ENERGÍA HIDROELÉCTRICA

OLa energía hidráulica es la que tiene el agua cuando se mueve a través de un cauce (energía cinética) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (energía potencial). Cuando se deja caer el agua, la energía potencial se transforma en energía cinética (velocidad), que puede ser aprovechada para diversos fines. Se trata de una energía renovable (no alternativa).OYa desde la antigüedad, el ser humano aprendió a utilizar este tipo de energía. Para ello empleó diferentes ingenios (ruedas hidráulicas), que fueron evolucionando con objeto de obtener el máximo rendimiento posible.OHay dos aplicaciones fundamentales de la energía hidráulica:• Desde, aproximadamente, el año 100 a.C. hasta casi finales del siglo XIX, toda la energía hidráulica se transformaba en mecánica, que tenía sus aplicaciones en norias, molinos de grano, etc.• A partir de principios del siglo XX se empleó también para obtener electricidad. La primera central hidráulica para esta aplicación se construyó en 1.882 en E.E.U.U., para alimentar 250 lámparas eléctricas (inventadas por Thomas A. Edison). OEn la actualidad, prácticamente toda la energía hidráulica se emplea para la obtención de electricidad.

2

Energía hidráulica

Propiedades del agua

viscosidad

compresibilidad

Presión de saturación o de vapor

Tensión superficial

Ciclo hidrológico

Ciclo hidrológicoO Es la sucesión de etapas que

atraviesa el agua al pasar de la tierra a la atmosfera y volver a la tierra: evaporación desde el suelo, mar o aguas continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el suelo o masas de aguas y reevaporación.

O El ciclo hidrológico involucra un proceso de transporte recirculatorio e indefinido o permanente, este movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas:

1. El sol que proporciona la energía para elevar el agua (evaporación)

2. La gravedad terrestre, que hace que el agua condensada descienda (precipitación y escurrimiento).

PrecipitaciónO Se denomina precipitación, a toda

agua meteórica que cae en la superficie de la tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida (nieve, granizo, etc.) y las precipitaciones ocultas (rocío, la helada blanca, etc.). Ellas son provocadas por un cambio de la temperatura o de la presión.

O Para la formación de la precipitación se requiere la condensación del vapor de agua atmosférico.

Tipos de Precipitación

Precipitación Convectiva.

O Resultan de una subida rápida de las masas del aire en la atmósfera. Se asocian a los cúmulos y cumulonimbus, desarrollo vertical significativo, y son generados así por el proceso de Bergeron. La precipitación que resulta de este proceso es generalmente tempestuosa, de corta duración (menos de una hora), de intensidad fuerte y de poca extensión espacia.

Precipitación Orográfica.

O Como su nombre indica (del griego oros = montaña), este tipo de precipitación se relaciona con la presencia de una barrera topográfica. La característica de la precipitación orográfica depende de la altitud, de la pendiente y de su orientación, pero también de la distancia que separa el origen de la masa del aire caliente del lugar del levantamiento. En general, presentan una intensidad y una frecuencia regular.

Precipitación Frontal o del tipo

ciclónico.O Se asocian a las superficies de contacto entre la temperatura de la masa de aire, el gradiente térmico vertical, la humedad y de los diversos índices del recorrido, que uno nombra Frentes. Los frentes fríos crean precipitaciones cortas e intensas. Los Frentes calientes generan precipitaciones de larga duración pero no muy intensas.

Balance hídrico

O Balance hídrico se basa en la aplicación del principio de conservación de masas. Esta establece que, para cualquier volumen arbitrario y durante cualquier período de tiempo, la diferencia entre las entradas y salidas estará condicionada por la variación del volumen de agua almacenada.

O La ecuación del balance hídrico, para cualquier zona o cuenca natural (tal como la cuenca de un río) o cualquier masa de agua, indica los valores relativos de entrada y salida de flujo y la variación del volumen del agua almacenada en la zona o masa de agua. En general, las entradas en la ecuación del balance hídrico comprende la precipitación (P), en forma de lluvia o nieve, realmente recibida en la superficie del suelo, y las aguas superficiales y subterráneas recibidas dentro de la cuenca o masa de agua desde fuera (QSI y QUI)

O Las salidas en las ecuaciones incluyen la evaporización desde la superficie de la masa de agua (E) y la salida de corriente de agua superficial y subterránea desde la cuenca o masa de agua considerada (QSO Y QUO).

O Cuando las entradas superan a las salidas el volumen de agua almacenada (Δs) aumenta y cuando ocurre lo contrario disminuye. También se incluye un término residual o de diferencia (ѵ)

O P + QSI y QUI - E - QSI y QUI – Δs – ѵ = 0

cuenca hidrográfica

Una cuenca hidrográfica es toda el área de terreno que contribuye al flujo de agua en un río o quebrada. También se conoce como el área de captación o área de terreno de donde provienen las aguas de un río, quebrada, lago, laguna, humedal, estuario, embalse, acuífero, manantial o pantano.

cuenca hidrográfica

Huella hídricaO El concepto de Huella Hídrica nació como un

indicador del uso del agua por Arjen Hoekstra, profesor de la UNESCO, en 2002.

O La huella hídrica es un indicador de uso de agua que tiene en cuenta tanto el uso directo como indirecto por parte de un consumidor.

O La Huella Hídrica se mide en el volumen de agua consumida, evaporada o contaminada, ya sea en unidad de tiempo o en unidad de masa.

¿Cómo se calcula?Para calcular la Huella Hídrica se clasifican las fuentes del agua de la siguiente forma:1. Agua Azul: es el volumen de agua dulce consumida de las aguas superficiales (ríos, lagos y embalses) y subterráneas (acuíferos).2. Agua Verde: es el volumen de agua evaporada de los recursos hídricos.3. Agua gris: es el volumen de agua contaminada que se relaciona con la producción de bienes y servicios. Este volumen se suele estimar como la cantidad de agua que es necesaria para diluir los contaminantes de forma que se mantengan o superen los niveles de calidad del agua, de acuerdo a los requisitos legales vigentes.

¿Cómo se genera la energía hidráulica?

Gran ventaja de la energía hidráulica:

constante y previsible → se utiliza para satisfacer la demanda eléctrica base

23

3. Turbina Fourneyron (1826). 4. Turbina Pelton (1870). 5. Turbina Kaplan (1910).

Rendimiento: 80 al 85 %. Rendimiento: 90 %. Rendimiento: 93 al 95 %.

A Componentes de un centro hidroeléctrico

Energía

potencial

Energía

cinética

del agua

Energía

cinética

de rotación

Energía

eléctrica

Embalse de agua

Tuberías Turbina Alternador

Toda central hidroeléctrica transforma la energía potencial del agua acumulada en el embalse en energía eléctrica a través del alternador. Las diferentes transformaciones de energía se llevan a cabo en el orden que se indica en el siguiente esquema.

NOTA: Ver vídeos sobre turbinas: tipo Pelton, tipo Francis y tipo Hélice. (preguntar!!!).

24

EmbalseRepresenta la totalidad del agua acumulada. Para ello dispone de un muro grueso de hormigón, denominado presa, cuya función es la de retener el agua. Existen básicamente dos tipos:

Presa de gravedad. Con su peso contrarresta el empuje del agua. Suele ser recta o un poco cóncava (por el lado del agua). Su sección transversal es triangular, formado un ángulo recto entre la base y el lado del embalse. Su construcción resulta cara.

Presa de bóveda. Trabaja de manera que el empuje del agua lo transmite a las laderas de la montaña. Suele ser convexa, de tal manera que, cuanto más empuja el agua del embalse, más se “clavan” los lados de la presa en las laderas de la montaña. Esta característica reduce el tamaño de la presa, por lo que su construcción es más barata para la misma solidez que en la presa de gravedad.

Presa de gravedad.

Presa de bóveda.

Sala de máquinas. En la sala de máquinas se encuentran dos elementos muy importantes:

Las turbinas. Cuya función es la de transformar la energía cinética del agua en energía mecánica de rotación. En la actualidad las más usadas son la Kaplan y la Pelton.

Transformadores y líneas de transporte.

Sala de máquinas.

Alternador. En las turbinas Pelton, el alternador suele estar solidario al eje de la turbina, ya que la velocidad de giro se puede regular colocando más o menos chorros. Las Kaplan suelen girar muy rápidamente, por lo que es necesario intercalar un reductor de velocidad entre la turbina y el alternador.

Los transformadores se encargan de elevar la tensión de salida de los alternadores (de 20.000V a 400.000V), que suele ser la que se transporta por las líneas de AT. El voltaje se eleva para contrarrestar las pérdidas que se producen al recorrer tanta distancia. Asegurando de esta forma el suministro en todos los puntos de consumo.

FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS

Microsoft ® Encarta ® Biblioteca de Consulta 2002. © 1993-2001 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

CENTRAL HIDROELÉCTRICA

EFICIENCIAS DE LAS TURBINAS

HIDROELÉCTRICASO Las turbinas modernas están diseñadas de

forma que la conversión de energía hidráulica se transforma en energía mecánica en un 95%

O Las eficiencias de las plantas eléctricas es igual al producto de las eficiencias, de carga de operación, diseño hidráulico, de la turbina, del incrementador y del generador eléctrico entregando valores de eficiencia menores al 95%.

TIPOS DE INSTALACIONES HIDROELÉCTRICAS

CAPACIDAD DE UNA INSTALACIÓN

HIDROELÉCTRICA

OLa capacidad de una instalación hidroeléctrica esta determinada por la relación del producto de la masa total utilizable por la constante gravitacional y por la altura de la caída de altura.

MgHP

VENTAJAS DE UNA CENTRAL

HIDROELÉCTRICAO No requiere combustible.O No contamina ni el aire ni el agua.O Los costos de mantenimiento y de

explotación son bajos.O Las obras de ingeniería para

aprovechar la energía tienen una duración muy larga.

O Se tiene flexibilidad de operación.O Tiene bajo mantenimiento.O Da beneficios adicionales a la

comunidad.

DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL

HIDROELÉCTRICA1. Los costos por kW instalado son muy

altos.2. Como las plantas están lejos de los

centros de consumo las inversiones crecen adicional a la central hidroeléctrica.

3. La construcción lleva más tiempo que una central termoeléctrica.

4. La disponibilidad fluctúa durante las diferentes estaciones del año, año con año.