Centrals hidroelèctriques

1. Què és una central hidroelèctrica?

Una central hidroelèctrica és una instal·lació que permet aprofitar les masses d'aigua en moviment que circulen pels rius per transformar-es en energia elèctrica. Segons la potència instal·lada, les centrals hidroelèctriques poden ser centrals de gran potència (més de 10 MW), minicentrals hidràuliques (entre 1 MW i 10 MW) i microcentrals hidràuliques (menys d'1 MW).

2. Tipus de centrals hidroelèctriques 

Hi ha molts tipus de centrals hidroelèctriques ja que les característiques del terreny on se situa la central en condicionen en gran part el disseny. En podríem fer una classificació a partir de tres models bàsics:

• Centrals d'aigua fluent. En aquest cas no hi ha embassament, el terreny no té gaire desnivell i cal que el cabal del riu sigui prou constant per a assegurar-ne una potència determinada durant tot l'any. Durant la temporada de precipitacions abundants, aquestes centrals desenvolupen la seva màxima potència i deixen passar aigua excedent. En canvi, durant l'època seca, la potència disminueix en funció del cabal, el qual, a l'estiu, arriba a ser gairebé nul en alguns rius.

• Centrals d'embassaments. S'hi emmagatzema un volum considerable d'aigua a dalt de les turbines mitjançant la construcció d'una o més preses que formen llacs artificials. L'embassament permet graduar la quantitat d'aigua que passa per les turbines. Amb l'embassament es pot produir energia elèctrica durant tot l'any encara que el riu s'assequi completament durant alguns mesos, cosa que seria impossible amb una central d'aigua fluent. Aquestes centrals exigeixen, generalment, una inversió de capital més gran que les d'aigua fluent. Dins d'aquests tipus hi ha dues variants de centrals.

• Centrals de bombatge o reversibles. Són un tipus especial de centrals que fan possible un ús més racional dels recursos hidràulics. Disposen de dos embassaments situats a diferent nivell. Quan la demanda diària d'energia elèctrica és màxima, aquestes centrals treballen com una central convencional: l'aigua cau des de l'embassament superior fent girar les turbines i després queda emmagatzemada a l'embassament inferior. Durant les hores del dia de menor demanda, l'aigua és bombada a l'embassament superior perquè torni a fer el cicle productiu.

3. Avantatges i inconvenients de les centrals hidroelèctriques

Els avantatges de les centrals hidroelèctriques són evidents:

• No necessiten combustibles i són netes.

• Sovint, els embassaments de les centrals tenen altres utilitats importants: serveixen per al regadiu, com a protecció contra les inundacions, per a subministrar aigua a les poblacions pròximes, etc.

• Tenen costos d'explotació i de manteniment baixos.

• Les obres d'enginyeria que s'han de fer per a construir la central són de llarga durada. 

• Les turbines són fàcils de controlar i tenen uns costos de manteniment reduïts.  

En contra d'aquests avantatges, podem enumerar els inconvenients següents:

• Els costos d'inversió per quilovat instal·lat són elevats.

• En general, estan situats en llocs allunyats del punt de consum i, per tant, els costos d'inversió en infraestructures de transport poden ser elevats.

• El temps de construcció és, en general, més llarg que el d'altres tipus de centrals com poden ser les centrals tèrmiques.

• La generació d'energia elèctrica està influïda per les condicions meteorològiques i pot variar d'estació a estació.

4. Components principals d'una central hidroelèctrica

• Presa. És el primer element que trobem en una central hidroelèctrica. S'encarrega de tallar l'aigua d'un riu i emmagatzemar-la en un embassament. Amb aquesta construcció s'aconsegueix un determinat desnivell de l'aigua, que s'aprofita per a aconseguir energia. La presa és un element essencial i la seva forma depèn principalment de l'orografia del terreny i del curs de l'aigua on s'ha de situar. Les preses es poden classificar, segons el material utilitzat en la seva construcció, en preses de terra i preses de formigó. Les preses de formigó són les més resistents i les més utilitzades. N'hi ha de tres tipus en funció de la seva estructura. 

• Presa de gravetat: són preses de formigó triangulars amb una base ampla que es va fent més estreta a la part superior. Són construccions de llarga durada, que no necessiten manteniment. L'altura d'aquest tipus de preses està limitada per la resistència del terreny.           

• Presa de volta: en aquest tipus de presa la paret és corba. La pressió provocada per l'aigua es transmet íntegrament cap a les parets de la vall per l'efecte de l'arc. Quan les condicions són favorables, l'estructura necessita menys formigó que una presa de gravetat, però és difícil trobar llocs on es puguin construir.

• Presa de contraforts: tenen una paret que aguanta l'aigua i una sèrie de contraforts o pilars, de forma triangular, que subjecten la paret i transmeten la càrrega de l'aigua a la base. En general, s'utilitzen en terrenys poc estables i no són gaire econòmiques.

• Sobreeixidors. Són uns elements que permeten alliberar part de l'aigua que és retinguda sense que passi per la sala de màquines.

• Destructors d'energia. S'utilitzen per a evitar que l'energia que té l'aigua que cau des dels sortints d'una presa de gran altura produeixin, en xocar contra el terra, grans erosions al terreny. Bàsicament trobem dos tipus de destructors d'energia:

• Les dents o prismes de fonament que provoquen un augment de la turbulència i dels remolins.

• Els deflectors de salt d'esquí, que dissipen l'energia fent augmentar la fricció de l'aigua amb l'aire i a través del xoc amb el matalàs d'aigua situat aigües avall de la central.

• Preses d'aigua i conduccions. L'alimentació de l'aigua a les turbines es fa a través d'un sistema complex de canalitzacions.

En el cas dels canals, es poden fer excavant el terreny o artificialment mitjançant estructures de formigó, però en qualsevol dels casos el desnivell és mínim. La construcció dels canals sempre està condicionada a les condicions geogràfiques, per això, la millor solució és construir un túnel de càrrega encara que el cost d'inversió sigui més elevat.

La part final del recorregut de l'aigua des de la cambra de càrrega fins a les turbines es fa a través d'una canonada forçada. Per a la construcció d'aquestes canonades s'utilitza acer per a salts d'aigua de fins a 2.000 m i formigó per a salts d'aigua de 500 m.

• Vàlvules. Les vàlvules són uns dispositius que permeten controlar i regular la circulació de l'aigua per les canonades.

• Xemeneies d'equilibri. Són uns pous de pressió de les turbines que es fan servir per a evitar l'anomenat cop d'ariet que es produeix quan hi ha un canvi sobtat de pressió a causa de l'obertura o tancament ràpid de les vàlvules en una instal·lació hidràulica. Les xemeneies d'equilibri poden adoptar diferents disposicions.

• Casa de màquines. És la construcció on se situen les màquines (turbines, alternadors, etc.) i els elements de regulació i control de la central.

• Turbines. Les turbines hidràuliques són l'element fonamental per a l'aprofitament de l'energia a les centrals hidràuliques. Transformen en energia mecànica l'energia cinètica (fruit del moviment) d'un corrent d'aigua. El component més important de les turbines és el rotor que té una sèrie de pales, de tal manera que l'aigua en moviment produeix una força que impulsa el rodet i el fa girar. Les podem classificar en dos grups:

• Turbines d'acció. Són aquelles en les quals l'energia de pressió de l'aigua es transforma completament en energia cinètica. Tenen com a característica principal que l'aigua té la màxima pressió en l'entrada i la sortida del rodet. Un exemple d'aquest tipus són les turbines Pelton.

• Turbines de reacció. Són les turbines en què només una part de l'energia de pressió de l'aigua es transforma en energia cinètica. En aquest tipus de turbines, l'aigua té una pressió més petita a la sortida que a l'entrada. Un exemple d'aquest tipus són les turbines Francis.

Les turbines que s'utilitzen actualment amb més bons resultats són les turbines Pelton, Francis i Kaplan. A continuació n'enumerem les característiques tècniques i les aplicacions més destacades:

• Turbina Pelton. Es coneix amb el nom de turbina de pressió. Són adequades per als salts de gran altura i per als cabals relativament petits. La forma d'instal·lació més habitual és la disposició horitzontal de l'eix.

• Turbina Francis. És coneguda com a turbina de sobrepressió, perquè la pressió és variable a les zones del rodet. Les turbines Francis es poden usar en salts de diferents altures dins d'un ampli marge de cabal, però tenen un rendiment òptim quan treballen en un cabal entre el 60 i el 100% del cabal màxim. Poden ser instal·lades amb l'eix en posició horitzontal o en posició vertical però, en general, la disposició més habitual és la d'eix vertical.

• Turbina Kaplan. Són turbines d'admissió total i turbines de reacció. S'usen en salts de petita altura amb cabals mitjans i grans. Normalment s'instal·len amb l'eix en posició vertical, però també es poden instal·lar de forma horitzontal o inclinada.

 

• Alternador: L'alternador és un tipus de generador elèctric destinat a transformar l'energia mecànica en elèctrica.

5. Funcionament d'una central hidroelèctrica

La presa, situada en el curs d'un riu, acumula artificialment un volum d'aigua per a formar un embassament. Això permet que l'aigua assoleixi una energia potencial que després es transformarà en electricitat. Per a això, se situa aigües amunt la presa d'aigua protegida per una reixa metàl·lica, amb una vàlvula que permet controlar l'entrada d'aigua a la galeria de pressió, i s'instal·la prèviament a una canonada forçada que condueix, finalment, l'aigua fins a la turbina de la sala de màquines de la central.

L'aigua a pressió de la canonada forçada va transformant la seva energia potencial en cinètica, és a dir, va perdent força i adquireix velocitat. En arribar a la sala de màquines actua sobre els àleps de la turbina hidràulica, i en transforma l'energia cinètica en energia mecànica de rotació. L'eix de la turbina està unit al del generador elèctric, que en girar converteix l'energia rotatòria en corrent altern de mitjana tensió. L'aigua, una vegada ha cedit la seva energia, és restituïda al riu aigües avall de la central a través d'un canal de desguàs.

6. Impacte ambiental de les centrals hidroelèctriques

Sempre s'ha considerat que l'electricitat d'origen hidràulic és una alternativa energètica neta. Tot i així, val a dir que també es deriven determinats efectes ambientals a causa de la construcció de centrals hidroelèctriques i de la seva infraestructura (embassament, presa, canals...).

La construcció de preses i, per extensió, la formació d'embassaments provoca un impacte ambiental que s'estén des dels límits superiors de l'embassament fins a la costa. Aquest impacte té les conseqüències següents, moltes de les quals irreversibles:

• Submergeix terrenys i desplaça els habitants de les zones negades.

• Altera el territori reduint-hi la biodiversitat.

• Modifica i limita el cicle de vida de la fauna.

• Dificulta la navegació fluvial i el transport de materials aigües avall (nutrients i sediments, com ara llims i argiles).

• Disminueix el cabal dels rius i modifica el nivell de les capes freàtiques, la composició de l'aigua embassada i el microclima.

• Incrementa la pèrdua d'aigua per evaporació en superfície, la qual cosa també produeix canvis locals en les característiques atmosfèriques.

També hi ha experts que asseguren que les grans reserves d'aigua poden alterar l'activitat tectònica, encara que reconeixen que la probabilitat que produeixin activitat sísmica és difícil de predir.

Altres tècnics creuen que en certs casos els costos ambientals i socials es poden evitar o reduir fins a un nivell acceptable, si s'avaluen acuradament aquestes infraestructures i s'hi implanten mesures correctives.

Per tot això, és important que en el moment de construir una nova presa s'analitzin molt bé els possibles impactes ambientals i es valorin en funció de la necessitat real de crear un nou embassament.