de producción no despachables, como puede ser la energía eólica (ver Figura 1).

Evolución histórica de la energía hidroeléctrica en España

La construcción y utilización de las primeras centrales de aprovechamiento de energía hidráulica para producción de electricidad se encuentra prácticamente ligada en el tiempo al propio nacimiento de la industria eléctrica. En el año 1882 –apenas tres años después de que Thomas Edison inventara la primera lámpara eléctrica de carácter práctico para alumbrado– se puso en marcha en Appleton (Wisconsin, Estados Unidos) la primera central hidroeléctrica del mundo para servicio comercial. Esta central, que sólo era capaz de alimentar 250 lámparas de incandescencia, supuso el primer paso tecnológico para poder utilizar el agua como fuente de energía eléctrica.

En 1896 se puso en servicio la primera central hidroeléctrica de gran tamaño: la central de Niágara, con un salto de 54 m y diez grupos que totalizaban una potencia de 50.000 CV para suministrar corriente eléctrica a la ciudad de Buffalo. Esta central se conectó en corriente alterna a 11 kV a una distancia de 35 km (Fraile, 1996).

Las primeras centrales hidroeléctricas españolas fueron construidas a finales del siglo XIX. Buena par te de la fase inicial del desarrollo eléctrico español estuvo ligada a la construcción de saltos hidroeléctricos, como lo prueba el hecho de que en 1901 el 40% de las centrales eléctricas existentes en España fueran hidroeléctricas, con una potencia total de unos 37.000 kW.

No obstante, el desarrollo hidroeléctrico tropezaba en el siglo XIX con una importante dificultad: la electricidad era generada en forma de corriente continua y no era posible su transporte a larga distancia, debido a las pérdidas en la red que se producían. En consecuencia, el emplazamiento de las centrales hidroeléctricas construidas en ese siglo estuvo fuertemente condicionado por la coincidencia en un mismo lugar de un salto de agua y de un centro de consumo.

Con la aparición de la corriente alterna, a principios del siglo XX, cambió el panorama. Se abrió, gracias a ella, la posibilidad de transpor tar electricidad a gran distancia y, por tanto, de llevar a cabo un desarrollo a mayor escala de las centrales hidroeléctricas.

Tipos de aprovechamientos

En esencia, un aprovechamiento hidroeléctrico permite el aprovechamiento de la energía potencial de una masa de agua, convir tiendo, en primer lugar, esa energía en energía cinética y, posteriormente, en energía mecánica de rotación en la turbina y por fin en energía eléctrica en un alternador. Posteriormente, el agua es restituida al río aguas abajo utilizando un canal de descarga.

Respecto a los tipos de turbinas empleadas, las más utilizadas son las Pelton, Francis y Kaplan, para desniveles grandes, medios y bajos, respectivamente. Los grupos (turbina-alternador) de mayor potencia son los de eje ver tical, siendo los pequeños de eje horizontal. Los grupos utilizados en los bombeos modernos son binarios, es decir, la turbina hace de bomba cambiando el giro del grupo, y el alternador es motor a su vez.

Normalmente, una central dispone de varios grupos turbina-alternador. El conjunto de los grupos suele estar alojado en una sala de máquinas o edificio de la central.

El rodete de la turbina está unido por un eje al rotor del alternador que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas abajo de la central. Solidario con el eje de la turbina y el alternador, gira un generador de corriente continua, llamado excitatriz, que se utiliza para excitar los polos del rotor del alternador.

En los terminales del estator aparece, así, una corriente eléctrica alterna de media tensión y alta intensidad. Mediante transformadores, es convertida en corriente de baja intensidad y alta tensión para poder ser transpor tada en condiciones adecuadas, con las menores pérdidas posibles.

Aunque existe una gran variedad de tipos de centrales hidroeléctricas convencionales, dado que las características orográficas del emplazamiento de la central condicionan en gran medida su diseño, podrían ser reducidos a dos modelos básicos, siendo cada emplazamiento par ticular una variante de uno de ellos o una combinación de ambos.

Aprovechamientos en derivación

El primer tipo, denominado “salto por derivación de las aguas”, consiste en esencia en derivar el agua de un río mediante un embalse pequeño o azud y conducirla, por medio de un canal en lámina libre, de manera que conserve su energía potencial. En un determinado punto se dirige el agua hacia una cámara de presión, de la que arranca una tubería forzada que conduce el agua hasta la sala de máquinas de la central. La energía liberada a causa del desnivel existente entre los extremos de dicha tubería es transformada, mediante grupos turbina-alternador, en energía eléctrica. Posteriormente, el agua es restituida al río aguas abajo, utilizando un canal de descarga. Este tipo de central se llama también de “tipo fluyente” ya que no permite apenas almacenar la energía en el embalse.

Aprovechamientos de regulación

Por su parte, el segundo sistema de aprovechamiento, o salto de acumulación de las aguas en un tramo de un río que ofrece un desnivel apreciable, consta de una presa de determinada altura que conforma un embalse. El nivel del agua alcanzará, entonces, un punto sensiblemente cercano al extremo superior de la presa. A media altura de la misma, para aprovechar el volumen de embalse a cota superior, se encuentra la toma de aguas; y en la base inferior –aguas abajo de la presa– la sala de máquinas, que aloja al grupo (o grupos) turbi-na-alternador. La energía liberada por el agua al caer por una conducción forzada que atraviesa la presa es transformada, mediante dicho grupo (o grupos), en energía eléctrica.

El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética, es decir, adquiere velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar.

Existe un tercer esquema de saltos mixtos consistentes en utilizar una presa de embalse en lugar de una de derivación, y una conducción en presión desde la presa a la central con dos partes diferenciadas: en primer lugar un túnel o galería a presión, una chimenea de equilibrio y posteriormente una tubería de presión. Este esquema permite utilizar el desnivel de la presa y ganar más desnivel gracias a la conducción en presión. Las ventajas de este esquema son evidentes: aprovechar la capacidad de regulación del embalse y, al mismo tiempo, aprovechar un mayor desnivel.

A los aprovechamientos con un embalse impor tante se les denomina también saltos con regulación y según sea su capacidad pueden ser de regulación anual o hiperanual. Permiten instalar una potencia superior a la del caudal medio del río, con la intención de concentrar la producción en las horas punta de la demanda, en las que el valor del kWh es mayor en el mercado de generación. Por ello las horas de utilización de este tipo de centrales son bajas, oscilando entre 1.200 y 2.000 horas anuales equivalentes a plena carga.

Aprovechamientos de usos múltiples

Se denominan así aquellos aprovechamientos hidráulicos que se construyen para atender distintos tipos de usos, como son el abastecimiento, el riego, la regulación general de la cuenca o una par te de ella o la laminación de avenidas.

En estos aprovechamientos de usos múltiples, aunque su origen está básicamente en la satisfacción de las demandas consuntivas consideradas prioritarias, es posible también el aprovechamiento hidroeléctrico de los caudales desembalsados mediante una central hidroeléctrica, generalmente a pie de presa, donde se turbinan los caudales que luego se destinan a riego, abastecimiento o a otros usos.

La energía producida por estos aprovechamientos, a pesar de que procede de un recurso regulado en el embalse, no se puede considerar toda ella como energía regulada, dado que se produce de forma subordinada a otros usos y puede no adecuarse en cierta medida a las necesidades del sistema eléctrico.

Aprovechamientos reversibles

Una central hidroeléctrica de bombeo, o reversible, es un tipo especial de central hidroeléctrica que posee dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en la cota más baja –embalse inferior– puede ser elevada durante las horas valle mediante bombas al depósito situado en la cota más alta –embalse o depósito superior– con el fin de reutilizarla posteriormente para la producción de energía eléctrica.

Este tipo de centrales produce energía eléctrica durante las horas puntas del consumo –las de mayor demanda de electricidad– funcionando como una central hidroeléctrica convencional. Después, durante las horas valle –las de menor demanda– se bombea el agua, que ha quedado almacenada en el embalse inferior, al embalse superior, bien mediante una bomba o bien mediante la turbina si ésta es reversible, de manera que el agua pueda volver a ser utilizada en un nuevo ciclo.

Las centrales de bombeo contribuyen a la optimización económica en la explotación de un sistema eléctrico. A pesar de que en un ciclo bombeo-turbinación se producen unas pérdidas energéticas de cier ta importancia, del orden del 25-30%, en términos económicos, esas pérdidas suelen ser menores que la relación de costes de generación entre las horas punta y valle. Son, en definitiva, una forma económica de almacenar energía en forma de agua embalsada en el depósito superior.

El desarrollo hidroeléctrico español

La construcción de las grandes obras hidroeléctricas exigía una utilización de recursos económicos poco habitual hasta entonces, por su magnitud, dentro de un sector eléctrico por entonces incipiente. Para poder hacer frente a este reto económico y financiero, se crearon numerosas sociedades anónimas dedicadas a la producción y distribución de electricidad, algunas de las cuales existen aún hoy. Antes del proceso de concentración que ha vivido el sector eléctrico español en las últimas dos décadas era muy frecuente en las empresas eléctricas españolas la aparición de los términos “hidroeléctrica” o “salto” en su denominación social.

En los años veinte, la política hidráulica española comenzó a plantearse como objetivo el aprovechamiento integral de las cuencas hidrográficas (la Confederación Sindical del Ebro fue la primera). Este planteamiento llevó en la siguiente década al inicio del aprovechamiento integral de la cuenca del Duero, operación que estaba ya diseñada perfectamente en los años cuarenta y sirvió de modelo a seguir para el desarrollo del resto de las cuencas peninsulares.

Esta política hidráulica estuvo basada en el ordenamiento jurídico existente, el cual tenía como principal elemento la Ley de Aguas de 13 de junio de 1879, que ha sido considerado como texto modélico, manteniéndose en vigor durante más de un siglo, hasta el año 1985 en que fue sustituida por la nueva Ley de Aguas.

Asimismo, la constitución de una serie de empresas eléctricas de carácter público a finales de los años cuarenta (Empresa Nacional Hidroeléctrica del Ribagorzana, ENHER) vino a sumarse al esfuerzo que hasta entonces había sido realizado por empresas eléctricas privadas, lo cual dio un fuerte impulso al desarrollo hidroeléctrico, que continuó su marcha a buen ritmo en los años siguientes. En efecto, la potencia hidroeléctrica instalada en España ha pasado de los 1.350 MW de 1940 a los 18.400 MW que estaban en servicio a principios del año 2005.

Adicionalmente, la política de fomento de energías renovables y de alto rendimiento energético que existe en España desde la promulgación de la Ley de Conservación de Energía de 1980 y que se ha mantenido e incluso potenciado con los distintos cambios regulatorios, ha conseguido que en estas dos décadas se hayan puesto en ser vicio o se hayan rehabilitado pequeñas centrales hidroeléctricas que actualmente totalizan unos 1.600 MW.Todo ello pone de manifiesto que en España se ha llevado a cabo un importante esfuerzo para aprovechar los recursos hidráulicos existentes (ver Figura 2). Se estima que existe un potencial aprovechable de unos 700 MW en estas infraestructuras.

Dado que el crecimiento del parque eléctrico español fue basándose, desde mediados de los años sesenta, cada vez más en centrales termoeléctricas de combustibles fósiles y, después, nucleares, la participación porcentual de la potencia hidroeléctrica en la potencia total instalada en España ha ido descendiendo. No obstante, la construcción de centrales hidroeléctricas no se ha detenido hasta la década de los noventa, caracterizada como de bajo nivel inversor en el ámbito de la generación, y, como consecuencia de ello, España cuenta en la actualidad con uno de los parques hidroeléctricos más desarrollados del mundo.

Actualmente, la producción hidroeléctrica en España en un año de hidraulicidad media (incluyendo la producción con bombeo) es del orden de 30-31.000 millones de kWh en las centrales convencionales, de tamaño medio y grande, y del orden de los 4.000 millones de kWh en las pequeñas centrales hidroeléctricas (minicentrales) que operan en el denominado Régimen Especial de Generación Eléctrica. En definitiva, la producción hidroeléctrica supone hoy en España del orden del 16-17% de la producción neta necesaria para abastecer la demanda eléctrica, mientras que en 1960 ese porcentaje era superior al 85%.

Esta tendencia decreciente en términos relativos continuará a lo largo de la presente década, estimándose que en el año 2010 la energía hidroeléctrica se mantendrá en los niveles absolutos actuales, pero en términos relativos decrecerá hasta suponer del orden del 13% de la demanda de electricidad. Esta reducción, como se puso de manifiesto con otros estudios complementarios, se debe fundamentalmente al aumento de los usos consuntivos del agua, en muchos casos legalmente prioritarios.

A diferencia del resto de fuentes de generación masiva de electricidad que utilizan combustibles convencionales o nuclear, la producción hidroeléctrica de un determinado aprovechamiento o sistema hidroeléctrico está sometida a fuertes variaciones de un año a otro, debido al nivel de pluviosidad en la cuenca vertiente.Tal vez sea éste el punto más débil de esta tecnología que obliga a construir y mantener un equipamiento alternativo para garantizar una fracción de la potencia y energía no completamente asegurada por el equipo hidroeléctrico en períodos secos.

Principales centrales hidroeléctricas españolas

El parque español de centrales hidroeléctricas presenta una gran diversidad en cuanto a tamaño y características de las instalaciones. Hay en servicio 21 centrales de más de 200 MW que representan conjuntamente alrededor del 50% de la potencia hidroeléctrica total de España. Las de mayor potencia son las de Aldeadávila con 1.139 MW de potencia total, José María Oriol con 915 MW y el aprovechamiento de Cor tes-La Muela con 908 MW de potencia conjunta. Otras 14 centrales, que poseen entre 100 MW y 200 MW, representan conjuntamente alrededor del 12% de la potencia hidroeléctrica total.

En cuanto a la caracterización del equipo hidroeléctrico para satisfacer la demanda de energía eléctrica, aproximadamente 10.300 MW tienen una elevada capacidad de regulación, de carácter estacional. De ellos, unos 2.500 MW disponen de capacidad de bombeo; son las denominadas centrales de bombeo mixto. Además existen otros 2.500 MW en instalaciones de bombeo puro, es decir, son aprovechamientos en los que el depósito superior apenas recibe aportaciones naturales.

En relación con los embalses, como es sabido, según los últimos datos oficiales, España contaba con más de 1.000 embalses con una capacidad total de almacenamiento algo superior a los 56.000 hm3. Aproximadamente el 32% de esta capacidad corresponde a embalses construidos por las empresas eléctricas. En términos de energía, la capacidad hidroeléctrica total de los embalses españoles equivale a 17.900 millones de kWh.

Perspectivas de la producción hidroeléctrica

En España se ha conseguido ya un elevado grado de aprovechamiento de sus recursos hidráulicos para producción de electricidad. Así lo demuestra el hecho de que sólo unos cuantos países industrializados poseen una potencia hidroeléctrica superior a la española.

A principios de los años ochenta se estudió a nivel global el potencial hidroeléctrico español, evaluándose el potencial técnicamente desarrollable en unos 64.000 GWh anuales en año medio, con centrales de más de 5 MW y otros 6.000 GWh en pequeñas centrales hidroeléctricas. La producción media actual, sin incluir la debida al bombeo es del orden de los 35.000 GWh. Por lo tanto y con independencia de que las condiciones de contorno hayan cambiado sustancialmente en los últimos treinta años, parece que aún queda un potencial remanente aprovechable de cierto interés.

En efecto, el desarrollo de ese potencial tropieza actualmente con importantes limitaciones. En primer lugar, porque la construcción de nuevas centrales hidroeléctricas de tamaño medio o grande entra cada vez más en conflicto con otros impor tantes usos alternativos del agua y el suelo, o podría tener en algunos casos efectos medioambientales o sociales que se consideran excesivos. En segundo lugar, porque buena parte de los emplazamientos potenciales se encuentran en lugares de difícil acceso o implican la realización de complejas y costosas obras civiles que encarecerían notablemente el coste del kWh producido, con los criterios habituales de análisis de inversiones.

En cualquier caso hay que señalar que una premisa para el desarrollo hidroeléctrico viene siendo, sin lugar a dudas, su compatibilidad con los usos del agua para fines que se consideran prioritarios como el abastecimiento o el regadío y, cada vez más, con otras utilizaciones del recurso que van desde las medioambientales a las deportivas y las escénicas o paisajísticas, sin olvidar nunca aquellos aspectos relacionados con la seguridad frente avenidas.

Actualmente no existen planes para la construcción de nuevas centrales hidroeléctricas de más de 50 MW aunque sí se está considerando la ampliación de alguna central existente. Según la actual normativa del sistema eléctrico, las centrales hidroeléctricas de mayor tamaño se consideran competitivas y, a diferencia del resto de energías renovables, no cuentan con ninguna ayuda complementaria al precio del mercado de generación. En total, y en una hipótesis favorable, el parque hidroeléctrico español sólo crecerá un 10%, como mucho, en la presente década.

Al margen de estos saltos de nueva implantación, el aumento de potencia hidroeléctrica se orientará más hacia la ampliación de potencia en centrales de embalses ya existentes para producción de puntas, la ejecución de contraembalses para minimizar las fluctuaciones de caudal en los ríos y, de forma marginal, la construcción de medianos y pequeños saltos con poco impacto ambiental, acogidos al régimen especial de generación eléctrica, y el equipamiento de los embalses multiusos ya existentes o nuevos para otros fines.

Como se deduce de lo indicado anteriormente, no es previsible en España un importante crecimiento de la potencia instalada en aprovechamientos hidroeléctricos, por lo que se hace imprescindible mantener el nivel de producción del equipo existente en la actualidad. En primer lugar por su contribución a la mejora de la calidad y seguridad de suministro, del grado de autoabastecimiento energético y a la penetración de las energías renovables; en segundo lugar por su contribución a la limitación de la emisión de gases de efecto invernadero (Kioto) y a la reducción de emisiones ácidas; y en tercer lugar, para contribuir al mantenimiento de los costes de la actividad de generación eléctrica en niveles adecuados.

Por: José Mª Marcos Fano
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Ha desarrollado la mayor parte de su actividad profesional en UNESA y actualmente es jefe de División de Hidroelectricidad y Régimen Especial. Es vocal del Consejo Nacional del Agua

Fuente: Anales de mecánica y electricidad / enero – febrero 2006

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