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.

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.

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.

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

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) 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 (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 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%.