Energía hidráulica como funciona

Energía hidráulica como funciona

Al aprovechar la gravedad y el ciclo del agua, hemos aprovechado uno de los motores de la naturaleza para crear una forma útil de energía. De hecho, los humanos han estado capturando la energía del agua en movimiento durante miles de años. Hoy en día, aprovechar el poder del agua en movimiento para generar electricidad, conocida como energía hidroeléctrica, es la mayor fuente de electricidad renovable y libre de emisiones en los Estados Unidos y en todo el mundo.

Aunque la generación de energía hidroeléctrica no emite contaminación atmosférica ni emisiones de gases de efecto invernadero, puede tener consecuencias ambientales y sociales negativas. El bloqueo de los ríos con presas puede degradar la calidad del agua, dañar el hábitat acuático y ribereño, bloquear el paso de los peces migratorios y desplazar a las comunidades locales. Los beneficios e inconvenientes de cualquier desarrollo hidroeléctrico propuesto deben ser sopesados antes de seguir adelante con cualquier proyecto. Aún así, si se hace bien, la energía hidroeléctrica puede ser una fuente sostenible y no contaminante de electricidad que puede ayudar a disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir la amenaza del calentamiento global.

El recurso hidroeléctrico


En la Tierra, el agua se mueve constantemente en varios estados, un proceso conocido como el ciclo hidrológico. El agua se evapora de los océanos, formando nubes, cayendo en forma de lluvia y nieve, acumulándose en arroyos y ríos, y fluyendo de vuelta al mar. Todo este movimiento proporciona una enorme oportunidad para aprovechar la energía útil.

En 2011, la energía hidroeléctrica proporcionó el 16 por ciento de la electricidad del mundo, después de los combustibles fósiles. La capacidad mundial en 2011 era de 950 gigavatios (GW), con 24 por ciento en China, ocho por ciento en Estados Unidos y nueve por ciento en Brasil. A nivel mundial, la capacidad hidroeléctrica se ha más que duplicado desde 1970.

En los Estados Unidos, la energía hidroeléctrica ha crecido constantemente, de 56 GW de capacidad instalada en 1970 a más de 78 GW en 2011. Sin embargo, como porcentaje de la generación total de electricidad en Estados Unidos, ha caído del 12 por ciento en 1980 al 7 por ciento en 2012, en gran medida como resultado del rápido crecimiento de las centrales de gas natural y otras tecnologías de energía renovable como la eólica y la solar

Dado que la energía hidroeléctrica depende de los ríos y arroyos para su generación, el potencial para usar la energía hidroeléctrica como fuente de electricidad varía en todo el país. Por ejemplo, el noroeste del Pacífico (Oregón y Washington) genera más de dos tercios de su electricidad a partir de presas hidroeléctricas. La presa Grand Coulee en el río Columbia en Washington es una de las presas más grandes del mundo, con una capacidad de más de 6.750 megavatios (MW).

Además de las plantas muy grandes en los estados occidentales, Estados Unidos tiene muchas plantas hidroeléctricas más pequeñas. En 1940 había 3.100 centrales hidroeléctricas en todo el país, aunque en 1980 ese número había disminuido a 1.425. Desde entonces, varias de estas pequeñas plantas han sido restauradas; en 2013, había 1.672 centrales hidroeléctricas en operación (sin incluir el almacenamiento por bombeo). Estas plantas representan sólo una pequeña fracción de las represas que bloquean y desvían nuestros ríos.

Convertir el agua en electricidad


Para generar electricidad a partir de la energía cinética del agua en movimiento, el agua tiene que moverse con suficiente velocidad y volumen para hacer girar un dispositivo similar a una hélice llamado turbina, que a su vez gira un generador para generar electricidad. En términos generales, un galón de agua por segundo al caer cien pies puede generar un kilovatio de electricidad.

Para aumentar el volumen de agua en movimiento, se utilizan embalses o presas para recoger el agua. Una abertura en la presa utiliza la gravedad para dejar caer el agua a través de una tubería llamada tubería de presión. El agua en movimiento hace que la turbina gire, lo que hace que los imanes dentro de un generador giren y creen electricidad.

Hay una variedad de tipos de turbinas utilizadas en las instalaciones hidroeléctricas, y su uso depende de la cantidad de altura hidráulica (distancia vertical entre la presa y la turbina) en la planta. Los más comunes son los diseños de rueda Kaplan, Francis y Pelton. Algunos de estos diseños, llamados ruedas de reacción e impulso, utilizan no sólo la fuerza cinética del agua en movimiento sino también la presión del agua.

La turbina Kaplan es similar a una hélice de barco, con un rodete (la parte giratoria de una turbina) que tiene de tres a seis palas, y puede proporcionar hasta 400 MW de potencia. La turbina Kaplan se diferencia de otros tipos de turbinas hidroeléctricas porque su rendimiento puede mejorarse cambiando la inclinación de las palas. La turbina Francis tiene un rodete con nueve o más álabes fijos. En este diseño de turbina, que puede tener un tamaño de hasta 800 MW, las paletas dirigen el agua de modo que se mueve en un flujo axial. La turbina Pelton consiste en un conjunto de cubos de forma especial que se montan en la parte exterior de un disco circular, haciéndolo parecerse a una rueda de agua. Las turbinas Pelton se utilizan típicamente en sitios con grandes alturas de elevación hidráulicas y pueden llegar a alcanzar los 200 MW.

La energía hidroeléctrica también puede ser generada sin una represa, a través de un proceso conocido como de pasada. En este caso, el volumen y la velocidad del agua no son aumentados por una presa. En cambio, un proyecto de pasada hace girar los álabes de la turbina capturando la energía cinética del agua en movimiento en el río. Los proyectos hidroeléctricos que tienen represas pueden controlar cuándo se genera electricidad porque las represas pueden controlar el momento y el flujo del agua que llega a las turbinas. Por lo tanto, estos proyectos pueden optar por generar energía cuando más se necesita y es más valiosa para la red. Debido a que los proyectos de pasada no almacenan agua detrás de las presas, tienen mucha menos capacidad para controlar la cantidad y el momento en que se genera la electricidad.

Otro tipo de tecnología hidroeléctrica se llama almacenamiento por bombeo. En una planta de almacenamiento por bombeo, el agua se bombea desde un depósito inferior a otro superior durante las horas de menor consumo cuando la electricidad es relativamente barata, utilizando electricidad generada a partir de otros tipos de fuentes de energía. El bombeo del agua cuesta arriba crea el potencial para generar energía hidroeléctrica más adelante. Cuando la energía hidroeléctrica es necesaria, se libera de nuevo al embalse inferior a través de turbinas. Inevitablemente, se pierde algo de energía, pero los sistemas de almacenamiento por bombeo pueden ser hasta un 80 por ciento más eficientes. Actualmente hay más de 90 GW de capacidad de almacenamiento por bombeo en todo el mundo, con cerca del 20 por ciento de esa capacidad en los Estados Unidos. La necesidad de crear recursos de almacenamiento para capturar y almacenar para su uso posterior la generación a partir de altas penetraciones de energía renovable variable (por ejemplo, eólica y solar) podría aumentar el interés en la construcción de nuevos proyectos de almacenamiento por bombeo.

Preocupaciones ambientales y sociales
Mientras que la generación de energía hidroeléctrica no emite gases de calentamiento global u otros contaminantes del aire, la construcción y operación de proyectos hidroeléctricos puede tener consecuencias ambientales y sociales que dependen en gran medida de dónde se ubique el proyecto y de cómo se opere.

Las represas que han inundado áreas con vegetación viva pueden emitir metano, un poderoso gas de calentamiento global, a medida que la materia orgánica se descompone. Por ejemplo, la presa de Tucurui en Brasil creó un embalse en la selva tropical antes de talar los árboles. A medida que las plantas y los árboles comenzaron a pudrirse, redujeron el contenido de oxígeno del agua, matando a las plantas y los peces en el agua, y liberaron grandes cantidades de metano.

Los proyectos hidroeléctricos pueden reducir los caudales en los ríos río abajo si los caudales aguas arriba están atrapados detrás de un embalse y/o desviados a canales que llevan el agua fuera del río a una unidad de generación. La disminución de los caudales en un río puede alterar la temperatura del agua y degradar el hábitat de plantas y animales. Menos agua en el río también puede reducir los niveles de oxígeno que dañan la calidad del agua.

El agua se almacena típicamente detrás de una presa y se libera a través de las turbinas cuando se necesita energía. Esto crea patrones de flujo artificiales en el río aguas abajo que pueden ser muy diferentes de los patrones de flujo que un río experimentaría naturalmente. Por ejemplo, los ríos alimentados principalmente por el deshielo de la nieve pueden experimentar flujos mucho más altos en el invierno y la primavera que en el verano y el otoño. Las operaciones hidroeléctricas pueden diferir de estos patrones naturales de flujo, lo que tiene implicaciones para las especies ribereñas y acuáticas aguas abajo. Si los niveles de agua aguas abajo de un proyecto hidroeléctrico fluctúan salvajemente debido a las operaciones de generación, los peces podrían quedar varados en aguas repentinamente poco profundas. Si las operaciones causan un programa de flujo más estático a lo largo del año de lo que el río experimentaría normalmente, el movimiento de sedimentos a lo largo de una sección del río podría ser interrumpido, reduciendo el hábitat para las especies acuáticas. Menos eventos de flujo estacional también podrían causar que un corredor ribereño se engrosara en un canal menos dinámico, ya que los arbolitos que usualmente serían raleados estacionalmente por los flujos altos son capaces de madurar.

Las presas también pueden bloquear la migración de los peces que nadan río arriba para llegar a las zonas de desove. En el noroeste del Pacífico y California, las grandes presas han bloqueado la migración del salmón coho, chinook y sockeye del océano a sus zonas de desove aguas arriba. El número de salmones que viajan río arriba ha disminuido en un 90 por ciento desde la construcción de cuatro presas en la parte baja del río Snake. Se están tomando algunas medidas para mover a los peces alrededor de las presas, como colocarlos en barcazas o construir escaleras para peces, pero el éxito ha sido limitado. El paso de los peces río abajo también puede ser un desafío, ya que los peces jóvenes pueden ser masticados en las turbinas de la presa cuando se dirigen hacia el océano.

La inundación de tierras para crear embalses también puede eliminar áreas donde la gente vive o cultiva. La presa de Balbina en Brasil, por ejemplo, inundó 2.360 kilómetros cuadrados, un área del tamaño de Delaware

La densidad de población suele ser mayor a lo largo de los ríos, lo que provoca el desplazamiento masivo de los centros urbanos. La presa de las Tres Gargantas en China dislocó a casi 1,2 millones de personas

Los hábitats de vida silvestre destruidos por los embalses pueden ser especialmente valiosos. En América del Sur, el 80 por ciento del potencial hidroeléctrico se encuentra en las selvas tropicales, uno de los ecosistemas más ricos y diversos de la Tierra. La presa de Rosana en Brasil destruyó uno de los pocos hábitats que quedaban del tamarino-león negro, una especie rara y hermosa de mono de pelo largo.

En los Estados Unidos, la mayoría de las centrales hidroeléctricas no federales deben obtener una licencia de operación de la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC). Estas licencias, que gobiernan las operaciones de una planta durante 30 a 50 años, juegan un papel importante en la determinación de cómo las operaciones de una instalación hidroeléctrica impactan los recursos ambientales, culturales y recreativos locales. Por lo tanto, el proceso de renovación de licencias es una oportunidad importante para reevaluar y ajustar, si es necesario, las operaciones de un proyecto para alinearse mejor con las necesidades y valores actuales del medio ambiente y del público. Los procesos de renovación de licencias de energía hidroeléctrica en todo el país han dado lugar a un aumento de los flujos para apoyar los hábitats acuáticos y ribereños, un mejor acceso y servicios para apoyar la recreación pública en los ríos, y la protección de los sitios del patrimonio cultural

Energía hidroeléctrica de bajo impacto


Mientras que las operaciones hidroeléctricas pueden causar impactos ambientales negativos, la forma en que se opera un proyecto puede hacer una gran diferencia en su grado de huella ambiental. Los proyectos pueden gestionar la liberación de caudales de las presas para asegurar que haya suficiente agua en el río para mantener a las especies nativas. Los flujos también pueden programarse para imitar los patrones naturales de flujo, lo que ayuda a transportar sedimentos y a imitar las señales biológicas que habrían sido proporcionadas por el ciclo de flujo natural. La modernización de las presas con equipos de paso de peces e incluso la eliminación de las presas en algunos tramos clave de los ríos puede mejorar enormemente el acceso al hábitat aguas arriba.

Las instalaciones hidroeléctricas que desean reducir sus impactos ambientales pueden someterse a un programa voluntario de certificación desarrollado por el Instituto de Energía Hidroeléctrica de Bajo Impacto (LIHI). LIHI es una organización independiente sin fines de lucro reconocida a nivel nacional, dedicada a reducir los impactos dañinos de la generación de energía hidroeléctrica mediante la creación de un estándar creíble y transparente para que los consumidores lo utilicen en la evaluación de la energía hidroeléctrica. A través del establecimiento del Programa de Certificación de Energía Hidroeléctrica de Bajo Impacto, LIHI certifica las instalaciones hidroeléctricas con impactos ambientales y sociales bajos en comparación con otras instalaciones hidroeléctricas basadas en criterios objetivos.

Para obtener la certificación LIHI, una instalación debe proteger o mitigar adecuadamente sus impactos en las siguientes áreas: caudales de ríos, calidad del agua, paso y protección de peces, protección de cuencas hidrográficas, protección de especies amenazadas y en peligro, protección de recursos culturales, recreación e instalaciones recomendadas para su remoción. Los criterios de certificación se basan en las medidas de mitigación más recientes y estrictas recomendadas para el proyecto hidroeléctrico por las agencias de recursos estatales y federales, incluso si esas medidas no son un requisito para la operación de la instalación

El futuro de la energía hidroeléctrica


Los avances en las turbinas «amigables con los peces» y la mejora de las técnicas de recolección de datos para aumentar la eficacia de las tecnologías de paso de peces crean nuevas e interesantes oportunidades para la industria hidroeléctrica. Si se construyen y operan de manera que se minimicen los impactos ambientales y culturales, los proyectos hidroeléctricos pueden proporcionar fuentes de electricidad limpias y de bajo costo a las zonas urbanas y rurales de todo el mundo. Cosechar la energía de nuestros ríos puede ser parte de un conjunto inteligente y diverso de soluciones para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, y el impacto que tienen en nuestro clima y salud pública. La capacidad de aumentar y reducir la generación de energía hidroeléctrica es una valiosa fuente de generación flexible en la red eléctrica, que puede desplazar directamente al carbón y al gas natural, y ayudar a integrar mayores cantidades de recursos de energía renovable variable, como la energía eólica y la solar.

Dado que la mayoría de los países desarrollados ya han desarrollado sus áreas más accesibles para la energía hidroeléctrica a gran escala, es probable que el crecimiento de estos proyectos se concentre en naciones con poblaciones crecientes y economías en desarrollo. Según la Asociación Internacional de Energía Hidroeléctrica, en 2012 se pusieron en servicio más de 30 GW de nueva capacidad hidroeléctrica, con importantes inversiones en América del Sur, Asia y África. En Brasil, se están construyendo tres grandes proyectos en la región amazónica que suman más de 22 GW de capacidad de generación.

El potencial para desarrollar nuevos proyectos hidroeléctricos a gran escala en los Estados Unidos es generalmente bajo. Sin embargo, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Laboratorio Nacional Oak Ridge publicaron una herramienta de mapeo de energía hidroeléctrica en 2014 que estima más de 65 GW de potencial nuevo desarrollo hidroeléctrico en más de tres millones de ríos y arroyos de los Estados Unidos que actualmente no tienen desarrollo hidroeléctrico. El estudio identificó los estados del oeste, incluyendo Alaska, California, Colorado, Idaho, Montana, Oregon y Washington como los que tienen el mayor potencial de desarrollo de energía hidroeléctrica. El estudio se basa en un estudio financiado por el DOE, publicado en 2012, en el que se estimaba un potencial hidroeléctrico de 12 GW en las 80.000 presas sin energía eléctrica del país. También hay potencial adicional para aumentar la generación de electricidad en los proyectos hidroeléctricos existentes mediante la ampliación del almacenamiento, la mejora de los equipos y el aumento de la eficiencia.


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