Introducción
Las centrales hidroeléctricas de bombeo son un tipo de central hidroeléctrica; se clasifican como una forma de generación de energía renovable (verde).
Las plantas de bombeo convierten la energía potencial en energía eléctrica, o, energía eléctrica en energía potencial. Logran esto permitiendo que el agua fluya desde una elevación alta a una más baja, o, bombeando agua desde una elevación baja a una más alta. Cuando el agua fluye hacia una elevación más baja, la planta genera electricidad. Cuando el agua se bombea a una elevación más alta, la planta crea un almacén de energía potencial. Las plantas de bombeo utilizan turbinas Francis porque pueden actuar tanto como bomba hidráulica como turbina hidráulica.
Las centrales de bombeo se utilizan para equilibrar la frecuencia, el voltaje y las demandas de energía dentro de la red eléctrica; a menudo se utilizan para agregar capacidad adicional de megavatios a la red durante períodos de alta demanda de energía. Por esta razón, las plantas de bombeo se denominan plantas de ‘pico’.
Gráfico de Demanda de Energía de la Red Eléctrica
Debido a que las plantas de bombeo pueden proporcionar energía ‘bajo demanda’ a los operadores de la red eléctrica, tienen un alto nivel de despachabilidad (la capacidad de proporcionar energía a la red rápidamente cuando se necesita).
Diseño de la Planta
Independientemente de la ubicación geográfica, todas las plantas de bombeo requieren un embalse superior y un embalse inferior. La diferencia de elevación entre los embalses superior e inferior se denomina ‘carga’ (carga de presión) y debe ser significativa para que la planta funcione eficientemente.
Un tubo de presión conecta el embalse superior con una turbina Francis ubicada en la casa de máquinas. Un tubo de aspiración y un canal de descarga conectan la turbina Francis con el embalse inferior.
Diseño de la Central de Bombeo
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Cómo Funcionan las Plantas de Bombeo
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Cómo Generan Energía (Electricidad) las Plantas de Bombeo
El agua fluye desde el embalse superior, a través del tubo de presión, y hacia la turbina Francis. A medida que el agua pasa sobre las palas del rodete Francis, se crea una diferencia de presión que provoca que se aplique torque (fuerza rotativa) al rodete. El rodete comienza a girar.
El rodete de la turbina está conectado a un generador eléctrico mediante un eje común. A medida que el rodete gira, también lo hace el rotor del generador. A medida que el rotor gira a través del campo electromagnético dentro del generador, induce corriente en los devanados del estator y comienza a fluir corriente eléctrica. La corriente eléctrica generalmente se envía a los consumidores finales a través de una subestación y un transformador eléctrico.
Red Eléctrica
El agua descargada del rodete de la turbina entra en un tubo de aspiración donde se recupera parte de la energía cinética y se convierte en energía potencial; luego el agua entra en el canal de descarga y se descarga al embalse inferior.
En este ejemplo, la energía potencial del agua fue convertida por el rodete de la turbina en energía mecánica. La energía mecánica se transfirió a un generador mediante un eje común, que convirtió la energía mecánica en energía eléctrica. Todo el proceso puede ser continuo hasta que el embalse superior esté vacío.
Cómo Almacenan Energía Potencial las Plantas de Bombeo
El agua se bombea desde el embalse inferior al embalse superior mediante el rodete de la turbina Francis. La ruta de flujo es la misma que cuando se genera electricidad, excepto que la dirección del flujo se invierte porque el rodete Francis se utiliza como bomba en lugar de turbina.
Economía de las Plantas de Bombeo
Las plantas de bombeo dependen del precio variable de la electricidad para obtener ganancias. Muchas centrales térmicas (de carbón, de gas, etc.) no pueden aumentar o reducir su producción de MW rápidamente porque esto pondría grandes tensiones térmicas en los componentes de la planta (caldera de tubos de agua, tuberías, etc.). Por esta razón, las centrales térmicas producen casi tanta energía por la noche como durante el día.
Durante el día, la energía está en demanda y los precios de la electricidad son altos. Por la noche, la energía no está en demanda y los precios de la electricidad son bajos. Las plantas de bombeo compran energía por la noche para bombear agua al embalse superior, luego generan energía y la venden de nuevo a la red durante el día, cuando la demanda -y el precio- es mayor.
Ejemplo 1
Se compra energía de la red a 1ct/kWh para bombear agua del embalse inferior al superior.
Se vende energía a la red a 2ct/kWh permitiendo que el agua fluya del embalse superior al inferior.
La planta de bombeo ha generado 1ct/kWh de ganancia durante este proceso porque:
2ct/kWh (venta) - 1ct/kWh (compra) = 1ctkWh (ganancia).
Las plantas de bombeo han operado de esta manera durante muchos años, pero el reciente aumento de las fuentes de energía renovable está cambiando la dinámica de la industria energética.
Ejemplo 2
Es un día soleado y ventoso, muchas plantas solares y eólicas están en línea y generando energía. Debido a este aumento en la disponibilidad de energía, hay un excedente en la red y el precio de la energía eléctrica se reduce proporcionalmente.
El precio de la energía durante el día se reduce tanto que las plantas de bombeo pueden entrar en línea y comprar energía para bombear agua al embalse superior.
En este escenario, las plantas de bombeo se utilizan tanto de día como de noche para compensar el excedente de energía en la red y para proporcionar energía durante los períodos de máxima demanda. Este escenario es relativamente nuevo y ha llevado a que las plantas de bombeo se conviertan en una parte más integrada de la red eléctrica.
Componentes del Modelo 3D
Este modelo 3D muestra todos los componentes principales asociados con una típica estación de energía de bombeo, que incluyen:
- Embalse Superior e Inferior
- Tubo de Presión
- Rejilla de Basura/Desechos
- Válvulas de Aislamiento
- Equipo de Conmutación
- Rodete de la Turbina (Francis)
- Carcasa Espiral/Voluta
- Tubo de Aspiración
- Generador
- Transformador Eléctrico
- Subestación al Aire Libre
Recursos Adicionales
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine