Energía hidráulica y sus recursos

La energía hidráulica se basa en el aprovechamiento de la caída de agua desde una cierta altura para producir energía eléctrica. Actualmente, el uso de la energía hidraulica tiene uno de sus mejores exponentes: la minicentral hidraulica, de bajo impacto ambiental.

La energía hidráulica o energía del agua se obtiene utilizando las energías cinéticas y potenciales de la corriente de agua o de las cascadas naturales. En el proceso, la energía potencial, durante la caída del agua, se vuelve cinética y mueve una turbina para aprovechar esa energía.

Este recurso se puede obtener aprovechando los recursos a medida que surgen en la naturaleza, por ejemplo, una garganta natural o una cascada, o mediante la construcción de presas. Durante siglos ha habido pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, el uso más común hoy en día son las represas hidraulicas.energía hidráulica

Con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, comenzó a cobrar importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue aumentando. La primera central hidraulica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. Sin embargo, el nuevo sistema era caro y la central eléctrica se cerró después de sólo dos años y medio.

El renacimiento de la energía hidráulica fue producido por el desarrollo del generador eléctrico, seguido por la mejora de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX por el desarrollo industrial. Ya en 1920, las centrales hidraulicas generaban una parte importante de la producción total de electricidad.

¿Cómo funcionan las centrales hidráulicas?

En el uso de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Para un mejor aprovechamiento del agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa también sirve para aumentar el salto.

Otra forma de aumentar la altura del salto es derivar el agua a través de un canal de pequeña pendiente (menor que el del canal del río), obteniendo un mayor desnivel entre el canal y el canal del río.

Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada sale de la presa para mover una turbina enlazada con un generador de energía eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética al llegar a las salas de máquinas. El agua pasa a través de las turbinas a alta velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.

En muchos países se han instalado pequeñas centrales eléctricas, con potencias inferiores a 10 MW. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. La minicentral hidroeléctrica se considera respetuosa con el medio ambiente, ya que los impactos que genera son pequeños y se minimizan fácilmente.

El recurso hidráulicoConvertir el agua en electricidad

En la Tierra, el agua se mueve constantemente en varios estados, un proceso conocido como el ciclo hidrológico. El agua se evapora de los océanos, formando nubes, cayendo en forma de lluvia y nieve, acumulándose en arroyos y ríos, y fluyendo de vuelta al mar. Todo este movimiento proporciona una enorme oportunidad para aprovechar la energía útil.

En 2011, la energía hidraulica proporcionó el 16 por ciento de la electricidad del mundo, después de los combustibles fósiles. La capacidad mundial en 2011 era de 950 gigavatios (GW), con 24 por ciento en China, ocho por ciento en Estados Unidos y nueve por ciento en Brasil. A nivel mundial, la capacidad hidraulica se ha más que duplicado desde 1970.

En los Estados Unidos, la energía hidraulica ha crecido constantemente, de 56 GW de capacidad instalada en 1970 a más de 78 GW en 2011. Sin embargo, como porcentaje de la generación total de electricidad en Estados Unidos, ha caído del 12 por ciento en 1980 al 7 por ciento en 2012, en gran medida como resultado del rápido crecimiento de las centrales de gas natural y otras tecnologías de energía renovable como la eólica y la solar.

Dado que la energía hidraulica depende de los ríos y arroyos para su generación, el potencial para usar la energía hidraulica como fuente de electricidad varía en todo el país. Por ejemplo, el noroeste del Pacífico (Oregón y Washington) genera más de dos tercios de su electricidad a partir de presas hidraulicas. La presa Grand Coulee en el río Columbia en Washington es una de las presas más grandes del mundo, con una capacidad de más de 6.750 megavatios (MW).

Además de las plantas muy grandes en los estados occidentales, Estados Unidos tiene muchas plantas hidraulicas más pequeñas. En 1940 había 3.100 centrales hidraulicas en todo el país, aunque en 1980 ese número había disminuido a 1.425. Desde entonces, varias de estas pequeñas plantas han sido restauradas; en 2013, había 1.672 centrales hidraulicas en operación (sin incluir el almacenamiento por bombeo)[5]. Estas plantas representan sólo una pequeña fracción de las represas que bloquean y desvían nuestros ríos.

Convertir el agua en electricidad

energia hidráulica bombeo del agua

Para generar electricidad a partir de la energía cinética del agua en movimiento, el agua tiene que moverse con suficiente velocidad y volumen para hacer girar un dispositivo similar a una hélice llamado turbina, que a su vez gira un generador para generar electricidad. En términos generales, un galón de agua por segundo al caer cien pies puede generar un kilovatio de electricidad.

Para aumentar el volumen de agua en movimiento, se utilizan embalses o presas para recoger el agua. Una abertura en la presa utiliza la gravedad para dejar caer el agua a través de una tubería llamada tubería de presión. El agua en movimiento hace que la turbina gire, lo que hace que los imanes dentro de un generador giren y creen electricidad.

Hay una variedad de tipos de turbinas utilizadas en las instalaciones hidraulicas, y su uso depende de la cantidad de altura hidráulica (distancia vertical entre la presa y la turbina) en la planta. Los más comunes son los diseños de rueda Kaplan, Francis y Pelton. Algunos de estos diseños, llamados ruedas de reacción e impulso, utilizan no sólo la fuerza cinética del agua en movimiento sino también la presión del agua.

La turbina Kaplan es similar a una hélice de barco, con un rodete (la parte giratoria de una turbina) que tiene de tres a seis palas, y puede proporcionar hasta 400 MW de potencia. La turbina Kaplan se diferencia de otros tipos de turbinas hidraulicas porque su rendimiento puede mejorarse cambiando la inclinación de las palas. La turbina Francis tiene un rodete con nueve o más álabes fijos.

En este diseño de turbina, que puede tener un tamaño de hasta 800 MW, las paletas dirigen el agua de modo que se mueve en un flujo axial[6]. La turbina Pelton consiste en un conjunto de cubos de forma especial que se montan en la parte exterior de un disco circular, haciéndolo parecerse a una rueda de agua. Las turbinas Pelton se utilizan típicamente en sitios con grandes alturas de elevación hidráulicas y pueden llegar a alcanzar los 200 MW.

La energía hidraulica también puede ser generada sin una represa, a través de un proceso conocido como de pasada. En este caso, el volumen y la velocidad del agua no son aumentados por una presa. En cambio, un proyecto de pasada hace girar los álabes de la turbina capturando la energía cinética del agua en movimiento en el río. Los proyectos hidroeléctricos que tienen represas pueden controlar cuándo se genera electricidad porque las represas pueden controlar el momento y el flujo del agua que llega a las turbinas.centrales hidráulicas

Por lo tanto, estos proyectos pueden optar por generar energía cuando más se necesita y es más valiosa para la red. Debido a que los proyectos de pasada no almacenan agua detrás de las presas, tienen mucha menos capacidad para controlar la cantidad y el momento en que se genera la electricidad.

Otro tipo de tecnología hidraulica se llama almacenamiento por bombeo. En una planta de almacenamiento por bombeo, el agua se bombea desde un depósito inferior a otro superior durante las horas de menor consumo cuando la electricidad es relativamente barata, utilizando electricidad generada a partir de otros tipos de fuentes de energía.

El bombeo del agua cuesta arriba crea el potencial para generar energía hidraulica más adelante. Cuando la energía hidraulica es necesaria, se libera de nuevo al embalse inferior a través de turbinas. Inevitablemente, se pierde algo de energía, pero los sistemas de almacenamiento por bombeo pueden ser hasta un 80 por ciento más eficientes.

Actualmente hay más de 90 GW de capacidad de almacenamiento por bombeo en todo el mundo, con cerca del 20 por ciento de esa capacidad en los Estados Unidos. La necesidad de crear recursos de almacenamiento para capturar y almacenar para su uso posterior la generación a partir de altas penetraciones de energía renovable variable (por ejemplo, eólica y solar) podría aumentar el interés en la construcción de nuevos proyectos de almacenamiento por bombeo.

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