Energía Hidroeléctrica

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Energía Hidroeléctrica
Introducción
Así como la mayoría de las energías renovables, la energía
proveniente del movimiento del agua (HIDROELÉCTRICA) es
un recurso indirecto de la energía solar.
Siendo la segunda fuente de energía renovable mas importante
en el mundo.
Las Hidroeléctricas Galloway
Este proyecto hidroeléctrico fue el mas importante de su tiempo
y el primero en considerar los aspectos ambientales.
Puesta en operación en 1935 cuenta con 6 plantas generadoras y
3 represas importantes para el
almacenamiento de agua.
Loch Doom
Clatteringshaws Loch
Loch Ken
NOTA: La primera central hidroeléctrica
se construyó en 1880 en Northumberland,
Gran Bretaña.
Potencia en las Hidroeléctricas Galloway
Las características esenciales de una planta de hidroeléctrica para su potencia, son
básicamente 2:
– La Altura Efectiva(H)
– Flojo Volumétrico (Q)
Donde podremos cerciorarnos posteriormente que la potencia de salida de una planta
hidroeléctrica es aproximadamente:
El Problema Ambiental
El principal problema ambiental que
surgió para poder aprobar el proyecto
fue el efecto que tendría en el salmón
al no poder llegar a la región de
desove, debido a las represas que se
colocarían. Esto fue solucionado con
la fabricación de estanques tipo
escaleras para peces con un flujo
constante de agua, estas en 4 de las
represas fabricadas.
Aspectos Económicos
Desde el principio, la demanda y consecuentemente el
rendimiento económico superó las expectativas y sólo en
unos pocos años de grave sequía hizo caer la producción
por debajo del nivel previsto. Este sigue siendo el caso
hoy en día. Después de casi 70 años las cinco plantas
originales siguen generando de energía, uniéndose en
1984 para una producción de 2 MW la planta de la válvula de
Drumjohn. Todo el esquema es operado por los ingenieros en
Glenlee, la única planta con generación permanente. Los
costos de construcción originales del campo pagado hace
muchos años.
Recursos Hidroeléctricos
"Los recursos" para la hidroelectricidad así como para los otros recursos
renovables de energía, no es una cantidad finita almacenada, sino un flujo
potencialmente aprovechable durante el año, en este caso, la energía que es
disponibles para conversión en energía eléctrica es cuando la lluvia (o nieve)
cae en la tierra alta. Como en la mayoría de los casos esta energía se convierte
en electricidad es comúnmente expresada en kWh o TWh por año.
Ciclo del Agua
Una característica importante es que casi una
cuarta parte de la energía que llega a la Tierra
por parte del sol (1.5 mil millones de TWh) es
aprovechada para la evaporación de aguan en la
tierra por año. Se podría pensar que de esta
manera se cuenta con un gran reservorio de
energía térmica en el vapor de agua que se
encuentra en la atmosfera.
NOTA: Solo el 0.06 de la energía es retenida
por la precipitación que cae en las colinas y
montañas (22,500 millones de TWh).
Capacidad Mundial y Producción
La capacidad mundial instalada a gran escala de energía hidroeléctrica ha aumentado cada año
durante más de un siglo, y en 2002 había alcanzado alrededor de 740 GW. La contribución de
pequeñas centrales hidroeléctricas es muy incierto, pero puede aumentar el total de 5-10%
(como veremos mas adelante). Durante las últimas décadas, la producción anual de las grandes
centrales hidroeléctricas se ha incrementado notablemente y de una manera constante, con un
incremento medio anual de alrededor de 50 TWh (Figura5.4).
Recordando que:
1 TOE= 41.868.000.000 J
Ó
11.630 kWh
A continuación se muestran algunos de los
países en los que su producción hidroeléctrica
es de gran importancia en sus propias
necesidades energéticas.
Entre 1999 y 2002 Noruega obtuvo casi toda
su electricidad de fuentes hídricas, Brasil el
80%, y Canadá y Suecia, aproximadamente la
mitad.
Un Poco de Historia
El agua en movimiento es una de las primeras
fuentes de energía que fue aprovechada para
reducir la carga de trabajo de personas y
animales. Nadie sabe exactamente cuando el
molino de agua fue inventado, pero los
sistemas de riego existentes por lo menos
hace 5000 años y parece probable que la
primera maquina hidráulica agua era la noria,
un sistema de bombeo para la elevación de
agua para el fin de la irrigación de tierras. Este
dispositivo parece haber evolucionado seis
siglos antes del nacimiento de Cristo, tal vez
de manera independiente en diferentes
regiones del Medio y Lejano Oriente.
Los primeros molinos de agua fueron
conocidos como molinos Nórdicos o
Griegos, los cuales eran molinos de eje
Vertical encargados principalmente de
moler maíz. Estos molinos aparecieron
en el primer o segundo siglo Antes de
Cristo en el Este medio.
En los siglos siguientes, cada vez más
sofisticados molinos de agua fueron
construidos durante el Imperio
Romano y más allá de sus fronteras
en el Medio Oriente y Europa del
Norte.
A finales del siglo XIIX se percibía un mal futuro para los molinos de agua. La máquina
de vapor a carbón se estaba surgiendo, y el molino de agua se está convirtiendo
rápidamente en obsoleto. Un siglo después el panorama era completamente
diferente: el mundo ya tenía una industria eléctrica y un cuarto de su capacidad de
generación era de accionamiento hidráulico.
El crecimiento de la industria de la
energía fue el resultado de una
notable serie de descubrimientos
científicos y avances en la de
electro-tecnilogia durante el siglo
XIX, pero los cambios significativos
en lo que hoy podríamos llamar
hidro tecnología también jugaron
su papel. En 1832, el año del
descubrimiento de Faraday de la
inducción electromagnética, un
joven ingeniero francés patentado
un nuevo y más eficiente del agua
de la rueda. Su nombre era Benoit
Fourneyron y su dispositivo fue la
primera turbina de agua.
Las pruebas demostraron que la turbina de Fourneyron convierte hasta en un
80% de la energía del agua en la potencia mecánica útil, una eficacia sin
igualada sólo por las mejores ruedas del esperado. El rotor también podría
girar mucho más rápido, una ventaja en la conducción de "modernas“
máquinas. El primer par de estas turbinas a utilizar, se instalaron en 1837 en
la pequeña ciudad de San Blasien en el Gran Ducado de Baden (ahora parte
del sur de Alemania).
Medio siglo de desarrollo se
necesito después del
descubrimientos Faraday
para que se crearan las
centrales eléctricas a gran
escala. Godalming, en
Surrey, Reino Unido, puede
reclamar el mundo de la
primera entrega pública de
electricidad, inaugurado en
1881 y la fuente de
alimentación de esta
tecnología más moderna fue
un tradicional molino de
agua.
Tipos de plantas Hidroeléctricas
Hoy en día el rango de capacidad de las centrales hidroeléctricas
va desde unos pocos cientos de watts a los más de 10 000 MW,
un factor de unos cientos de millones de dólares entre los más
pequeños y los más grandes. Podemos clasificar las instalaciones
de diferentes maneras:
■ Por la altura efectiva de agua.
■ Por la capacidad (la potencia nominal de salida).
■ Por el tipo de turbina usada.
■ Por la ubicación y el tipo de presa, embalse, etc.
Cabezal(altura de descarga) Bajo,
Medio y Alto
Dos plantas hidroeléctricas con la misma potencia pueden ser muy diferentes: una con
un volumen relativamente bajo en un depósito en la montaña (alta velocidad en el
agua) y el caudal inmenso de un río que se mueve lentamente. Por lo tanto sitios, y las
instalaciones hidroeléctricas correspondientes, pueden ser clasificados como de bajo,
medio o alto de cabezal (altura de descarga). Los límites entre estas clasificaciones no
son claros, pero un cabezal alto por lo general implica una altura de descarga de más
de 100 metros, mientras que un cabezal bajo: menos de 10 metros.
La Turbina Francis
Hoy en día las turbinas vienen en una variedad de formas. También
varían considerablemente en tamaño, con diámetros que van desde
tan sólo un tercio de metro a unas 6 metros.
Turbinas Francis son en gran medida el tipo más común en el actual medio o
plantas a gran escala. Se utilizan en instalaciones donde la cabeza es de sólo
dos metros o tan alto como 300. Estas son las turbinas de radialflow, y
aunque el flujo de agua es hacia adentro, hacia el centro en lugar del flujo de
salida de la turbina Fourneyron, el principio sigue siendo el mismo.
La acción de la Turbina
Normalmente la turbina Francis está completamente sumergida, pero puede funcionar
igual de bien con su eje horizontal que vertical. En las turbinas de mediano o alto
cabezal, el flujo se canaliza a
través de un caso de
desplazamiento (también
llamada la voluta) un tubo
curvo de la disminución de
tamaño más bien como una
concha de caracol, con los
álabes establecido en su
superficie interna. Dirigida
por los álabes de guía, el
agua fluye en dirección al
corredor. Las formas de las
palas y álabes y la velocidad
del agua son fundamentales
en la producción de energía
que nos proporcione una alta
eficiencia.
La Turbina de Hélices
En las turbinas de "hélices" o turbinas de flujo axial, el área por donde el agua entra
es tan grande como se pueda. Las turbinas de flujo axial están adecuadas para
caudales muy grandes y se han convertido habitualmente en el que la represas de
solo unos metros.
Estas tienen la ventaja
sobre las turbinas de
flujo radial que es
técnicamente más
sencilla de mejorar la
eficiencia mediante la
variación del ángulo
de las palas cuando
cambia la demanda de
energía. Turbinas de
flujo axial con esta
característica se
llaman turbinas
Kaplan.
La Turbina(rueda) Pelton
Para los sitios con un cabezal alto, con una altura de descarga por
encima de 250 metros o menos (o más baja para sistemas de pequeña
escala) la turbina Pelton es la preferida. Se desarrolló durante los días
de fiebre del oro de finales del siglo XIX en California, fue patentado
por Lester Pelton en 1880, y es completamente diferente de los tipos
descritos anteriormente.
Estación hidroeléctrica Finlarig, en las orillas del Loch Tay, Escocia obtiene su agua de Loch na Lairige en un
salto bruto de 415 metros. Su producción anual promedio es de 64 millones de kWh. Izquierda: la central, la
derecha: la original de dos birreactores turbinas Pelton de eje horizontal de 30 MW.
Se trata esencialmente de una rueda con un juego de tazas doble montadas
alrededor del borde de la turbina. Un chorro de alta velocidad del agua,
formado por la presión de la altura del nivel del agua en lo alto, toca la
división entre cada par de tazas a su vez. El agua pasa a la vuelta de la curva
de los tazones, y en las mejores condiciones ofrece casi toda su energía
cinética. El poder puede ser variada por el ajuste del tamaño de chorro para
cambiar el gasto o flujo volumétrico.
Turbina de Flujo Cruzado Turgo
Una variante de la rueda Pelton es la turbina Turgo, desarrollada en la
década de 1920. Las tazas doble son sustituidos por tazas individuales,
más superficial, con el agua que entra por un lado y sale por el otro. El
agua entra en forma de chorro, golpeando las tazas a su vez. Sin
embargo, su capacidad para manejar un mayor volumen de agua que
una rueda Pelton del mismo diámetro es lo que le da una ventaja para
la generación de energía en una altura de nivel medio.
Energía hidroeléctrica a pequeña
escala
Una de las característica importante, es que no se tiene una definición exacta de una
planta hidroeléctrica de pequeña escala, debido a que una capacidad menor a 10
MW es considerado en Suiza como pequeña escala, pero el Reino Unido, se pone un
limite de 5 MW y en los EE.UU.
a una potencia de 30 MW,
suficiente para una ciudad
pequeña. En las plantas
hidroeléctricas de pequeña
escala también se pueden
clasificar por la carga disponible,
Muchas plantas de SSH (smallscale hidroelectricity) se instalan
en ríos o arroyos, con cabezales
de carga de sólo unos pocos
metros, ya que 10 metros puede
ser considerados como "cabezal
de descarga alto“.
Los datos de la producción de energía hidroeléctrica en pequeña
escala a nivel mundial está en aumento. ¿Qué tan rápido aumenta? No
es fácil de calcular con precisión. Hay muchas plantas pequeñas de
propiedad privada, y muchas en zonas remotas o en países cuyos datos
no son confiables o no están disponibles. En una encuesta del Consejo
Mundial de Energía informa de un capacidad instalada de las SSH (<10
MW) de una capacidad total de 18 GW en 38 países a finales de 1999.
Entre ellos los principales contribuyentes en las Américas y Europa. Las
estimaciones de la tasa mundial de la capacidad SSH van en aumento y
tienden a situarse entre 1 y GW al año. Tomando la cifra más baja, y
suponiendo un factor de carga promedio de 35% sugiere una
producción anual de unos 150 TWh, alrededor del 6% del total de la
producción hidráulica, o 1% de la generación mundial de electricidad.
Las SSH en China
Alrededor de 300 millones de personas en China obtienen su
electricidad a partir de SSH (que se define allí como plantas con una
capacidad menor a 25 MW). Un programa intensivo de electrificación
local en las últimas décadas ha dado lugar a una capacidad total
instalada a principios de 2002 de más de 26 GW. China clasifica como
micro (<100 kW), mini (100-500 kW) y pequeñas centrales (0.5-25
MW). De las 43 000 plantas, aproximadamente el 90% son micro o
pequeño, en números casi iguales, pero las tres cuartas partes de la
producción proviene de el 10% restante, los "pequeños" instalaciones.
Esto es motivo de preocupación, como los efectos ambientales de una
instalación de 25 MW (más grande que todas menos una de las plantas
de Galloway) Pueden tener más en común con los de las grandes
centrales hidroeléctricas que con una planta pequeña de 250 kW.
Las SSH en UK
A finales de 2002, el total de operaciones a pequeña escala de la
capacidad hidroeléctrica en el Reino Unido fue de 70 MW, con una
producción anual de alrededor de 200 GWh. Para poner esto en
contexto, podemos observar que representa aproximadamente el
4% del total de la energía hidroeléctrica del Reino Unido, el 3% de la
electricidad "renovable“.
Un examen detallado, se llevó a cabo por la Universidad de Salford en
1987 a 1988 para evaluar el recurso del Reino Unido para SSH.
Abarcaba unos 1.300 sitios con potencial de producción en el rango
de 25 kW-5MW. En supuestos poco optimista acerca de los costos y
el factor de carga, la conclusión era que el potencial total en el
precio entonces arancelarias y la tasa esperada de retorno sobre el
capital estaba a punto 1300GWh un año a partir de una capacidad
de 320MW.
Las SSH en el resto del mundo
El principal país de fuera de China en 2002 fue Japón, con
alrededor de 3,5 GW de capacidad operativa, seguido por
Austria, Francia, Italia y EE.UU., cada uno más de 2 GW, y Brasil,
Noruega y España, más de 1 GW. En la mayoría de los contextos,
SSH sigue siendo más cara que la electricidad procedente de
fuentes convencionales, pero se afirma que las mejoras técnicas
son que los costes a un nivel que en los lugares adecuados
estos sistemas son competitivos con otras opciones (IEA, 2003).
Sin embargo, en muchos países europeos, la inversión en
electricidad de fuentes renovables en la última década se ha
centrado en la energía eólica y energía Solar fotovoltaica en vez
de pequeña escala de energía hidroeléctrica.
A finales de 2002, el total de operaciones a pequeña escala de
la capacidad hidroeléctrica en el Reino Unido fue de 70 MW,
con una producción anual de alrededor de 200 GWh. Para
poner esto en contexto, podemos observar que representa
aproximadamente el 4% del total de la energía hidroeléctrica
del Reino Unido, el 3% de la electricidad "nuevas renovables“.
Un examen detallado, se llevó a cabo por la Universidad de
Salford en 1987 a 88 para evaluar el recurso del Reino Unido
SSH. Abarcaba unos 1.300 sitios con potencial de producción
en el rango de 25 kW-5MW. En una visión poco optimista
acerca de los costos y el factor de carga era que el potencial
total en el precio entonces arancelarias y la tasa esperada de
retorno sobre el capital estaba a punto 1300GWh un año a
partir de una capacidad de 320MW.
Consideraciones Ambientales
Los impactos ambientales de un proyecto hidroeléctrico debe ser analizado a
fondo, ya que, después de que se haya completado, son esencialmente
irreversible.
Dorf, 1978
El daño ecológico por unidad de energía producida es probablemente mayor
de la energía hidroeléctrica que para cualquier otra fuente de energía.
CONAES, 1979
... El desarrollo de energía hidroeléctrica puede planificar cuidadosamente, y
no, hacer una gran contribución a la mejora de la fiabilidad del sistema
eléctrico y la estabilidad en todo el mundo. [Se] va a jugar un papel importante
en la mejora de la calidad de vida en el mundo en desarrollo, [y] hacer una
contribución sustancial a la prevención de las emisiones de gases de efecto
invernadero y las cuestiones relativas al cambio climático. WEC, 2003a
Nos convendría empezar por una breve exposición de los
beneficios ambientales de la hidroelectricidad en
comparación con otros tipos de centrales eléctricas. Que
no libera cantidades de CO2 ni óxidos de azufre y nitrógeno
que conducen a la lluvia ácida. No produce partículas o
compuestos químicos como las dioxinas que son directamente
perjudiciales para la salud humana. No emite radioactividad.
Las presas pueden colapsar, pero no causará grandes
explosiones o incendios. Por otra parte, la planta
hidroeléctrica se asocia a menudo con efectos positivos sobre
el medio ambiente, tales como control de inundaciones o de
riego, y en algunos casos, su desarrollo lleva a un
equipamiento valorado o incluso una mejora visual al paisaje.
Sin embargo, durante el siglo XX, la construcción de grandes
represas ha provocado el desplazamiento de muchos
millones de personas de sus hogares y la rotura de diques
han matado a muchos miles. Vamos a considerar estos y
otros efectos nocivos en tres apartados:
■ Efectos hidrológicos (flujos de agua subterránea),
el abastecimiento de agua, riego, etc
■ Otros efectos de las grandes presas y embalses
■ Efectos sociales.
Efectos hidrológicos
Desvío parcial de un río en un canal, un arroyo de montaña o en un tubo,
puede tener un efecto marcado sobre el medio ambiente. Y la evaporación de
la superficie expuesta de un gran embalse puede reducir considerablemente
el suministro de agua disponible.
Presas y embalses
Cualquier estructura de la escala de una represa hidroeléctrica importante
afectará a su entorno de muchas maneras. El proceso de construcción en sí
puede causar una perturbación generalizada, y aunque el período de
construcción puede ser sólo unos pocos años, el efecto sobre un ecosistema
frágil puede ser de larga duración. A largo plazo, un gran depósito está
obligado a traer cambios significativos en el medio ambiente. Si estos son
considerados como catastróficos, beneficiosos o neutros dependerá de la
situación (en el sentido geográfico y biológico) y por supuesto en los puntos
de vista e intereses de los afectados. Una encuesta reciente, informa que el
"propósito principal o beneficio 'del 35% de las presas en los EE.UU. Es'
diversión ", ´mientras que la generación de energía hidroeléctrica sólo el 2% .
Efectos Sociales
Las presas de Asuán y Kariba implicó la reubicación de alrededor
de 80 000 y 60 000 personas, respectivamente, mientras que el
agua que se levanta detrás de la presa de las Tres Gargantas
se sumergirá unos
100 pueblos y
desplazar a más de un
millón de personas.
Se estima que
durante la segunda
mitad del siglo XX,
unos 10 millones de
personas fueron
desplazadas por los
embalses en China.
Energía hidroeléctrica en México
A los hidrocarburos les siguió en importancia la producción de energías
renovables, contribuyendo con 6.2% de la energía primaria. La
hidroenergía aportó 15.7% de la producción de renovables, 5.2 puntos
porcentuales menor a la participación de 2008. Mientas que la
principal energía renovable esta representada por la biomasa
tradicional (leña) con un 42.9%.

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