Energía hidráulica

La energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía (del griego: ὕδωρ, "agua"), es el uso de agua que cae o corre rápidamente para producir electricidad o hacer funcionar máquinas. Esto se logra convirtiendo el potencial gravitacional o la energía cinética de una fuente de agua para producir energía. La energía hidroeléctrica es un método de producción de energía sostenible.

Desde la antigüedad, la energía hidroeléctrica de los molinos de agua se ha utilizado como fuente de energía renovable para el riego y el funcionamiento de dispositivos mecánicos, como molinos, aserraderos, fábricas textiles, martillos perforadores, grúas de muelle, elevadores domésticos y molinos de minerales. Un trampantojo, que produce aire comprimido a partir del agua que cae, a veces se usa para alimentar otras máquinas a distancia.

La energía hidroeléctrica ahora se usa principalmente para la generación de energía hidroeléctrica y también se aplica como la mitad de un sistema de almacenamiento de energía conocido como hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo.

La energía hidroeléctrica es una alternativa atractiva a los combustibles fósiles, ya que no produce directamente dióxido de carbono u otros contaminantes atmosféricos y proporciona una fuente de energía relativamente constante. Sin embargo, tiene desventajas económicas, sociológicas y ambientales y requiere una fuente de agua suficientemente energética, como un río o un lago elevado. Instituciones internacionales como el Banco Mundial ven la energía hidroeléctrica como un medio bajo en carbono para el desarrollo económico.

Historia

La evidencia sugiere que los fundamentos de la energía hidroeléctrica datan de la antigua civilización griega. Otra evidencia indica que la rueda hidráulica surgió de forma independiente en China alrededor del mismo período. La evidencia de ruedas hidráulicas y molinos de agua data del antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. Además, la evidencia indica el uso de la energía hidroeléctrica utilizando máquinas de riego en civilizaciones antiguas como Sumeria y Babilonia. Los estudios sugieren que la rueda hidráulica fue la forma inicial de energía hidráulica y fue impulsada por humanos o animales.

En el Imperio Romano, los molinos accionados por agua fueron descritos por Vitruvio en el siglo I a. El molino Barbegal, ubicado en la Francia actual, tenía 16 ruedas hidráulicas que procesaban hasta 28 toneladas de grano por día. Las ruedas hidráulicas romanas también se utilizaron para aserrar mármol, como el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III d.C. Dichos aserraderos tenían una rueda hidráulica que impulsaba dos bielas y manivelas para accionar dos sierras. También aparece en dos aserraderos romanos orientales del siglo VI excavados en Éfeso y Gerasa, respectivamente. El mecanismo de manivela y biela de estos molinos de agua romanos convertía el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra.

Los martillos y fuelles accionados por agua en China, durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), inicialmente se pensó que funcionaban con palas de agua. Sin embargo, algunos historiadores sugirieron que funcionaban con ruedas hidráulicas. Esto se debe a que se teorizó que las palas de agua no habrían tenido la fuerza motriz para operar sus fuelles de alto horno. Muchos textos describen la rueda hidráulica huna; algunos de los primeros son el diccionario Jijiupian del 40 a. C., el texto de Yang Xiong conocido como Fangyan del 15 a. C., así como Xin Lun, escrito por Huan Tan alrededor del 20 d. C. También fue durante este tiempo que el ingeniero Du Shi (c. 31 d. C.) aplicó el poder de las ruedas hidráulicas a los fuelles de pistón en la forja de hierro fundido.

Otro ejemplo del uso temprano de la energía hidroeléctrica se ve en el silenciamiento. El silenciamiento es el uso del poder de una ola de agua liberada de un tanque en la extracción de minerales metálicos. El método se utilizó por primera vez en las minas de oro de Dolaucothi en Gales desde el año 75 d.C. en adelante. Este método se desarrolló más en España en minas como Las Médulas. El silenciamiento también se usó ampliamente en Gran Bretaña en la época 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 el siglo XIX.

El Imperio Islámico abarcó una gran región, principalmente en Asia y África, junto con otras áreas circundantes. Durante la Edad de Oro Islámica y la Revolución Agrícola Árabe (siglos VIII-XIII), la energía hidroeléctrica fue ampliamente utilizada y desarrollada. Los primeros usos de la energía mareomotriz surgieron junto con grandes complejos de fábricas hidráulicas. En la región se utilizó una amplia gama de molinos industriales accionados por agua, incluidos batanes, molinos, molinos de papel, descascarilladores, aserraderos, molinos de barcos, molinos de sellos, acerías, ingenios azucareros y molinos de marea. En el siglo XI, todas las provincias del Imperio Islámico tenían estos molinos industriales en funcionamiento, desde Al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central.Los ingenieros musulmanes también usaron turbinas de agua mientras empleaban engranajes en molinos de agua y máquinas elevadoras de agua. También fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, que se utilizan para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas elevadoras de agua.

Además, en su libro, The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices, el ingeniero mecánico musulmán Al-Jazari (1136–1206) describió diseños para 50 dispositivos. Muchos de estos dispositivos eran impulsados ​​por agua, incluidos relojes, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para levantar agua de ríos o piscinas, donde tres de ellos son de tracción animal y uno puede ser de tracción animal o agua. Además, incluían un cinturón sin fin con jarras adjuntas, un shadoof accionado por vacas (una herramienta de riego similar a una grúa) y un dispositivo alternativo con válvulas con bisagras.

En el siglo XIX, el ingeniero francés Benoît Fourneyron desarrolló la primera turbina hidroeléctrica. Este dispositivo se implementó en la planta comercial de Niagara Falls en 1895 y aún se encuentra en funcionamiento. A principios del siglo XX, el ingeniero inglés William Armstrong construyó y operó la primera central eléctrica privada que estaba ubicada en su casa en Cragside en Northumberland, Inglaterra. En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó su libro Architecture Hydraulique, que describía máquinas hidráulicas de eje vertical y de eje horizontal.

La creciente demanda de la Revolución Industrial también impulsaría el desarrollo. Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua era la principal fuente de energía para los nuevos inventos, como el marco de agua de Richard Arkwright. Aunque 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 accionar los fuelles en pequeños altos hornos (por ejemplo, el horno Dyfi) y molinos de harina. como los construidos en Saint Anthony Falls, que utiliza la caída de 50 pies (15 m) en el río Mississippi.

Los avances tecnológicos movieron la rueda de agua abierta a una turbina cerrada o motor de agua. En 1848, el ingeniero británico-estadounidense James B. Francis, ingeniero jefe de la compañía Lowell's Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con una eficiencia del 90%. Aplicó principios científicos y métodos de prueba al problema del diseño de turbinas. Sus métodos de cálculo matemático y gráfico permitieron el diseño confiable de turbinas de alta eficiencia para que coincidieran exactamente con las condiciones de flujo específicas de un sitio. La turbina de reacción Francis todavía está en uso. 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 usaba energía hidroeléctrica de las corrientes altas características de Sierra Nevada.

Cálculo de la cantidad de energía disponible

Un recurso hidroeléctrico puede evaluarse por su potencia disponible. La potencia es una función de la carga hidráulica y el caudal volumétrico. La cabeza es la energía por unidad de peso (o unidad de masa) de agua. La cabeza 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 del agua que cae se puede calcular a partir del caudal y la densidad del agua, la altura de la caída y la aceleración local debida a la gravedad:{displaystyle {dot {W}}_{out}=-eta {dot {m}}g Delta h=-eta rho {dot {V}} g Delta h}donde

• {displaystyle {dot {W}}_{fuera}}(tasa de flujo de trabajo) es la salida de potencia útil (en vatios)
• { estilo de visualización eta}("eta") es la eficiencia de la turbina (adimensional)
• {displaystyle {punto {m}}}es el caudal másico (en kilogramos por segundo)
• { estilo de visualización rho}("rho") es la densidad del agua (en kilogramos por metro cúbico)
• {displaystyle {dot {V}}}es el caudal volumétrico (en metros cúbicos por segundo)
• { estilo de visualización g}es la aceleración de la gravedad (en metros por segundo por segundo)
• { estilo de visualización Delta h}("Delta h") es la diferencia de altura entre la salida y la entrada (en metros)

A modo de ilustración, la potencia de salida de una turbina con una eficiencia del 85 %, con un caudal de 80 metros cúbicos por segundo (2800 pies cúbicos por segundo) y una altura de 145 metros (480 pies), es de 97 megavatios:{displaystyle {dot {W}}_{out}=0.85times 1000 ({text{kg}}/{text{m}}^{3})times 80 ({text{m}}^{3}/{text{s}})times 9.81 ({text{m}}/{text{s}}^{2})times 145 {text{m}}=97times 10^{6} ({text{kg}} {text{m}}^{2}/{text{s}}^{3})=97 {text{MW}}}

Los operadores de centrales hidroeléctricas comparan la energía eléctrica total producida con la energía potencial teórica del agua que pasa por la turbina para calcular la eficiencia. Los procedimientos y definiciones para el cálculo de la eficiencia se proporcionan en códigos de prueba como ASME PTC 18 e IEC 60041. Las pruebas de campo de las turbinas se utilizan para validar la garantía de eficiencia del fabricante. El cálculo detallado de la eficiencia de una turbina hidroeléctrica tiene en cuenta la pérdida de carga debido a la fricción del flujo en el canal de energía o tubería forzada, el aumento del nivel del agua de descarga debido al flujo, la ubicación de la estación y el efecto de la gravedad variable, la temperatura del aire y la presión barométrica, la densidad del agua a temperatura ambiente y las altitudes relativas de la cámara de carga y la cámara de 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 sobredimensionadas pueden capturar de manera eficiente ambos tipos de energía.El caudal de un arroyo puede variar mucho de una estación a otra. El desarrollo de un sitio de energía hidroeléctrica requiere el análisis de los registros de flujo, que a veces abarcan décadas, para evaluar el suministro de energía anual confiable. Las represas y los embalses brindan 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 caudal natural. El diseño de la presa debe tener en cuenta el peor de los casos, la "inundación máxima probable" que se puede esperar en el sitio; a menudo se incluye un aliviadero para enrutar los flujos de inundación alrededor de la presa. Se utiliza un modelo informático de la cuenca hidráulica y los registros de precipitaciones y nevadas para predecir la crecida máxima.

Desventajas y limitaciones

Se han identificado algunas desventajas de la energía hidroeléctrica. Las personas que viven cerca del sitio de una planta hidroeléctrica son desplazadas durante la construcción o cuando los bancos del embalse se vuelven inestables. Otra desventaja potencial es que los sitios culturales o religiosos pueden bloquear la construcción.

Las represas y los embalses pueden tener importantes impactos negativos en los ecosistemas fluviales, como evitar que algunos animales viajen río arriba, enfriar y desoxigenar el agua que se libera río abajo y perder nutrientes debido a la sedimentación de partículas. Los sedimentos de los ríos construyen los deltas de los ríos y las represas les impiden restaurar lo que se pierde por la erosión. Las plantas grandes y profundas de represas y embalses cubren grandes áreas de tierra, lo que provoca emisiones de gases de efecto invernadero debido a la descomposición de la vegetación bajo el agua. Además, aunque en niveles más bajos que otras fuentes de energía renovable, se encontró que la energía hidroeléctrica produce gas metano, que es un gas de efecto invernadero. Esto ocurre cuando las materias orgánicas se acumulan en el fondo del embalse debido a la desoxigenación del agua que desencadena la digestión anaerobia.Además, los estudios encontraron que la construcción de presas y embalses puede resultar en la pérdida de hábitat para algunas especies acuáticas.

Las fallas de las represas pueden tener efectos catastróficos, incluida la pérdida de vidas, propiedades y la contaminación de la tierra.

Aplicaciones

Potencia mecánica

Molinos de agua

Un molino de agua o molino de agua es un molino que utiliza energía hidroeléctrica. Es una estructura que utiliza una rueda de agua o una turbina de agua para impulsar un proceso mecánico como el fresado (amolado), laminado o martillado. Dichos procesos son necesarios en la producción de muchos bienes materiales, como harina, madera, papel, textiles y muchos productos de metal. Estos molinos de agua pueden comprender molinos de harina, aserraderos, molinos de papel, molinos textiles, molinos de martillos, molinos de percusión, trenes de laminación, molinos de trefilado.

Una forma importante de clasificar los molinos de agua es por la orientación de la rueda (vertical u horizontal), uno impulsado por una rueda hidráulica vertical a través de un mecanismo de engranajes y el otro equipado con una rueda hidráulica horizontal sin dicho mecanismo. El primer tipo se puede dividir aún más, dependiendo de dónde el agua golpea las paletas de la rueda, en molinos de ruedas hidráulicas de tiro inferior, de tiro superior, de pecho y de cabeceo (de tiro trasero o de tiro inverso). Otra forma de clasificar los molinos de agua es por un rasgo esencial sobre su ubicación: los molinos de marea utilizan el movimiento de la marea; los molinos de barcos son molinos de agua a bordo (y que constituyen) un barco.Los molinos de agua impactan en la dinámica fluvial de los cursos de agua donde se instalan. Durante el tiempo en que los molinos de agua operan, los canales tienden a sedimentarse, particularmente el remanso. También en el área de remanso, aumentan los eventos de inundación y la sedimentación de las llanuras aluviales adyacentes. Con el tiempo, sin embargo, estos efectos son cancelados por las orillas de los ríos que se vuelven más altas. Donde se han eliminado los molinos, la incisión del río aumenta y los canales se profundizan.

Aire comprimido

Se puede hacer una gran cantidad de agua para generar aire comprimido directamente sin partes móviles. En estos diseños, una columna de agua que cae se mezcla deliberadamente con burbujas de aire generadas a través de la turbulencia o un reductor de presión venturi en la entrada de alto nivel. Esto le permite caer por un pozo a una cámara subterránea de techo alto donde el aire ahora comprimido se separa del agua y queda atrapado. La altura de la columna de agua que cae 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 fluya de regreso a la superficie a un nivel más bajo que la entrada. Una salida separada en el techo de la cámara suministra el aire comprimido. Se construyó una instalación sobre este principio en el río Montreal en Ragged Shutes cerca de Cobalt, Ontario en 1910 y suministró 5,

Electricidad

La hidroelectricidad es la mayor aplicación hidroeléctrica. La hidroelectricidad genera alrededor del 15% de la electricidad mundial y proporciona al menos el 50% del suministro total de electricidad para más de 35 países.

La generación de hidroelectricidad comienza con la conversión de la energía potencial del agua que está presente debido a la elevación del sitio o la energía cinética del agua en movimiento en energía eléctrica.

Las centrales hidroeléctricas varían en términos de la forma en que cosechan energía. Un tipo implica una presa y un embalse. El agua del embalse está disponible bajo demanda para ser utilizada para generar electricidad al pasar por canales que conectan la presa con el embalse. El agua hace girar una turbina, que está conectada al generador que produce electricidad.

El otro tipo se llama planta de pasada. En este caso, se construye una presa para controlar el flujo de agua, en ausencia de un reservorio. La central hidroeléctrica de pasada necesita un flujo de agua continuo y, por lo tanto, tiene menos capacidad para proporcionar energía según la demanda. La energía cinética del agua que fluye es la principal fuente de energía.

Ambos diseños tienen limitaciones. Por ejemplo, la construcción de una represa puede causar molestias a los residentes cercanos. La represa y los embalses ocupan una cantidad de espacio relativamente grande a la que pueden oponerse las comunidades cercanas. Además, los embalses pueden tener importantes consecuencias ambientales, como dañar los hábitats río abajo. Por otro lado, la limitación del proyecto de pasada es la disminución de la eficiencia en la generación de electricidad debido a que el proceso depende de la velocidad del caudal estacional del río. Esto significa que la temporada de lluvias aumenta la generación de electricidad en comparación con la temporada seca.

El tamaño de las plantas hidroeléctricas puede variar desde pequeñas plantas llamadas micro hidroeléctricas, hasta grandes plantas que suministran esa energía a todo un país. A partir de 2019, las cinco centrales eléctricas más grandes del mundo son centrales hidroeléctricas convencionales con represas.

La hidroelectricidad también se puede utilizar para almacenar energía en forma de energía potencial entre dos embalses a diferentes alturas con almacenamiento por bombeo. El agua se bombea cuesta arriba hacia los embalses durante los períodos de baja demanda para liberarla para la generación cuando la demanda es alta o la generación del sistema es baja.

Otras formas de generación de electricidad con energía hidroeléctrica incluyen generadores de corrientes de marea que utilizan la energía de las mareas generadas a partir de océanos, ríos y sistemas de canales artificiales para generar electricidad.

• Una instalación hidroeléctrica con represa convencional (represa hidroeléctrica) es el tipo más común de generación de energía hidroeléctrica.
• La presa Chief Joseph cerca de Bridgeport, Washington, es una importante estación de pasada sin un embalse considerable.
• Micro hidroeléctrica en el noroeste de Vietnam
• El embalse superior y la presa del sistema de almacenamiento por bombeo de Ffestiniog en Gales. La central eléctrica inferior puede generar 360 MW de electricidad.

Poder de lluvia

La lluvia ha sido referida como "una de las últimas fuentes de energía sin explotar en la naturaleza. Cuando llueve, pueden caer miles de millones de litros de agua, que tienen un enorme potencial eléctrico si se usan de la manera correcta". Se están realizando investigaciones sobre los diferentes métodos para generar energía a partir de la lluvia, como el uso de la energía en el impacto de las gotas de lluvia. Esto está en sus primeras etapas con tecnologías nuevas y emergentes que están siendo probadas, prototipadas y creadas. Tal poder ha sido llamado poder de la lluvia. Un método en el que se ha intentado esto es mediante el uso de paneles solares híbridos llamados "paneles solares para todo clima" que pueden generar electricidad tanto del sol como de la lluvia.

Según el zoólogo y educador en ciencia y tecnología, Luis Villazón, "un estudio francés de 2008 estimó que se podrían usar dispositivos piezoeléctricos, que generan energía cuando se mueven, para extraer 12 milivatios de una gota de lluvia. Durante un año, esto equivaldría a menos de 0,001 kWh por metro cuadrado: suficiente para alimentar un sensor remoto". Villazón sugirió que una mejor aplicación sería recolectar el agua de la lluvia caída y usarla para impulsar una turbina, con una generación de energía estimada de 3kWh de energía por año para un techo de 185m2.Para generar electricidad se ha utilizado un sistema basado en microturbinas creado por tres estudiantes de la Universidad Tecnológica de México. El sistema Pluvia "utiliza la corriente de agua de lluvia que sale de las canaletas de lluvia de los techos de las casas para hacer girar una microturbina en una carcasa cilíndrica. La electricidad generada por esa turbina se usa para cargar baterías de 12 voltios".

El término energía pluvial también se ha aplicado a los sistemas hidroeléctricos que incluyen el proceso de capturar la lluvia.