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 GallowayEste proyecto hidroeléctrico fue el mas importante de su tiempoy el primero en considerar los aspectos ambientales.Puesta en operación en 1935 cuenta con 6 plantas generadoras y3 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 GallowayLas características esenciales de una planta de hidroeléctrica para su potencia, sonbásicamente 2:

– La Altura Efectiva(H)– Flojo Volumétrico (Q)

Donde podremos cerciorarnos posteriormente que la potencia de salida de una plantahidroeléctrica es aproximadamente:

El Problema Ambiental

El principal problema ambiental que surgió para poder aprobar el proyectofue el efecto que tendría en el salmón al no poder llegar a la región dedesove, debido a las represas que secolocarían. Esto fue solucionado conla fabricación de estanques tipoescaleras para peces con un flujoconstante de agua, estas en 4 de lasrepresas fabricadas.

Aspectos EconómicosDesde el principio, la demanda y consecuentemente el

rendimiento económico superó las expectativas y sólo enunos pocos años de grave sequía hizo caer la producciónpor debajo del nivel previsto. Este sigue siendo el casohoy en día. Después de casi 70 años las cinco plantas

originales siguen generando de energía, uniéndose en1984 para una producción de 2 MW la planta de la válvula deDrumjohn. Todo el esquema es operado por los ingenieros en

Glenlee, la única planta con generación permanente. Loscostos de construcción originales del campo pagado hace

muchos años.

Recursos Hidroeléctricos"Los recursos" para la hidroelectricidad así como para los otros recursosrenovables de energía, no es una cantidad finita almacenada, sino un flujopotencialmente aprovechable durante el año, en este caso, la energía que esdisponibles 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 convierteen electricidad es comúnmente expresada en kWh o TWh por año.

Ciclo del Agua

Una característica importante es que casi unacuarta parte de la energía que llega a la Tierrapor parte del sol (1.5 mil millones de TWh) es

aprovechada para la evaporación de aguan en latierra por año. Se podría pensar que de estamanera se cuenta con un gran reservorio deenergía 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 ProducciónLa capacidad mundial instalada a gran escala de energía hidroeléctrica ha aumentado cada añodurante más de un siglo, y en 2002 había alcanzado alrededor de 740 GW. La contribución depequeñas 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 grandescentrales hidroeléctricas se ha incrementado notablemente y de una manera constante, con unincremento medio anual de alrededor de 50 TWh (Figura5.4).

Recordando que:1 TOE= 41.868.000.000 J

Ó11.630 kWh

A continuación se muestran algunos de lospaíses en los que su producción hidroeléctricaes de gran importancia en sus propiasnecesidades energéticas.Entre 1999 y 2002 Noruega obtuvo casi todasu electricidad de fuentes hídricas, Brasil el80%, y Canadá y Suecia, aproximadamente lamitad.

Un Poco de HistoriaEl agua en movimiento es una de las primerasfuentes de energía que fue aprovechada parareducir la carga de trabajo de personas yanimales. Nadie sabe exactamente cuando elmolino de agua fue inventado, pero lossistemas de riego existentes por lo menoshace 5000 años y parece probable que laprimera maquina hidráulica agua era la noria,un sistema de bombeo para la elevación deagua para el fin de la irrigación de tierras. Estedispositivo parece haber evolucionado seissiglos antes del nacimiento de Cristo, tal vezde manera independiente en diferentesregiones del Medio y Lejano Oriente.

En los siglos siguientes, cada vez mássofisticados molinos de agua fueron

construidos durante el ImperioRomano y más allá de sus fronteras

en el Medio Oriente y Europa del Norte.

Los primeros molinos de agua fueronconocidos como molinos Nórdicos o

Griegos, los cuales eran molinos de ejeVertical encargados principalmente demoler maíz. Estos molinos aparecieron en el primer o segundo siglo Antes de

Cristo en el Este medio.

A finales del siglo XIIX se percibía un mal futuro para los molinos de agua. La máquinade vapor a carbón se estaba surgiendo, y el molino de agua se está convirtiendorápidamente en obsoleto. Un siglo después el panorama era completamentediferente: el mundo ya tenía una industria eléctrica y un cuarto de su capacidad degeneración 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 lainducción 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 un80% de la energía del agua en la potencia mecánica útil, una eficacia sinigualada sólo por las mejores ruedas del esperado. El rotor también podríagirar mucho más rápido, una ventaja en la conducción de "modernas“máquinas. El primer par de estas turbinas a utilizar, se instalaron en 1837 enla pequeña ciudad de San Blasien en el Gran Ducado de Baden (ahora partedel sur de Alemania).Medio siglo de desarrollo se necesito después del descubrimientos Faradaypara que se crearan las centrales eléctricas a gran escala. Godalming, enSurrey, 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 HidroeléctricasHoy en día el rango de capacidad de las centrales hidroeléctricasva desde unos pocos cientos de watts a los más de 10 000 MW,un factor de unos cientos de millones de dólares entre los máspequeños y los más grandes. Podemos clasificar las instalacionesde 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 conun volumen relativamente bajo en un depósito en la montaña (alta velocidad en elagua) y el caudal inmenso de un río que se mueve lentamente. Por lo tanto sitios, y lasinstalaciones hidroeléctricas correspondientes, pueden ser clasificados como de bajo,medio o alto de cabezal (altura de descarga). Los límites entre estas clasificaciones noson claros, pero un cabezal alto por lo general implica una altura de descarga de másde 100 metros, mientras que un cabezal bajo: menos de 10 metros.

La Turbina FrancisHoy en día las turbinas vienen en una variedad de formas. Tambiénvarían considerablemente en tamaño, con diámetros que van desdetan sólo un tercio de metro a unas 6 metros.

Turbinas Francis son en gran medida el tipo más común en el actual medio oplantas a gran escala. Se utilizan en instalaciones donde la cabeza es de sólodos metros o tan alto como 300. Estas son las turbinas de radialflow, yaunque el flujo de agua es hacia adentro, hacia el centro en lugar del flujo desalida de la turbina Fourneyron, el principio sigue siendo el mismo.

La acción de la Turbina Normalmente la turbina Francis está completamente sumergida, pero puede funcionarigual de bien con su eje horizontal que vertical. En las turbinas de mediano o altocabezal, 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

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.

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.

La Turbina(rueda) PeltonPara los sitios con un cabezal alto, con una altura de descarga porencima de 250 metros o menos (o más baja para sistemas de pequeñaescala) la turbina Pelton es la preferida. Se desarrolló durante los díasde fiebre del oro de finales del siglo XIX en California, fue patentadopor Lester Pelton en 1880, y es completamente diferente de los tiposdescritos 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 montadasalrededor 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 ladivisión entre cada par de tazas a su vez. El agua pasa a la vuelta de la curvade los tazones, y en las mejores condiciones ofrece casi toda su energíacinética. El poder puede ser variada por el ajuste del tamaño de chorro paracambiar el gasto o flujo volumétrico.

Turbina de Flujo Cruzado TurgoUna variante de la rueda Pelton es la turbina Turgo, desarrollada en ladécada 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. Elagua entra en forma de chorro, golpeando las tazas a su vez. Sinembargo, su capacidad para manejar un mayor volumen de agua queuna rueda Pelton del mismo diámetro es lo que le da una ventaja parala 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 unaplanta hidroeléctrica de pequeña escala, debido a que una capacidad menor a 10MW es considerado en Suiza como pequeña escala, pero el Reino Unido, se pone unlimite 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 (small-scale 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 pequeñaescala a nivel mundial está en aumento. ¿Qué tan rápido aumenta? Noes fácil de calcular con precisión. Hay muchas plantas pequeñas depropiedad privada, y muchas en zonas remotas o en países cuyos datosno son confiables o no están disponibles. En una encuesta del ConsejoMundial de Energía informa de un capacidad instalada de las SSH (<10MW) de una capacidad total de 18 GW en 38 países a finales de 1999.Entre ellos los principales contribuyentes en las Américas y Europa. Lasestimaciones de la tasa mundial de la capacidad SSH van en aumento ytienden a situarse entre 1 y GW al año. Tomando la cifra más baja, ysuponiendo un factor de carga promedio de 35% sugiere unaproducción anual de unos 150 TWh, alrededor del 6% del total de laproducción hidráulica, o 1% de la generación mundial de electricidad.

Las SSH en ChinaAlrededor de 300 millones de personas en China obtienen su

electricidad a partir de SSH (que se define allí como plantas con unacapacidad menor a 25 MW). Un programa intensivo de electrificación

local en las últimas décadas ha dado lugar a una capacidad totalinstalada a principios de 2002 de más de 26 GW. China clasifica como

micro (<100 kW), mini (100-500 kW) y pequeñas centrales (0.5-25MW). De las 43 000 plantas, aproximadamente el 90% son micro opequeño, 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 unainstalación de 25 MW (más grande que todas menos una de las plantas

de Galloway) Pueden tener más en común con los de las grandescentrales hidroeléctricas que con una planta pequeña de 250 kW.

Las SSH en UKA 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 mundoEl principal país de fuera de China en 2002 fue Japón, conalrededor 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 defuentes convencionales, pero se afirma que las mejoras técnicas

son que los costes a un nivel que en los lugares adecuadosestos sistemas son competitivos con otras opciones (IEA, 2003).

Sin embargo, en muchos países europeos, la inversión enelectricidad de fuentes renovables en la última década se ha

centrado en la energía eólica y energía Solar fotovoltaica en vezde pequeña escala de energía hidroeléctrica.

A finales de 2002, el total de operaciones a pequeña escala dela capacidad hidroeléctrica en el Reino Unido fue de 70 MW,

con una producción anual de alrededor de 200 GWh. Paraponer esto en contexto, podemos observar que representa

aproximadamente el 4% del total de la energía hidroeléctricadel Reino Unido, el 3% de la electricidad "nuevas renovables“.

Un examen detallado, se llevó a cabo por la Universidad deSalford en 1987 a 88 para evaluar el recurso del Reino UnidoSSH. Abarcaba unos 1.300 sitios con potencial de producción

en el rango de 25 kW-5MW. En una visión poco optimistaacerca de los costos y el factor de carga era que el potencialtotal en el precio entonces arancelarias y la tasa esperada deretorno sobre el capital estaba a punto 1300GWh un año a

partir de una capacidad de 320MW.

Consideraciones AmbientalesLos impactos ambientales de un proyecto hidroeléctrico debe ser analizado afondo, ya que, después de que se haya completado, son esencialmenteirreversible.

Dorf, 1978El daño ecológico por unidad de energía producida es probablemente mayorde la energía hidroeléctrica que para cualquier otra fuente de energía.

CONAES, 1979... El desarrollo de energía hidroeléctrica puede planificar cuidadosamente, yno, hacer una gran contribución a la mejora de la fiabilidad del sistemaeléctrico y la estabilidad en todo el mundo. [Se] va a jugar un papel importanteen la mejora de la calidad de vida en el mundo en desarrollo, [y] hacer unacontribución sustancial a la prevención de las emisiones de gases de efectoinvernadero y las cuestiones relativas al cambio climático. WEC, 2003a

Nos convendría empezar por una breve exposición de losbeneficios ambientales de la hidroelectricidad en

comparación con otros tipos de centrales eléctricas. Queno libera cantidades de CO2 ni óxidos de azufre y nitrógeno

que conducen a la lluvia ácida. No produce partículas ocompuestos químicos como las dioxinas que son directamenteperjudiciales para la salud humana. No emite radioactividad.

Las presas pueden colapsar, pero no causará grandesexplosiones o incendios. Por otra parte, la planta

hidroeléctrica se asocia a menudo con efectos positivos sobreel medio ambiente, tales como control de inundaciones o de

riego, y en algunos casos, su desarrollo lleva a unequipamiento valorado o incluso una mejora visual al paisaje.

Sin embargo, durante el siglo XX, la construcción de grandesrepresas ha provocado el desplazamiento de muchosmillones de personas de sus hogares y la rotura de diqueshan matado a muchos miles. Vamos a considerar estos yotros 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 hidrológicosDesvío 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 dela superficie expuesta de un gran embalse puede reducir considerablementeel suministro de agua disponible.

Presas y embalsesCualquier 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 SocialesLas presas de Asuán y Kariba implicó la reubicación de alrededorde 80 000 y 60 000 personas, respectivamente, mientras que elagua que se levanta detrás de la presa de las Tres Gargantasse 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 MéxicoA los hidrocarburos les siguió en importancia la producción de energíasrenovables, contribuyendo con 6.2% de la energía primaria. Lahidroenergía aportó 15.7% de la producción de renovables, 5.2 puntosporcentuales menor a la participación de 2008. Mientas que laprincipal energía renovable esta representada por la biomasatradicional (leña) con un 42.9%.