Energía hidráulica
| ||||||
Energía hidráulica. La Energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética que finalmente, se transforma en energía eléctrica.
Sumario
- 1 Naturaleza e Hidroenergía
- 2 Reseña histórica
- 3 Principio de funcionamiento
- 4 Bomba de soga
- 5 Bicibomba
- 6 Ariete hidráulico
- 7 Cachumbambé hidráulico
- 8 Capacidad instalada en Cuba
- 9 Medio ambiente
- 10 Diferentes forma de generación
- 11 Desarrollo en Cuba
- 12 Expansión creciente
- 13 Curiosidades
- 14 Enlaces externos
- 15 Fuentes
Naturaleza e Hidroenergía
Esta fuente energética tiene su origen en la energía del sol, que provoca el ciclo hidrológico: la evaporación del agua de ríos, lagos y mares; la consiguiente formación de las nubes que se transportan a largas distancias, y su precipitación en forma de lluvia o nieve sobre la superficie terrestre, particularmente sobre las montañas y muchas veces en zonas alejadas del mar.
Por acción de la gravedad el agua busca el nivel de los lagos y mares, lo que propicia la formación de ríos y otros cauces menores. Esos causes pueden formar saltos de agua que permiten el uso de forma natural de la energía hidráulica, que también puede ser aprovechada para la construcción de acueductos por gravedad, en tanto conducto artificial por donde fluye el agua hacia un lugar determinado, especialmente para el abastecimiento de agua a las poblaciones, además del empleo de la energía hidráulica en centrales situadas en caídas naturales de agua, existiendo otras que se basan en los desniveles de presas, canales y lagos.
Reseña histórica
Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo XII.
Durante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico ohn Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.
En los inicios de la Revolución Industrial, es cuando se aprovecha la energía del agua para la producción eléctrica. La creciente industrialización del norte de Europa, provoca una gran demanda de energía que vino a ser suplida, en buena parte, gracias a la hidroelectricidad, ya que la extracción de carbón todavía no era lo suficientemente fuerte, como para cubrir las necesidades industriales.
La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textil y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX.
Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio.
Las presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros. La construcción de grandes presas de contención todavía no era posible; el bajo caudal de agua durante el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX.
En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
A principios de la década de 1990, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Estados Unidos y Canadá, la cual obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento.
Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), República Democrática del Congo (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el Río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 MW y es una de las más grandes.
En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
Principio de funcionamiento
Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad.
El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.
Bomba de soga
La bomba de soga conforma un circuito cerrado entre la fuente de agua y la superficie o nivel deseado, mediante una soga sinfín en la que se disponen pistones de goma u otro material, a intervalos determinados.
La soga asciende por un tubo de subida, pasa por una polea motriz y baja libre hasta la fuente de agua. En la parte inferior se coloca una guía que facilita la entrada de la soga y los pistones en el tubo de subida.
Entre los pistones y el diámetro interior del tubo de subida, generalmente de PVC, existe una holgura mínima para disminuir el desgaste de los pistones y el interior del tubo, el cual es irregular en dimensiones y rugosidad superficial.
Los pistones se mueven en una sola dirección y, cuando llegan arriba, el agua bombeada se desvía hacia el usuario. Al accionar la polea motriz, los pistones que ascienden por dentro de la tubería empujan la columna de agua hacia arriba por su parte superior, y succionan otra columna de agua por debajo.
Existen diferentes modelos de bombas de soga, pero todos tienen el mismo principio de funcionamiento.
Bicibomba
Es un equipo sencillo y puede ser utilizado para el abastecimiento de agua en bases de campismo, centros turísticos, zonas rurales y zonas periurbanas. Es viable su empleo para el abasto de agua potable y para el uso doméstico, el riego a pequeñas parcelas y el abasto a la ganadería, de forma limitada.
La bicibomba funciona de igual forma que una bomba de soga de torre, con la diferencia de que la fuerza motriz no se ejerce con los brazos, sino con las piernas al pedalear y poner en movimiento la llanta. El caudal de agua bombeada depende de la relación de transmisión que se instale, el diámetro del tubo de subida, la altura de bombeo y el diámetro de la llanta. Teniendo en cuenta que el hombre desarrolla más potencia en las piernas que en los brazos (75 W), el accionar de la bicibomba implica menor agotamiento físico y mayor productividad.
Modelo de bicibomba, con una bicicleta construida a partir de tubos galvanizados
Como elemento de referencia puede tenerse en cuenta que a una altura total de bombeo de 6 m, una relación de transmisión de 44/18, una llanta de 26 pulgadas y un tubo de subida de ¾ pulgadas, es posible bombear aproximadamente 2 L/s con sólo 52 W de potencia requerida.
Si se pedalea durante media hora con los parámetros referidos, con la bicibomba se pueden almacenar 3 600 L (3,6 m3) en un tanque ubicado a 3 m de altura, si la fuente de agua se encuentra a 3 m de profundidad.
Teniendo en cuenta que la norma de consumo para las vacas lecheras es de 140 L/día, con las condiciones descritas es posible satisfacer en ese tiempo las necesidades de agua a una vaquería de 25 animales. Inicialmente, se deben tener las mismas precauciones que para la instalación de la bomba de soga. El mantenimiento y la reparación de la bicibomba son parecidos al de la bomba de soga, con la única diferencia de que debe lubricarse con periodicidad el mecanismo de transmisión de la bicicleta.
Ariete hidráulico
El agua procedente de una fuente de alimentación (1) desciende por gravedad por la tubería de alimentación o impulso (2) bajo la acción del desnivel en relación con el ariete hidráulico (H), con un caudal determinado (Q + q), y se derrama al exterior del cuerpo o caja de válvulas (3) del ariete en una cantidad (Q) hasta adquirir una velocidad suficiente para que la presión dinámica cierre la válvula de impulso o ímpetu (4).
El cierre brusco de esta válvula produce el efecto conocido como golpe de ariete, lo cual origina una sobre presión en la tubería de alimentación que provoca la apertura de la válvula de retención (5), que permite el paso del agua hacia el interior de la cámara de aire (6), provoca la compresión del aire existente y cierta cantidad de agua (q) asciende por la tubería de bombeo o descarga (7).
En ese instante se produce una ligera succión en el cuerpo o caja de válvulas que provoca una disminución de la presión, la apertura de la válvula de impulso y el cierre de la válvula de retención. De esta forma se crean las condiciones para que el proceso se convierta en cíclico.
Cachumbambé hidráulico
Jugar y bombear agua pueden convertirse en verbos que provoquen un acercamiento de los niños a los principios de la hidráulica y la cultura energética y ambiental.
El cachumbambé hidráulico resulta tan sencillo y seductor como el regocijo de los niños al verificar que por cada vez que suben y bajan en el tradicional aparato un chorro de agua se eleva por encima de ellos.
Capacidad instalada en Cuba
En Cuba, en las zonas montañosas de las provincias orientales aún se conservan ruinas de asentamientos de colonos que demuestran que ya en el siglo XIX se utilizaba en el país la energía hidráulica para mover despulpadoras de café, y molinos de granos entre otros usos.
El potencial de agua cubano consiste en 37 grandes ríos y 120 embalses, alrededor de 143 billones de m³ de agua, anualmente. En Cuba, 180 plantas hidroeléctricas han sido construidas con el objetivo de aprovechar el potencial energético de los ríos. De ellas, 137 son microhidroeléctricas (hasta 50 KW), 35 minihidroeléctricas (50-500 KW), siete pequeñas centrales hidroeléctricas (PCHE) (500 -5 000 KW) y una central hidroeléctrica en Hanabanilla, en la provincia de Cienfuegos; esta última es actualmente la más grande del país, con una capacidad instalada de 43 MW.
Basado en los estudios desarrollados por el Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, la capacidad total instalada en los ríos cubanos es de 62,3 MW y el promedio anual de producción de energía eléctrica es de 153,6 GWh.
Este potencial está distribuido entre 8 630 viviendas, principalmente en la zona del Plan Turquino - Manatí, beneficiando alrededor de 34 900 personas, 138 escuelas, 78 comunidades, clínicas y otros objetivos económicos y sociales.
Los estudios referentes a la valoración y consecuente utilización de esta fuente energética deberán continuar profundizándose. Ya hoy se conoce de la existencia de un potencial hidroenergético de unos 650 MW, equivalente a más de medio millón de toneladas de petróleo por año.
La potencia instalada en Cuba es de 70 MW y en el 2010 se prevé alcanzar una potencia de 100 MW.
La provincia Granma cuenta con 33 instalaciones que generan electricidad, de ellas 6 conectadas al Sistema Electroenergético Nacional.
Medio ambiente
El carácter renovable de la energía hidráulica, no significa necesariamente que su aprovechamiento implique una acción que propicie el desarrollo sostenible, ya que la construcción de grandes centrales requiere represar mucha cantidad de agua, lo que casi siempre ocasiona un impacto indeseable sobre el balance ecológico de la zona. No obstante las pequeñas, mini y microcentrales que aprovechan pequeños cursos de agua, constituyen una opción satisfactoria, tanto socioeconómica como ambiental.
Son numerosos los lugares aptos para el desarrollo de la energía hidráulica, teniendo también en cuenta que la tipología de los posibles usuarios es muy variada: entes locales, parques naturales, usuarios aislados, núcleos familiares, aldeas, empresas agrícolas y establecimientos de turismo rural, artesanos, empresas industriales, etc.
Un dispositivo hidroeléctrico en pequeña escala bien proporcionado y ubicado, resulta económicamente competitivo respecto a las otras fuentes energéticas renovables y considerando los costes globales reales, también respecto a las fuentes energéticas tradicionales.
Las ventajas asociadas a las microinstalaciones hidroeléctricas, se puede identificar en el aprovechamiento al máximo todos los recursos hídricos disponibles, ya que los lugares de instalación son muy variados y su instalación es muy sencilla y poco costosa, necesitan un limitado recurso hídrico para producir energía eléctrica y la generación de energía se produce cerca del usuario, reduciendo notablemente las pérdidas.
Diferentes forma de generación
- La rueda hidráulica. El agua se encauza por un canelón hasta las cazoletas de la rueda, que se acopla a un generador eléctrico mediante una caja multiplicadora de velocidad.
- El ariete hidráulico es un motor hidráulico que utiliza la energía de una cantidad de agua situada a una altura mayor (desnivel de un ríos, presa u otro depósito o caudal).
- Una central hidroeléctrica es el conjunto de instalaciones que transforma la energía potencial de gravedad del agua en energía eléctrica, mediante generadores accionados por turbinas hidráulicas.
- Las centrales hidroacumuladoras son embalses elevados de agua, dotados de turbinas motoras-generadoras, que sirven para compensar las variaciones de carga en un sistema electroenergético, de manera que los generadores del sistema puedan trabajar siempre a plena capacidad, donde son más eficientes.
- Los sifones hidráulicos constituyen otra de las soluciones renovables, que pueden reportar ahorros de energía en demandas
específicas a pequeña escala. La acción de los sifones se produce por la fuerza de atracción de las moléculas de agua y la gravedad terrestre.
Desarrollo en Cuba
La utilización del agua en Cuba para generar electricidad -que data de principios del siglo XX- recibe un notable aliento al calor del desarrollo de las fuentes renovables de energía.
Cuba cuenta con 180 instalaciones hidrogeneradoras, distribuidas en nueve provincias y 38 municipios, de las cuales 149 prestan servicio de energía eléctrica a ocho mil 629 viviendas que albergan conjuntamente a 34 mil habitantes en zonas rurales y montañosas de difícil acceso.
En Cuba se proyecta construir 220 hidroeléctricas en sus embalses, con el objetivo de explotar parte de un significativo potencial hidroenergético subutilizado, que según cálculos se estima en unos 800 MW. Las nuevas hidroeléctricas se sumarán a las 180 que funcionan en el país (aportan 60 MW). Se estima que el potencial hidráulico permite construir más de mil instalaciones hidroeléctricas, porque existen más de 800 canales y ríos y 800 micropresas.
Desde los inicios de la Revolución se ha prestado especial atención al uso adecuado de este recurso. Se concluyeron obras iniciadas durante el período de la República neocolonial, como fue el caso de la presa “Hanabanilla”, y se iniciaron otras como las presas de “Paso Malo” y “Gilbert”, el canal de “San Cristóbal” y la desecación de la Ciénaga de Zapata.
La hidroeléctrica Hanabanilla es la obra insignia de la generación eléctrica renovable del país con el aprovechamiento hidráulico. La planta compuesta de tres unidades con capacidad de generación de 15 MW cada una, tiene una función fundamental: regular la frecuencia del Sistema Electroenergético Nacional.
El uso del agua para producir electricidad en Cuba, data de principios del siglo xx, cuando se pusieron en explotación pequeños aprovechamientos como la pequeña central hidroeléctrica Guaso, en Guantánamo, con una potencia instalada de 1 750 kW; San Blas, en Cienfuegos, con 1 000 Kw.; Piloto y San Vicente, en Pinar del Río, con 295 y 71,2 Kw., respectivamente, y Barranca, en Granma, con 200 Kw.. Sin embargo, en las zonas montañosas de las provincias orientales aún se conservan ruinas que demuestran que ya en el siglo XIX se utilizaba la energía hidráulica para mover despulpadoras de café y molinos de granos.
En Cuba se dispone de un Sistema de Información Geográfica de las Fuentes Renovables de Energía (Geoportal de Energía) que sirve de información técnica para desarrollar estrategias adecuadas en la planificación energética y los programas de pronóstico, logrando además determinar los impactos ambientales provocados por la generación de energía, como son el suelo, el aire, el manto freático, etc.
Que es una herramienta que permite inventariar localmente los potenciales energéticos renovables, brinda información según distancia e intereses sobre el potencial solar y eólico, por meses y promedio anual, en el caso de potencial hidráulico los sitios donde existen las posibilidades reales de inversión, mostrando los parámetros técnicos y la cantidad de energía que se puede generar y en el caso de la biomasa según su diversidad.
Expansión creciente
La energía hidroeléctrica sigue siendo la energía renovable más utilizada en todo el mundo. Se estima que un 20% de la energía consumida a nivel global tiene origen hidroeléctrico, mientras que en los países en desarrollo este porcentaje se eleva hasta el 33%. Si se compara con otras energías renovables los datos son contundentes: del total de la producción renovable mundial, un 90% tiene su origen en la hidrogeneración.
El escenario futuro de la hidráulica, es el de una forma de generación madura, estable y eficaz, que tendrá un crecimiento moderado y sostenido. A pesar de que en muchos países, no cuentan con ayudas públicas que sufraguen los gastos de instalación, la generación de hidroelectricidad se pudiera beneficiar de los incentivos económicos asignados a las renovables.
Las energías renovables constituyen una "opción de futuro" para los Pequeños Estados Insulares en Desarrollo (SIDS), según manifestó la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA).
Curiosidades
1.-La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX.
2.- Grandes generadores de la presa Bonneville, en Oregón (Estados Unidos) que producen electricidad mediante turbinas movidas por agua.
3.- La presa de Itaipú, Paraguay, es un proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del Río Paraná, y su central hidroeléctrica, es una de las mas grandes del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m y 8 Km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales.
4.- El proyecto más grande se encuentra en la presa china de las Tres Gargantas:
La presa de las Tres Gargantas se extiende unos dos kilómetros entre las márgenes del río Yangtzé, cerca de la ciudad de Yichang, Hubei, en la provincia de Hubei.
Se prevé que este gigantesco complejo hidroeléctrico permita generar electricidad con unos 18.200 megavatios de potencia. Con la presa se pretende también controlar las inundaciones en una región en la que estas causaron más de 250.000 muertos entre 1930 y 1935.
El embalse formado por la presa sumergirá una zona del valle del río Yangtzé de unos 600 km de longitud. Como toda gran presa, ha ocasionado graves efectos ambientales y sociales, pues ha destruido el río y ha provocado el éxodo obligatorio de un millón de personas; también es objeto de pesquisas por sospechas de corrupción y por haber incumplido las recomendaciones de la Comisión Mundial de Represas.
5.- La primera Pequeña Central Hidroeléctrica en Cuba se construyo el 17 de junio del año 1909, en la provincia de Guantánamo, llamada Guaso con una potencia instalada de 1. 75 MW.
Enlaces externos
- Solarización Territorial. Vía para el desarrollo sostenible. Fuentes renovables de energía, del autor: Alejandro Montesinos Larrosa. Páginas 43-46. Editorial CUBASOLAR. ISBN: 978-959-7113-39-3. <http://www.cubasolar.cu/>
- “El empleo del recurso agua para la producción de electricidad” Eliecer León Pérez, Yurelis Ramos Universidad Carlos R. Rodríguez de Cienfuegos Sede Universitaria de Cumanayagua. 2009
