Energía hidroeléctrica
Definición
La energía hidroeléctrica o hidráulica (del griego: ύδωρ, "agua") es energía derivada de la energía del agua que cae o del agua corriente rápida, que puede aprovecharse para fines útiles. Desde la antigüedad, la energía hidroeléctrica de muchos tipos de molinos de agua se ha utilizado como fuente de energía renovable para el riego y la operación de diversos dispositivos mecánicos, como molinos de grano, aserraderos, fábricas textiles, martillos, grúas de muelle, ascensores domésticos y molinos de mineral. Un trompe, que produce aire comprimido a partir de agua que cae, a veces se usa para impulsar otras máquinas a distancia.
A fines del siglo XIX, la energía hidroeléctrica se convirtió en una fuente de generación de electricidad. Cragside en Northumberland fue la primera casa propulsada por energía hidroeléctrica en 1878 y la primera planta de energía hidroeléctrica comercial fue construida en las Cataratas del Niágara en 1879. En 1881, las farolas de la ciudad de las Cataratas del Niágara funcionaban con energía hidroeléctrica.
Desde principios del siglo 20, el término se ha utilizado casi exclusivamente en relación con el desarrollo moderno de la energía hidroeléctrica. Las instituciones internacionales como el Banco Mundial ven la energía hidroeléctrica como un medio para el desarrollo económico sin agregar cantidades sustanciales de carbono a la atmósfera, pero las represas pueden tener impactos sociales y ambientales negativos significativos.
Historia
En India, se construyeron ruedas hidráulicas y molinos de agua, posiblemente ya en el siglo IV aC, aunque los registros de esa época son, en el mejor de los casos, irregulares.
En el Imperio Romano, los molinos impulsados por agua producían harina a partir de granos, y también se usaban para aserrar madera y piedra; en China, los molinos de agua fueron ampliamente utilizados desde la dinastía Han. En China y en el resto del Lejano Oriente, las bombas hidráulicas de "rueda de marihuana" elevaron el agua hacia los canales de cultivo o riego.
El poder de una ola de agua liberada de un tanque se usó para la extracción de minerales metálicos en un método conocido como hushing. El método se utilizó por primera vez en Dolaucothi Gold Mines en Gales desde el año 75 dC en adelante, pero se había desarrollado en España en minas como Las Médulas. Hushing también fue ampliamente utilizado en Gran Bretaña en los períodos Medieval y posteriores para extraer minerales de plomo y estaño. Más tarde se convirtió en minería hidráulica cuando se usó durante la fiebre del oro de California.
En la Edad Media, el ingeniero mecánico islámico Al-Jazari describió diseños para 50 dispositivos, muchos de los accionados por agua, en su libro, El libro del conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos , incluyendo relojes, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para levantar agua de ríos o piscinas, aunque tres son animales y uno puede ser alimentado por animales o agua. Estos incluyen un cinturón sin fin con jarras adjuntas, un shadoof alimentado por vacas y un dispositivo alternativo con válvulas con bisagras.
En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó Architecture Hydraulique que describía máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal. A fines del siglo diecinueve, el generador eléctrico fue desarrollado por un equipo liderado por los gerentes de proyecto y prominentes pioneros de la energía renovable Jacob S. Gibbs y Brinsley Coleberd, y ahora podría combinarse con hidráulica. La creciente demanda de la Revolución Industrial impulsaría el desarrollo también.
Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua era la principal fuente de energía para nuevos inventos como el marco de agua de Richard Arkwright. Aunque el uso de la energía hidráulica dio paso a la energía de vapor en muchos de los molinos y fábricas más grandes, todavía se usaba durante los siglos XVIII y XIX para muchas operaciones más pequeñas, como conducir los fuelles en altos hornos (por ejemplo, el horno Dyfi) y gristmills, como los construidos en Saint Anthony Falls, que utiliza la caída de 50 pies (15 m) en el río Mississippi.
En la década de 1830, en el pico inicial de la construcción de canales en los Estados Unidos, la energía hidroeléctrica proporcionó la energía necesaria para transportar el tráfico de barcazas hacia arriba y hacia abajo por empinadas colinas utilizando ferrocarriles planos inclinados. A medida que los ferrocarriles superaban los canales de transporte, los sistemas de canales se modificaron y se convirtieron en sistemas hidroeléctricos; la historia de Lowell, Massachusetts es un ejemplo clásico de desarrollo comercial e industrialización, construida sobre la disponibilidad de la energía hidráulica.
Los avances tecnológicos habían movido la rueda de agua abierta hacia una turbina cerrada o un motor de agua. En 1848 James B. Francis, mientras trabajaba como ingeniero jefe de la compañía Lowell's Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con un 90% de eficiencia. Aplicó principios científicos y métodos de prueba al problema del diseño de turbinas. Sus métodos matemáticos y gráficos de cálculo permitieron el diseño seguro de turbinas de alta eficiencia para coincidir exactamente con las condiciones de flujo específicas de un sitio. La turbina de reacción Francis todavía está en uso amplio hoy. En la década de 1870, derivado de los usos en la industria minera de California, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de rueda Pelton de alta eficiencia, que utiliza la energía hidroeléctrica de las corrientes de gran altura características del interior montañoso de California.
Redes hidráulicas de tuberías de energía
Las redes de energía hidráulica utilizan tuberías para transportar agua presurizada y transmitir potencia mecánica desde la fuente a los usuarios finales. La fuente de alimentación normalmente era una cabeza de agua, que también podría ser asistida por una bomba. Estos fueron extensos en las ciudades victorianas en el Reino Unido. También se desarrolló una red de energía hidráulica en Ginebra, Suiza. El mundialmente famoso Jet d'Eau fue originalmente diseñado como la válvula de alivio de sobrepresión para la red.
Aire comprimido hidro
Donde hay una gran cantidad de agua se puede generar aire comprimido directamente sin partes móviles. En estos diseños, una columna de agua que cae se mezcla deliberadamente con burbujas de aire generadas por la turbulencia o un reductor de presión Venturi en la entrada de alto nivel. Se permite que caiga por un pozo hacia una cámara subterránea con techo alto donde el aire ahora comprimido se separa del agua y queda atrapado. La altura de la columna de agua caída mantiene la compresión del aire en la parte superior de la cámara, mientras que una salida sumergida por debajo del nivel del agua en la cámara permite que el agua vuelva a la superficie a un nivel inferior al de la entrada. Una salida separada en el techo de la cámara suministra el aire comprimido. Una instalación basada en este principio fue construida en el río Montreal en Ragged Shutes cerca de Cobalt,
Tipos de energía hidroeléctrica
La energía hidroeléctrica se usa principalmente para generar electricidad. Las categorías generales incluyen:
- Hidroeléctrica convencional, referida a presas hidroeléctricas.
- Hidroeléctrica de pasada, que capta la energía cinética en ríos o arroyos, sin un gran embalse y a veces sin el uso de represas.
- Los proyectos hidroeléctricos pequeños son de 10 megavatios o menos y, a menudo, no tienen depósitos artificiales.
- Los microproyectos hidroeléctricos proporcionan algunos kilovatios a unos pocos cientos de kilovatios a hogares aislados, pueblos o pequeñas industrias.
- Los proyectos de hidroelectricidad de conductos utilizan agua que ya se ha desviado para su uso en otro lugar; en un sistema de agua municipal, por ejemplo.
- La hidroelectricidad de almacenamiento bombeado almacena el agua bombeada cuesta arriba en los embalses durante los períodos de baja demanda que se lanzará para la generación cuando la demanda es alta o la generación del sistema es baja.
- La energía hidráulica de amortiguación de presión utiliza fuentes naturales (por ejemplo, las olas) para bombear agua a las turbinas y, a pesar de exceder el agua, se bombea cuesta arriba hacia los embalses y se libera cuando el flujo de agua entrante no es suficiente.
Una instalación hidroeléctrica represa convencional (represa hidroeléctrica) es el tipo más común de generación de energía hidroeléctrica.
La central eléctrica de Hongping, en la ciudad de Hongping, Shennongjia, tiene un diseño típico para pequeñas centrales hidroeléctricas en la parte occidental de la provincia china de Hubei. El agua proviene de la montaña detrás de la estación, a través de la tubería negra que se ve en la foto
El Jefe Joseph Dam, cerca de Bridgeport, Washington, EE. UU., Es una importante estación de pasada sin una gran reserva.
Micro hidro en el noroeste de Vietnam
Hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo: el embalse superior (Llyn Stwlan) y la presa del Esquema de almacenamiento bombeado Ffestiniog en el norte de Gales. La estación de energía más baja tiene cuatro turbinas de agua que generan 360 megavatios (480,000 hp) de electricidad dentro de los 60 segundos posteriores a la necesidad.
La energía hidroeléctrica de amortiguación de presión es la compilación de la generación hidroeléctrica de acumulación de caudal y río.
Cálculo de la cantidad de energía disponible
Un recurso hidroeléctrico puede evaluarse por su potencia disponible. La potencia es una función de la cabeza hidráulica y la velocidad del flujo de fluido. La cabeza es la energía por unidad de peso (o unidad de masa) de agua. La altura estática es proporcional a la diferencia de altura a través de la cual cae el agua. La cabeza dinámica está relacionada con la velocidad del agua en movimiento. Cada unidad de agua puede hacer una cantidad de trabajo igual a su peso por cabeza.
La potencia disponible a partir de la caída de agua puede calcularse a partir del caudal y la densidad del agua, la altura de caída y la aceleración local debida a la gravedad. En unidades SI, la potencia es:
dónde
- P es potencia en vatios
- η es la eficiencia sin dimensiones de la turbina
- ρ es la densidad del agua en kilogramos por metro cúbico
- Q es el flujo en metros cúbicos por segundo
- g es la aceleración debido a la gravedad
- h es la diferencia de altura entre la entrada y la salida en metros
Para ilustrar, la potencia se calcula para una turbina que es 85% eficiente, con agua a 1000 kg / metro cúbico (62.5 libras / pie cúbico) y un caudal de 80 metros cúbicos / segundo (2800 pies cúbicos / segundo), gravedad de 9.81 metros por segundo al cuadrado y con una altura neta de 145 m (480 pies).
En unidades SI:
- que da 97 MW
En unidades inglesas, la densidad se expresa en libras por pie cúbico, por lo que la aceleración debida a la gravedad es inherente a la unidad de peso. Se requiere un factor de conversión para cambiar de libras por segundo a kilovatios:
- que da 97 MW (130,000 caballos de fuerza)
Los operadores de las estaciones hidroeléctricas compararán la energía eléctrica total producida con la energía potencial teórica del agua que pasa a través de la turbina para calcular la eficiencia. Los procedimientos y definiciones para el cálculo de la eficiencia se dan en códigos de prueba como ASME PTC 18 e IEC 60041. Las pruebas de campo de turbinas se utilizan para validar la eficiencia garantizada del fabricante. El cálculo detallado de la eficiencia de una turbina hidroeléctrica representará la pérdida de carga debida a la fricción de flujo en el canal de alimentación o compuerta, el aumento en el nivel del agua de la cola debido al flujo, la ubicación de la estación y el efecto de gravedad variable, la temperatura y la barometría la presión del aire, la densidad del agua a temperatura ambiente y las altitudes sobre el nivel del mar de la cámara de carga y la cola. Para cálculos precisos,
Algunos sistemas hidroeléctricos, como las ruedas hidráulicas, pueden extraer energía del flujo de un cuerpo de agua sin cambiar necesariamente su altura. En este caso, la potencia disponible es la energía cinética del agua que fluye. Las ruedas hidráulicas de sobreimpulsión pueden capturar eficientemente ambos tipos de energía. El flujo de agua en una corriente puede variar ampliamente de una temporada a otra. El desarrollo de un sitio de energía hidroeléctrica requiere el análisis de los registros de flujo, algunas veces abarcando décadas, para evaluar el suministro de energía anual confiable. Las presas y los embalses proporcionan una fuente de energía más confiable al suavizar los cambios estacionales en el flujo de agua. Sin embargo, los embalses tienen un impacto ambiental significativo, al igual que la alteración del flujo de corrientes naturales. El diseño de las presas también debe dar cuenta del peor de los casos, "inundación máxima probable" que se puede esperar en el sitio; a menudo se incluye un vertedero para evitar los flujos de inundación alrededor de la presa. Un modelo de computadora de la cuenca hidráulica y los registros de precipitaciones y nevadas se utilizan para predecir la inundación máxima.
Sostenibilidad
Al igual que con otras formas de actividad económica, los proyectos hidroeléctricos pueden tener un impacto tanto ambiental como social negativo y positivo, porque la construcción de una presa y una planta de energía, junto con la incautación de un depósito, crea ciertos cambios sociales y físicos. Los proyectos de energía hidroeléctrica también pueden tener consecuencias indirectas, lo que contribuye al calentamiento global: los embalses acumulan material vegetal, que luego se descompone, emitiendo metano en ráfagas desiguales.
Existen varias herramientas para evaluar el impacto de los proyectos hidroeléctricos:
- La mayoría del nuevo proyecto hidroeléctrico debe someterse a una evaluación de impacto ambiental y social. Esto proporciona una comprensión básica de las condiciones previas al proyecto, estimaciones de impactos potenciales y pone en marcha planes de gestión para evitar, mitigar o compensar los impactos.
- El Protocolo de Evaluación de la Sostenibilidad de la Hidroelectricidad es otra herramienta que puede usarse para promover y guiar proyectos hidroeléctricos más sostenibles. Es una metodología utilizada para auditar el desempeño de un proyecto hidroeléctrico en más de veinte temas ambientales, sociales, técnicos y económicos. Una evaluación de protocolo proporciona un control de salud de sostenibilidad rápido. No reemplaza una evaluación de impacto ambiental y social (ESIA), que tiene lugar durante un período de tiempo mucho más largo, por lo general como un requisito reglamentario obligatorio.
- El informe final de la Comisión Mundial de Represas describe un marco para la planificación de proyectos de agua y energía destinado a proteger a las personas afectadas por las represas y el medio ambiente, y garantizar que los beneficios de las represas se distribuyan de forma más equitativa.
- Los Estándares de Desempeño Ambiental y Social de IFC definen las responsabilidades de los clientes de IFC para manejar sus riesgos ambientales y sociales.
- El Banco utiliza las políticas de salvaguardia del Banco Mundial para ayudar a identificar, evitar y minimizar los daños a las personas y el medio ambiente causados por los proyectos de inversión.
- Los Principios de Ecuador son un marco de gestión de riesgos, adoptado por las instituciones financieras, para determinar, evaluar y gestionar los riesgos ambientales y sociales en los proyectos.
