¿Qué es la energía hidráulica?
La energía hidráulica es la capacidad que tiene el agua de producir trabajo en forma de movimiento, luz y calor aprovechando su energía potencial y cinética. Se considera una energía renovable limpia y de alto rendimiento.
Esta energía está determinada por el caudal, el desnivel entre puntos del terreno por el que se mueve el agua y la fuerza de gravedad. Ha sido aprovechada por el ser humano desde épocas antiguas para realizar distintos trabajos.
Uno de los primeros usos que se le dio a la energía hidráulica fue accionar molinos de agua que aprovechaban la fuerza de la corriente. De esta manera, mediante engranajes se podían mover piedras de molino para moler trigo.
Actualmente, su aplicación más relevante es la generación de energía eléctrica mediante las centrales hidroeléctricas. Estas centrales consisten básicamente en una represa y un sistema de turbinas y alternadores.
El agua se acumula en la represa entre dos niveles del cauce (desnivel geodésico), generando energía potencial gravitatoria. Posteriormente, la corriente de agua (energía cinética) activa unas turbinas que transmiten la energía a alternadores para producir energía eléctrica.
El impacto ambiental de las centrales hidroeléctricas está asociado a la variación de temperatura y alteración física del curso de agua. Igualmente, se producen desechos de aceites y grasas que se filtran desde la maquinaria.
Su principal desventaja es la alteración física que causa debido a que se inundan grandes extensiones de tierra y se altera el curso y caudal natural de los ríos.
La central hidroeléctrica más grande del mundo es Las Tres Gargantas, ubicada en China, en el río Yangtsé. Las otras dos en importancia son las de Itaipú en la frontera entre Brasil y Paraguay y la central hidroeléctrica Simón Bolívar, o Guri, en Venezuela.
Características de la energía hidráulica
– Renovable y limpia. Proviene del movimiento del agua, ya sea de ríos, arroyos o embalses. Es considerada una fuente de energía renovable porque el agua se renueva continuamente a través del ciclo hidrológico.
– Almacenamiento de energía potencial. La construcción de embalses permite almacenar grandes cantidades de agua en altitudes elevadas. Cuando se necesita electricidad, el agua se libera desde el embalse hacia las turbinas, convirtiendo la energía potencial del agua en energía cinética.
– Bajo costo operativo a largo plazo. Aunque la inversión en la construcción de represas y centrales hidroeléctricas puede ser alta, una vez en funcionamiento, tienen bajos costos operativos y de mantenimiento, en comparación con otras fuentes de energía.
– Estabilidad y confiabilidad. Son capaces de proporcionar una fuente constante y confiable de energía, porque la generación de electricidad puede controlarse fácilmente ajustando el flujo de agua a través de las turbinas.
– Impacto ambiental local. Si bien la energía hidráulica es limpia a nivel de emisiones de gases de efecto invernadero, la construcción de represas y embalses puede tener impactos ambientales locales significativos, como la alteración de hábitats acuáticos y terrestres, y la reubicación de comunidades.
¿Cómo funciona la energía hidráulica?
Transformación de la energía solar en energía cinética
La energía hidráulica se fundamenta en la energía solar, la topografía del terreno y la gravedad terrestre. En el ciclo del agua, la energía solar causa la evaporación y luego el agua se condensa y precipita sobre la Tierra.
A consecuencia de los desniveles del terreno y la fuerza de gravedad, en la superficie terrestre se producen corrientes de agua superficiales. De esta manera, la energía solar se transforma en energía cinética debido al movimiento del agua por la acción combinada de los desniveles y la gravedad.
Posteriormente, la energía cinética del agua puede transformarse en energía mecánica, capaz de realizar trabajo. Por ejemplo, se pueden mover aspas que transmiten el movimiento a un sistema de engranajes que puede hacer funcionar diversos aparatos.
La magnitud de la energía hidráulica viene dada por el desnivel entre dos puntos dados del cauce y su caudal. Mientras mayor sea el desnivel del terreno, mayor será la energía potencial y cinética del agua, y su capacidad de generar trabajo.
En este sentido, la energía potencial es la que se acumula en una masa de agua y está relacionada con su altura con respecto al suelo. La energía cinética es la que libera el agua en su movimiento de caída en función de la topografía y la gravedad.
Producción de electricidad a partir de la energía hidráulica (hidroeléctrica)
La energía cinética que genera el agua en su caída puede utilizarse para producir energía eléctrica. Esto se logra construyendo presas donde el agua se acumula y retiene en distintos niveles de altura.
Así, la energía potencial del agua es directamente proporcional al desnivel entre un punto y otro, y cuando el agua cae se transforma en energía cinética. Posteriormente, el agua pasa a través de un sistema de aspas de rotación y genera energía cinética de rotación.
El movimiento de rotación permite mover sistemas de engranajes que pueden activar sistemas mecánicos como molinos, norias o alternadores. En el caso particular de la generación de energía hidroeléctrica, se requiere un sistema de turbinas y un alternador para generar electricidad.
- Turbinas. La turbina es un eje horizontal o vertical con un sistema de aspas que por la fuerza del agua hacen girar al eje. Existen tres tipos básicos de turbinas hidráulicas:
- Turbina Pelton. Turbina de impulso de alta presión con eje horizontal que trabaja sin estar totalmente sumergida. El rodete lleva una serie de álabes (paletas o dientes) cóncavos impulsados por chorros de agua. Mientras más chorros de agua choquen contra la turbina, genera más potencia. Este tipo de turbina se emplea para saltos de agua de 25 a 200 metros y alcanza una eficiencia de hasta 90%.
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- Turbina Francis. Turbina de reacción de presión media, con un eje vertical y trabaja totalmente sumergida en el agua. El rodete está formado por paletas impulsadas por el agua, conducida a través de un distribuidor. Se puede emplear en saltos de agua de 20 a 200 metros y alcanza una eficiencia de 90%. Es el tipo de turbina utilizado más frecuentemente en las grandes centrales hidroeléctricas del mundo.
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- Turbina Kaplan. Es una variante de la turbina Francis, y al igual que esta, posee un eje vertical, pero el rodete está formado por una serie de palas orientables. La misma es de reacción de alta presión y trabaja totalmente sumergida en agua. La turbina Kaplan se utiliza en saltos de agua de 5 a 20 metros y su eficiencia puede llegar hasta un 95%.
- Alternador. Es un aparato con la capacidad de transformar energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción electromagnética. Se hacen rotar polos magnéticos (inductor) dentro de una bobina con polos alternos de material conductor (por ejemplo, cobre enrollado en hierro dulce). Su funcionamiento se basa en que un conductor sometido por cierto tiempo a un campo magnético variable, genera tensión eléctrica.
Ventajas y desventajas de la energía hidráulica
Ventajas
- Económica. Si bien en el caso de las centrales hidroeléctricas la inversión inicial es alta, a largo plazo es una energía barata debido a su estabilidad y bajo costo de mantenimiento. Además, se deben agregar las compensaciones económicas que proporcionan los embalses con posibilidades para acuicultura, deportes acuáticos y turismo.
- Renovable. Al estar fundamentada en el ciclo del agua, es una fuente de energía renovable y continua. Esto implica que no se agota en el tiempo, a diferencia de la energía proveniente de los combustibles fósiles.
- Alto rendimiento. La energía hidráulica es muy eficiente y con un alto rendimiento, que está entre 90 a 95%.
- No contamina. Este tipo de energía utiliza una fuente natural, como el agua, y no produce residuos ni gases contaminantes. Por tanto, su impacto sobre el medio ambiente es reducido y se considera una forma de energía limpia.
- Presencia de embalses. En los casos en que se construyen embalses para el aprovechamiento de la energía hidroeléctrica, estos presentan una serie de beneficios adicionales: permiten regular el caudal del río y evitan inundaciones, representan un reservorio de agua para consumo humano, riego y uso industrial, y pueden emplearse como zonas de esparcimiento y práctica de deportes acuáticos.
Desventajas
- Dependencia de las precipitaciones. Una limitante es su dependencia del régimen de precipitaciones. Por tanto, en años particularmente secos, el suministro de agua puede disminuir drásticamente y se reduce el nivel del embalse. Cuando el caudal de agua se reduce la generación de energía eléctrica es menor. Por ello, en regiones altamente dependientes de la energía hidroeléctrica se pueden presentar problemas en el suministro.
- Alteración del curso natural del río. La construcción de una presa en un río altera su curso natural, su régimen de crecidas, menguas (disminución del caudal) y el proceso de arrastre de sedimentos. Por tanto, se producen cambios en la biología de plantas y animales acuáticos o ubicados en las cercanías del cuerpo de agua. Por otra parte, la retención de sedimentos en la presa altera la formación de deltas en la desembocadura de los ríos y cambia las condiciones del suelo.
- Peligro de ruptura de la presa. Debido al gran volumen de agua almacenada en algunas presas hidroeléctricas, una ruptura del muro de contención o laderas cercanas puede producir accidentes graves.
- Impacto ambiental. Aunque la energía hidráulica no es contaminante, su construcción sí lo es, sin mencionar los perjuicios a miles de personas cuyas tierras son inundadas. Además, los espejos de agua aumentan la radiación solar.
Usos de la energía hidráulica
- Norias y bombas de agua. La rotación de una rueda impulsada por la energía cinética del agua permite llevar agua de un pozo poco profundo o de un cauce a un canal o depósito elevado. Igualmente, la energía mecánica generada por la rueda puede hacer funcionar una bomba hidráulica. El modelo más sencillo es una rueda con aspas con cuencos que van recogiendo el agua al mismo tiempo que son impulsados por la corriente. Luego, en su rotación van dejando caer el agua en un depósito o canal.
- Molinos. Desde hace miles de años, los pueblos antiguos emplearon la energía hidráulica para mover molinos a fin de moler cereales. El giro de la rueda impulsada por la corriente de agua activa engranajes que hacen girar la piedra de molino.
- Forjas. Otra aplicación antigua es su uso para activar el fuelle de la forja en los trabajos de herrería y metalurgia.
- Fractura hidráulica. En minería y petróleo se emplea la energía cinética del agua para erosionar roca, fracturarla y facilitar la extracción de diversos minerales. Para esto se usan gigantescos cañones de agua a presión que golpean el sustrato hasta erosionarlo. Esta técnica, fracking, destruye el suelo y es altamente contaminante de los cursos de agua.
- Centrales hidroeléctricas. El uso moderno más común es para hacer funcionar centrales generadoras de energía eléctrica, las llamadas centrales hidroeléctricas.
Ejemplos de centrales de energía hidráulica
- Las Tres Gargantas. La hidroeléctrica de Las Tres Gargantas está ubicada en la provincia de Hubei, en China, en el curso del río Yangtsé. Comenzó a construirse en 1994 y se finalizó en 2010, alcanzando un área inundada de 1.045 km² y una capacidad instalada de 22.500 MW (megavatios). La planta incluye 34 turbinas Francis (32 de 700 MW y dos de 50 MW) con una producción anual de energía eléctrica de 80,8 GWh. Es la mayor central hidroeléctrica del mundo en cuanto a estructura y potencia instalada. La presa Las Tres Gargantas ha logrado controlar las inundaciones periódicas del río, que llegaron a causar graves perjuicios a la población. Asimismo, garantiza el suministro eléctrico de la región. Sin embargo, su construcción tuvo algunas consecuencias negativas, como el desplazamiento de alrededor de 2 millones de personas. Además, contribuyó a la extinción del delfín de río chino o baiji (Lipotes vexillifer) que se encontraba en peligro crítico.
- Itaipú. La hidroeléctrica de Itaipú está ubicada en la frontera entre Brasil y Paraguay, en el curso del río Paraná. Su construcción se inició en 1970 y finalizó en tres etapas, en 1984, 1991 y 2003. El área inundada de la represa es de 1.350 km² y tiene una capacidad instalada de 14.000 MW. La planta incluye 20 turbinas Francis de 700 MW cada una y tiene una producción anual de energía eléctrica de 94,7 GWh. Itaipú es considerada la mayor central hidroeléctrica del mundo en cuanto a producción de energía. La misma aporta el 16% de la energía eléctrica consumida en Brasil y 76% de Paraguay. En cuanto a sus impactos negativos, esta represa afectó la ecología de las islas y el delta del río Paraná.
- Simón Bolívar (Guri). La hidroeléctrica Simón Bolívar, también conocida como represa del Guri, está ubicada en Venezuela, sobre el curso del río Caroní. La represa comenzó a construirse en 1957, finalizó una primera etapa en 1978 y se concluyó en 1986. Tiene un área inundada de 4.250 km² y una capacidad instalada de 10.200 MW. Su planta incluye 21 turbinas Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW y una de 340 MW). La producción anual es de 46 GWh y es considerada la tercera central hidroeléctrica más grande del mundo en cuanto a estructura y potencia instalada. Proporciona el 80% de la energía eléctrica que consume Venezuela y una parte es vendida a Brasil. Durante la construcción de esta central hidroeléctrica se inundaron grandes extensiones de ecosistemas de la Guayana venezolana, una región con una alta biodiversidad. Hoy en día, debido a la profunda crisis económica de Venezuela, la capacidad de producción de esta central se ha visto reducida de forma significativa.
Referencias
- Hadzich, M. Energía hidráulica. Curso de capacitación técnica Grupo PUCP. Tecnologías para casas y hoteles ecológicos. Pontificia Universidad Católica del Perú.
- Raabe. J. Hydro power. The design, use, and function of hydromechanical, hydraulic and electrical equipment.
- Sandoval Erazo, W. Conceptos Básicos de Centrales Hidroeléctricas. Recuperado de researchgate.net.
- Stickler, C.M., Coe, M.T., Costa, M.H., Nepstad, D.C., McGrath, D.G., Dias, L.C.P., Rodrigues, H.O. and Soares Filho, B.S. Dependence of hydropower energy generation on forests in the Amazon Basin at local and regional scales. Proceedings of the National Academy of Sciences.
- Soria, E. Hidráulica. Energías renovables para todos. IBERDROLA.