El agua a lo largo de la historia: Sistemas técnicos para su

aprovechamiento.

Enrique Herrera Raquejo.Departamento de Tecnología

La historia de las civilizaciones siempre ha estado unida a la

historia del agua.

• 500 años antes de J.C., los chinos conocían el ciclo del agua.

• En el siglo VIII antes de J.C., los quanats, unos canales subterráneos artificiales que transportaban el agua a grandes distancias fueron inventados por los habitantes de Urartu en la actual Turquía, para difundirse luego en Persia, Egipto, India, Grecia, en el Maghreb, etc.

Durante milenios , la humanidad ha considerado el agua como un elemento no modificable del globo, como el aire.

• El agua era un don de los dioses. Los antiguos romanos hicieron girar día y noche sus molinos y alimentaron fuentes y termas gigantes.

• Roma era la “ciudad del agua”, alimentada por once acueductos importantes, disponiendo de 1000 l/día en tiempo de Trajano (98-117 después de J.C.)

• El agua es un elemento muy importante en la vida urbana y social del mundo romano y todo gobierno que se preciara tenías como misión primordial llevar el agua a las ciudades.

• En el campo, sin embargo no era imprescindible, pues los cultivos de la triada mediterránea procedían de nuestro ecosistema y estaban, por tanto, adaptados a la sequía estival. (vid, olivo y cereales)

• Pero en el sur de Hispania la cosa cambia cuando llegaron los árabes.

El agua en Al-Andalus.

• Los nuevos cultivos introducidos fundamentalmente desde el Lejano Oriente y África oriental (algodón, arroz, caña, cítricos, sandías, espinacas, etc.) llevaban aparejado que para su adaptación en la Península fuera necesaria la irrigación artificial de los campos.

• Así surgen las albercas (al-birka), acequias (alsàqiya), aljibes abovedados (al-jubb), almazaras (armajzan), cimbras o qanàt, presas o azud, y un nuevo sistema de organización funcional del espacio agrícola, para abastecer tierras, hombres y ganado.

El agua también es energía renovable.

Mueve máquinas complejas para:

• Elevar agua por encima del nivel freático

• Molinos rotatorios para la molienda (cereales, caña dulce, etc.)

• Con dispositivo de vaivén, mazos utilizados en la industria del papel, el bataneo de los paños o la fabricación de objetos de hierro de forja.

Norias sobre el río Orontes (Siria)

Noria Algaida (Málaga)

Molino de agua. (Asturias)

• Al final del siglo XIX nace la industria eléctrica y con ello una nueva forma de aprovechar la energía hidráulica: producir electricidad.

• La construcción de las primeras centrales se realizó en 1882, apenas tres años después del invento de la primera lámpara eléctrica por Thomas Edison. En ese mismo año se puso en marcha la central de Appleton (Wisconsin, EE.UU.), aunque solo era capaz de alimentar 250 lámparas.

Energía cinética.

Energía potencial.

Energía cinética

Energía cinética derotación.

Energía eléctrica.

RÍO.

PRESA.

TUBERÍA.

TURBINA.

ALTERNADOR.

Transformaciones

energéticas.

Componentes de un centro de aprovechamiento hidroeléctrico.

• Presa. Muro de mampostería, hormigón, tierra u otros materiales que generalmente se construye normal al curso del río o arroyo.

• Conductos de agua. Elementos para liberar parte del agua sin que pase por la sala de máquinas, con objeto de descargar el embalse por necesidades de riego, exceso de agua y otras. (compuertas). Otras tomas de agua se canalizan hacia las turbinas.

• Sala de máquinas. En ella están los equipos eléctricos de la central, es decir, los grupos turbina- alternador.

• Transformadores y líneas de transporte. Se encargan de conseguir una tensión de salida hacia la red de unas características prefijadas.

Tipos de presas.

Materiales sueltos.

Presa de Tierra.

Escolleras.

Hormigón.

Gravedad.

Arco ó bóveda.

Arco-Gravedad.

Macizas

Aligeradas

Curvatura horizontal.

Doble curvatura.

Presa de gravedad

Presa de bóveda o arco.

Tipos de centrales.

Según la potencia que sean capaz de producir podemos hacer la siguiente clasificación:

• Minicentrales eléctricas. Entre 250 y 5000 kW.

•Grandes centrales hidroeléctricas. Potencia superior a 5 MW

Minicentrales eléctricas.

• Potencia entre 250 y 5000 kW.

• Históricamente eran la base de producción de electricidad en los pequeños pueblos y empresas próximas al cauce del río

Centrales hidroeléctricas.

• Su potencia es superior a 5 MW.

• Se sitúan en cuencas donde el caudal es grande y su aprovechamiento es mas óptimo para la producción a gran escala.

• Un tipo especial de centrales hidroeléctricas son las centrales de bombeo.

Centrales hidroeléctricas de bombeo.

• Disponen de dos embalses.• Durante las horas de máxima demanda de

energía eléctrica funcionan como cualquier central hidroeléctrica.

• Cuando la demanda de energía es baja se aprovecha la energía sobrante para accionar potentes bombas que elevan el agua al embalse superior.

• Existen dos tipos:– De bombeo puro.– Mixta con bombeo.

Embalse Superior.

MotorBomba.

Turbina. Alternador. Transformador

EmbalseInferior.

Río. Río.

Central de bombeo puro.

Embalse Superior.

MotorBomba.

Turbina. Alternador. Transformador

EmbalseInferior.

Río.

Río.

Central mixta con bombeo.

Sala de máquinas.

• Es la zona donde se instalan las turbinas y alternadores.

• La turbina es una máquina compuesta esencialmente por un rodete con álabes o palas unidos a un eje central giratorio. Su misión es transformar la energía cinética del agua en energía cinética de rotación del eje.

• El alternador, cuyo eje es la prolongación del eje de la turbina, se encarga de transformar la energía cinética de rotación de éste en energía eléctrica.

Según las características del salto de agua, se emplean tres tipos de turbina:

• Turbina Pelton. Turbina de alta presión y eje horizontal.

• Turbina Francis. Turbina de media presión y eje vertical.

• Turbina Kaplan. Turbina de baja presión y eje vertical.

Turbina Pelton.

• De alta presión.

• Eje horizontal.

• Puede utilizarse en saltos de altura superiores a 200 m.

Turbina Francis.

• De media presión.

• Eje vertical.

• Puede funcionar sumergida en el agua y se emplea en saltos de alturas comprendidas entre los 20 m y los 200 m.

Turbina Kaplan.

• De baja presión.

• Eje vertical.

• Se emplea en saltos de altura inferior a 20 m y puede llegar a trabajar eficazmente con saltos de solo 5 m.

Parque de transformadores.• Los alternadores actuales

generan energía eléctrica a tensión inferior a 20.000 V. En estas condiciones se producirían pérdidas de tensión en le transporte a largas distancias, por lo que se hace necesario elevar la tensión a valores no inferiores a los 200.000 V. De este modo la intensidad de la corriente disminuye y, con ella, la pérdida de potencia.

• Según la Ley de Ohm, la pérdida de potencia Pp que tiene lugar en una línea de transporte viene dada por la expresión:

• Pp = V x I = (I x R) x I = I2 x R

• La pérdida de potencia es proporcional al cuadrado de la intensidad.

Potencia de una central hidroeléctrica.

• El aprovechamiento energético de los saltos de agua se consigue gracias a la presión generada por la diferencia de altura y el caudal disponible.

P = Potencia en kgm/s.

P = C x h C = Caudal en l/s

h = altura en m

Sin embargo, no toda la potencia es aprovechable ya que existen pérdidas de carga debidas al transporte de agua y al rendimiento de turbinas y alternadores. Para corregir el error, se introduce un coeficiente de rendimiento estimado η

Energía hidráulica y medio ambiente.

• Ventajas:– Energía limpia. No produce residuos ni

emite humos y partículas a la atmósfera.– Puede regular el caudal del río evitando

inundaciones.– El agua almacenada permite el regadío y

es el medio de abastecimiento de agua de las grandes ciudades, con reservas suficientes durante un periodo considerable de tiempo.

Energía hidráulica y medio ambiente.

• Desventajas:– Impacto ambiental sobre la flora y fauna de

la zona.– Cubre de agua tierras fértiles e incluso de

valor ecológico.– En muchos casos inunda poblaciones, que

tienen que ser desplazadas.– Posible acumulación de materia orgánica

procedente de vertidos residuales, aguas arriba.

Centrales hidroeléctricas en España.

• Funcionan mas de 1000 centrales hidroeléctricas.

• La mas potente es el conjunto formado por las centrales de Aldeadávila I y II con una potencia de 1.139 MW.

• En Galicia y en los Pirineos abundan las minicentrales hidroeléctricas que aprovechan las recursos energéticos de las cabeceras de los ríos.

Mapa centrales hidroeléctricas.

Central Río Cuenca Embalse PotenciaAldeávila I y II.(Salamanca)

Duero Duero Aldeávila 1.139 MW.

J.M. de Oriol.

(Cáceres)Tajo Tajo Alcántara 915,2 Kw.

Cortes-La Muela.(Valencia)

Júcar Júcar Cortes 11 908,25 Kw.

Villarino.(Salamanca) Tormes Duero Almendra 810 Kw.

Saucelle I y II.

(Salamanca)Duero Duero Saucelle 570 Kw.

Cedillo (Cáceres) Tajo Tajo Cedillo 473 Kw.

Estany Gento-Saliente. (LLeida)

Flamisel Ebro Saliente 451 Kw.

Tajo de la Encantada. (Málaga)

Guadalorse Sur Tajo Encantada 360 Kw.

Aguayo (Cantabria) Torina Norte Mediajo 339,2 kW.

Mequinenza (Zaragoza)

Ebro Ebro Mequinenza 324 Kw.

Central de Aldeávila.

Central de Mequinenza.

Tajo de la Encantada

Embalse del Atazar.

Panorama mundial.

• Están registradas unas 23.000 presas en el mundo.

• De ellas, tres de cada cinco tienen entre 15 y 30 metros de altura.

• Una de cada tres entre 30 y 60 metros.• Solo el 3% supera los 100m.• Con alturas superiores a 200m solo hay

38 presas. ((En España la de la Almendra sobre el río Tormes.)

• La presa de NUREK, en Tadjikistan supera los 300 metros, con un volumen de agua de 58 Hm3, pero la de ROGUN, también en Tadjikistan, la supera con 335 metros de altura.

• El mayor embalse construido es el de KARIBA (Zambia) con 180,6 km3.

La presa de las

Tres Gargantas.

• El río Yangtse, tercer río mas largo y caudaloso del mundo constituye uno de los ejes vitales para el desarrollo de China.

• Allí se lleva a cabo el proyecto de las Tres Gargantas, el mas grande del mundo y estará formado por Qutang, Wu y Xiling.

La presa de las

Tres Gargantas.• La presa de hormigón será de perfil de gravedad

de 183 metro de altura, 126 metro de ancho y mas de 2 Km. de largo.

• El proyecto tiene una duración de diecisiete años. 1993/1997- 1998/2003 - 2004/2009.

• Una vez concluido el proyecto, tendrá una capacidad de almacenamiento de 39.000 millones de metros cúbicos de agua, equivalente al 76% de la capacidad total de todos los embalses españoles y una producción de 84.000 millones de kilovatios hora año.

La presa de las

Tres Gargantas.

• La presa Tres Gargantas obligará a más de 1.130.000 personas a abandonar sus casas.

• El embalse de una superficie de 576 km2,

anegará a mas de 140 núcleos urbanos, sus industrias y sus tierras de cultivo.