l energía maremotriz

8/15/2019 L Energía Maremotriz

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

ENERGÍA MAREMOTRIZ

Pedro Fernández Díez


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ENERGÍA MAREMOTRIZ

La energía solar que incide a nua lmente sobre la superficie terrest re es del orden de 6.10 14 MW

hora . Los océan os, con una superficie de 361 millones de km2 y un volumen de 1370 km 3, ac túan

como sistemas colectores y de almacenamiento, lo cual se manifiesta de diversas formas, olas

(energía eólica), y gradientes térmicos, gradientes salinos y corrientes marinas, (energía solar

maremotérmica). Las más estudiadas son las debidas a las mareas, olas y térmica marina,

estan do la s de las corrientes y gra dientes sa linos mucho menos desarr olla da s.

A estas formas de energía ha y que suma r la de la s ma reas (energía ma remotriz) debida a la

a tra cción gra vitat oria de la Lun a y el Sol, y a la r ota ción de la Tierra , 3.106 MW.

1.- EL FENÓMENO DE LAS MAREAS

La ma rea es la fluctua ción periódica del nivel de los océa nos, debida pr incipalment e a la a tr a c-

ción gra vita toria de la Lun a y en menor cuant ía d el Sol, (la L una ejerce una a tr a cción 2,2 veces la

del Sol), y al movimiento de rotación de la Tierra, (aceleración de Coriolis); otros factores son la

forma y fisionomía del relieve de las costas y del fondo, los fenómenos meteorológicos, etc.

La aceleración que produce el efecto de marea aumenta con la masa y disminuye con el cubo

de la dista ncia. Con relación a la Tierra , y teniendo en cuenta las dist a ncias y la s ma sa s, sólo el Sol

y la Luna son capa ces de producir ma reas a preciables; el Sol, má s dista nte, influye por su ma sa ; la

Luna , de masa mucho menor, por su proximida d a la Tierra .

La ma sa del Sol es del orden de 27 millones la de la L una , pero se encuentr a 390 veces má s

lejos, por lo que la cont ribución del Sol a la ma rea es

27.106

3903 = 0,45 veces la contribución luna r.

El fenómeno es prácticam ente idéntico, ta nt o si el punto sometido a la a cción de la ma rea , se

encuentra orienta do hacia el a stro, como si se encuentr a en la pa rt e opuesta.La fuerza genera dora de la mar ea Fa , luna r F L o sola r FS , es pequ eña , del ord en de 10-7 veces la

fuerza de gravita ción, Fig 1. Pa ra justi ficar los desplaza mientos de importa ntes ma sas de agua , la

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fuerza de at ra cción F a , (qu e no sigue la vert ical), se puede descomponer en d os, una vert ical Fv que

influye muy poco en la gra vedad, del orden de 10-7, mientras que la componente horizontal Fh es

comparable a otras fuerzas horizontales como el gradiente horizontal de las aguas de diferente den-

sidad , la a cción del viento o la a celeración de C oriolis, distinguiéndose de ésta s en q ue a ctúa sobre

gra ndes dista ncias horizont a les, en profundida d, provoca ndo el desplaza miento de ma sa s de a gua

de un hemisferio a otro, produciendo a cumulaciones y sustr a cciones de a gua y, por consiguiente,

las elevaciones y depresiones del nivel del ma r. Como la cant idad de agua del mar es consta nt e, a

esta eleva ción corresponderá n descensos en luga res situa dos a 90º de diferencia en longitud.

Fig 1.- Fuerza generadora de la marea

La fuerza cent rífuga origina da por el movimiento de rota ción de la Tierra a l recorrer su órbita

a lrededor del cdg del sistema Tierra -a str o es la misma en cua lquier punto del planeta , ya que no

depende de la distancia. La fuerza centrí fuga aumenta la al tura del nivel del mar que está más

lejos de la Luna , a l tiempo que desciende el nivel del mar en la pa rte cont ra ria .

La ca usa de las ma reas deriva de la a plicación de las dos fuerza s, at ra ctiva y centrí fuga, q ue

en el cdg de la Tierra se neutralizan, es decir, la atracción de la Luna queda compensada por la

fuerza centr ífuga engendra da por la revolución en torno al centro de graveda d del sistema Tierra -

Luna , ya que de no ser a sí, la a tra cción provoca ría un a cerca miento progresivo entre ella s.

Fig 2a.- El efecto de la fuerza atractiva sobre las masas de agua

En un punt o cua lquiera de la superficie terrestre, cuand o el ast ro está por encima del horizont e,

la fuerza a tr a ctiva por él ejercida es más fu erte que cuan do está por deba jo del horizont e, en qu e es

la fuerza cent rífuga la que predomina . Si la Tierra n o gira ra a lrededor de su eje, las ma rea s serían

está t icas .

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Fig 2b.- El efecto de la fuerza centrífuga sobre las masas de agua

d

r

Tierra Luna

P

Fig 3a.- El efecto combinado de las fuerzas centrífuga y atractiva

G ra cia s a la r otación de la Tierra se obtienen, en cada punto del océa no, ca da día, dos plea ma -

res y dos ba jama res, lo que se conoce como marea de tipo semidiurno .

Cua ndo el punto esté si tua do en una lat i tud importa nte y el ángulo que forma el ast ro atr activo

con el plano del Ecua dor es igualment e elevado, el ast ro no alcan za el horizonte, lo que implica la

pérdida de una plea ma r y una bajama r por día, es decir sólo ha y una pleama r y una ba jam a r a l día ,lo qu e se conoce como marea de tipo diu rno.

Fig 3b.- El efecto combinado de las fuerzas centrífuga y atractiva

La s ma rea s son las onda s má s lar ga s del océa no, con períodos del orden de 12 a 24 horas y lon-

gitudes de onda compa ra bles con la longitud de la circunferencia terrest re en el Ecuador.

Si el punt o superficial (o las m a sa s de agua ) está frente a l ast ro la a tr a cción sobre dicho punto

será ma yor que la experiment a da por el centro de la Tierra , es decir, la a tr a cción predomina sobre

la fuerza centrífuga , esta ndo dirigida la fuerza h a cia el astr o.

Si el punto superficial se encuentra en la par te opuesta , la a tr a cción sobre el mismo es inferior

a la a tr a cción sobre el cent ro y, por ta nto, predomina la fuerza cent rífuga , esta ndo sometido a una

fuerza que le impulsa en sent ido contra rio al a str o. Esto viene rela cionado con el hecho de que enestos punt os, el a str o (principalment e la Luna ) no es capa z de genera r una fuerza cent rípeta su fi-

ciente par a m a nt ener las ma sa s de agua en una órbita con velocida d igual a la del centro de la Tie-

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rra , por lo que se present a un d efecto de aceleración r especto al cent ro de la Tierra que ha ce que la s

ma sas de agua t iendan a quedarse rezaga das respecto a éste, provoca ndo un efecto equivalente al

de una pequeña aceleración q ue tra ta ría de expulsar el agua a l lado opuesto al q ue se encuentra el

a stro. En a mbos casos el punto (o la s ma sa s de agua ), tiende a a leja rse de la Tierra .

Marea lunar

Marea solar

Luna

Sol Llena

o Nueva

MAREA VIVA

Tierra

Fig 4.- Mareas vivas y mareas muertas

Las mareas están sometidas a una fluctuación rí tmica de su nivel y a una fluctuación en

forma de corr ientes, como son:

a) La corriente que acompaña a la llegada de la pleamar, máxima elevación, que se conoce como flujo

b) La corriente que acompaña a la aparición de la bajamar, mínima elevación, que se conoce como reflujo y

es más breve en tiempo que la primera.

Cua ndo el Sol, la Luna y la Tierra está n a lineados, la s ma rea s son ma yores, y se conocen como

mareas vivas (marea de sicigias ); si estos a str os forma n un á ngulo de 90° las ma rea s son má s redu-

cida s y se conocen como mar eas mu erta s.

La a mpli tud de una ma rea es extrema dam ente variable de un li tora l mar í t imo a otro, no siendo

la m isma en todos los luga res; nula en a lgunos mar es interiores, como en el Mar N egro, entre Rusia

y Turq uía ; de esca so valor en el Mediterrá neo, en el que sólo alcanza entre 20 y 40 cent ímetros, al

igual q ue en el océa no P a cífico; por el contra rio, se a mplifica y a lca nza va lores nota bles en determi-

na da s zona s en donde la profundidad d el ma r es pequeña , o la costa tiene una escasa inclina ción, o

una configura ción que origina una interferencia por la s costa s, o existen fenómenos de resona ncia

como sucede en algun a s bah ías en la s que el agua puede subir su nivel varios metr os debido a que

el tiempo de vaciado y llenado de las mismas coincide con el período de la marea, etc..

Es en el océano Atlántico donde se registran las mareas mayores. Así en la costa meridional

a tlán tica de Argentina, en la provincia de Sa nta Cruz, a lca nza una am pli tud de 14 m. P ero aún es

ma yor en otr a s zonas, como en la s ba hía s del Fundy (am plitud es medias superiores a los 15 m en

Minas Basin y 13,6 m en Frobisher, Canadá), y en algunos lugares de las costas europeas de la

G ra n B reta ña (estua rio del Severn 13,6 m), y de Fra ncia en las ba hía s de Mont -Sa int-Michel (12,7

m) y el estuario del Rance (13,5 m).

Dent ro del estud io de ma rea s existen los lla ma dos puntos anfidrómicos, que son aquellos en los

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que la a mplitud de la ma rea es nula, mientr as q ue las corrientes de ma rea son máximas.

El período de una ma rea es el tiempo que media ent re dos pleama res o dos bajama res sucesi-

vas. La marea evoluciona, en general, por la superposición de ondas diurnas y semidiurnas que

a dquieren a mplitudes má xima s o mínima s a intervalos de 14,8 día s, aproxima dam ente.

La acción de las fuerzas atractivas se transmite mediante ondas que se propagan de formas

diversas según la profundidad y según las diversas reflexiones sobre las costas continentales, de

manera que se producen una serie de interferencias que pueden ser constructivas o destructivas, lo

que explica la existencia de la s mareas diurnas y semidiurnas .

Las ondas semidiu rnas está n influencia da s por la componente luna r, q ue tiene un período de 12, 42

hora s y la sola r de 12 hora s, por lo que entre a mba s existe una diferencia de período de 25,25 minu-

tos lo que implica un r etra so entr e am ba s ondas d e 50,5 minutos al día , o un r etra so de 6,23 hora s

cada 7,4 día s, lo que equiva le al semiperíodo de la onda , es decir, cada 7,4 días la s dos onda s está n

en concorda ncia de fase y sus a cciones se suma n, mientra s q ue al ca bo de otros 7,4 días se encuen-

tran en oposición, deduciéndose de ésto la evolución característica de la oscilación semidiurna que

const a d e grupos que se a lterna n con a mplitudes var iables entr e un máximo y un mínimo cada 7,4

días. A ésto ha bría q ue aña dir la influencia d e la órbita luna r, elíptica , (que origina u na onda elíptica

luna r) de forma que cada 13,75 días la L una se encuentra má s cerca o má s lejos de la Tierra , pro-

voca ndo un exceso o un defecto de a tr a cción que m odifica la evolución pr evista con la composición

de las ondas a nteriores. Se ha observado que las ondas semidiurnas son má s a cusada s cuando la

Luna y el Sol está n má s próximos al E cuador.

Las ondas diur nas están influenciadas por otras componentes, como la lunar diurna con un

período de 25,82 hora s, la solar diur na (24,07 h) y la onda de declina ción m ixta Lun a -Sol (23,93 h),

que se interfieren entre sí forma ndo la evolución ca ra cterística del grupo de esta s ondas. La s ondas

diurnas son máximas cuando la declinación lunar tiene un valor extremo y mínimas cuando la

Lun a está en el E cuador; t ienen am plitud es má ximas en los solsticios y en los equinoccios.

La onda total , superposición de las anteriores, confiere a las oscilaciones del nivel marino una

evolución ca ra cterística oscilant e má s o menos regular, compuesta frecuentemente por dos plea -

ma res y dos bajam a res al día, cuya a mplitud var ía con un período de 14,8 día s aproximada mente;

sin embar go existen lugar es en los que las m a rea s va ría n en forma d iferente, con períodos de ha sta

24 hora s, o con períodos de 5 hora s.

En las ma reas mixta s, la onda semidiurna puede predominar en las sicigias, mientra s que en

las cuadr at ura s predomina la onda diurna . La a mplitud m áxima se produce poco después de la fase

de Luna nueva o luna llena (sicigias), y la mínima poco después de los cua rt os creciente y m en-

guan te (cuadra tura s).

En algunos mares predominan las ondas de ca rá cter semidiurno, (las dos ma reas dia rias t ienen

prá ctica mente la misma a mplitud), presentá ndose las má s importa ntes en las costas europeas y

a frica na s del Atlá nt ico, en América del Sur d esde Venezuela a B ra sil , en pa rt e de América del Nor-

te, golfo de Bengala, etc., mientras que las de carácter diurno (se da una sola pleamar y una sola

ba ja ma r a l día), son m á s débiles (ma r de Okhost, extremo sudoeste de Austra lia, golfo de México)

con a mplitudes má ximas de 11,5 m. E n casi todos los lugar es restan tes las ma reas son mixta s.

Análisis armóni co de las mareas.- La var iación del nivel del agua del mar observado dura nte

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una ma rea u onda tota l, viene dado por la sum a de muchas onda s senoidales simples del tipo:

h = a cos (w t + ϕ)

en la que:

w depende de las condiciones astronómicas, siendo constante en todo momento y lugar

a es la amplitud de la marea y ϕ la fase de cada onda, que no dependen de las condiciones astronómicas y

que son variables de un lugar a otro. Cuando se conocen se puede establecer la evolución de la marea para

cada lugar y tiempo.

2.- ENERGÍA POTENCIAL DE LAS MAREAS

E n el mund o, como hemos indicado, exist en un n úmer o limita do de luga res donde es posible laexplota ción de la energía de las ma rea s; para ello se requiere de un a mplitud de mar ea mínima de 5

metros, de una ba hía, r ía o estua rio lo suficientemente a mplio para que la cant idad de a gua a tra s-

vasa r dura nte las ma reas sea gra nde y de la faci lidad de construir un dique que sepa re el estua rio

del mar, par a contener y cerra r el paso del agua . El estua rio se llena dura nte la pleama r y se vacía

duran te la bajama r a tra vés de unas turbinas y compuerta s auxiliares.

La energía q ue teórica mente se puede extra er en un ciclo de mar ea, es función de la superficie

del embalse a rt ificial A(z) y de la a mplitud a de la ma rea , diferencia entr e los niveles de plea ma r y

bajamar .

La energía cedida por el embalse durant e el vaciado en la ba jam a r, es:

Eembalse = γ A(z) z dz0

a

∫ y la cedida d ura nte el llena do en la plea ma r, es:

E mar = γ A(z)(a - z) dz0

a

∫ siendo la energía potencial estimad a par a u n ciclo de mar ea de 6,2 hora s de la forma :

E = Eembalse + E mar = γ a A(z) dz = γ a V0

a

∫ = γ a2A = 226 A a2 kW

en la que z es la a ltura del agua embalsa da en metros, 0 < z < a , A es la superficie del emba lse en

km 2 y V el volumen d el emba lse en m3.

Si el emba lse se llena por la a cción de la plea ma r y por bombeo, se obtiene:

E mar = γ A(z)(a - z)dz0

a

∫ + γ A(z*)(z*- a) dzaa*

∫ y al tur binar el a gua a sí a lmacenada se obtiene:

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E = γ A(z) z dz0

a

∫ + γ A(z*) z* dzaa*

∫ = γ a (V + V*)

siendo:

z* la altura del agua embalsada con bombeo auxiliar, a


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de 2,4.10 8 barriles de petróleo; (la potencia transmitida del océano Atlántico a la Mancha se ha

eva lua do en 180.000 MW, y a l Ma r d el Nort e en 23.000 MW).

Tabla 1.- Potencial teórico de las mareas en Europa Occidental Recurso disponible teóricamente % de l tota l

País GW TWh/año europeo

Reino Unido 25,2 50,2 47,7

Francia 22,8 44,4 42,1

Irlanda 4,3 8 7,6

Holanda 1 1,8 1,8

Alemania 0,4 0,8 0,7

España 0,07 0,13 0,1

Total Europa Occidental 83,8 105,4 180

2.- CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CENTRALES MAREMOTRICES

Los ejemplos más claros de viabilidad económica a nivel mundial y que ofrecen los mejores

resulta dos pa ra el diseño y proyecto de una centra l hidroeléctrica ma remotriz está n ba sa dos en el

a lmacenamiento de agua en el emba lse que se forma a l constru ir un dique, con compuerta s y t urbi-

na s, en una bahía , cala r ía o estua rio. El agua que proporciona la r ía prácticam ente no interviene

en la genera ción de energía

CICLOS DE SIMPLE EFECTO.- Se dispone de un em ba lse único, Fig 6, siendo los modos opera ti-

vos los siguientes:

- G eneración dur a nt e el reflujo de la ma rea , (ba ja ma r). El llenad o del embalse se efectúa con la scompuerta s a biert a s y el vaciado con turbina ción

- G eneración d ura nt e el flujo, (plea ma r). E l llena do del emba lse se efectúa con t urbina ción y el

va cia do con la s compuerta s a bierta s. Es menos eficiente que el an terior; porq ue el emba lse tra baja

con niveles má s ba jos y la capa cida d de a lmacenam iento es menor

En consecuencia generan sólo durante la bajamar, vaciándose el embalse, o sólo durante la

plea ma r, llená ndose el embalse; esta s opera ciones requieren de una tur bina hélice de flujo axial y

a lta velocida d específica .

Dur a nt e el vaciado del emba lse se rea liza lo siguiente:

a) Cuando sube la marea se abren las compuertas y el embalse se llena.b) Cuando comienza a bajar la marea se cierran las compuertas y se espera un tiempo, del orden de 3

horas, para alcanzar una diferencia de nivel adecuada entre el mar y el embalse.

c) A continuación, durante 5 ó 6 horas, se hace pasar el agua por las turbinas generando energía eléctrica.

En los ciclos de simple efecto que funcionasen con vaciado del embalse sólo se generaría ener-

gía, cada día, dur a nt e dos períodos de una s 10 a 12 hora s en tota l, que ademá s se iría n produciendo

en horas d iferent es ca da día . Si el turbina je se rea lizase dura nt e el llenad o del embalse, Fig 7c, los

tiempos de genera ción sería n menores, del orden de 4 a 5 hora s, con t iempos de espera o de bombeo

de 3 horas; en total funciona rían entre 8 y 10 horas diar ias. Centra les de Fundy y K islay a .

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Turbinas

Compuertas

Paradas Generación

Abiertas Cerradas

Nivel del embalse

Llenado Espera Espera

Mar Embalse

Nivel del mar

Fig 7a.- Ciclo de simple efecto durante el reflujo, (vaciado del embalse)

Nivel del embalse con bombeo

Nivel del marNivel del embalse

Llenado

LlenadoEspera

Espera o bombeo

3 h Turbinaje

4 h Espera o bombeo

Tiempo en horas

Fig 7b.- Ciclo de simple efecto durante el vaciado del embalse

Nivel del embalse

con bombeo

Nivel del embalse

Nivel de la marea

Espera o bombeo

3 h

Funcionamiento

4 h

Vaciado

Vaciado

Funcionamiento

4 h

Tiempo en horas

Fig 7c.- Ciclo de simple efecto durante el llenado del embalse

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CICLOS DE DOBLE EFECTO.- La generación de energía se efectúa con amba s ma rea s, Fig 8 y

9, lo que exige que las t urbina s operen eficazment e con un determina do ca uda l de agua en cua lquier

dirección, funciona ndo ta nt o dura nt e el llenado, como dura nt e el vaciado del embalse.

Se pueden u ti l izar dos tipos de turbinas:

a) Reversibles

b) No reversibles, con un sistema de canales y compuertas; es un procedimiento complejo y caro

La energía ut iliza ble es menor debido a que la s diferencias d e niveles ent re el emba lse y el mar

son men ores q ue en los ciclos d e simple efecto, r educiéndose

el ran go de va ria ción del nivel emba lsad o, y disminuyendo

ta mbién el rendimiento al n o ser posible optimiza r la s tur bi-

nas y el caudal, pero aún así el factor de utilización de la

plant a es ma yor, lo que proporciona un 18%má s de energía

qu e en los ca sos de simple efecto. Los tiempos de funciona -

miento son del orden de 6 a 7 horas por marea, lo que

supone entr e 12 y 14 horas diar ias de generación de ener-

gía, con tiempos de espera entre 2 y 3 horas por marea.

Fig 9.- Ciclo de doble efecto

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Fig 8.- Embalse con turbinas de doble efecto


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CICLOS DE ACUMULACIÓN POR BOMBEO .- Generan energía con ambas mareas y disponen

de algún t ipo de alma cena miento por bombeo, lo que obliga a utilizar tur binas q ue sean capa ces de

funciona r n o sólo como ta les, sino ta mbién como bombas, cuan do sea n a cciona da s por los alt erna -

dores.

El n ivel de generación y la flexibilidad operat iva se mejoran , lo que proporciona una ma yor efi-

ciencia económica, es decir, permiten un aprovechamiento más racional y rentable de la central,

pudiendo llega r el a ument o en la generación a l 10%. La s tu rbina s tienen un coste ma yor, y sería

necesar io incluir, a veces, un equipo par a el ar ra nq ue de la bomba, ya que en alguna s situa ciones,

como se ha comprobado en el Rance, no arra ncaría n por sí solas.

La experiencia confirma que es má s económico y a mbienta lmente acepta ble limitar la genera -

ción a la fa se de reflujo, bajama r, ya que la ca rrera de mar ea en el embalse esta ría entonces dentro

de la mita d superior de la qu e existía previa mente.

La centra l de la r ía del Rance en Fra ncia es la primera y única centra l de potencia en el mundo

de este tipo, y en ella se impuso la u tilización de un a tecnología tota lmente nueva en el ca mpo de

las t urbina s, como fue la d e la s tur bina s bulbo reversibles, en la s que el tiempo de funciona miento

y la experiencia acumulada han delimitado algunas de sus funciones, como el turbinaje inverso

reducido a menos del 10%del directo por problemas, a nuestr o entender, de ma lfuncionamient o de

la t urbina y del a lterna dor, y reduciendo a cero el bombeo inverso, del emba lse al ma r..

P a ra a umenta r el t iempo de explota ción de la centra l , las turbina s B ulbo ha n sido diseña das

par a poder ser utilizad os como bomba s, de forma que cuan do el nivel del mar está próximo al del

embalse, el llenado de éste se puede acelera r e increment a r bombeand o agua del mar , lo que per-

mite el que las t urbina s puedan fun cionar d ura nt e el reflujo con ma yor ca rga y má s tiempo. El sis-tema de bombeo-tur bina je permit e au menta r la generación en fun ción de las necesida des de la red

eléctrica , ya que como bomba pueden impulsa r a l embalse entre 1 y 2 m por encima del nivel de la

pleamar, altura que en el turbinaje directo se transforma en 6 ó más metros, con la consiguiente

ga na ncia de energía , hecho que n o sucede en la s cent ra les hidroeléctr ica s con bombeo.

Fig 10.- Ciclo de acumulación por bombeo

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CICLOS MÚLTI PLES.- U tilizar ían va rios embalses, con lo que se podría genera r energía de una

forma má s cont inua a lo la rgo del día; serían má s ca ros, pues exigiría n una obra civil muy costosa ,

Fig 11 y 12, lo que les ha hecho prá ctica ment e inviables.

Mar

Estanque

alto

Islas Chausey

Estanque

bajo

Tierra

Compuertas

Turbinas

CA compuerta de llenado del estanque alto, C B compuerta de llenado del estanque bajo,

CT compuertas de las turbinas, T turbinas

Fig 11.- Diseño de esquema de ciclos múltiples Belidor para las Islas Chausey

CentralMar

Islas

Estanquealto

Estanque

bajo

Tierra

Central

CentralMar

Islas

Estanque

alto

Estanque

bajo

Tierra

Central

Estanque alto

Estanque bajo

Disposición Cacquot

Fig 12.- Diseño de esquema de ciclos múltiples Cacquot para las Islas Chausey

El proyecto Ca cquot en la ba hía del Mt-St -Michel, con ma rea s de 15 m de a mplitud, implica ba

diques de 55 km con alt ura s de 30 a 40 m pa ra a lma cena r en 2 esta nq ues de 1100 km2, cauda les

que penetra ría n por las compuerta s a ra zón de 500.000 m3/seg, g ener a nd o ent re 30 y 40 TWh a ño,

a poyá ndose en la s islas C ha usey. Se estimó en 10 a ños su constr ucción, pero fue aba ndonad o.

El pr oyecto Belidor, o Content in Oeste, implicaba 2 esta nqu es de 100 km2 cada uno, si tuados alN de las isla s Ch a usey con una longitud de diques de 69 km y una potencia inst a lada de 1440 MW,

36 grupos de 40 MW y u na potencia a nua l de 5300 G Wh.

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3.- PROYECTOS Y REALIZACIONES

Estudio de viabil idad.- Los principa les par á metros que ha y qu e considera r en un estudio de viabi-

lidad son:- La longitu d del dique

- La superficie del embalse

- El n ivel mínimo del a gua

- La a mplitud de la m a rea q ue es el fa ctor má s import a nt e que justifica la inst a lación de la cen-

t r a l

Así, por ejemplo, par a los posibles emplaza mientos estudia dos en Ingla terr a se ha supuesto que

la a mpli tud media de la m ar ea t iene que ser superior a cinco metros para asegura r la viabilidad

económica de la central; en España nos encontramos conque los mayores valores están en el

entorno de los cuat ro metros. La evalua ción de la r enta bilida d exige un proceso de optimiza ción ypredicción de las condiciones de funciona mient o de la pla nt a , as í como los efectos de bar rera qu e la

implant a ción del dique provoca n o sólo en la s ma reas existent es en el emplaza miento, sino en el

propio emba lse.

Tendencias de desarr oll o.- La s nuevas tendencias pa ra desarrollar estos a provecha mientos ener-

géticos está n influenciada s por a lgunos aspectos qu e ha n ido surgiendo en los últimos a ños, relacio-

na dos, por ejemplo, con el propio ent orno de la cent ra l, que tiene qu e perm itir combina r la energía

maremotriz con otras tecnologías de generación energética, como la hidroeléctrica, térmica,

eólica,...etc.

Ha y qu e tener en cuenta que muchos de los mejores emplaza mientos está n muy a lejados de los

centros de consumo, Tabla 2, lo que obligaría a transportar la energía producida a considerables

distancias. En esta situación el transporte en corriente continua en alta tensión ofrecería unas prestaciones

notables, pudiéndose llegar hasta 10.000 km con pérdidas del 3%cada 1.000 km, lo que permitiría

conectar la energía de las mareas generada en emplazamientos remotos en las redes eléctricas

principales.

Aspectos económicos.- Entre los aspectos económicos destaca el elevado coste del kW instalado,

(en 1985 era del ord en de la s 250.000 pt a s/kW genera do).Los factores que inciden nega tiva mente en el coste de la cent ra l son la propia obra civil de cons-

tr ucción del dique, q ue supone má s de la mita d del coste de la plant a , con lo que la elección de un

lugar a decua do que permita un a horro en infraestructura , compat ible con una buena am pli tud de

ma rea , es funda menta l. A ésto ha y que a ña dir la la rga dura ción del proceso const ructivo de la cen-

tr a l, ent re 5 y 15 años en el ca so más fa vorable, y el bajo fa ctor de car ga esta cional, entr e el 22%y

el 35%, debido a la s va ria ciones de la a mplitud de la ma rea , (ma rea s vivas y mu erta s).

Entre los factores que inciden positivamente hay que citar el bajo coste de operación y manteni-

miento, inferior a l 0,5%y la a lta disponibilida d, superior a l 95%, q ue está relaciona da con el elevado

número de grupos.

Es import a nt e el tener presentes otros efectos distint os de los energéticos, qu e pueden m ejorar

el entorno y la viabilidad de un proyecto de esta na tura leza.

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15/108

Antecedentes.-La utilización de las mareas como fuente de energía se remonta a los molinos de

marea , de los que en el Reino Unido se tienen noticias desde el siglo XI. Los primeros molinos de

ma rea a parecieron en Fra ncia , y estaba n insta lados en el centro de un dique que cerra ba un a ense-

na da ; así se creaba un embalse que se llena ba d ura nte la pleama r por medio de unas compuerta s y

dura nte la bajama r el a gua sa l ía y a cciona ba una rueda de paleta s. La energía se obtenía una vez

por ma rea . Hoy en día pueden verse algunos de estos molinos en las costa s norma nda s y bretona s

fran cesas, y en el Cant ábrico.

A fina les del siglo XIX el progresivo desa rr ollo de los sistema s eléctr icos y el ta ma ño creciente

de las centra les genera doras d e energía eléctr ica motivar on el aba ndono progresivo de las fuent es

de energía de cará cter local, entr e otra s los pequeños a provechamient os hidroeléctr icos y los moli-

nos de marea .

Se sabe que el primero que estudió el problema del aprovechamiento de la energía de las

mareas, y que ideó un sistema que permitía un aprovechamiento continuo de dicha energía,

emplean do par a ello dos cuenca s o receptá culos conjuga dos, fue el fra ncés Belidor, (P royecto de la s

islas C ha usey). La s teorías expuesta s por B elidor no queda ron en el olvido, y la idea de a provechar

la energía de las ma rea s sólo quedó apa rcad a ha sta que se acometió el proyecto de resolver definiti-

va mente el problema ; otr os ingenieros fran ceses proyecta ron una cent ra l ma remotriz en el estua -

rio de Avra nches, que consistía en un dique que cerra ba el estua rio y a provechaba la energía d e la

marea en las correspondientes turbinas; los estudios para este proyecto estaban listos en 1923,

pero el proyecto fue a ba ndona do.

Otros países int eresados en estudia r las posibilida des de emplear la energía de las ma rea s para

la producción de energía eléctrica fueron Estados Unidos y Canadá. Sus primeros estudios seremonta n a l añ o 1919 y posteriormente deciden la implant a ción de una cent ra l mar emotr iz en la

frontera de am bos pa ises, en la ba hía de Fundy , en el río Anná polis, que ofrece mar eas, en la r egión

de Minas B a sin, con amplitudes de ha sta 20 metros y corrientes de ma rea de ha sta 3 m/seg. Sin

embargo, los estudios sobre la central fracasaron y cuando se reemprendieron nuevamente en

1964 se pensó en const ruir dos centr a les ma remotrices de un a potencia d e 500 MW, qu e tr a ba ja -

rían conjuntamente con una central hidroeléctrica de 750 MW. En 1965 Canadá realiza nuevos

estudios bajo supervisión fran cesa , proyecto Sogreah , para la inst a lación de una cent ra l de poten-

cia en la bahía de Minas Basin, contemplándose en este proyecto la introducción de los grupos

Straflo con alternador periférico. En principio, estos proyectos no tuvieron una buena acogida,debido a que en ésa época t odo el mundo pensaba que el petr óleo podía seguir siendo la forma má s

renta ble de genera r energía ; sin emba rgo, dad o el giro que toma ron los precios de los crudos y su

inesta bilidad, hizo pensar q ue la energía ma remotriz podía ser una energía al terna tiva de futuro,

competitiva con la energía nuclear, t eniendo en cuenta su cará cter inagota ble y su poca influencia

sobre el medio ambiente; a lgunos pa ises ya la h a n int roducido en sus pla nes de desarr ollo energéti-

co, au nque sin mucha s expecta tiva s de futuro.

Ventajas de la energía maremotr iz.- Es autorenovable, no contaminante, silenciosa, bajo costo de

ma teria prima , no concentra población, disponible en cua lquier clima y época d el año, no presenta

problemas de sequía como la hidráulica, dado que el promedio de amplitudes de marea práctica-

ment e se puede considera r const a nt e a lo largo del añ o, etc.

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Tabla 2.- Emplazamientos más destacados para el desarrollo de centrales maremotrices

Altura media Superficie Potencia Producción

PAÍS Emplazamiento de marea embalsada estimada aproximada

metros MW GWh/año

San José 5,9 778 5040 9400

Golfo Nuevo 3,7 2376 6570

Argentina Río Deseado 3,6 73 180

Santa Cruz 7,5 222 2420

Río Gallegos 7,5 177 1900

Australia Bahía de Secure 7 140 1480

Ensenada de Walcott 7 260 2800

Cobequid 12,4 240 5338 14000

Canadá Cumberland 10,9 90 1400

Shepody 10 115 1800

Bahía de Mezen 6,76 2640 15000 45000

Rusia Penzhinsk, Mar de Okhost 11,4 20 87400 190000530

Bahía de Tugur 6,81 1080 7800 16200

Turnagain Arm 7,5 6500 16600

USA Knit Arm 7,5 2900

Pasamaquoddy 5,5

India Golfo de Khambat 6,8 1970 7000 15000

Golfo de Kutch 5 170 900

Severn 7 520 8640 17000

Mersey 6,5 61 700

UK Duddon 5,6 20 100

Wyre 6 5,8 64

Conwy 5,2 5,5 33Corea Garolim 4,7 100 400

Cheonsu 4,5

México Río Colorado 6,7

km

2

Desventajas.- Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, localización puntual que

depende de la amplitud de las mareas, traslado de energía muy costoso, efecto negativo sobre la

flora y la faun a a unqu e con el tiempo a parecen nueva s especies, limitada , etc.

REALIZACIONES

1) Central del RANCE.- La primera y única tenta tiva pa ra el aprovechamiento de la energía de

las mareas se real izó en Francia, en la r ía del Rance, en las costas de Bretaña; en esta zona la

a mplitud de la ma rea puede alca nza r má ximos de 13,5 metr os, una de los ma yores del mundo.

El volumen de agua de ma r q ue puede penetra r en el estua rio es del orden de 20.000 m3/seg .

Un dique art i ficial cierra la entr ada de la r ía y una esclusa ma ntiene la comunicación de ésta

con el mar, a segura ndo la na vegación en su interior.

Todos los elementos de la cent ra l ma remotriz como, generadores eléctricos, má quina s a uxilia-

res, turbinas, t a l leres de repara ción, sa las y ha bitaciones para el persona l , está n ubica dos entre

los muros del dique que cierra la ent ra da del estua rio.

Fue acabada en 1967 y funciona con un ciclo de doble efecto con acumulación por bombeo. Su

diqu e tiene 700 m d e lar go, 24 m d e a ncho y 27 m de a lto (15 sobre el nivel medio del ma r), 6 com-

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puerta s de 15 m de longitud y 10 m de a ltura y una esclusa q ue comunica , par a pequeños ba rcos,

el mar con el estua rio.

Los inconvenient es del diqu e son q ue bloqu ea la na vega ción, impide la emigr a ción de los peces,

modifica el tamaño y localización de la zona entre mareas, así como el régimen de mareas aguas

arriba. El embalse tiene una superficie de 20 km 2 y una capacidad de 186 millones de m 3 entre

plea ma r y ba ja ma r, es decir, el agua que se puede a provecha r en las t urbinas.

Mar

-9 m -4 m

-4,5m

-5 m -10m

78 332 194 115

-5 m

TurbinasCompuertas

EsclusaIslote de

Chalibert

Fig 13.- Dique de la central maremotriz del Rance

La s tur binas B ulbo son a xia les y fueron diseña da s para funciona r en los dos sentidos de marea;

tienen el a ltern a dor de 64 polos en la prolonga ción del eje, alojado en el interior de un bulbo, y a pro-

vecha sa ltos de pequeño desnivel y gra n caud a l, (el bulbo va inst a lad o a gua s a rriba del rodete en

T.D.); su regulación se efectúa median te un distribuidor de 24 ála bes directr ices orienta bles q uedirigen el agua hacia los álabes también orientables del rodete, para conseguir siempre que sea

posible un rendimiento má ximo y una velocida d sincrónica , pudiendo funcionar ta mbién como bom-

ba. La central posee 24 turbinas bulbo de 10 MW, (caudal máximo 275 m3/seg en t ur bin a je dir ec-

to). Ca da unida d de explota ción está compuesta por 4 turbina s que funcionan simult á neam ente y

tienen en común un cierto número de dispositivos anexos para su control y la excitación de los

alternadores.

Fig 14.- Entorno de la central del Rance

La energía net a generad a a lo lar go del añ o es del orden de 550 GWh, (500 GWh en t urbina je

directo y 50 en tu rbin a je inverso), equiva lente a 3.105 ba rriles de petr óleo, de la que se ha deducido

la energía de 65 GWh consumida en el bombeo, (un 10%de la energía generad a ). Sus ga stos an ua -

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les de explota ción en 1975 era n competit ivos con los de la s pla nt a s h idroeléctr ica s convenciona les.

2) Centr al de KI SLAYA. (Kislogubskaya).- U bicada en el mar de Ba rentz, Rusia; empezó a funcio-

na r como plant a piloto en 1968, siendo la segunda del mundo de esta cla se; dispone de 1 tur bina

bulbo de 0,4 MW. Los módulos de la sa la de má quina s y d el dique fueron fa bricados en tierra y lle-

va dos flotan do al luga r elegido; fue concebida como banco de ensa yos para la inst a lación ma remo-

tr iz de Penzhinsk, proyecto que en la a ctualida d ha sido olvidado.

Fig 15.- Entorno de la central de Kislaya

La ma rea es semidiurn a , con una velocidad d e 3,6 m/seg. Amplitu d media de 2,4 m, en el int er-

valo de 1,1 m y 4 m. El embalse de 1,1 km 2, tiene dos depresiones de una profundidad de 36 m

sepa ra da s una de otra por una zona de 3 m de profundidad

3) Centr al de la bahía de FUNDY.- Está ubicada en el río Annápolis, en la frontera (USA-Ca na dá); la amplitud má xima de la mar ea puede alcanza r 15 metros.

La a ltur a del dique es de 30,5 m y la longit ud de 46,5 m

El a provecham ient o se consigue con una tur bina Straflo , en experiment a ción desde 1984, de 18

MW y consumo de 400 m 3/seg; esta tur bina es axia l, de 4 pala s, e incorpora un a lterna dor perifé-

rico de 144 polos, funcionando como turbina sólo en un sentido, tiene mayor rendimiento que la

Bulbo y no está todavía desarrollada para funcionar como bomba, por problemas inherentes a la

estanqueidad del alternador.

Fig 16.a.- Entorno de la central de Annápolis

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Fig 16.b.- Entorno de la bahía de Minas Basin y central de Annápolis

Fig 17.- Instalación de la bahía de Fundy y turbina Straflo

La innovación que introduce esta turbina axial con rodete Kaplan consiste en que los polos

ma gnéticos inductores del alterna dor no va n insta lad os en la prolonga ción del eje de la t urbina , sino

fijos a la periferia de los á labes, en la periferia del ca na l de flujo, es decir, el rotor y el esta tor está n

enca ja dos en un a lojamiento an ula r q ue rodea a l conducto por donde circula el agua , de forma que

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quedan fuera del paso recti l íneo del agua . Necesita n de una junta de esta nqueidad a nular entre el

rotor y su alojamiento que asegura el aislamiento de la parte eléctrica del agua. De este modo se

consigu e una mejora en el rendimient o, ya qu e al no ten er bulbo, ést e no se int erpone en el flujo del

a gua , sino que circunda el conducto. S u simplicidad permite reducir los costes de fa bricación en un

tercio respecto a las tur bina s convencionales.

La s car acteríst ica s de la turbina S tr a flo de Anná polis son:

Turbina:Caudal: 408 m 3/seg ; Nº de palas 4 ; Salto , entre 1,4 y 7,1 m ; Altura nominal 5,5 m

Nmá x = 20 MW; Nnominal = 17 ,3 MW ; n = 50 rpm.

Alternador:

Nnominal = 19,2 MVA ( potencia aparente, composición vectorial de la activa má s la reactiva )

Nmáx = 22,25 MVA ; factor de potencia= 0,9

Frecuencia = 60 Hz ; n º de fases= 3 ; Nmero de polos: 144

Tabla 3.- Centrales maremotrices existentes

Año de Amplitud media Superficie Potencia

PAÍS puesta en Emplazamiento de marea embalsada instalada

servicio metros MW

Francia 1966 El Rance 8,17 17 240

Rusia 1968 Kislaya Guba 2,4 2 0,4

Canadá 1984 Annápolis, Fundy 6,4 6 18

China 1961-80 4 emplazamientos 7 1,8 1,2

China 1980-86 Jiangxia 7,1 2 3,2

km2

CENTRALES EN ESTUDI O

1) Proyecto de las islas CHAUSEY (Bahía de Saint M ichel).- La centra l ya comenta da a l definir los

ciclos múltiples, estar ía ubicada en la ba hía de Avra nches, Fra ncia. La inversión sería gigant esca .

2) Central de la bahía de KI SLAYA.- Situa da en la península de KOKA, entre el mar B ált ico y el

ma r de B ar entz, Rusia . La am pli tud de la ma rea es de 7 metros. Constaría de dos diques, con una

longitu d t ota l de 7 km, 22 compuert a s y 60 tur bina s B ulbo de 6 MW, en tota l 360 MW.

3) Central de la bahía de MEZEN .- En el mismo entorno que la a nterior , la a mplitud de la ma rea

llega a ser de 9 metros; tendría un diq ue de 17 km, cerra ndo un emba lse de 2.650 km2, una poten-

cia de 17 G W y un a producción de 25 TWh/a ño. La ma rea es semidiur na con un a a mplitu d de 10 m

4) Centr al de la bahía de FUNDY.- El gobierno cana diense ha estudia do una serie de posibles loca-

lizaciones para const ruir un diq ue comercialmente viable, en Mina s B a sin; de da r resulta do la t ur-

bina Straflow, se podría const ruir un a gigan tesca cent ra l mar emotr iz de 5,5 G W, con un ca uda l de

55.000 m 3/seg .

El nivel medio de la marea es de 12 m; marea máxima 18 m. El nivel medio de la marea se

eleva a ra zón de 3,1 cm/minut o. El flujo tota l de ma rea s podría genera r 400 G Wh

A la ent ra da de la ba hía d el Fund y, en el golfo del Ma ine, los Est a dos Unidos tienen planea doconst ruir una cent ra l experimenta l de 12 MW con 2 tur bina s de 6 MW

5) Central de la bahía de TUGUR.- Situada en el mar de Okhost , con una ampli tud de marea

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má xima del ord en de 8 met ros; con un emba lse de 1.850 km2 y un dique de 36 km generar ía 8 G W

o 20 TWh/a ño. La ma rea es semidiurna , con un a a mplitud media de 9 m.

U tilizar ía un nuevo modelo de tu rbina ortogona l de doble efecto, Fig 20, parecida a los rotores

eólicos de eje vert ical t ipo Gir omill, con 3 perfiles a erodiná micos

15,5

0

-5

-14,5

-2 1

18,5

Fig 20.- Turbina ortogonal para el Tugur

6) Central de la bahía de PENZH INSK.- P redomina la m ar ea de componente diurna, con una a mplitud

media de 13,5 metros. Se idearon dos proyectos que fueron abandonados: Uno, al Norte, con un

diqu e de 31,5 km de longitud q ue cerr a ría un emba lse de 6800 km2 y genera ría 35 G W.

Otro, a l Sur , con un dique de 72 km q ue cerra ría un emba lse de 20000 km2 y genera ría 100 GW.

Fig 21.- Entorno de las centrales de Tugur y Penzhinsk y turbina ortogonal

7) Centr al del estuar io del SEVERN.- G ra n B reta ña proyectó construir una centra l maremotriz en

el estua rio del río Severn, cerca de B ristol, en el que la m a rea llega a a lca nza r una a mplitud de 16

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m; se consideraron dos posibles ubicaciones; la que parecía más favorable, denominada Cardiff-

Weston, suponía constr uir un diq ue de 16,3 km ent re B rea n D own y L a vernok Point y conforma r

un em ba lse de 500 km 2, para emplazar 216 turbinas Straflo de 40 MW, (8640 MW), con una pro-

ducción prevista de 7,5 GW ó 14,4 TWh/a ño, suficiente pa ra cubrir el 6%del consumo n a ciona l; se

ta rda ría en su ejecución u nos 13 a ños y da ría tr a ba jo en ese tiempo a 44.000 persona s, pero el pro-

yecto fue recha za do debido a su impa cto en el ecosistema y a que no pa recía muy renta ble econó-

mica mente por cuant o en la zona donde iría ubica da existen alguna s centr a les térmica s.

P royecto de Mersey: Diq ue de 2 km; potencia 700 MW

Fig 22.- Ubicación de posibles centrales maremotrices inglesas

8) Central del GOLFO DE SAN JOSE.- En Argentina, la s ma yores ma reas se concentra n en la

península de Va ldés, a l noroeste de Chu but, forma da por los golfos Sa n J osé, al norte, (a liment a dopor el golfo de San Matías), y el golfo Nuevo, al sur, (alimentado por el Océano Atlántico).

El estrecho istmo Carlos Ameghino, que separa ambos golfos, de 5 a 7 km de ancho, actúa

como un ma gnifico dique na tura l , embalsa ndo a un lado y a otro el agua de las plea ma res y de las

bajama res que se al ternan en ambos golfos. La onda de marea , se desplaza de sur a norte con una

amplitud de 5,9 m y con la característica de existir entre ambos golfos un intervalo pleamar-

ba ja ma r de 5 hora s. Con éstos desniveles se podría logra r una generación de energía d el orden de

20 G W, doble de la potencia h idroeléctr ica insta lada a ctua lmente en todo el país.

Ta mbién se ha n formula do otr a s propuesta s respecto del cierre de los golfos Sa n J osé y Nuevo

median te presas, y su comunicación por medio de un cana l a t ra vés del istmo donde se ubica ría la

cent ra l, que podría genera r del orden de 8 G W.

4.- ANTECEDENTES DE LOS GRUPOS UTILIZADOS EN LAS CENTRALES MAREMO-

TRICES

La evolución de ideas ha sta llega r a l concepto de los grupos bulbo de las cent ra les ma remotri-

ces, par te del hecho de que fueron concebidos pa ra ser ut iliza dos en cuencas fluvia les de gran des

caudales; el nacimiento oficial de los grupos bulbo tiene lugar el 27 de diciembre de 1933, adqui-

riendo el derecho de los mismos Arn o Fisher, q ue en 1936 ina ugur a los dos primer os grupos de flujo

a xial de Rostin, Fig 22, en el río Persa nte.

El flujo a xial comporta una serie de vent a ja s, como:

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a) Una mejor distribución de velocidades del agua sobre las palas, lo que permite un aumento del caudal

específico, y de la potencia específica, o lo que es lo mismo, una reducción del diámetro para un caudal dado o

para igual potencia en comparación con los de eje vertical, Dvert = 1,15 Daxial

b) La disminución de pérdidas de carga a la entrada y salida lo que implica una mejora en el rendimiento

H = 3,75 m ; Q = 6,3 m3/ seg ; N = 195 kW ; n = 250 rpm ; Diámetro del rodete = 1,35 m

Fig 23.- Grupo Bulbo de Röstin 1936. (Se construyeron 2 grupos)

c) La mejora sobre la cavitación debida a las condiciones del flujo que aumenta la velocidad de rotación lo

que conduce a un alternador más económico.

d) Esta disposición se acompaña de una simplificación y reducción del volumen de la obra civil, así como

del coste de las obras.

Sin embargo, y a pesar de estas mejoras, no se tenía clara la ubicación del alternador, y los

constructores se encontraron con tres alternativas para la instalación del alternador, que podía ir

colocado en el exterior , en la periferia o en el interior del conduct o.

Grupos con el alternador en el exteri or.- Est a disposición da lugar a los grupos tubo; la idea , Neyr-

pic, da ta de la construcción de la primera presa d e Asuá n en 1927, pero nunca se ha n conseguido

gra ndes resulta dos a ca usa de la a parición de vibraciones.

Grupos con el al ternador en la per if er ia.- L a idea proviene del ingeniero american o, Leroy Ha rza ,

Fig 24, y data de 1919, completada en 1924; las palas hélice juegan el papel de brazos del rotor lo

cual ha ce que si ésta s se constr uyen orient a bles, los problemas mecá nicos sean import a nt es.

Fig 24.- Grupo con alternador periférico, 1919-1924, (Harza)

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H = 9 m ; Q = 25 m3/ seg ; N = 1.75 MW ; n = 214 rpm ; Diámetro del rodete d = 2,15 metros

Fig 25.- Grupo Bulbo con alternador periférico de Steinbach (Baviera)

Los polos ma gnéticos inductores del a lterna dor se encuentra n un idos solida ria mente a la perife-

ria del rodete de la tur bina y giran con él.

E n B a viera t uvieron luga r la s primeras rea lizaciones de Escher Wyss (Ra vensburg), con pa las

fi jas ; las fugas en las juntas de estanqueidad causaron dificultades, resueltas en la actual idad,

siendo la d ura ción de las junta s superior a las 20000 hora s de funciona miento.

Los rusos ta mbién lo utilizar on en la cent ra l de Orta chalsk, pero a l ser los grupos de gran des

dimensiones, 6,3 MW, H = 10,5 m, D= 3,3 m, encont ra ron mucha s dificulta des que les hicieron

a ba ndona r la explota ción. El desar rollo de estos grupos limita el diá metro del rodete y la capa cida d

opera tiva ya que las pa las son orienta bles; la t urbina S tra flo de Fundy, má s moderna , pertenece a

este tipo de turbina s con el alt erna dor en la periferia .

Grupos con el al ternador en el i nterior.- Son los que se emplean a ctua lmente en las turbina s B ul-

bo, datan de 1933 y aunque a priori fueron mal aceptados, acabaron imponiéndose.

Diámetro del rodete = 8 m ; diámetro del Bulbo = 12 m

Fig 26.- El primer proyecto de grupo Bulbo para el Rance (1943)

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Al finalizar la 2ª Guerra Mundial, Francia se interesa por la adopción de grupos reversibles

maremotrices y grupos para pequeños saltos; su empleo en las centrales maremotrices se debe

fundamentalmente a las condiciones de doble sentido de funcionamiento y a la necesidad de su

empleo en fun ciones de bombeo par a a ument a r el nivel del emba lse, Fig 26.

Este tipo de funcionamiento originó problemas en los sistemas eléctricos que implicaron una

disminución del tam a ño del a lterna dor, y en el sistema de refrigera ción por a ceite a presión, y evi-

ta r las ent ra da s de a gua en el recinto sumergido del a lterna dor, lo que indujo a construir un gr upo

único (tur bina -a lterna dor), siendo en est e moment o cua ndo na cen los a utént icos grupos B ulbo de

a plicación exclusiva en la s centra les ma remotrices, reversibles y bombeo, que t ienen como cara c-

terísticas principales:

a) Paso del agua axial

b) Funcionamiento en los dos sentidos y posibilidad de actuar como bomba para el llenado y vaciado del

embalse.

La primera genera ción de tur bina s B ulbo fueron la s del tipo Ca stet, con un diá metro de rueda

inferior a 2 m; con ellas s e dio un pa so decisivo en el conocimient o y r esolución d e los n umer osos

problema s que se fueron presenta ndo, ta nt o hidrá ulicos como mecánicos.

En la elección d e las tur bina s se deben considera r u na serie de aspectos específicos de este tipo

de insta laciones, entre los que cabe cita r:

- Saltos pequeños

- Variabilidad en el salto y en el caudal

- Frecuencia de arranques y paradas

- Requisitos para bombeo o para generación bidireccional.

LOS PEQUEÑOS Y MEDIOS BULBOS.- Los grupos bulbo tienen int erés en minicentra les hidrá uli-

cas para a provechar sa ltos pequeños con cauda les relat ivam ente pequeños; se pueden present a r

tres tipos de disposiciones función de las condiciones locales, como grupos en sifón, en cámara de

a gua y en conducto.

Los grupos en sifón, Fig 27 y 28 se emplean par a sa ltos de 1,5 a 3 m con ca uda les del orden de

15 m 3/seg, (microcent ra les), est a ndo su s potencia s ent re 50 y 300 kW. La disposición del sifón n o

impone el tener qu e recurr ir a la técnica del bulbo, ya que el alterna dor puede estar situa do en elexterior d el conducto, bien a l a ire libre o sumergido.

H = 2,6 m ; N = 95 kW ; Q = 6 m3/ seg ; n = 214 rpm

Fig 27.- Grupo con sifón-aspirador a la salida; el alternador va sumergido en el exterior del sifón

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Fig 28.- Grupo Bulbo con depósito de agua y sifón aguas arriba

H = 7,8 m ; Diámetro del rodete d = 1,65 m ; Q = 12,5 m3/ seg ; N = 810 kW ; n = 250 rpm

Fig 29.- Turbina Bulbo instalada en cámara de agua (Castet) (1954)

Los grupos en cá ma ra a biert a son para cauda les del orden de 10 a 15 m3/seg, a un qu e excepcio-

na lmente pueden a lcan zar 28 m3/seg, siendo las a ltura s del salt o genera lmente superiores a las de

sifón. El bulbo está inmerso en el agua de forma que ésta at aca directa mente al distr ibuidor y al

rodete.

Fig 30.- Turbina Bulbo moderna con cámara abierta instalada en un dique

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Otro modelo de ca ra cterística s par ecida s, aun que toda vía de ma yor salt o, lo const ituye los gru-

pos en conducto , cuya principal ca ra cterística es su sencillez, pues se confunden la presa y la cen-

tra l en una única obra , Fig 21; el bulbo va a guas a bajo.

Q = 7,5 m3/ seg ; H = 15,5 m ; N = 0,8 MW ; n = 500 rpm ; Diámetro del rodete d = 1,12 m

Fig 31.- Grupo bulbo en conducto de Lartigue, de palas fijas

5.- DISEÑO DE LOS GRUPOS BULBO

La búsqueda de turbomá quina s que funcionen como turbina y como bomba , en ambos sent idos,

con conductos hidrá ulicos de forma s simples y económicos, tendent es a mejorar la renta bilida d de

las minicentra les hidrá ulica s y las centra les ma remotrices, condujo a la puesta a punto de los gru-

pos B ulbo; par a ello se ha n ut iliza do turbina s a xiales, que requieren conductos hidrá ulicos de for-

ma s simples y d imensiones reducida s, que permiten un a ument o de la potencia específica y un a

reducción d el costo de la obra civil.

(a) (b)

Fig 32.- Conductos hidráulicos requeridos por una turbina Kaplan y un grupo Bulbo de cámara cerrada

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Tr azado hidrául ico de los grupos Bu lbo.- Lo que se trata de conseguir con los grupos Bulbo es

a umenta r la potencia específica , mediant e un a umento de la velocida d específica ns. Los ensayos

sobre la distr ibución de velocida des muestra n que la s pérdida s de ca rga má s import a nt es se produ-

cen, para potencia s específica s elevada s, a la entr a da y a la sa lida.

Los conductos hidrá ulicos de los gru pos B ulbo son m enos complica da s q ue los de la s t urbina s

Ka plan, y llega n a tener pérdida s relat ivam ente poco import a nt es, por lo que se pueden conseguir

con los grupos B ulbo ma yores potencia s específica s, par a un sa lto hidrá ulico da do.

E n la Fig 32 se compara la obra civil de un gru po convenciona l Ka plan proyecta do en principio

par a el Ran ce, con el tipo B ulbo definitivament e adopta do. Mientr a s una t urbina Ka plan de 9 MW

necesitaba una longitud de dique de 20,5 metros, la t urbina B ulbo de 10 MW ocupa ba sólo 13,3 m,

pudiéndose a preciar t a mbién que las obras requerida s para esta última son má s sencilla s.

P a ra rendimientos igua les, los grupos Bulbo tienen un diá metro de rodete inferior al de las tu rbi-

na s Ka pla n de la misma potencia; par a ca ídas má s pequeña s que el sal to de diseño, las potencias

genera das por la t urbina B ulbo son superiores a la s desarrolla da s por las t urbinas K a plan .

El tubo de aspir ación.- La energía cinética a la sa l ida de la rueda a lcan za un va lor próximo a la

energía total del salto, lo que muestra la importancia del tubo de aspiración en las máquinas con

gra ndes potencias específica s.

U n deslizamiento axia l uniforme a la sa lida de la ru eda es difícil de obtener, incluso par a u n sólo

sentido de funcionamiento; se podría obtener un excelente rendimiento si se tomase la precaución

de escoger un á ngu lo α0 a decua do en el codo del tubo de aspira ción. Sin emba rgo, pa ra éste án gulo

ideal α0 la longitud del tubo de aspiración t endería a aum entar y podría l legar a alcanza r va loreseconómicament e ina cepta bles, con una sección de sa lida igua l a casi cua tr o veces la sección de la

rueda , lo que implicaría el riesgo de desprendimient o de la ca pa límite y la consiguiente erosión del

condu cto. La elección de un repa rt o de velocidad es ta ngencia les a lo lar go de la s ección, es difícil, ya

que la s pérdidas d e ca rga en el tubo de aspira ción no provienen únicam ente del desprendimiento de

la ca pa límite, sino ta mbién de la s corrient es de retorno en la pa rt e centr a l.

Ángulo α del eje de la turbina con el eje del tubo de aspiración

Aspirador troncocónico α0=5° Aspirador acodado Grupo Kaplan de eje vertical Grupo Bulbo Q11= 2770 l/seg Q11= 1680 l/seg

Curvas: (1) Pérdida total en el aspirador; (2) Pérdidas por rozamiento para∆h = kc2

Zonas: (3) Pérdidas por desprendimiento de la pared; (4) Pérdidas por recirculación

Fig 33.- Pérdida de carga en algunos tipos de tubo de aspiración de turbinas Bulbo y Kaplan

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La gráfica de la Fig 33 proporciona las pérdidas en el aspirador de un grupo Bulbo y otro

Ka plan; en el eje de ordena da s se ha n llevado las pérdida s y en el eje de abscisas el án gulo α que

forma la velocida d a bsoluta en el a spirador con el eje de la má quina , observán dose que la s pérdidas

crecen m á s rá pida mente par a valores superiores a l á ngulo óptimo que para va lores inferiores.

E n sum a , el flujo en el tubo as pira dor tr oncocónico depende del tra za do del conjunt o de los con-

ductos hidrá ulicos y de la ru eda. L a s pérdidas en el a spirad or provienen casi ún ica mente de los des-

prendimientos de la ca pa límite, de las tu rbulencia s y de los gra ndes remolinos que originan t a les

desprendimientos.

La energía cinética a la salida del tubo aspirador de un grupo Bulbo es del orden de 1,4÷1,5

veces la energía cinética a la sa lida del rodete,

c m2

2 g ; en un grupo Ka pla n l lega a ser , 3

c m2

2 g .

La recuperación pa rcial de esta energía crea da en el aspira dor se efectúa en mejores condicio-

nes para los grupos B ulbo que par a los Ka plan, pues el ca mpo de velocida des a la sa lida del aspira -

dor es má s homogéneo pa ra los B ulbo que par a éstas.

Conductos .- La s pérdidas de car ga en los conductos de los grupos Bulbo y Ka plan, son compa ra -

bles; sin emba rgo, las dimensiones de los conductos a gua s a rriba del distribuidor del grupo B ulbo

son má s pequeñas q ue las de la Ka pla n.

U na limitación de las dimensiones de los conductos a gua s a rriba , permit e disminuir la a nchura

del dique y a lojar el conjunto del grupo ent re pa redes pla na s, verticales y pa ra lela s, obteniéndose

a sí una mejora en la potencia para una a nchura de centra l dada . Est a s disposiciones de conjunto

exigen ta mbién que el diá metro del Bulbo y, por lo ta nt o, el del esta tor del altern a dor sea inferior a l

diám etro del rodete, por lo que el futu ro desarr ollo de esta s má quina s se encuent ra condicionado por

la posibilida d de construir a lterna dores de diámetr o reducido, que sería muy import a nt e pa ra los

grupos de turbina s que fun cionasen en los dos sentidos, aun que esta situa ción después de la expe-

riencia del Rance, que prácticamente no funciona en el turbinaje inverso salvo con mareas muy

vivas, q ueda un poco en el a ire.

El crecimiento de las potencias específicas conduce a grupos con diámetro de rodete de 7,5 a 8

m. P a ra no aum enta r el precio de los distribuidores móviles, se han a dopta do ála bes directr ices de

forma s simples en los que la s genera tr ices de los nervios de éstos ála bes concurren en el vértice de

un cono qu e cont iene los ejes de la s directr ices; este vért ice const ituy e un cent ro de homotecia pa ralos diferentes nervios, por lo que estas formas en el diseño simplifican considerablemente su cons-

trucción.

El t ra za do óptimo del rodete exige que las d irectr ices posean un a cierta torsión, á labes a labea -

dos, lo que supone un aumento en el coste del distribuidor, que lo pueden hacer económicamente

inaceptable.

Se obtiene un reparto correcto de las velocidades c1 a la entra da de la rueda, jugan do con la

forma de las pa redes, con la geometría del distribuidor y con la forma de los perfiles homotéticos de

las directrices.

Para los grupos Bulbo con un solo apoyo aguas arriba, la relación entre los diámetros deentrada y del rodete es del orden de 0,8 a 0,9

Si se tra ta de grupos de 7,5 a 8 m de diámetr o esta relación a umenta ha sta 1,2 ó 1,3 pa ra fa ci-

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lita r la constr ucción de la ca rcasa del alterna dor y su posterior monta je en va rias piezas.

El a ument o de la rela ción ent re el diám etro del a lterna dor y el de la r ueda conduce a modifica r el

tra zado hidráulico de la entra da agua s a rriba y del distribuidor.

P a ra no ala rga r dema siad o el grupo, es preciso disminuir el án gulo en el vértice del distribuidor

cónico, lo que implica un a umento de la curva tur a de deslizam iento a la ent ra da del distribuidor.

Se pueden concebir grupos de poten cia específica elevada con un a rela ción ent re el diá metr o del

a lterna dor y el de la rueda del orden de 1,2 a 1,3 a dopta ndo un á ngulo medio en el vértice del distri-

buidor del orden de 40° a 50° , pero ésto implica problemas en la a liment a ción de la r ueda.

Cavitación .- Los grupos B ulbo entra n en la categoría de turbinas a l imenta da s por sa l tos fuerte-

mente variables por lo que las condiciones que provocan la cavitación se tienen que analizar en

profundidad, a sí como el diseño de la s zonas que son propensa s a su forma ción y desa rrollo con la

reducción de la t ensión, est a bilida d de los desliza mient os, vibra ciones, etc; por ra zones económica s

no se puede a dopta r un diseño que cumpla con toda s estas premisas y ga ra ntice la má quina contr a

todo efecto de cavit a ción. La s observa ciones sobre la a par ición y desar rollo de la ca vita ción const i-

tuy en un conjunto de dat os, sin los cuales no se podría realiza r el tra za do de las pa las, pero sobre

todo sirven para definir en las diferentes zonas de funcionamiento los márgenes que se pueden

adoptar. Para la determinación del diseño de los grupos Bulbo se pueden considerar las mismas

reglas y los mismos par á metros obtenidos a pa rt ir de los resulta dos de explota ción de las t urbina s

Ka plan, con un m a rgen de seguridad suficiente.

Potencias específicas de los grupos Bul bo.- El examen de da tos esta dísticos muestra que el ca udal

Q11 de una tur bina unidad B ulbo a lcan za los 4 m3/seg, mientra s que el de una t urbina Ka plan no

llega a los 2,6 m3/seg; la velocidad en los grupos B ulbo llega a va lores de n11= 250 rpm y la de una

Ka plan a 200 rpm. Pa ra sa ltos equivalentes, la contr a presión sobre la s palas de una t urbina B ulbo

es más eleva da que sobre las de una Ka plan de la misma potencia nomina l. Los límites cita dos se

corresponden con una potencia ma ximal del alt erna dor, con el límite de ca vita ción y con la a ber-

tura má xima del distribuidor.

Se puede ha blar de una equivalencia ent re el salto y el nº de rpm del rodete bulbo y el sa lto y el

nº de rpm del rodete Ka plan . P a ra el ejemplo que se propone:

Turbina Ka pla n

Turbina bulbo=

Sa lto (7 m)

S a lto (6,1 m) =

83,3 rpm

71,4 rpm = 1,15

la relación ent re sa lto y n º de rpm es 1,15.

El peso de la t urbina bulbo es sensiblemente inferior a l de la t urbina Ka plan, como se indica en

la t abla siguiente:

Tabla 4.- Relación en pso entre los grupos bulbo y Kaplan

Grupo Kaplan Grupo bulbo % en peso

Turbina 720 Tm 575 Tm 145 Tm (20%)Alternador 270 Tm 145 Tm 125 Tm (46%)

Grupo completo 990 Tm 720 Tm 270 Tm (27%)

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Potencia de un al ternador.- La potencia n ominal de un a l ternador Na lt en kW viene dada por la

expresión:

Nalt = K uD L n

en la que:

D es el diámetro del estator en metros,

L es la longitud axial del circuito magnético del estator en metros

n es la velocidad de rotación en rpm

K u es un coeficiente de utilización de la potencia.

El va lor del diám etro D del esta tor viene impuesto por el diámet ro De de la t urbina, según la

relación, D ≤ 2 D e . Se observa q ue al disminuir el diá metro del esta tor D y ma ntener consta nte la

potencia, ha y qu e aum enta r la velocida d de giro, la longitud del a lterna dor y el valor del coeficiente

Ku . La posibilidad de aum enta r en los gra ndes grupos el número n de r pm, es difícil debido a compli-

caciones t écnicas, a lca nzá ndose como má ximo velocida des del orden de 140 rpm.

La modificación d e L viene condiciona da por la ventilación a xial del a lterna dor, no pudiéndose

utilizar ventilación radial debido al bajo número de rpm del rotor.

E l coeficiente K u es de la forma :

K u = K Bd A

en la que B d es la ind ucción en el ent rehierr o en va cío, en Teslas , A es la corrient e por centím etr operiférico, en Amp/cm, y K es el fa ctor d e potencia .

a) Para aumentar A es preciso aumentar la permeabilidad del medio

b) Para aumentar Bd es preciso aumentar la corriente de excitación y la densidad de corriente en las bobi-

nas del rotor.

La ventilación de los a lterna dores se rea liza media nt e refrigera ción axial a sistida por el efecto

de refrigera ción del fluido refrigeran te (aire) con el medio exterior; pa ra ello las carca sa s exteriores

del Bulbo se diseñan de forma que permita n eva cuar el 30%del ca lor genera do. El fluido refrige-

ra nt e suele ser a ire comprimido entre dos y t res a tm ósfera s, consiguiéndose de esta forma la r efri-

gera ción del grupo, al tiempo que permite una presión a decua da en su interior pa ra cont ra rresta r el

efecto de la presión exterior qu e el agu a ejerce sobre el gru po.

Consideraciones ambientales.- La a ltera ción del régimen hidrodiná mico implica una menor disper-

sión de efluentes, lo que influye en el transporte de sedimentos.

La a mpli tud de la ma rea en el estuario influye en el medio a mbiente; una centra l mar emotriz

puede reducir la máxima marea viva en un 50%y tiene un efecto menor sobre la marea muerta.

La prevención de ca mbios en el ecosistema no está bien definida , ya que éstos dependen d e ca da

emplaza miento. P a ra ha cer un a previsión de los cambios físicos inducidos en el estua rio, es nece-

sario conocer las distribuciones de la salinidad, turbidez, corrientes contaminantes y nutrientes.

La s part ícula s en suspensión reducen la penetra ción de la luz sola r, lo que a fecta nega tiva mente a

la vida na tura l del estua rio

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Entre los efectos positivos sobre el medio ambiente se podría citar la posible protección frente

a mareas muy vivas, aunque esta si tuación existía antes de construir la central , por lo que se

ha bría n toma do las precauciones necesaria s. Un a provecham iento pequeño, en general, tiene un

ma yor impacto en relación con la energía producida.

Parámetros .- Entre los parámetros característicos de los equipos empleados en una central

ma remotriz, desta ca n los siguientes:

a ) La elección del diá metro del rodete q ue fija la escala y dimensiones de la obra civil de la insta -

lación

b) La s al tura s netas t ienen que ser iguales a la a l tura mínima necesaria pa ra obtener la poten-

cia nomina l, teniendo que sat isfacer incluso a la s pequeña s ma reas.

Est os dos par á metros condicionan la velocida d de rota ción del grupo y, por lo ta nt o, la s dimen-

siones del alt erna dor.

Como los lugares apropiados para la instalación de este tipo de turbinas están caracterizados

por una s a mplitudes de mar ea con un m á ximo de 13 a 18 metros, el funciona miento a ba ja a ltura

de carga influye notoriament e sobre la generación de energía ; la s disposiciones posibles q ue inten-

ta n pa lia r este problema pueden ser:

a) La utilización de un multiplicador de velocidad colocado entre el rodete y el alternador, que le permita

girar más deprisa, al tiempo que reduce su diámetro y, por tanto, el tamaño del Bulbo que condiciona al grupo.

Su empleo permitiría la utilización de un alternador de mayor rendimiento y de precio más bajo, rentabilizando

las instalaciones de baja amplitud de marea, de gran interés para las centrales maremotrices.

b) El funcionamiento de los grupos a velocidad variable utilizando convertidores estáticos de frecuencia a

potencia total o a potencia nominal, que permitan el desembrague automático del alternador cuando la veloci-

dad pase de un umbral prefijado, limitando la velocidad de embalamiento del alternador.

Tabla 5.- Datos de algunas minicentrales hidráulicas y maremotrices

Año 1980 1980 1980 1982 1983

País Bélgica Bélgica Suiza Austria Canadá

Localidad Andenne Lixhe Höngg Weizöde Annápolis

Unidades 3 4 1 2 1

Diámetro Rodete (m) 3,55 3,55 3 3,7 7,6

Salto (m) 5,5 5,5 3,5 11 7,1Potencia (MW) 3,5 3,5 1,5 8 20

6.- LA CENTRAL MAREMOTRIZ DEL RANCE

U no de los problema s q ue hubo de solucionar en este proyecto fue el del tipo de tur bina a utili-

za r, ya que las convencionales del tipo Ka plan, no era n las m á s ad ecua da s para condiciones de fun-

cionamient o con ca uda les eleva dos y sa ltos reducidos y muy va ria bles; a demá s no son reversibles,

por lo qu e su opera tivida d en un ciclo de doble efecto, con t urb ina je y bombeo del emba lse al ma r y

del mar al embalse, sólo serían posible mediante conducciones conmutadas que requieren obras

muy voluminosas y costosas, y aún así, no permitirían el bombeo si no fuese mediante bombas

independientes, lo que a umenta ría el coste y crea ría problemas d e espacio. P or otr a par te es con-

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venient e elimina r t odo lo posible el peso y el volumen de los grupos, par a reducir a sí la s ección del

costoso dique y a provecha rlo al má ximo.

Fig 34.- Central maremotriz del Rance

E l interés en r esolver estos problema s media nt e un gr upo turbina -a lterna dor poco voluminoso,

capa z de funciona r en a mbos sentidos, ta nt o como tur bina como bomba , condujo al desa rrollo de

los conjuntos de turbomáquinas axiales Bulbo.

Est os gr upos comprenden:

a) Un conducto troncocónico de entrada, que posteriormente se ensancha alrededor del Bulbo que contiene

el generador-alternador

b) Un Bulbo o envoltura metálica en cuyo interior se encuentra el generador, que tiene una velocidad maxi-mal de 260 rpm, y una velocidad de rotación normal de 93,75 rpm; el Bulbo está unido al muro exterior del con-

ducto por aletas radiales que le sirven de soporte y al mismo tiempo guían el agua. El conjunto, constituido por

las aletas y las paredes exterior del Bulbo e interior del conducto conforman el predistribuidor.

c) Un distribuidor, situado entre el predistribuidor y el rodete; está formado por 24 álabes directrices que

dirigen el agua en la dirección conveniente hacia el rodete móvil, estando comprendida la abertura de las direc-

trices entre 0º y 95º; estos álabes son como los de las turbinas Kaplan y por la misma razón orientables

mediante un mecanismo servomotor hidráulico accionado automáticamente, en este caso, por las diferencias de

nivel entre el mar y el embalse, según un programa establecido, para adaptar su disposición a las variaciones

del caudal y altura del salto, manteniendo siempre un elevado rendimiento.

d) La hélice permite mantener un valor alto del rendimiento para condiciones variables, tanto del salto como

del caudal. Sus características son:

Potencia nominal, 10 MW

Diámetro del rodete es de 5,35 m; Nº de palas 4; su inclinación puede variar entre -5º y 35º

Velocidad nominal, 93,75 rpm; velocidad máxima, 260 rpm

e) El tubo de aspiración en que termina el trazado hidrodinámico, aguas abajo del rodete

Elementos a uxilia res: 2 grupos Diesel de 600 kVA que a segura n la a liment a ción de los equiposauxiliares en caso de pérdida de tensión

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de = 4,353 m ; d r = 3,841 m ; d p = 5,35 m ; D b = 7,88 mFig 35.- Turbina Bulbo de la central maremotriz del Rance

La explota ción de la Cent ra l del Ra nce, exige el funciona miento de los grupos y d e las compuer-

ta s, ta nt o en el llena do como en el va cia do de la ba hía ; las tu rbomáq uina s funcionan como máq ui-

nas directas con turboalternador y como máquinas inversas como turbobombas existiendo seis

tipos de operaciones en dichas m á quin a s, Ta bla 6.

El funciona miento de la centra l se desglosa pues en la siguiente ma nera :

73 % en tur binaje, 10 % en bombeo y 17 % en apertur a de compuertas

En el turbinaje directo el agua va del emba lse al ma r, o lo que es lo mismo, del distribuidor al r ode-

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te, de forma que la a pertura del distribuidor y la inclina ción de los ála bes del rodete está n conjuga-

dos. En el tur binaje inverso el agua va del mar a l embalse, es decir, del rodete al distribuidor, que va

bloqueado en su máxima a pertur a.

Tabla 6.- Operaciones en las turbinas Bulbo del Rance en 1994 y 6535 horas de funcionamiento

a Turbina Directa 71,3% Vaciado de la bahía Salto máximo en explotación = + 9 m

b Bombeo Inverso 0,0%

c Compuerta Directo Vaciado de la bahía Máquina desacoplada de la red

d Turbina Inversa 6,7% Llenado de la bahía Salto máximo en explotación = - 6 m

e Bombeo Directo 22,0% Salto máximo = 2 m

f Compuerta Inverso 17,0% Llenado de la bahía Máquina desacoplada de la red

El sentido del trasvasamiento del agua, determina el sentido de rotación de las turbinas, de

forma que son capa ces de funciona r en los dos sentidos de circula ción del agua , bien como turbina

o como bomba ; cada tur bina tiene una potencia de 10 MW, esta ndo a coplada s en conjuntos de cua-

tr o; cada tur bina fu e proyecta da par a un sa lto medio de 5,6 metr os y un cau da l de 285 m3/seg en el

turbinaje dir ecto , y para 7,15 m de salto y 240 m3/seg en el turbinaje inverso .

El funciona miento t eórico es:

a ) Flujo entre el estua rio y el ma r

Turbinaje directo (TD) entre + 11 m y + 1 m

Bombeo inverso acelerado , entre + 2 m y 0 m

Bombeo inverso normal (BI), entre 0 m y -6 m

Apertura de compuertas entre + 3 m y 0 m

b) Flujo entre el ma r y el estua rio

Turbinaje inverso entre -11 m y -1 m

Bombeo directo acelerado , entre -3 m y 0 m

Bombeo directo normal, entre 0 m y + 6 m

Apertura de compuertas entre -3 m y 0 m

en las que el signo (+ ) significa q ue el nivel del emba lse está por encima de el nivel del ma r, y el

signo (-) que el nivel del emba lse está por d ebajo de el nivel del ma r.

H = 11,30 m ; Q = 89 m3/seg ; N = 8,5 MW ; n = 150 rpm ; Diámetro del rodete, d = 3,80 metrosFig 36.- Grupo Bulbo experimental de St-Malo (bulbo aguas arriba)

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H = 16,50 m ; Q = 100 m3/seg ; N = 14 MW ; n = 150 rpm ; Diámetro del rodete, d = 3,80 metrosFig 37.- Grupo Bulbo de Argentat (bulbo aguas abajo)

Fig 38.- Turbina bulbo de la central del Rance

Turbinaje

directo

Explotación en

simple efecto

Coeficiente 50/ 44

Turbinaje directo

BombeoEstuario

Mar

Nivel

m

PotenciaMW

horas

Fig 39.- Arranque de la Central del Rance y potencia generada35


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Tabla 7.- Funcionamiento como turbina, de las turbinas del Rance con diversas amplitudes de marea

Funcionamiento Salto de

como turbina 11 m máx 9 m 7 m 5 m 3 m

Directo (embalse-mar)

Potencia MW 10 10 10 8 3,2

110 130 175 260 200

Inversa (mar-embalse)

Potencia MW 10 10 9,5 5,5 2

130 155 230 195 135

Caudal en m3 /seg

Caudal en m3 /seg

Tabla 8.- Funcionamiento como bomba, de las turbinas del Rance, en diversas situaciones de la marea

Funcionamiento Salto de

como bomba 1m 2 m 3 m 6 m máx

Directo (mar-embalse)

Potencia en MW 10 10 10 10

225 195 170 105 Caudal en m3

/seg

P a ra el proyecto definitivo de estos gr upos se ut iliza ron la s experiencias proporciona da s por

otros grupos B ulbo, insta lados a nt eriorment e en algunos ríos fra nceses y, especia lmente, por un

grupo experimenta l, de ta ma ño y ca ra cterística s muy pa recida s a los definitivos del Ra nce, que se

insta ló con este fin en una exclusa a ba ndona da del puerto de St Ma lo, Fig 36.

En la instalación existen además compuertas del lado del mar y del embalse para cortar el

a gua a los grupos y poder a islar los en ca so necesar io.

El alternador.- E l a ltern a dor de los grupos bulbo del Ra nce es síncrono de 10 MW y excita ción

estática, funciona en el aire a 2 atm y tensión de 3500 V.

E l rotor es un indu ctor q ue lleva 64 polos; está equipado de una bobina inductiva de 8 espiras

gruesa s q ue permiten el paso de una corrient e continua de excita ción próxima a 1150 A.

La s masa s polares, en hoja s magnética s delgada s, está n fi ja s a la l lant a por 8 pasa dores. Est e

conjunt o de polos induct ores completos y la llan ta , pesan una s 20 Tm,

Las dimensiones de los principales elementos son:

Est a tor: Diá metro exterior 4,23

Ca rca sa : Diá metr o exterior 4,367 m; longit ud 2 m; espesor de la s virolas 70 mm

Rotor: D iá met ro exterior 3,844 m; ent rehierr o 4,5 mm; longitu d a xial d e los polos 0,935 m

Lla nta : Diá metro exterior 3,6 m; longitud a xial 1 m

En los a lterna dores se encontró un desga ste importa nt e de las escobilla s de los a nillos del rotor,

a sí como una ba ja calida d en el aislam iento del esta tor. La repar a ción de estos an illos y escobilla s

fue difícil , debido a su situ a ción dentr o del recinto esta nco presuriza do, que contenía ga ses y va po-

res libera dos por los a islant es, bar nices y pintura s; éstos inconvenientes, junt o con los originad os

por el doble sent ido de la rot a ción y el funciona mient o sin corr iente dur a nt e algun os períodos, com-

port a ron un desga ste de las escobilla s del orden de 10 mm ca da 1.000 hora s.

E l carbón fue uno de los ma teria les escogidos pa ra la fa bricación de escobilla s q ue, alea do con

plata, permitió reducir los desgastes a 1 mm cada 1000 horas de funcionamiento.

Entre 1976 y 1982 se procede a reconstruir todos los estator debido al deterioro de su circuito

ma gnét ico. En tr e 1994 y 2004 se reconst ruir á n t odos los grupos.

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Tabla 9.- Planning general de las operaciones de renovación y coste operativo de las turbinas de la Central del Rance

Año 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Total

Nº de grupos 1 1,1 1,3 1,9 2,7 3 3 3 3 3 1 24

Coste total (M F) 12 15 33,1 29,9 38,7 39,1 39,1 39,1 39,1 39,1 25,3 349,5

Puesta en marcha.- El primer grupo de turbina s de la cent ra l del Ra nce fue puesto en ma rcha el

19 de agost o de 1966 y el último el 4 de diciembr e de 1967, con sólo un r etr a so de tr es meses, sobre

un pr oyecto de 7 añ os.

Los principales problema s que se detectar on en el curso de la puesta a punto de la centra l, fue-

ron los siguientes:

a) En las juntas de estanqueidad del árbol, formadas por cuatro coronas de seis segmentos de carbón, la

corona más exterior falló, solucionándose el problema aplicando una correcta lubricación.

b) En el rotor del alternador, que había entrado en contacto con el estator, (rozamiento); esta anomalía,debida a una dilatación muy pequeña de la llanta, se solucionó modificando el rotor del alternador.

La cent ra l ha tenido otr os fallos a lo lar go del tiempo que se pueden considera r como norma les.

Ensayos.- La cent ra l ha fu nciona do ta mbién como ba nco de ensayos de los grupos Bulbo, desta -

cand o entre otr os, los siguientes experimentos:

a ) Medida de la deforma ción, contra cción y vibra ción de las pa las, ensa yo que se realizó mon-

ta ndo una pala de bronce-a luminio en un o de los grupos, lo que permitió determina r el %de contra -

cción en régimen permanente en explotación; el análisis del espectro de las vibraciones, permitió

observa r una oscilación, debida a la a par ición de la cont ra cción, sobre la cara de la pa la q ue daba a

la ba hía , cua ndo la pala esta ba en la par te superior del giro, siendo la frecuencia de esta vibra ción

del orden de 30 a 1.000 Hz, no llegando a generar reacciones peligrosas, estando las contracciones

ba sta nte lejos del límite de fat iga a dmisible.

b) Ensayo sobre el calentamiento de las barras del alternador cuando el grupo actuaba como

bomba , qu e se completó con un a ná lisis del flujo superficia l y d e las corrientes, sobre dicha s ba rra s.

P ar a el arra nque en bombeo se observó un calenta miento má ximo de las barr as de 87° C, mientra s

que en régimen perma nente la t empera tura de una bar ra se elevó a 144°C después de un funciona -

miento de dos horas , considerá ndose estos valores como norma les.

En ensayos sobre modelos se observó que la apertura de las palas provocaba, en algunos

casos, un ca mbio de sent ido en el a gua , origina ndo los siguientes fenómenos:

a) El arranque en turbinaje directo se realizó con el distribuidor cerrado al máximo posible; al proceder a

la apertura de las palas del distribuidor se provocaba el arranque paulatino de la turbina en sentido directo.

b) En el arranque en turbinaje inverso (mar-embalse) se observó en algunos grupos, con las palas del

distribuidor cerradas, una tendencia a girar en sentido directo, del orden de 30 rpm; la apertura de las palas

del distribuidor provocaba su ralentización, parada y puesta en marcha en el sentido correcto; algunos grupos

precisaron para el arranque de ayuda auxiliar.

c) El arranque en bombeo directo (llenado de la bahía), dio lugar a un fenómeno particular para pequeños

saltos, del orden de 0,5 m, ya que el grupo no arrancaba, pero cuando el salto se hacía del orden de 1 m el agua

al pasar de la bahía hacia el mar, entraba en las máquinas en sentido de rotación inverso, que era el de bombeo

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directo, lo que provocaba el arranque como turbobomba en sentido directo.

Comportamiento de materi ales.- U na de las dificulta des que se detecta ron en los ma teria les fue el

fal lo de las junta s de esta nqueidad de las palas del rodete, destina das a evita r la entra da de a gua en

el interior de la t urbina; las diversas ma niobra s da ña ron esta s junta s, deja ndo que entra se en el

cubo el agua de mar .

Para evitar éste problema se incrementó la presión del aceite de lubricación hasta un valor

superior a l correspondient e al nivel má s alt o alca nza do por el mar , 2 a 3 atm , siendo sustituida s a

su vez todas la s junta s.

Compuertas .- Los principales inconvenientes a par ecidos en la s compuerta s fueron debidos a la

corrosión, qu e originó aga rrota mientos y en a lgunos ca sos, la r otura de los conductos de engra se,

produciéndose un funcionamiento deficiente en las zonas de deslizamiento; todo ésto se solucionó

a plica ndo a los mat eriales en ella s empleados pintu ra s a nticorrosivas y t ra ta mientos ga lvánicos.

I nf luencia sobre el medio ambiente.- La influencia sobre el medio a mbient e y los principales fenó-

menos que genera esta cent ra l sobre el estua rio, a l modifica r el ritmo norma l de la s ma rea s, fuero

l energía maremotriz

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