Centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo

 Desde el punto de vista de la maquinaria empleada para la producción de energía eléctrica y el almacenamiento (elevación o bombeo del agua) existen tres configuraciones principales:

• grupos de generación binarios, que producen energía (modo turbina) o la almacenan (modo bombeo) simplemente invirtiendo el sentido de giro. Estos grupos se componen de una máquina eléctrica reversible que gira en un sentido como generador y en el contrario como motor (generador-motor), junto con una máquina hidráulica o turbina que puede bombear invirtiendo el sentido de giro (normalmente tipo FRANCIS o KAPLAN). A la máquina hidráulica la llamamos 'turbina reversible' o 'turbina-bomba'. 
• grupos de generación ternarios, que producen energía (turbina) o la almacenan (bombeo) mediante dos máquinas hidráulicas diferentes conectadas al mismo eje del generador, por lo que el paso de un modo a otro se puede realizar sin invertir el sentido de giro. Es decir, éstos grupos se componen de una máquina eléctrica reversible y dos  máquinas hidráulicas, una turbina y una bomba, por lo que reciben el nombre.
• La solución más general a la par que evidente para construir una central de almacenamiento por bombeo es instalar un sistema de bombas para el almacenamiento en el vaso superior independiente de las turbinas que permitirán posteriormente producir la electricidad. Dado que tanto las bombas como las turbinas tienen su propia máquina eléctrica (motores y/o generadores), al conjunto se le denomina por analogía con los anteriores 'sistema cuaternario'. 

Según descendemos en esta lista anterior, el sistema se vuelve más complejo -tanto desde el punto de vista mecánico, como eléctrico y de obra civil- y consecuentemente el coste de inversión aumenta significativamente, si bien, es cierto también que el sistema se vuelve más flexible en cuanto a los emplazamientos aprovechables, su capacidad de adaptación al mercado eléctrico y a satisfacer sus necesidades de estabilización. Por otro lado, los grupos binarios se pueden completar con convertidores de frecuencia en diferentes configuraciones que los flexibilizan en su uso y mejoran su respuesta, si bien, también suponen mayor complejidad del proyecto.

Para un técnico con conocimientos en el diseño de centrales hidroeléctricas convencionales y que desee introducirse en el campo de las centrales de almacenamiento por bombeo, una pregunta que le puede surgir es ¿Cuáles son las diferencias sustanciales entre una central de bombeo y una central convencional?, que son varias y sustanciales:

1. Los grupos de generación son más grandes. En el caso de disponer de grupos ternarios o un sistema cuaternario es evidente. En el caso de grupos binarios, un rodete FRANCIS reversible tiene mayor diámetro que el mismo diseñado exclusivamente para turbinar. Por otro lado, el generador-motor suele ser más lento que en una central convencional, lo que suele derivar también en un mayor diámetro.
2. Los grupos de generación requieren un espacio sustancialmente mayor para sus auxiliares. Principalmente, los sistemas de aire comprimido para el desanegado del rodete durante el arranque en bomba y el convertidor de frecuencia para el arranque suave (también en bomba) son sistemas voluminosos que no existen en las centrales convencionales.
3. La sumergencia de los rodetes es mucho mayor debido al funcionamiento en bombeo, en consecuencia la central se debe ubicar muchos metros por debajo del nivel mínimo de operación del embalse de almacenamiento inferior. Como consecuencia inmediata, las centrales de bombeo se ubican en cavernas alejadas del punto de descarga o en profundos pozos, que a su vez requieren un conducto o túnel hidráulico de descarga de longitud apreciable.
4. Las perdidas de carga en el circuito hidráulico están más condicionadas que en una central convencional (1) por el funcionamiento reversible de los rodetes FRANCIS (grupos binarios). La reversibilidad limita la diferencia de energía capaz de soportar la máquina hidráulica entre ambos modos, y no hace falta recordar que en modo turbina las pérdidas son como su nombre indica una perdida de energía, pero en modo bomba las pérdidas hay que sumarlas para determinar la energía que debe entregar la máquina hidráulica.
5. En los casos en que se disponga de un túnel o conducto de cierta longitud para la descarga al embalse inferior (lado de baja presión), se presentan problemas adicionales de transitorios hidráulicos, lo que requiere el análisis de elementos de amortiguación adicionales en este lado o la limitación de la velocidad del agua.  

(1) En una central convencional, la determinación de las pérdidas de carga óptimas en el circuito hidráulico es un problema económico prácticamente en exclusiva, en el que se compara la capitalización de la energía pérdida en la vida del proyecto con el coste del circuito hidráulico (mayores secciones de paso reducen la velocidad del agua y por tanto las pérdidas), es decir, de minimización del coste total: Inversión + Pérdidas energéticas.

Un aspecto que puede ser crítico en el diseño de centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo o reversibles es la naturaleza de los embalses a emplear. es decir, se entiende por naturaleza a su característica (curva cota-volumen) y en el caso de embalses pre-existentes su histórico de niveles de embalse.

En el caso de embalses de nueva construcción -superior, inferior o ambos- hay que tener en cuenta que una variación de salto acusada en base a los niveles máximos y mínimos de explotación (debido a la forma de la curva característica y la necesidad de conseguir unos volúmenes de almacenamiento suficientes- puede llevar a que la relación entre el salto máximo y el salto mínimo sea mayor de 1,25 con lo que sería necesario -o muy conveniente por razones de eficiencia- equipar los grupos con velocidad variable con el fin de adaptar el funcionamiento en bomba a las necesidades de salto, con el consiguiente incremento de la inversión, no solo por la necesidad de los variadores de frecuencia. sino por la probable necesidad de excavar una caverna adicional para ubicar los mismos.

En caso de embalses existentes:

• impacta especialmente el histórico de niveles del vaso inferior, en concreto el nivel mínimo a considerar para el diseño, debido a que condiciona la máxima altura de bombeo necesaria y la citado ratio de 1,25. Por otro lado hay que tener en cuenta que la sumergencia de la bomba debe respetarse en esta situación de embalse inferior vacío (nivel mínimo de diseño), y como es conocido, las sumergencias requeridas suelen ser elevadas (de una a varias decenas de metros), lo que impacta directamente en la profundidad del pozo o caverna donde se ubican los grupos.  Hay que tener en cuenta que la central debe poder operar con percentiles superiores al 98%, que computado en un periodo de 10 años, la indisponibilidad asociada del 2% supondría 2,5 meses de parada por falta de agua para bombear. Esta problemática difiere normalmente según el tipo de regulación del embalse inferior -regulación hiper-anual, anual o tenga capacidad inferior a la aportación media de su cuenca- siendo especialmente relevante en el primer caso, muy habitual en la España seca debido a la concentración en el tiempo de los niveles bajos durante largos periodos.
• Otro aspecto relevante a tener en cuenta en embalses existentes es la titularidad del mismo junto con el tipo de regulación. Es claro que el el caso de un embalse de terceros con regulación hiper-anual será difícil de conseguir el beneplácito para su vaciado, aunque sea parcial, con la única finalidad de construir la toma en el embalse inferior por debajo del nivel mínimo considerado en el diseño (incrementado en el diámetro del túnel y la sumergencia requerida para el funcionamiento adecuado de la toma si quisiéramos trabajar en seco). La imposibilidad de un vaciado suficiente implicará complicados y costosísimos trabajos de construcción subacuática, debido a la necesidad de alcanzar profundidades muy probablemente superiores a 30 metros. Por otro lado, en el caso de ser posible un vaciado suficiente es necesario evaluar correctamente los plazos de ejecución de las obras asociados al nivel de vaciado autorizado, ya que el uso que tenga dicho embalse podrá verse muy mermado, si no impedido, durante dicho periodo. 

En resumen, al inicio del estudio de un aprovechamiento de este tipo es necesario analizar las curvas características de los embalse nuevos y el histórico de niveles de los embalses existentes que se quieran utilizar, con el fin de identificar las criticidades indicadas en este epígrafe.