Ingeniería Caminos, Canales y Puertos. 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
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- Catalina Robles Muñoz
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1 Ingeniería Caminos, Canales y Puertos 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 1
2 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 2
3 Introducción Uso hidroeléctrico: Utilización de los recursos hidráulicos para producción de energía eléctrica Características: Uso no consuntivo Uso secundario enfoque diferente: agua energía producible Compatible con otros usos Coste de oportunidad: Beneficio que se deja de obtener por la utilización de un determinado recurso en un uso concreto Ley de Aguas: ocupa el 3er puesto tras doméstico y regadío Los Planes Hidrológicos de Cuenca deben evaluar: Potencial hidroeléctrico Tramos de ríos aprovechable Posibles aprovechamientos Afecciones medioambientales Coordinación con Plan energético nacional 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 3
4 Ventajas de las energías renovables Energías renovables: Hidroeléctrica Eólica Solar (térmica y fotovoltaica) Biomasa Biogás Residuos sólidos urbanos Energía geotérmica Mareas y olas Ventajas Menor contaminación Mayor disponibilidad sobre la superficie No agotamiento del recurso Carácter autóctono Inconvenientes Afección ambiental Alejamiento de los centros de consumo Energías no renovables: (Se consumen en un período de tiempo muy inferior al necesario para su formación) Petróleo Gas Carbón Combustible nucleares Ventajas: Elevada concentración (J/kg) Facilidad de transporte y almacenamiento Inconvenientes Agotamiento del recurso Contaminación (ecopuntos) 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 4
5 Ecopuntos Minihidráulica 5 Eólica 65 Gas natural 267 Nuclear 672 Carbón Petróleo Lignito /04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 5
6 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 6
7 La energía en la Historia La tracción animal El fuego El viento y la energía hidráulica Máquina de vapor (s. XVIII): Convertir energía calorífica en mecánica. Dinamo, corriente alterna y transformadores (segunda mitad s. XIX). Convertir energía mecánica en corriente eléctrica Elevar la tensión para reducir las pérdidas y permitir el transporte 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 7
8 Tipos de centrales eléctricas Térmicas y Nucleares Hidroeléctricas Otras 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 8
9 Central térmica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 9
10 Térmica de vapor (convencionales) Combustible: carbón, fuel o gas (menos habitual). Rendimiento % Potencia usual 500 MW 1000 MW Rigidez de funcionamiento Tiempo de arranque a plena potencia de 6 a 10 horas Variaciones de carga: entre 1%/minuto y 4%/minuto 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 10
11 Central nuclear 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 11
12 Centrales nucleares En España: 6 centrales en funcionamiento con 8 reactores. Son de 2 tipos: De agua ligera en ebullición (BWR). Santa María de Garoña, 1 x 466 MW (1970). Cofrentes, 1 x MW (1984). De agua ligera a presión (PWR) José Cabrera, 1 x 150 MW. (1968 a 2006) Almaraz, 2 x 980 MW (1980 y 1983) Ascó, 1.032, ,2 (1982 y 1985) Vandellós II, 1.087,1 MW (1987) Trillo, 1 x MW(1987, última puesta en marcha en España). Producen en torno al 20 % de la energía eléctrica Rigidez de funcionamiento 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 12
13 Central de ciclo combinado 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 13
14 Ciclo combinado Combustible: gas Rendimiento 49-58% Potencia usual MW Mayor flexibilidad Tiempo de arranque a plena potencia de 2 horas Variaciones de carga: 10%/min 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 14
15 Ciclo combinado Eficiencia (%) Costes de inversión ( /kw) Plazo de ejecución (meses) Ciclo Combinado Central de carbón Central nuclear 34 > /04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 15
16 Otras Eólica Biomasa Cogeneración Centrales de combustión interna Geotérmicas Maremotrices Solar Térmica Fotovoltaica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 16
17 Central eólica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 17
18 Central de biomasa 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 18
19 Central solar fotovoltaica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 19
20 Central solar térmica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 20
21 Central hidroeléctrica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 21
22 Central hidroeléctrica de bombeo 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 22
23 Central hidroeléctrica Rango amplio de potencia Tipos de centrales hidroeléctricas MW (Aldeadávila) Fluyentes: sin posibilidad de embalse. Rígidas. De regulación: con capacidad de embalse. Flexibles De bombeo: consumen energía para devolverla más tarde Rendimientos turbina 93% / bomba 75 % 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 23
24 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 24
25 Características del mercado eléctrico Imposibilidad de almacenar la electricidad: igualación instantánea entre oferta y demanda Es necesario una capacidad de producción excedentaria Los ajustes se realizan desde la oferta Coexistencia de diversas tecnologías 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 25
26 Curva de carga Dos situaciones: Potencia centrales rígidas < potencia mínima Potencia centrales rígidas > potencia mínima 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 26
27 Curva de carga acumulada 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 27
28 Nuclear 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 28
29 Carbón 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 29
30 Fuel/gas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 30
31 Eólica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 31
32 Hidráulica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 32
33 Resto régimen especial 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 33
34 Intercambios 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 34
35 Evolución de la potencia instalada (I) 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 35
36 Evolución de la potencia instalada (II) 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 36
37 Coste de generación de la energía eléctrica Tipología Costes de Costes de instalación Costes de operación y TOTAL combustible mantenimiento min max media $/kw $/kw $/kw c$/ kwh $/kw c$/ kwh c$/ kwh c$/ kwh Observaciones Térmica de carbón 1.300, , ,00 2,10 24,00 0,40 1,20 3,70 Se gravarán para compensar emisiones CO2 Turbina de gas 300,00 500,00 400,00 2,00 10,00 0,60 4,80 7,40 Sensibles al precio del gas Ciclo combinado 400,00 800,00 600,00 1,70 12,00 0,40 2,80 4,90 Sensibles al precio del gas Elevados costes en el pasado por modificaciones Nuclear 4.000,00 4,40 60,00 0,80 0,60 5,80 debidas a requerimientos de seguridad Hidráulica 1.500, , ,00 5,10 20,00 0,70 0,00 5,80 Eólica 800, , ,00 4,80 26,00 1,20 0,00 6,00 Baja utilización anual Solar fotovoltaica 4.500, , ,00 24,90 10,00 0,60 0,00 25,50 Solar térmica 2.000, , ,00 10,00 50,00 1,90 0,00 11,90 Fuente: "The economics of generation technologires: present and future" 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 37
38 La importancia de las puntas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 38
39 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 39
40 Fundamento Aprovechar la energía potencial del agua en lugar de dejar que se disipe por el río Potencia Energía Caudal: Característica de la cuenca Salto neto Diseño Pérdidas de carga Rendimiento Potencia Selección máquinas Instalada (Pmax) Instantánea (Pinst) Media (Pmed) P = Garantizada (disponibilidad anual del 90% al 95%) γ Q H η 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 40
41 Definiciones Factor de carga (α): Cociente entre la energía producida anual (E) y la máxima producible α = E/(8760 x Pmax) = Pmed/Pmax Coeficiente de equipamiento (e): Relación entre la potencia máxima y la media e = 1/α Horas de utilización (h): Cociente entre la producción y la potencia máxima h = E / Pmax = 8760 α Coeficiente energético (CE): Energía que se produce por cada m3 turbinado (centrales hidroeléctricas) CE (kwh/m3) = γ H η /3600 valor aproximado Típicos: entre 0,01 y 0,30 kwh/m3 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 41
42 Coeficientes energéticos 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 42
43 Potencial hidroeléctrico Capacidad de generación de energía hidroeléctrica de una cuenca Se habla de: Potencial teórico bruto Potencial técnico Sin saltos infinitesimales Hay que captar el agua en cauces naturales Además Necesidad de fraccionar la cuenca No toda la aportación es turbinable Existen pérdidas de carga técnico = (40% ó 60%) x bruto Potencial económico Criterios de rentabilidad Costes combustibles Precio venta Costes ambientales 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 43
44 Potencial bruto 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 44
45 Potencial técnico 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 45
46 Datos en España 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 46
47 Datos en España 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 47
48 Máximo aprovechamiento hidroeléctrico de un tramo Mediante Una sola central Menores costes por efectos de escala Con varias centrales Mayor producción al ajustar mejor la curva aportaciones vs altura 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 48
49 Máximo aprovechamiento hidroeléctrico de un tramo 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 49
50 Tipos de centrales hidroeléctricas Conjunto de instalaciones requeridas para transformar la energía potencial de un curso de agua en energía eléctrica disponible Según la potencia instalada Pequeñas (hasta 5 ó 10 MW) Medianas y Grandes Según la disposición de la central Central de agua fluyente o de base Central con regulación o de puntas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 50
51 Coeficientes de utilización 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 51
52 Tipología de aprovechamientos hidroeléctricos Saltos de pie de presa (Hmax y Hmin=0,5 Hmax) Saltos en derivación con embalse Saltos en derivación con conducciones en lámina libre Saltos en derivación con conducciones en presión Centrales de bombeo y centrales reversibles 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 52
53 Salto de Frieira 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 53
54 Salto de Belesar 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 54
55 Salto de Mao 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 55
56 Salto de Salas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 56
57 Salto de Cortes La Muela 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 57
58 Elementos Presa o azud Derivación Canal de derivación y cámara de carga Túnel y chimenea de equilibrio Tubería forzada Central Canal de descarga Elementos de cierre y protección Compuerta de toma Válvula de cabecera Válvula de guarda Ataguía o compuerta de desagüe 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 58
59 Elementos 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 59
60 Elementos
61 Caudal Caudal natural Caudal ecológico y servidumbres Caudal turbinable > caudal turbinado 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 61
62 Caudales naturales Qué se necesita conocer? Caudales para explotación normal Caudales para avenidas De dónde se obtienen? Datos foronómicos Pluviométricos Correlaciones Fórmulas empíricas para avenidas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 62
63 Caudales ecológicos Estudios de impacto ambiental Metodología IFIM- PHABSIM 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 63
64 Caudales turbinables 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 64
65 Caudal de diseño Número de grupos Reparto de caudales Tipo de turbina Caudal máximo Caudal mínimo Ratios típicos Horas equivalentes a /04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 65
66 Curva de caudales clasificados 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 66
67 Salto Salto bruto Nivel del agua en la toma Nivel de agua en la restitución Índice concesional: Q x H Anteproyecto Concesión Proyecto constructivo (10%) 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 67
68 Salto útil y salto neto Diseño obra hidráulica Estimación de pérdidas de carga Rango de funcionamiento 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 68
69 Tipo de máquina Turbina Pelton: H>> y Q << Francis: rango intermedio Kaplan: H<< y Q >> 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 69
70 Turbina Pelton 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 70
71 Turbina Francis 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 71
72 Turbina Kaplan 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 72
73 Rendimientos Turbinas: 93% Alternadores: 97% Transformadores: 98% 100% 95% 90% 85% Curvas de rendimientos de las turbinas Pelton Turgo Ossberger Francis Kaplan Semikaplan Hélice Rendimiento 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% % s/ caudal máximo 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 73
74 Disposición de máquinas Eje horizontal Eje vertical Velocidad de giro: Mayor velocidad > Menor coste alternador Mayor velocidad > Mayor coste obra civil Solución de compromiso 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 74
75 Curva caudal vs potencia 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 75
76 Producción 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 76
77 Elementos obra hidráulica Azud o presa Toma Derivación: En lámina libre Canal Cámara de carga En presión Galería de presión Chimenea de equilibrio Conducción blindada Tubería forzada Central Restitución 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 77
78 Azud o presa Elevar la lámina Embalsar agua 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 78
79 Toma Tipos: Superficiales Profundas Elementos Rejas y limpiarrejas Compuertas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 79
80 Reja De gruesos De finos Evitar entrada de troncos, hojas, peces (Ley pesca fluvial) Diseño a baja velocidad para: Reducir pérdidas de carga Facilitar limpieza Capacidad de natación de la fauna Limpiarrejas automáticos 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 80
81 Reja 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 81
82 Compuertas Tamaño: Pérdidas de carga Coste Sistema de accionamiento: Manual Automático: función de regulación Eléctrico Oleohidráulico Sistema de seguridad 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 82
83 Desarenador Caudal sólido del río Protección de equipos electromecánicos 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 83
84 Derivación Lámina libre A presión 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 84
85 Derivación en lámina libre Canal Velocidad (1,50 m/s) Canal de hormigón. Manning (0,012 0,013) Pendiente (0,5 m/km) Anchura (tránsito interior) Cámara de carga Volumen (120 Q) Sumergencia Disparo turbina Tubería paralela Válvulas descarga Recrecido canal Reja y limpiarrejas 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 85
86 Canal de derivación 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 86
87 Hojas en cámara de carga 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 87
88 Derivación en presión Pozo de toma Galería (túnel) Sección (v=3,0 m/s) 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 88
89 Chimenea de equilibrio Golpe de ariete Oscilación en masa Cámara superior Cámara inferior 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 89
90 Conducción blindada 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 90
91 Tubería forzada Velocidad (3,50 m/s - 5,00 m/s) Golpe de ariete (20% - 40 %) Diseño estructural Presión Temperatura Vacío y cargas exteriores Macizos de anclaje Dados de apoyo Protección anticorrosiva: pinturas y protección galvánica 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 91
92 Tubería forzada 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 92
93 Tubería forzada 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 93
94 Central Línea de agua Válvulas de protección: mariposa, esférica By-pass Grupo turbina alternador Altura de aspiración Velocidad de giro: f= N 2p / 60 Cono de aspiración Válvulas de descarga Función by-pass Atenuar golpe de ariete: Chorro hueco - Paso anular 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 94
95 Central 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 95
96 Válvula de mariposa 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 96
97 Turbina Francis 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 97
98 Restitución Lámina libre, a presión: chimenea de equilibrio Aspectos medioambientales: Reducir efecto llamada Reja de protección ictiofauna Ataguías de aislamiento 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 98
99 Restitución y ataguía 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 99
100 Central Grupo de accionamiento Acumuladores Presión de diseño / diámetro cilindros / empaquetaduras Alternadores Síncronos Asíncronos Cojinetes Grupo de lubricación Grupo de refrigeración aceite Refrigeración devanados 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 100
101 Central 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 101
102 Central 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 102
103 Sistema eléctrico Línea de conexión Transformador principal Transformador servicios auxiliares Protecciones Cabinas Sistema de baterías Explotación automática Sensores Autómata 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 103
104 Sistema eléctrico 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 104
105 Sistema eléctrico 17/04/2012 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos 105
Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
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