El Proceso y Funcionamiento de las Centrales Hidroeléctricas: Energía Renovable y Sostenible

La energía hidroeléctrica se obtiene del aprovechamiento de la energía potencial de una masa de agua situada en un punto de cierta altura del cauce del río, para después convertirse en energía mecánica y finalmente en energía eléctrica en el punto más bajo de este recorrido. Esta es una de las fuentes renovables más antiguas y utilizadas en el mundo, que aprovecha la fuerza del agua para generar electricidad de forma limpia y eficiente.

Desde la noria griega y el molino romano hasta la saqia egipcia, la energía hidráulica fue fundamental para tareas como bombear agua o moler cereales. Su papel se tornó crucial con la explosión tecnológica y científica vivida durante la Revolución Industrial del siglo XIX, momento en el que la electricidad se convierte en la columna vertebral para el desarrollo de las ciudades y, por tanto, de las economías de los países industrializados. Aupadas por el desarrollo del generador eléctrico y la sofisticación de las turbinas, las centrales hidroeléctricas comenzaron a multiplicarse. La primera central hidroeléctrica comenzó a funcionar en Northumberland (Reino Unido) en 1880. En apenas una década ya se contaban unas 200 instalaciones entre Estados Unidos y Canadá. Hoy, la hidroeléctrica ha llegado hasta nuestros días siendo fundamental, proporcionando más del 15% de la energía global.

¿Qué es una Central Hidroeléctrica?

Una central hidroeléctrica es un conjunto de instalaciones y equipos electromecánicos, necesarios para transformar la energía potencial hídrica en energía eléctrica. Es una infraestructura que sirve para producir energía hídrica, es decir, generar energía eléctrica a partir del movimiento del agua. Este sistema de producción energética se basa en el aprovechamiento del potencial mecánico relativo a las masas de agua de los ríos cuando caen a través de desniveles, proyectados en sus cauces. Las centrales hidroeléctricas pueden funcionar durante las 24 horas del día.

La capacidad de liberación de energía en estos procesos dependerá de dos factores interrelacionados: por una parte, del caudal de agua que lleve el río, y por otra parte, de la altura del salto del agua. La energía eléctrica disponible es proporcional al caudal de agua y a la altura del salto.

Funcionamiento de una Central Hidroeléctrica

El funcionamiento de una central hidroeléctrica se basa en un proceso relativamente sencillo, pero altamente eficiente. En resumidas cuentas, las centrales hidroeléctricas se sirven de la fuerza del agua que cae entre dos puntos situados a distinta cota para generar energía eléctrica.

El agua retenida en el embalse circula por el interior de los circuitos hidráulicos de la presa salvando el desnivel entre dos puntos, lo que se conoce comúnmente como salto. Este salto de agua artificial permite que el líquido adquiera, gracias al efecto de la gravedad, una velocidad que se transfiere en forma de energía cinética a las turbinas situadas en el punto de desnivel inferior de la infraestructura. El movimiento de rotación en la sala de la turbina imprime la máxima fuerza y, entonces, será el generador eléctrico el elemento que la convierta en energía.

Los generadores trasladan esta energía a los transformadores, dispositivos eléctricos que sirven para aumentar o disminuir la tensión de un circuito eléctrico de corriente alterna manteniendo la potencia. Estos últimos elevan su tensión para efectuar su transporte mediante la red eléctrica a través de las líneas de transporte de energía eléctrica. Con todo, el agua abandona la instalación siendo desaguada al curso inferior del río sin virulencia con el entorno. De esta manera, somos capaces de obtener una energía eléctrica 100% renovable que se sitúa entre las más positivas, dado su alto nivel de sostenibilidad y reutilización, y que ayuda a disminuir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

Partes Clave de una Central Hidroeléctrica

Una central hidroeléctrica consta de las siguientes partes principales:

Diagrama que muestra las partes esenciales de una central hidroeléctrica y el flujo del agua para la generación de energía.

• Presa o azud: Es la construcción civil, principalmente de hormigón o tierra, que se encarga de atajar el río y remansar las aguas, generando un desnivel que se aprovecha para la producción de energía. Actúa como un azud de hormigón o tierra que propicia el desnivel oportuno y permite mantener el volumen de agua retenido.
• Aliviaderos: Se encargan de liberar parte del agua detenida sin pasar por la sala de máquinas, que puede ser utilizada para necesidades de riego. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.
• Tomas de agua: Se encargan de recoger el agua embalsada para llevarla hasta las máquinas por medio de un canal o tubería forzada. Presentan unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas y unas rejas filtradoras para impedir el paso a elementos extraños.
• Casa de máquinas: Es donde se ubican las máquinas (turbinas-alternadores, turbina hidráulica, eje y generador eléctrico) y los elementos de regulación y comando. Presenta unas compuertas de entrada y salida que se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.
• Turbinas hidráulicas: Se encargan de aprovechar la energía del agua que pasa a través para producir un movimiento de rotación mediante su propio eje. Existen tres tipos principales: la rueda Pelton, la turbina Francis y la turbina Kaplan (o de hélice).
• Alternadores: Van acoplados a las turbinas y son un tipo de generador eléctrico que realiza el paso final: transformar la energía mecánica en electricidad.
• Generador eléctrico: Convierte la energía mecánica de rotación en corriente eléctrica alterna.
• Transformadores: Son dispositivos eléctricos que sirven para aumentar o disminuir la tensión de un circuito eléctrico de corriente alterna manteniendo la potencia.
• Líneas de transporte de energía eléctrica: Cableado para transmitir la electricidad producida a la red.

Tabla de Componentes y Función

Para una mejor comprensión, a continuación se detalla la función de cada componente principal de una central hidroeléctrica:

Tipos de Centrales Hidroeléctricas

No todas las centrales hidroeléctricas funcionan de la misma manera; cada tipo tiene sus ventajas y se adapta a diferentes necesidades del sistema eléctrico. Existen diferentes clasificaciones, tanto por el tipo de aprovechamiento del agua como por su capacidad de producción energética.

Infografía ilustrando los tres tipos principales de centrales hidroeléctricas según su funcionamiento y aprovechamiento del agua.

Según el Tipo de Aprovechamiento:

• Centrales de Pasada o de Agua Fluyente (o de desvío):

  Son centrales hidroeléctricas que captan agua del río en función del caudal disponible, dependiente de las condiciones ambientales, y la turbinan directamente. El desnivel entre aguas es reducido y son centrales que requieren un caudal constante. Aprovechan directamente el caudal natural del río sin necesidad de grandes embalses. Estas centrales, en su mayoría de menor tamaño y capacidad, no se pueden adaptar a las necesidades de la demanda eléctrica, ya que su funcionamiento se adapta totalmente y en todo momento al régimen de caudales que discurre por el río, sin alterarlo.

• Centrales con Embalse de Reserva (o de regulación / de presa):

  Son el tipo de centrales hidroeléctricas en las que todos pensaríamos si nos preguntasen. Utilizan un embalsamiento de un determinado volumen de aguas "arriba" mediante una presa. El embalse gradúa la cantidad de agua de las turbinas produciendo energía eléctrica durante todo el año, independientemente del caudal del río. Este tipo de centrales permite usar la mayor energía producida y los kilovatios hora suelen ser más baratos. Almacenan agua en grandes depósitos para liberar el caudal cuando se necesita energía, permitiendo regular su funcionamiento en base a la demanda eléctrica de cada momento.

• Centrales de Bombeo o Reversibles:

  Son centrales hidroeléctricas que presentan dos embalses a distinto nivel y se utilizan cuando se requiere una demanda de energía eléctrica extra. El agua del embalse superior pasa por la turbina y llega al embalse inferior, que vuelve al embalse superior mediante bombeo y en las horas del día en la que no hay tanta demanda de energía. Este tipo de centrales es un diseño avanzado y muy útil para integrar fuentes de energía renovable, ya que disponen de dos embalses ubicados en diferentes niveles y permiten almacenar agua aprovechando los momentos en los que la demanda energética es menor que la oferta de producción renovable.

Según Capacidad de Producción Energética:

• Grandes: Su potencia es superior a 30 MW.
• Minicentrales: Su capacidad oscila entre 1 y 10 MW.
• Microcentrales: Su potencia no alcanza 1 MW. 100 kW es una de sus capacidades habituales. Estas últimas resultan usuales para proveer de electricidad, por ejemplo, a granjas o pueblos.

Turbinas Hidráulicas: El Corazón de la Central

Las turbinas hidráulicas son elementos cruciales en la transformación de la energía del agua. Existen principalmente tres tipos, cada uno adecuado para distintas condiciones de salto y caudal:

• Turbina Pelton: También llamadas turbinas de presión, son aquellas en las que la energía de presión del agua se transforma completamente en energía cinética. Su característica principal es que el agua tiene la máxima presión en la entrada y la salida del rodillo. Son adecuadas para los saltos de gran altura y para los caudales relativamente pequeños.
• Turbina Francis: Conocidas como turbinas de sobrepresión, porque la presión es variable en las zonas del rodillo. Solamente una parte de la energía de presión del agua se transforma en energía cinética. Se pueden usar en saltos de diferentes alturas dentro de un amplio margen de caudal, pero son de rendimiento óptimo cuando trabajan en un caudal entre el 60 y el 100% del caudal máximo.
• Turbina Kaplan (o de hélice): Son turbinas de admisión total y de reacción. Se usan en saltos de pequeña altura con caudales medianos y grandes.

La Energía Hidroeléctrica en el Almacenamiento de Energía

Una de las grandes características de la energía hidroeléctrica es su funcionalidad para aportar energía eléctrica en los momentos de mayor demanda gracias a la posibilidad de convertir los embalses en grandes baterías energéticas. Esto es fundamental en la transición energética desde un sistema centrado en los combustibles fósiles hacia un modelo eléctrico basado en energías limpias.

Funcionamiento de una central hidroeléctrica de bombeo, mostrando los dos embalses a diferente nivel y el ciclo del agua.

La tecnología hidroeléctrica de bombeo es actualmente el sistema más eficiente para almacenar energía a gran escala. Las centrales hidroeléctricas de bombeo cuentan con dos embalses a distinta altura que permiten almacenar agua aprovechando los momentos en los que la demanda energética es menor que la oferta de producción renovable.

Cuando la generación de energía renovable no gestionable (fotovoltaica o eólica, que tiene que consumirse cuando se genera) es superior a la demanda eléctrica, la central de bombeo se pone en marcha para aprovechar esa energía sobrante. Mediante bombas hidráulicas, se impulsa el agua almacenada en el embalse inferior hasta el embalse superior, a través de una tubería forzada y una galería de conducción. Para controlar la presión del agua durante el bombeo y evitar sobrepresiones, algunas centrales cuentan con una chimenea de equilibrio o sistemas de válvulas reguladoras. El agua bombeada se acumula en el embalse superior, que actúa como un "gran depósito de energía potencial" listo para ser utilizado cuando se necesite generar electricidad. Una vez que el agua está almacenada, la central puede permanecer parada hasta que el sistema eléctrico requiera más energía. En ese momento, el flujo se invierte y la instalación actúa como una central hidroeléctrica convencional. Este proceso se ha reforzado con la llegada de instalaciones de bombeo que aprovechan la energía excedente de instalaciones fotovoltaicas o eólicas para conducir, presa arriba, el agua utilizada durante el proceso de generación hidroeléctrica.

El almacenamiento eficiente es un pilar fundamental para el proceso estratégico de estabilizar los precios en el mercado y evitar la volatilidad en los márgenes. La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo proporciona más del 90% de toda la energía almacenada en el mundo.

Ejemplos de Grandes Centrales de Bombeo

• La Muela II (España): La mayor hidroeléctrica de bombeo de Europa, en el embalse de Cortes de Pallás, alcanza los 853,6 MW de potencia nominal en turbinación y 767,8 MW en bombeo, suficiente para atender el consumo eléctrico de casi 200.000 hogares.
• Villarino (España): Con 810 MW de potencia nominal de turbinación y 726 MW de bombeo, utiliza el desnivel de casi 400 metros entre el embalse de Almendra y la central.
• Conso (España): En Ourense, con 228 MW de potencia en turbinación y 207 MW en bombeo, funciona entre el embalse de Las Portas y el embalse de Bao.
• Complejo electroproductor de Tâmega (Portugal): Formado por tres centrales, suma una capacidad instalada de 1.158 MW. La central de Gouvães, con capacidad de bombeo (880 MW), produce 1.766 GWh al año, suficiente para 440.000 hogares.
• Aldea II (España): En Zamora, con 421 MW en turbinación y 400 MW en bombeo, bombea agua desde el embalse de Saucelle al de Aldeadávila.

Beneficios y Consideraciones de la Energía Hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica es una de las tecnologías más eficientes y consolidadas para generar energía renovable. Se enmarca en el ámbito de las energías alternativas, dado que sus caudales se regeneran mediante la lluvia y no es preciso llevar a cabo procesos contaminantes para conseguir una mayor cantidad de recursos.

• Fuente de energía limpia: Sus corrientes se renuevan y no origina ni gases ni residuos que contaminen. La generación hidroeléctrica está libre de emisiones de dióxido de carbono (CO2) ya que no necesita combustible para funcionar.
• Alta eficiencia y estabilidad: El rendimiento global de todo el proceso es muy alto -entre el 90 y el 95%-, aprovechándose prácticamente toda la energía potencial del agua. Los flujos de las aguas y el funcionamiento de las turbinas son regulables, lo que evita desperdicios energéticos. La capacidad de almacenamiento de las presas pone en valor la estabilidad de estas infraestructuras.
• Costes de operación bajos: Aunque la construcción de una central es muy cara, los costes de explotación y mantenimiento son bajos y la inversión se recupera en su larga vida útil. Su gestión, en comparación con los beneficios que proporcionan, no resulta costosa.
• Suministro en zonas aisladas y revitalización: Estas obras son claves para suministrar electricidad a poblaciones aisladas. Asimismo, tienden a revitalizarlas mediante la creación de puestos de trabajo en las zonas despobladas.
• Apoyo a otras renovables: Puede usar el agua embalsada de forma flexible en función del consumo, cualidad que le permite respaldar otras energías renovables de generación intermitente, como la eólica o la fotovoltaica.

No obstante, la construcción de una planta hidroeléctrica requiere una alta inversión inicial. Se suelen instalar en lugares relativamente lejanos a los núcleos urbanos por el hecho de que requieren la alteración de espacios naturales. Las grandes presas tienen un alto impacto ambiental y social, como el abandono de pueblos, el desplazamiento de poblaciones o incluso generar un microclima diferente en su entorno. Por ello, durante la planificación se realizan estudios de impacto ambiental y social.

Ingeniería y Construcción de Centrales Hidroeléctricas

Construir una central hidroeléctrica no solo es un reto técnico, sino también medioambiental y social. La ingeniería y construcción de centrales hidroeléctricas, incluyendo las reversibles, son servicios esenciales para la producción de energía limpia y renovable. Estas centrales se construyen en embalses o ríos donde se puede aprovechar la energía del agua en movimiento para generar electricidad.

Los equipos de especialistas en ingeniería hidráulica son clave en el impulso del sector hidroeléctrico, contando con amplia experiencia internacional. Esto incluye el análisis integral para la construcción de centrales hidroeléctricas, identificando oportunidades viables y sostenibles mediante tecnologías avanzadas y evaluación detallada de recursos hídricos.

Los servicios en ingeniería para centrales hidroeléctricas incluyen:

• Estudios de viabilidad: Análisis técnico, económico y ambiental para asegurar la viabilidad y eficiencia de cada proyecto.
• Anteproyectos: Diseño conceptual de la infraestructura.
• Proyectos constructivos: Detalles de ingeniería para la ejecución.

La coordinación de cada fase, desde la planificación hasta la ejecución, asegura el cumplimiento de plazos, presupuestos y estándares de calidad para lograr el éxito en la construcción de estas importantes infraestructuras energéticas. También se brinda soporte especializado para optimizar el rendimiento y asegurar el funcionamiento eficiente y seguro de las centrales, así como la revitalización de infraestructuras obsoletas, mejorando su rendimiento, seguridad y sostenibilidad con tecnología de vanguardia.

El Futuro de la Energía Hidroeléctrica

A pesar del auge de otras energías renovables, la central hidroeléctrica sigue siendo fundamental en la transición energética. Según la Asociación Hidroeléctrica Internacional (IHA), en 2023 el parque hidroeléctrico mundial creció hasta los 1.412 GW. La Agencia Internacional de la Energía señaló en 2021 el importante rol de las centrales hidroeléctricas en la aceleración de la transición energética. Además, pronosticó que la capacidad hidroeléctrica global aumentaría en un 17% hasta 2030, aunque su crecimiento sería casi un 25% más lento que durante la década anterior.

Los expertos apuestan por abordar las barreras que aún obstaculizan un despliegue más rápido si no queremos poner en riesgo la ambiciosa meta de alcanzar emisiones netas cero y la garantía de un suministro de energía segura y asequible para todos. Una sola central hidroeléctrica puede abastecer de energía a miles de empresas aprovechando un recurso tan simple y natural como el agua en movimiento.