Folleto plantas hidroeléctricas de Costa Rica

INSTITUTO COSTARRICENSE DE ELECTRICIDAD

Plantas Hidroeléctricas

Presentación

Más de un 80% de la electricidad que el ICE ofrece a los costarricenses proviene de los ríos, este esfuerzo aunado a otros en el campo de la producción de energía geotérmica, eólica y térmica le permiten a Costa Rica ser uno de los primeros países en cobertura eléctrica en Latinoamérica. De esta forma nos identificamos y comprometemos con la protección del ambiente, haciendo uso eficiente de los recursos naturales para llevar progreso y bienestar hasta los rincones más alejados del país.

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¿Qué es una planta hidroeléctrica? Una planta hidroeléctrica es la que aprovecha la energía hidráulica, obtenida a partir del agua en movimiento, para producir energía eléctrica. Inicialmente el agua se almacena en un embalse, donde tiene energía potencial; luego ingresa a las obras de conducción donde se convierte en energía hidráulica; posteriormente se hace llegar a las turbinas para que con su empuje, estas comiencen a girar. La energía mecánica producida por las turbinas es utilizada por los generadores para producir energía eléctrica. Ésta se envía a la subestación elevadora cercana a la planta para que se eleve la tensión o voltaje, de modo que la corriente eléctrica pueda llegar hasta los centros de consumo con suficiente calidad. El proceso es regulado desde la sala de control. Las partes que constituyen una planta hidroeléctrica son:

Fuente de abastecimiento Obras de conducción Casa de máquinas Subestación

a

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I. Fuente de abastecimiento Es la que suministra el caudal necesario que requieren las turbinas para realizar el proceso de generación. La fuente está constituida por uno o varios ríos que aportan sus aguas a un embalse, el cual es muy importante para que el abastecimiento de agua no se vea afectado por las variaciones de caudal en el o los ríos. El embalse puede estar en el cauce del río principal o en un sitio alejado de éste. Para formar el embalse es necesario realizar una serie de estudios cuyo objetivo es definir un sitio en particular del río donde se construya la represa (o presa, como se le dice abreviadamente). La presa es una pared que cierra una depresión geográfica atravesada por el río para originar el embalse, ya sea frente a ella o en un sitio ale jado del río.

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Para construir la represa se debe desviar el río aguas arriba del sitio donde la misma se levantará; para este fin es necesario construir un túnel de desvío, el cual funciona mientras se construye la represa. Para definir el nivel máximo del embalse, la presa puede ser del tipo gravedad vertedora, cuya cresta permite el paso del agua sobre ella, de modo que al llegar el agua a su máximo nivel, el excedente vierte sobre la cresta y sigue su recorrido aguas abajo en el río. Si la represa no es de este tipo se debe contar con una estructura llamada vertedor, la cual descarga el exceso de agua aportada por la cuenca hidrográfica al embalse. El vertedor puede estar dentro de la estructura de la represa o en un sitio cercano a ésta.

II. Obras de conducción Son las que permiten el traslado del agua desde el río o el embalse hasta la casa de máquinas. Normalmente están constituidas por el túnel y la tubería de presión; en algunos casos se incluye uno o varios canales, generalmente localizados entre el río y el embalse. Si las aguas arrastran material erosionado de los suelos, la conducción debe incluir desarenador y desgravador para procurar que el agua que llega a las turbinas lleve un mínimo de estos materiales y así evitar el desgaste acelerado de las turbinas y el bloqueo constante de los filtros de éstas. Canal: Es una obra de conducción “a cielo

abierto” (en la superficie). Generalmente se ubica en la zona comprendida entre el río y el embalse. Túnel: Es un tramo de conducción, usual-

principio hidráulico de los vasos comunicantes, ya que el agua recupera dentro del mismo el nivel que hay en el embalse cuando se cierran las válvulas de admisión de las turbinas. El tanque cumple tres funciones de mucha importancia: • Permite el escape del aire que se retiene en el túnel al finalizar la construcción de éste; con ello impide que el agua arrastre una masa de aire que, si llegase a las turbinas, las destruiría. • Cuando las válvulas se cierran por algún motivo, el agua que se acumula en el tanque de oscilación amortigua la onda de choque llamada golpe de ariete, que se propaga de las válvulas de admisión hasta el túnel y lo podría dañar de no existir esa gran masa de agua en el tanque para disipar dicha energía.

mente de gran longitud, ubicado dentro de una montaña. Si se inicia en una de las pa- • Suministra suficiente caudal de agua redes del embalse, la entrada está constituicuando se abren las válvulas de admisión da por la toma de aguas, en cuyo frente de las turbinas mientras llega el caudal reexiste un enrejado para impedir que objequerido que aporta el embalse, para que tos voluminosos y restos de árboles y animala tubería de presión siempre tenga una les ingresen al túnel. En el extremo postepresión interna superior mayor que la atrior, la toma de aguas cuenta con una commosférica, de modo que ésta no aplaste a puerta de acceso que permite o impide el la tubería. ingreso del agua al túnel. Tubería de Presión (Tubería Forzada): Es el

extremo de la conducción; se llama así porque al ubicarse en la parte inferior de la conducción soporta la gran presión del agua en su recorrido final hacia las turbinas. En su inicio suele incluir una válvula tipo “mariposa” para suspender el paso del agua si existe algún problema en la conducción, ya sea en el túnel o en la tubería de presión. La tubería se divide en tantas ramificaciones como turbinas haya en la casa de máquinas. Cada ramificación de la tubería de presión remata dentro de la casa de máquinas en su respectiva válvula esférica de admisión, la cual permite o impide que el agua llegue a la turbina respectiva. Tanque de Oscilación: Es una estructura de

protección de las obras hidráulicas, vale decir, el túnel, la tubería de presión y las turbinas. Generalmente se ubica entre el túnel y la tubería de presión. En él se cumple el

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III. Casa de Máquinas Es el edificio donde se realiza el proceso • Francis: se le llama también turbina de reacción, de remolino o de vórtice; se de conversión de energía hidráulica en emplean en caídas medianas y con caueléctrica. Consta de varios elementos básidales también medianos, como en la macos, entre los cuales se encuentran las vályoría de plantas hidroeléctricas de Costa vulas esféricas de admisión, las unidades Rica: La Garita, Cachí, Arenal, Miguel turbogeneradoras, la sala de control, los Dengo (Corobicí), Toros, Angostura, etequipos auxiliares y otras obras menores, cétera. Usualmente son de eje vertical. como oficinas, grúa viajera, bodega, taller, entre otros. • Kaplan: Son turbinas Francis modificadas para caídas muy pequeñas, generalUnidades turbogeneradoras mente inferiores a 50 metros, y caudales muy grandes; son de eje vertical. La Las unidades turbogeneradoras están única planta en Costa Rica que emplea constituidas cada una por una turbina y un este tipo de turbina es la Planta Hidroegenerador. léctrica Sandillal. La turbina hidráulica es el elemento mecánico que funciona impulsado por el agua. Una vez que el agua hace girar la turbina Las turbinas hidráulicas pueden ser de tres cae a una cámara, de la cual se toma parte del agua ahí presente para el tipos: enfriamiento de los equipos de • Pelton: Son ruedas de impulso que se generación; luego toda el agua libre es emplean cuando la caída es grande y el enviada al río a través del canal de caudal pequeño, como en el caso de la desfogue, llamado también canal de planta Río Macho. Usualmente son de restitución. eje horizontal.

T i p o s

d e

t u r b i n a s

Turbina Francis

Turbina Pelton Turbina Kaplan

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Generador o Alternador Es la máquina que transforma la energía mecánica en eléctrica. Debido a que produce corriente alterna, también se le llama alternador. Está constituido básicamente por dos elementos: uno externo y estático, llamado precisamente estator por esta razón y el otro interno que gira (rota) dentro de aquél, por lo que recibe el nombre de rotor. Tanto el estator como el rotor están constituidos por una gran cantidad de bobinas, las cuales son arrollados de cobre. Estas bobinas tienen la facultad de concentrar poderosos campos electromagnéticos a su alrededor, lo cual es indispensable para la generación de electricidad. Funcionamiento del generador:

Existe un fenómeno eléctrico llamado inducción electromagnética, el cual establece que si un conductor eléctrico se halla sometido al efecto de un campo magnético y uno de los dos se pone en rotación, entre los extremos de dicho conductor se establece una diferencia de potencial, lo cual crea un flujo de electrones, vale decir, una corriente eléctrica. Para iniciar el proceso de generación, el rotor es alimentado con corriente directa (cd) o continua (cc); las bobinas del rotor crean entonces un poderoso campo electromagnético entre el rotor y el estator. Eléctricamente al rotor se le llama inductor. El efecto del campo electromagnético se propaga al estator, por lo que a éste se le conoce eléctricamente como inducido. Cuando el rotor gira impulsado por su respectiva turbina se rompe el campo electromagnético y el estator actúa como el extremo del conductor, originándose la electricidad, la cual pasa por las barras de salida y es enviada al transformador de potencia, ubicado en la subestación elevadora cercana a la casa de máquinas. Subestación Elevadora:

rio entonces que la electricidad aumente su tensión, para lo cual se requiere la subestación elevadora. En ésta se halla una serie de equipos para tal efecto: • Transformadores de potencia: Se usan para elevar la tensión, de 13 800 a 138 000 o a 230 000 voltios. • Disyuntores: Sirven para interrumpir el paso de electricidad hacia el Sistema Nacional Interconectado. • Seccionadores: Se emplean para interrumpir el paso de electricidad hacia una dirección o área de consumo en particular. • Transformadores de medición de corriente y voltaje. • Aisladores de paso: Sostienen las partes energizadas y aíslan los cables de unión entre los distintos equipos. • Pararrayos: Se emplean para proteger los equipos contra las descargas atmosféricas (rayos). • Malla a tierra: Es un enrejado situado a poca profundidad que permite la descarga de voltajes inducidos en las estructuras de la subestación. • Hilos-guarda: Es una malla aérea de protección para evitar la caída de las descargas atmosféricas directamente sobre los equipos de la subestación.

Sala de Control Es el sitio desde el cual los operadores de la planta controlan todo el proceso de generación. La sala de control cuenta con los siguientes equipos y sistemas: • Pupitres de mando: Permiten el manejo de cada unidad turbogeneradora en forma independiente. • Tableros indicadores: Permiten la lectura y el registro de las variables eléctricas durante la operación de cada unidad. • Alarmas y protecciones. • Sistemas de comunicación: Central telefónica, líneas telefónicas directas para enlace con el Centro de Control, sistema de radio, intercomunicadores y máquina de fax.

Los alternadores de la casa de máquinas • Tableros de mano: Para la operación de la producen la electricidad a relativamente subestación elevadora. baja tensión, 13 800 voltios, lo cual hace imposible que ésta llegue hasta los centros de consumo con suficiente calidad. Es necesa-

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Además, en la Casa de Máquinas se hallan: Equipos auxiliares, como bombas de agua para el enfriamiento de los alternadores, bombas lubricantes, extintores; un banco de baterías para la autoalimentación eléctrica en caso de que las unidades estén fuera de servicio y vayan a entrar en operación, grúa viajera, montada internamente en la parte alta del edificio, utilizada para montar y desmontar las unidades durante los períodos de mantenimiento de las unidades; taller mecánico y eléctrico y bodega. Recorrido de la electricidad hasta el medidor del cliente

La electricidad que sale del alternador según se explicó antes, en primera instancia llega al transformador de potencia, éste eleva la tensión o voltaje para que sea enviada luego hasta los centros de consumo con suficiente calidad. Cerca de éstos se halla la subestación reductora, la

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cual incluye los transformadores cuya función es bajar la tensión a la requerida para la distribución primaria; ésta se lleva a cabo en cables de posición horizontal sobre los postes en las ciudades y comunidades. A continuación la electricidad pasa al transformador de distribución, que reduce aún más la tensión para ajustarla a la distribución secundaria, que se realiza en cables de posición vertical, a cuyo conjunto se le llama popularmente pentagrama, el cual también es soportado por los postes de distribución pero a un nivel inferior que el de la red primaria. Finalmente se halla la acometida, que es el conjunto de cables eléctricos que llevan la electricidad del pentagrama al medidor eléctrico, a la entrada de la instalación del cliente.

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE A continuación se presenta un resumen de cada una de las plantas hidroeléctricas del Instituto Costarricense de Electricidad:

Turbinas: 1

y 2. tipo Francis, de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 14,3 m3/s cada una.

1- La Garita

3 y 4. tipo Francis, de eje vertical. Giran a 400 r.p.m.; consumen 25,5 m3/s cada una.

Ubicación: 5km al sur de Cebadilla, en los distritos de La Garita y Turrúcares, cantón central de la provincia de Alajuela.

Alternadores: 1 y 2: Potencia: 18 680kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3 y 4. Potencia: 48 690kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.

Ríos Grande de San Ramón (unidades 1 y 2) y Virilla (unidades 3 y 4). Fuente de abastecimiento:

Potencia total: 134 740kW. Fecha de entrada en operación: 28 de abril de 1958. Nota: la fase constructiva para la ampliación de la Planta La Garita se conoció como Proyecto Hidroeléctrico Ventanas-Garita.

2- Río Macho Ubicación: 6km. al este de Orosi, cantón de Paraíso, provincia de Cartago. Fuente de abastecimiento: Ríos Macho, Grande de Tapantí, Porras, Humo, Villegas y Pejibaye. Turbinas: 8 tipo Pelton de eje horizontal. Giran a 450 r.p.m.; consumen 4,37 m3/s cada una (unidades 1 y 2) y 4,46 m3/s cada una (unidades 3, 4 y 5).

LA GARITA

Alternadores 1 y 2. Potencia: 15 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3, 4 y 5. Potencia: 30 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 120 000kW. Fecha de entrada en operación: 1° de junio de 1963. Nota: la fase constructiva para la ampliación de la Planta Río Macho se conoció como Proyecto Hidroeléctrico Tapantí, con el cual se incluyeron las unidades N° 3 y 4 en 1972; posteriormente se instaló la quinta unidad en 1978; no obstante, esta ampliación no fue parte del Proyecto Hidroeléctrico Tapantí.

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RIO MACHO

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

3- Cachí  Ubicación: 4km. al sur de Juan Viñas, cantón de Jiménez, provincia de Cartago. Fuente abastecimiento: Río Reventazón. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 17,75 m3/s cada una.

Alternadores: 3. Potencia: 52 466,25kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 157 398,75kW. Fecha de entrada en operación: 9 de diciembre de 1979.

Alternadores: 1 y 2. Potencia: 32 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3. Potencia: 36 800kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 100 800kW. Fecha de entrada en operación: 7 de mayo de 1966.

4- Arenal Ubicación: 3,3km. al oeste de la ciudad de Tilarán, provincia de Guanacaste. Fuente de abastecimiento: Embalse Arenal, represamiento del río homónimo y sus tributarios principales: Aguas Gatas, Caño Negro y Chiquito. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 360 r.p.m.; consumen 31,61 m3/s. cada una.

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CACHÍ

ARENAL

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

5- Ing. Miguel Pablo Dengo Benavides (Corobicí) Ubicación: 4,5km. al norte de la ciudad de Cañas, Guanacaste.

Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 360 r.p.m.; consumen 32,5 m3/s. cada una.

Fuente de abastecimiento: Embalse Santa Rosa, contiguo a la casa de máquinas Arenal. Esta planta utiliza las aguas del Embalse Arenal en cascada por segunda vez.

Alternadores: 3. Potencia: 58 004kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 174 012kW. Fecha de entrada en operación: 20 de marzo de 1982.

6- Alberto Echandi Ubicación: Bajo Cambronero, 23km al suroeste de la ciudad de San Ramón, en la provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Río Barranca. Turbinas: 1 tipo Francis de eje horizontal. Gira a 1 200 r.p.m.; consume 2,32 m3/s. Alternador: 1. Potencia: 4 696kW; voltaje: 4 180 volts. Potencia total: 4 696kW.

ING. MIGUEL PABLO DENGO BENAVIDES

Fecha de entrada en operación: 5 de marzo de 1990.

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ALBERTO ECHANDI

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

7- Sandillal

Alternadores: 2. Potencia: 11 602,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.

Ubicación: 4,5km. al noroeste de la ciudad de Cañas, Guanacaste.

Potencia total: 23 205kW.

Fuente de abastecimiento: Embalse Sandillal, 1 km. aguas abajo de la casa de máquinas Miguel Pablo Dengo. Esta planta utiliza las aguas del Embalse Arenal en cascada por tercera vez.

Fecha de entrada en operación: 20 de setiembre de 1995.

Turbinas: 2 tipo Kaplan de eje vertical. Giran a 300 r.p.m.; consumen 50 m3/s. cada una. Alternadores: 2. Potencia: 15 988,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 31 977,00kW. Fecha de entrada en operación: 10 de noviembre de 1992.

8- Toro I Ubicación: 8km. al noreste de la población de Bajos del Toro, de Sarchí, cantón de Valverde Vega, provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Río Toro. Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 720 r.p.m.; consumen 7,6 m3/s. cada una.

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SANDILLAL

TORO I

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

9- Toro II Ubicación: 10km al sur de la población de Marsella de Venecia, cantón de San Carlos, provincia de Alajuela.

Alternadores: 2. Potencia: 32 868kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 65 736kW.

Fuente de abastecimiento: Río Toro.

Fecha de entrada en operación: 30 de agosto de 1996.

Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 720 r.p.m.; consumen 9,82 m3/s. cada una.

10- Angostura Ubicación: Bajo San Lucas, 14km. al este de Turrialba, provincia de Cartago. Fuente de abastecimiento: Río Reventazón. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 300 r.p.m.; consumen 54m3/s. cada una. Alternadores: 3. Potencia: 57 400,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 172 201,50kW. Fecha de entrada en operación: 17 de octubre del 2000.

TORO II

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ANGOSTURA

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

12- Peñas Blancas Ubicación: 1km. al oeste de la población de San Isidro de Peñas Blancas, cantón de San Ramón, provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Río Peñas Blancas. Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 16,5m3/s. cada una. Alternadores: 2. Potencia: 18 870kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.

Potencia total: 37 740kW. Fecha de entrada en operación: 21 de agosto del 2002.

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PEÑAS BLANCAS

Esquema

Plantas

Hidroeléctricas 3

1 2

4 6

5

1. Fuente (río) 2. Embalse 3. Presa y vertedores 4. Toma de aguas 5. Túnel de conducción 6. Tanque de oscilación 7. Tubería de presión 8. Casa de máquinas a. Válvula esférica de admisión b. Tubería c. Generador o alternador d. Sala de control e. Equipos auxiliares f. Grúa viajera g. Canal de desfogue

8

7 f

d c

g

e a h Unidad turbogeneradora

Turbina Francis

Turbina Pelton

Turbina Kaplan