Energía Hidroeléctrica
Desde principios del siglo 20, el término se ha utilizado casi exclusivamente en relación con el desarrollo moderno de la energía hidroeléctrica. Las instituciones internacionales buscan que el Banco Mundial vea la energía hidroeléctrica como un medio para el desarrollo económico con la adición de cantidades sustanciales de carbono a la atmósfera, pero puede tener impactos sociales y ambientales negativos significativos.
Energía hidroeléctrica
A fines del siglo XIX, la energía hidroeléctrica se convirtió en una fuente de generación de electricidad. Cragside en Northumberland, la primera casa que funcionaba con energía hidroeléctrica en 1878 y la primera central hidroeléctrica comercial fue construida en las Cataratas del Niágara en 1879. En 1881, las luces de la ciudad de las Cataratas del Niágara funcionaban con energía hidroeléctrica.
La presa de las Tres Gargantas en China; la represa hidroeléctrica es la central eléctrica más grande del mundo por capacidad instalada.
Historia
En la India, se construyeron ruedas hidráulicas y molinos de agua, posiblemente ya en el siglo IV aC, aunque los registros de eso son, en el mejor de los casos, irregulares.
El poder de una ola de agua liberada de un tanque se utilizó para la extracción de mineral de metal en un método conocido como hushing. El método se utilizó por primera vez en Dolaucothi Gold Mines en Gales desde el año 75 dC en adelante, pero se ha desarrollado en España en minas como Las Médulas. Hushing lo que es ampliamente utilizado en Gran Bretaña en los períodos Medieval y posteriores. Más tarde se convirtió en minería hidráulica durante la fiebre del oro de California.
En el Imperio Romano, los molinos impulsados por agua producían harina a partir de granos y, por lo tanto, se utilizaban para aserrar madera y piedra; en China, los molinos de agua fueron ampliamente utilizados desde la dinastía Han. En China y en el resto del Lejano Oriente, las bombas hidráulicas de "rueda de marihuana" elevaron el agua hacia los canales de cultivo o riego.
Saint Anthony Falls, Estados Unidos; la energía hidroeléctrica se usó aquí para moler la harina.
En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó Architecture Hydraulic, que describía máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal. Jacob Gibbs y Brinsley Coleberd y ahora se podrían combinar con hidráulica. La creciente demanda de la Revolución Industrial impulsaría el desarrollo también.
En la Edad Media, el ingeniero mecánico islámico Al-Jazari describió diseños para 50 dispositivos, muchos de los cuales funcionan con agua, en su libro, El libro del conocimiento de dispositivos mecánicos mecánicos, que incluye relojes, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para levantar agua del río o piscinas, aunque tres son animales y uno puede ser alimentado por animales o agua. Estos incluyen un cinturón sin fin con jarras adjuntas, un shadoof alimentado por vacas y un dispositivo alternativo con válvulas con bisagras.
Molino de mineral directamente impulsado por agua, de fines del siglo XIX
Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua era la principal fuente de energía para nuevos inventos como el marco de agua de Richard Arkwright. A pesar del uso de la energía hidráulica en muchos de los molinos y fábricas más grandes, se utilizó durante los siglos XVIII y XIX para muchas operaciones más pequeñas, como conducir los fuelles en altos hornos (por ejemplo, el horno Dyfi). y gristmills, en busca de los construidos en Saint Anthony Falls, que utiliza la caída de 50 pies (15 m) en el río Mississippi.
En la década de 1830, en el pico inicial de la construcción de canales en los Estados Unidos, se proporcionó la energía para el transporte. A medida que los ferrocarriles superaban los canales de transporte, los sistemas de canales se modificaron y se convirtieron en sistemas hidroeléctricos; la historia de Lowell, Massachusetts es un ejemplo clásico de desarrollo comercial e industrialización, construida sobre la disponibilidad de la energía hidráulica.
Los avances tecnológicos se habían trasladado a la rueda de agua abierta en una turbina cerrada o motor de agua. En 1848 James B. Francis, que trabaja como ingeniero jefe de Lowell's Locks and Canals, mejoró el diseño de una turbina con una eficiencia del 90%. Su metodología matemática y de cálculo de gráficos permite que el diseño seguro de las turbinas de alto rendimiento coincida exactamente con las condiciones de flujo específicas de un sitio. La turbina de reacción Francis es silenciosa en un amplio uso en la actualidad. En la década de 1870, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de rueda Pelton de alta eficiencia, que utilizaba energía hidroeléctrica del interior montañoso de California.
Redes hidráulicas de tuberías de energía
Las redes de energía hidráulica se utilizan para suministrar agua presurizada y transmitir energía mecánica desde la fuente a los usuarios finales. La fuente de poder era normalmente una cabeza de agua, que podría ser asistida por una bomba. Estos fueron extensos en las ciudades victorianas en el Reino Unido. Se desarrolló una red de energía hidráulica en Ginebra, Suiza. El mundialmente famoso Jet d'Eau fue originalmente diseñado como la válvula de alivio de sobrepresión para la red.
Hidroaire comprimido
Donde hay una gran cantidad de agua se puede generar aire comprimido directamente sin partes móviles. En estos diseños, una columna de agua que cae se mezcla deliberadamente con burbujas de aire generadas por la turbulencia o un reductor de presión Venturi en la entrada de alto nivel. Esta es una cámara con techo alto donde el aire ahora comprimido se separa del agua y queda atrapado. La altura de la columna de agua caída en la parte superior de la cámara, durante una salida, sumergida por debajo del nivel del agua en la cámara permite que el agua fluya de regreso a la superficie a un nivel más bajo que la entrada. Una salida separada en el techo de la cámara suministra el aire comprimido. Una instalación basada en este principio construida en el río Montreal en Ragged Shutes cerca de Cobalt, Ontario en 1910 y suministró 5,000 caballos de fuerza a las minas cercanas.
Tipos de energía hidroeléctrica
La energía hidroeléctrica se usa principalmente para generar electricidad. Las categorías generales incluyen:
Hidroeléctrica convencional, referida a presas hidroeléctricas.
Hidroeléctrica de pasada, que capta la energía cinética en ríos o arroyos, sin un gran embalse y a veces sin el uso de represas.
Los proyectos hidroeléctricos pequeños son de 10 megavatios o menos y, a menudo, no tienen depósitos artificiales.
Los microproyectos hidroeléctricos proporcionan algunos kilovatios a unos pocos cientos de kilovatios a hogares aislados, pueblos o pequeñas industrias.
Conduit hidroelectricity use water que ya se ha desviado para su uso en otro lugar; en un sistema de agua municipal, por ejemplo.
Las tiendas de hidroelectricidad de almacenamiento con bombeo se bombean cuesta arriba durante los períodos de baja demanda.
La energía hidráulica de amortiguación de presión utiliza fuentes naturales (por ejemplo, las olas) para bombear agua a las turbinas y, a pesar de exceder el agua, se bombea hacia arriba en los embalses y se libera cuando el flujo de agua entrante no es suficiente.
La central eléctrica de Hongping, en la ciudad de Hongping, Shennongjia, tiene un diseño típico para pequeñas centrales hidroeléctricas en la parte occidental de la provincia china de Hubei. El agua proviene de la montaña detrás de la estación, a través del tubo negro visto en la foto
Una instalación hidroeléctrica represa convencional (represa hidroeléctrica) es el tipo más común de generación de energía hidroeléctrica.
Chief Joseph Dam cerca de Bridgeport, Washington, U.S.,es una importante estación de pasada sin un embalse de gran tamaño.
Micro hydro en el Noroeste de Vietnam
Hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo: el embalse superior (Llyn Stwlan) y la presa del Esquema de almacenamiento bombeado Ffestiniog en el norte de Gales. La estación de energía más baja tiene cuatro turbinas de agua que generan 360 megavatios (480,000 hp) de electricidad dentro de los 60 segundos posteriores a la necesidad.
La energía hidroeléctrica de amortiguación de presión es la compilación de la generación hidroeléctrica de acumulación de caudal y río.
Cálculo de la cantidad de energía disponible
Un recurso hidroeléctrico puede evaluarse por su potencia disponible. La potencia es una cabeza hidráulica y una tasa de flujo de fluido. La cabeza es la energía por unidad de peso de agua. La altura estática es proporcional a la diferencia de altura a través de la cual cae el agua. La cabeza dinámica está relacionada con la velocidad del agua en movimiento. Cada unidad de agua puede equivaler a un trabajo igual a su peso por cabeza.
La potencia disponible a partir de la caída de agua puede calcularse a partir del caudal y la densidad del agua, la altura de caída y la aceleración local debida a la gravedad. En unidades SI, la potencia es:
donde
P es potencia en vatios
η es la eficiencia sin dimensiones de la turbina
ρ es la densidad del agua en kilogramos por metro cúbico
Q es el flujo en metros cúbicos por segundo
g es la aceleración debido a la gravedad
h es la diferencia de altura entre la entrada y la salida en metros
85% de eficiencia, con agua a 1000 kg / metro cúbico (62.5 libras / pie cúbico) y un caudal de 80 metros cúbicos / segundo (2800 pies cúbicos / segundo), gravedad de 9.81 metros por segundo al cuadrado y 145 metros (480 pies).
En unidades SI:
lo que da 97 MW
En unidades inglesas, el peso se expresa en libras por pie cúbico. Se requiere un factor de conversión para cambiar de footlbs / second a kilovatios:
En unidades SI:
lo que da 97 MW (130,000 caballo de fuerza)
El operador de las estaciones hidroeléctricas quiere comparar la energía eléctrica total producida con la energía potencial teórica del agua. ASME PTC 18 e IEC 60041 Los procedimientos y las definiciones también se dan en ASME PTC 18 e IEC 60041. Las pruebas de campo de las turbinas se utilizan para validar la eficacia garantizada del fabricante. El cálculo detallado de la eficiencia de una turbina de energía hidroeléctrica tiene en cuenta la pérdida de carga debido a la fricción de flujo en el canal de alimentación o tubería forzada la presión del aire, la densidad del agua a temperatura ambiente y las altitudes sobre el nivel del mar de la cámara de carga y la cola. Para cálculos precisos, se deben considerar los errores debidos al redondeo y el número de dígitos significativos de las constantes.
Algunos sistemas hidroeléctricos como las ruedas hidráulicas no pueden cambiar su altura. En este caso, la potencia disponible es la energía cinética del agua que fluye. Las ruedas hidráulicas de sobreimpulsión pueden capturar eficientemente ambos tipos de energía. El flujo de agua en una corriente puede variar ampliamente de una temporada a otra. El desarrollo de un sitio de energía hidroeléctrica requiere el análisis de los registros de flujo, algunas veces abarcando décadas, para evaluar el suministro de energía anual confiable. Las presas y los embalses proporcionan una fuente de energía más confiable al suavizar los cambios estacionales en el flujo de agua. Sin embargo, los embalses tienen un impacto ambiental significativo, al igual que la alteración del flujo de corrientes naturales. El diseño de las presas debe representar el peor caso posible de "inundación máxima probable" que se puede esperar en el sitio; Con frecuencia se incluye un vertedero para evadir los flujos de inundación alrededor de la presa. Un modelo de computadora de la cuenca hidráulica y los registros de precipitaciones y nevadas se utilizan para predecir la inundación máxima.
Sostenibilidad
Impacto ambiental de los embalses
Al igual que con otras formas de actividad económica, los proyectos hidroeléctricos pueden tener un impacto tanto ambiental como social negativo y positivo, debido a la construcción de una presa y una planta de energía, junto con la incautación de un embalse, ciertos cambios sociales y físicos. Los proyectos de energía hidroeléctrica también pueden tener consecuencias indirectas, lo que contribuye al calentamiento global: los embalses acumulan material vegetal, que luego se descompone, emisiones de metano en ráfagas desiguales.
Existen varias herramientas para evaluar el impacto de los proyectos hidroeléctricos:
La mayoría del nuevo proyecto hidroeléctrico debe someterse a una evaluación de impacto ambiental y social. Esto proporciona una comprensión básica de las condiciones previas al proyecto, mitiga o compensa los impactos.
El Protocolo de Evaluación de la Sostenibilidad de la Hidroelectricidad es otra herramienta que puede usarse para promover proyectos hidroeléctricos sostenibles. Es una metodología utilizada para auditar el desempeño de un proyecto hidroeléctrico en veinte temas ambientales, sociales, técnicos y económicos. Una evaluación de protocolo proporciona un control de salud de sostenibilidad rápido. No reemplaza la evaluación de impacto ambiental y social (ESIA), que tiene lugar durante un período de tiempo mucho más largo, por lo general como un requisito reglamentario obligatorio.
El informe final de la Comisión Mundial de Represas describe un marco para la planificación de proyectos de agua y energía destinado a proteger a las personas afectadas por las represas y el medio ambiente, y garantizar que los beneficios de las represas se distribuyan de forma más equitativa.
Los Estándares de Desempeño Ambiental y Social de IFC definen las responsabilidades de los clientes de IFC para manejar sus riesgos ambientales y sociales.
El Banco utiliza las políticas de salvaguardia del Banco Mundial para ayudar a identificar, evitar y minimizar los daños a las personas y el medio ambiente causados por los proyectos de inversión.
Los Principios de Ecuador son un marco de gestión de riesgos, adoptado por las instituciones financieras, para determinar, evaluar y gestionar los riesgos ambientales y sociales en los proyectos.
La presa de Itaipú en el río Paraná, ubicada en la frontera entre Brasil y Paraguay, es el mayor generador mundial de energía limpia renovable que ha producido más de 2.4 billones de MWh desde que comenzó a funcionar, en 1984. A pesar de ser la segunda más grande del mundo por la capacidad instalada (la primera es la presa de las Tres Gargantas, en China), Itaipú ha producido, en 2016, una marca histórica de 103.098.366 MWh (récord mundial). Aproximadamente el 75% de la matriz energética brasileña, una de las más limpias del mundo, proviene de la energía hidroeléctrica.