Energía hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica (del griego : ὕδωρ , "agua"), también conocida como energía hidráulica , es el uso de agua que cae o corre rápido para producir electricidad o para alimentar máquinas. Esto se logra convirtiendo la energía cinética del agua en energía eléctrica o mecánica. ^{[1] La} energía hidroeléctrica es una forma de producción de energía sostenible .

La presa de las Tres Gargantas en China; la represa hidroeléctrica es la central eléctrica más grande del mundo por capacidad instalada .

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 , molinos textiles , martillos perforadores , grúas de muelle , elevadores domésticos y molinos de mineral . Un trampantojo , que produce aire comprimido a partir del agua que cae, a veces se usa para impulsar otras máquinas a distancia. ^{[2] [1]}

La energía hidroeléctrica es una alternativa atractiva a los combustibles fósiles, ya que no produce directamente contaminantes atmosféricos. Sin embargo, las desventajas económicas, sociológicas y ambientales limitan su uso. ^[3] Instituciones internacionales como el Banco Mundial ven la energía hidroeléctrica como un medio de bajo carbono para el desarrollo económico . ^[4]

Historia

Un pistón de agua del Nongshu de Wang Zhen (fl. 1290-1333)

Molino de agua de Braine-le-Château , Bélgica (siglo XII)

Saint Anthony Falls , Estados Unidos ; La energía hidroeléctrica se utilizó aquí para moler harina.

Molino de mineral directamente impulsado por agua, finales del siglo XIX.

La evidencia sugiere que los fundamentos de la energía hidroeléctrica se remontan a la antigua civilización griega . ^[5] Otra evidencia indica que la rueda hidráulica surgió de forma independiente en China alrededor del mismo período. ^{[5] La} evidencia de ruedas hidráulicas y molinos de agua se remonta al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C. ^{[6] : 14} Además, la evidencia indica el uso de energía hidroeléctrica con máquinas de riego para civilizaciones antiguas como Sumer y Babilonia . ^{[7] Los} estudios sugieren que la rueda hidráulica fue la forma inicial de energía hidráulica y fue impulsada por humanos o animales. ^[7]

En el Imperio Romano , Vitruvio describió los molinos de agua en el siglo I a.C. ^[8] El molino de Barbegal , ubicado en la Francia actual, tenía 16 ruedas hidráulicas que procesaban hasta 28 toneladas de grano por día. ^{[2] Las} ruedas hidráulicas romanas también se utilizaron para aserrar mármol, como el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III d. C. ^[9] Estos aserraderos tenían una rueda hidráulica que accionaba dos manivelas y bielas 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 convirtió el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra. ^[10]

En China, durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), se pensó inicialmente que los martillos y fuelles propulsados ​​por agua funcionaban con palas de agua . ^{[6] : 26–30} 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 . ^[11] Muchos textos describen la rueda hidráulica de Hun; algunos de los más antiguos 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. ^[12] También fue durante este tiempo que el ingeniero Du Shi (c. 31 d. C.) aplicó el poder de las ruedas hidráulicas a los pistones - fuelles en la forja de hierro fundido. ^[12]

Otro ejemplo del uso temprano de la energía hidroeléctrica se ve en el silenciamiento . Silenciar es el uso del poder de una ola de agua liberada de un tanque en la extracción de minerales metálicos. ^{[ cita requerida ]} El método se utilizó por primera vez en las minas de oro de Dolaucothi en Gales desde el 75 d. C. en adelante. Este método se desarrolló aún más en España en minas como Las Médulas . El silenciamiento también se usó ampliamente en Gran Bretaña en el período 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. ^[13]

El Imperio Islámico se extendió por una gran región, principalmente en Asia y África, junto con otras áreas circundantes. ^[14] 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 de las mareas surgieron junto con los grandes complejos de fábricas hidráulicas . ^[15] Una amplia gama de molinos industriales-accionado de agua se utilizaron en la región, incluyendo Fülling molinos, gristmills , fábricas de papel , hullers , aserraderos , fábricas de buques , molinos de mazos , fábricas de acero , fábricas de azúcar , 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 . ^{[16] : 10} ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas de agua mientras empleaban engranajes en molinos de agua y máquinas de levantamiento de agua. También fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, que se utiliza para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas de levantamiento de agua. ^[17]

Además, en su libro, El libro del conocimiento de los ingeniosos dispositivos mecánicos , el ingeniero mecánico musulmán Al-Jazari (1136–1206) describió diseños para 50 dispositivos. Muchos de estos dispositivos funcionaban con agua, incluidos relojes, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para extraer agua de ríos o piscinas, donde tres de ellos funcionan con animales y uno puede funcionar con animales o agua. Además, incluían un cinturón sin fin con jarras adjuntas, una sombra accionada por una vaca (una herramienta de riego similar a una grúa) y un dispositivo alternativo con válvulas con bisagras. ^[18]

Benoît Fourneyron, el ingeniero francés que desarrolló la primera turbina hidroeléctrica

En el siglo XIX, el ingeniero francés Benoit 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. ^[7] A principios del siglo XX, el ingeniero inglés William Armstrong construyó y operó la primera central eléctrica privada que estaba ubicada en su casa de Cragside en Northumberland , Inglaterra . ^[7] En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó su libro, Architecture Hydraulique , que describía máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal. ^[19]

La creciente demanda de la Revolución Industrial también impulsaría el desarrollo. ^[20] Al comienzo de la revolución industrial en Gran Bretaña, el agua fue la fuente principal de energía para los nuevos inventos como Richard Arkwright 's marco de agua . ^[21] Aunque la energía hidráulica dio paso a la energía del vapor en muchos de los molinos y fábricas más grandes, todavía se usó 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 , como los construidos en Saint Anthony Falls , que utiliza la caída de 50 pies (15 m) en el río Mississippi . ^{[ cita requerida ] [21]}

Los avances tecnológicos trasladaron la rueda de agua abierta a una turbina cerrada o un motor de agua . En 1848, el ingeniero británico-estadounidense James B. Francis , ingeniero jefe de la empresa Lowell's Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con una eficiencia del 90%. ^[22] 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 coincidir 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 usos en la industria minera de California, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de rueda Pelton de alta eficiencia , que utilizaba energía hidroeléctrica de las corrientes de alta altura características de Sierra Nevada . ^{[ cita requerida ]}

Calcular la cantidad de energía disponible

Un recurso hidroeléctrico puede evaluarse por su potencia disponible . La potencia es una función de la altura hidráulica y el caudal volumétrico . La cabeza es la energía por unidad de peso (o unidad de masa) del agua. ^{[ cita requerida ]} La carga estática es proporcional a la diferencia de altura a través de la cual cae el agua. La carga dinámica está relacionada con la velocidad del agua en movimiento. Cada unidad de agua puede hacer una cantidad de trabajo igual a su peso multiplicado por la cabeza.

La potencia disponible del agua que cae se puede calcular a partir del caudal y la densidad del agua, la altura de caída y la aceleración local debida a la gravedad:

${\displaystyle {\dot {W}}_{out}=-\eta \ ({\dot {m}}g\ \Delta h)=-\eta \ ((\rho {\dot {V}})\ g\ \Delta h)}$

dónde

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{out}}$( caudal de trabajo ) es la salida de potencia útil (en vatios )
• ${\displaystyle \eta }$(" eta ") es la eficiencia de la turbina ( adimensional )
• ${\displaystyle {\dot {m}}}$es el caudal másico (en kilogramos por segundo)
• ${\displaystyle \rho }$(" rho ") es la densidad del agua (en kilogramos por metro cúbico )
• ${\displaystyle {\dot {V}}}$es el caudal volumétrico (en metros cúbicos por segundo)
• ${\displaystyle g}$es la aceleración debida a la gravedad (en metros por segundo por segundo)
• ${\displaystyle \Delta h}$(" 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 que tiene 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: ^{[nota 1 ]}

${\displaystyle {\dot {W}}_{out}=0.85\times 1000\ ({\text{kg}}/{\text{m}}^{3})\times 80\ ({\text{m}}^{3}/{\text{s}})\times 9.81\ ({\text{m}}/{\text{s}}^{2})\times 145\ {\text{m}}=97\times 10^{6}\ ({\text{kg}}\ {\text{m}}^{2}/{\text{s}}^{3})=97\ {\text{MW}}}$

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 dan 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 altura perdida debido a la fricción del flujo en el canal de energía o la tubería forzada, el aumento del nivel del agua de cola 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 bahía de carga y la bahía de cola. Para cálculos precisos, se deben considerar los errores debidos al redondeo y el número de dígitos significativos de las constantes. ^{[ cita requerida ]}

Algunos sistemas de energía hidroeléctrica, como las ruedas hidráulicas, pueden extraer energía del flujo de una masa de agua sin cambiar necesariamente su altura. En este caso, la potencia disponible es la energía cinética del agua que fluye. Las ruedas de agua sobre-disparadas pueden capturar de manera eficiente ambos tipos de energía. ^[23] El caudal de un arroyo puede variar mucho de una temporada a otra. El desarrollo de un sitio de energía hidroeléctrica requiere el análisis de registros de flujo , que a veces abarcan décadas, para evaluar el suministro de energía anual confiable. Las presas y 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 corriente que ocurre naturalmente. 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 inundación máxima. ^{[ cita requerida ]}

Desventajas y limitaciones

Consulte gases de efecto invernadero para obtener más información sobre el impacto de los gases de efecto invernadero.

Se han identificado algunas desventajas de la energía hidroeléctrica. Las personas que viven cerca de un sitio de planta hidroeléctrica se ven desplazadas durante la construcción o cuando los bancos de embalses se vuelven inestables. ^[7] Otra desventaja potencial es que los sitios culturales o religiosos pueden bloquear la construcción. ^{[7] [nota 2]}

Las presas y embalses pueden tener importantes impactos negativos en los ecosistemas fluviales . Las presas y embalses grandes y profundos cubren grandes áreas de tierra que causan emisiones de gases de efecto invernadero de la vegetación en descomposición bajo el agua. Además, aunque a 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 la materia orgánica se acumula en el fondo del reservorio debido a la desoxigenación del agua que desencadena la digestión anaeróbica . ^[24] Además, los estudios encontraron que la construcción de presas y embalses puede resultar en la pérdida de hábitat para algunas especies acuáticas. ^[7]

Aplicaciones

"> Reproducir medios

Un plan de energía hidroeléctrica que aprovecha la energía del agua que desciende de las montañas de Brecon Beacons, Gales ; 2017