Energía hidráulica y energía hidroeléctrica
Actualizado el jueves, 22 junio, 2023
La energía hidráulica es una fuente de energía renovable y alternativa a los combustibles fósiles muy antigua. Es otra de las más importantes energías limpias, junto a la energía eólica y la solar. A continuación, os contamos todo sobre ella, como su uso y aprovechamiento en forma de energía hidroeléctrica, sus tipos y sus ventajas y desventajas.
¿Qué es la energía hidráulica?
La energía hidráulica o energía hídrica es aquella que se obtiene del aprovechamiento de la energía cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua naturales o mareas (en este último caso hablamos de energía maremotriz).
La energía hidráulica es renovable, ya que no produce contaminación y es un recurso que se forma en la naturaleza de forma más o menos continua; aunque la construcción de presas para su uso tiene un impacto ambiental.
En España, este tipo de energía representa aproximadamente el 15% de toda la energía producida, y cuenta con diversas instalaciones distribuidas a lo largo de importantes cuencas hídricas.
Cómo funciona la energía hidráulica
El principio de funcionamiento de la energía hidráulica es muy sencillo. Durante la caída del agua, su energía potencial se convierte en cinética, lo cual mueve una turbina para aprovechar esta energía, directamente de forma mecánica o transformándola en electricidad mediante un alternador o generador, denominándose entonces energía hidroeléctrica. Cuanto más rápido fluye el agua, más energía se genera, y esto depende de la presión y del volumen de agua disponible. Así es cómo se produce la energía hidráulica.
En una central hidroeléctrica, la energía hidráulica proviene de ríos y lagos, gracias a la creación de presas y conductos forzados. Así, el agua de un lago o cuenca artificial, se transporta aguas abajo a través de tuberías forzadas, transformando su energía potencial en presión y energía cinética, gracias al distribuidor y la turbina para generar electricidad.
Usos de la energía hidráulica
La energía hidráulica se puede obtener aprovechando los recursos tal y como están en la naturaleza, como un curso de un río o una catarata natural, o mediante la construcción de presas. Desde hace siglos, existen pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento que es utilizado en molinos rurales. Sin embargo, hoy en día, el uso más común es la energía hidroeléctrica de las centrales hidroeléctricas.
Con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, la energía hidráulica comenzó a cobrar importancia con la aparición de las turbinas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. Sin embargo, el nuevo sistema resultaba caro y la central acabó cerrándose después de sólo dos años y medio.
Posteriormente, el desarrollo del generador eléctrico seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica, y el aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX por el desarrollo industrial, hizo que la energía hidroeléctrica renaciera con fuerza. Y en 1920, las centrales hidroeléctricas generaban una parte importante de la producción total de electricidad.
Actualmente, el empleo de la energía hidráulica tiene uno de sus mejores exponentes: la energía minihidráulica, de bajo impacto ambiental.
¿Cómo funciona una central hidroeléctrica?
Una central hidroeléctrica es una instalación diseñada para generar electricidad gracias al aprovechamiento de la energía potencial del agua almacenada en una presa situada a un nivel más alto que la central. Con esta idea, las centrales hidroeléctricas se suelen ubicar en regiones con una combinación adecuada de lluvias y desniveles geológicos favorables para la construcción de represas.
En una central hidroeléctrica, se utiliza la energía hidráulica que se obtiene de la energía potencial de las masas de agua de los ríos, provenientes de la lluvia y el deshielo, para que en su caída, entre dos niveles del cauce, se haga pasar por una turbina, la cual transmite la energía a un alternador y la convierte en energía eléctrica.
En este aprovechamiento de la energía hidráulica, influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Por ello, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año, y para aumentar el salto. Otro sistema que se lleva a cabo, consiste en conducir el agua de un arroyo con gran desnivel por una tubería cerrada, en cuya base hay una turbina. El agua se recoge en una presa pequeña y la diferencia de altura proporciona la energía potencial necesaria. Mientras que otra manera de incrementar la altura del salto, es hacer en el río una presa pequeña y desviar parte del caudal por un canal con menor pendiente que el río, de modo que unos kilómetros más adelante habrá ganado una cierta diferencia de nivel con el cauce y se hace caer el agua a él por una tubería con una turbina.
En cuanto a los componentes, una central hidroeléctrica clásica consiste en tres partes: una central eléctrica en la que se produce la electricidad, una presa que puede abrirse y cerrarse para controlar el paso del agua, y un depósito o cuenca en donde se puede almacenar agua.
Cabe indicar que la obtención de energía hidroeléctrica no es constante en el tiempo. La explotación de esta energía depende del suministro de agua de la cuenca de agua artificial (depósito), lo que a su vez depende del régimen de afluentes o ríos y del régimen de precipitaciones de la zona de captación.
Por ello, en una central hidroeléctrica de bombeo o bombeada, el agua se bombea a los tanques o embalses aguas arriba, mediante el uso de la energía producida y no requerida durante la noche. De este modo, durante el día, cuando la demanda de electricidad es mayor, se pueden proporcionar masas adicionales de agua. Estos sistemas de bombeo de agua, permiten almacenar energía en momentos de disponibilidad para usarla cuando haya necesidad.
Asimismo, la energía hidroeléctrica también se puede generar sin el uso de una presa, a través de un proceso conocido como producción de agua corriente. En este caso, el volumen y la velocidad del agua no aumentan como con una presa. Por lo que la ventaja de utilizar una cuenca de captación, es que permite que las plantas hidroeléctricas controlen cuando se genera electricidad, ya que es capaz de controlar el tiempo y el flujo de agua que llega a las turbinas, abriendo y cerrando la presa.
No obstante, a pesar de las considerables ventajas con respecto a la contaminación, la construcción de presas y grandes cuencas o depósitos artificiales, con la inundación de grandes suelos, siempre provoca un cierto impacto ambiental, que en casos severos, puede causar la interrupción o fragmentación del ecosistema de la zona, con un gran daño ambiental.
Comprar turbina hidráulica doméstica
Si vives en el campo y quieres producir tu propia energía limpia para evitar tanta contaminación, puedes hacerlo también con la energía hidráulica. Si tienes cerca de tu casa un arroyo o un río pequeño que puedas utilizar, puedes instalar el Hidrotor desarrollado por la empresa española AZ Renovables, el cual viene siendo una micro turbina hidráulica que genera electricidad, a una potencia constante de entre 5 y 200W.
Pero si consideras que el Hidrotor puede ser excesivo para ti, ya que tan solo tienes un regato pequeño o un pozo de uso personal, no te preocupes, porque también podrás aprovechar la energía hidráulica para generar electricidad. Para ello, tan solo es necesario que compres una turbina hidráulica doméstica de uso fácil o una micro turbina de alta potencia y que le acoples un generador o alternador de corriente.
Tipos de energía hidráulica
En este apartado vamos a explicar los distintos tipos de energía hidráulica que hay en cuanto a centrales hidroeléctricas y a turbinas hidráulicas.
Tipos de centrales hidroeléctricas
Existen varios tipos de centrales hidráulicas o hidroeléctricas. En las regiones de montaña se utilizan grandes alturas de caída. En las plantas de agua fluida, en cambio, se utilizan grandes masas de agua fluvial que superan pequeñas diferencias de altura.
En las centrales hidroeléctricas más comunes, el agua que transportan los ríos es almacenada en un embalse, presa o cuenca, y liberada cuando se necesita producir energía. A estas centrales se les denomina Centrales de Pie de Presa. El agua desembalsada cae con fuerza, aprovechando la diferencia de altura, sobre una turbina hidráulica y la hace girar siempre a la misma velocidad pero con mayor fuerza cuanta más agua pasa. La energía cinética derivada de la rotación constante de la turbina, es transformada en energía eléctrica en los generadores eléctricos de la sala de máquinas. Después, se eleva la tensión de la electricidad producida para que pueda incorporarse a la red y transportarse con menores pérdidas hasta los puntos de distribución, donde se vuelve a bajar la tensión para los puntos de consumo. Finalmente, el agua utilizada en el proceso retoma el curso natural del río aguas abajo tras pasar la central.
Otro tipo de centrales hidroeléctricas son las Fluyentes, que aprovechan el desnivel natural del río para el salto y tienen un pequeño remanso para derivar el agua por un canal hasta la central.
También existen las centrales de bombeo, de las que ya hablamos, que consumen energía para subir el agua hasta un embalse superior en horas de baja demanda, para liberarla cuando el consumo eléctrico es elevado.
Por su parte, una central minihidráulica se caracteriza por tener instalada una potencia reducida, inferior a 10MW. Además, su pequeño tamaño, implica e uso de estructuras de tamaño mucho menor que una presa normal. Y la energía minihidráulica se considera más respetuosa con el medio ambiente, ya que los impactos que genera son pequeños y fácilmente minimizables.
Por otro lado, en Austria se ha desarrollado una planta de energía hidráulica con vórtices. Este tipo de central tiene un gran potencial y requiere poca técnica, sin necesitar tampoco una gran pendiente. Consiste en un canal de suministro de agua de un río conectado a una cuenca de rotación circular de un cierto diámetro, con un rotor de palas colocada en el centro de la cuenca. Permite la producción de 80 a 130MW/h por año, dependiendo de la cantidad de agua y la profundidad de la cuenca. El rotor funciona por la fuerza de la corriente y la gravedad, impulsando un generador que produce electricidad. Puede operar desde una altura de caída de 0.7 metros y una cantidad promedio de agua de 1000 litros por segundo. Asimismo, esta tecnología es prácticamente segura para los peces, ya que pueden pasar de manera segura a través de la pequeña central hidroeléctrica, tanto corriente arriba como corriente abajo.
Por otra parte, existen centrales todavía más simples que las minihidráulicas, las denominadas centrales microhidráulicas o micro hidroeléctricas. Un caso especial es la turbina de remolino desarrollada por la empresa belga Turbulent, la cual se puede instalar en ríos, arroyos, regatos y canales de agua, aprovechando el paso de agua para generar energía para hasta 60 casas.
Turbulent utiliza una pequeña cuenca de hormigón que se construye en el lateral del curso de agua, y que tiene un generador e impulsor en su fondo. Cuando está abierta su compuerta, el agua del río entra y hace girar la turbina, haciendo un remolino. De esta forma, la energía se produce ininterrumpidamente mientras el agua fluye por la desviación. Esta fuente de energía limpia funciona las 24 horas del día y es amigable para los peces y el medio ambiente en general.
Inspirada en la naturaleza, la turbina de la empresa Turbulent, puede proporcionar energía descentralizada a bajo costo. Por eso, esta tecnología es perfecta para áreas rurales y regiones aisladas de la red eléctrica, siempre que haya un río cercano.
Por último, mencionar los sistemas de micro turbinas hidráulicos domésticos que están pensados para la generación de electricidad para el hogar de forma personal, como el Hidrotor del que os hemos hablado.
Tipos de turbinas hidráulicas
A comienzos de la Segunda Revolución Industrial, la rueda hidráulica que se utilizaba hasta entonces, evolucionó hasta obtenerse la turbina hidráulica, la cual mejoró considerablemente la eficiencia de conversión de la energía potencial del agua en energía cinética rotacional aplicada a un eje. Esta turbina para generar electricidad, transforma la energía potencial y cinética de un líquido (agua en este caso) en energía mecánica. Las turbinas hidráulicas se clasifican según su diseño y su forma de funcionar.
Así, existen diferentes tipos de turbinas que se utilizan en las centrales hidroeléctricas y su uso depende de la medición del salto hidráulico (distancia vertical entre la presa superior y la turbina) en la planta y del caudal de agua que pasa por la turbina.
En cuanto a su forma de funcionar, la turbina hidráulica se puede clasificar en dos grupos:
- Turbinas hidráulicas de acción: sólo aprovechan la velocidad del flujo de agua.
- Turbinas hidráulicas de reacción: aprovechan tanto la velocidad como la pérdida de presión del agua en el interior de la turbina.
Y en función del diseño del rotor de la turbina, se pueden diferenciar los siguientes tipos:
- Turbina de Hélice: turbina de reacción de tipo axial, como una hélice colocada en el palo horizontal. Consiste en una corona directriz con álabes directrices y un rotor. Su regulación puede ser simple o doble según el flujo que haya, ajustando los álabes directrices.
- Turbina Kaplan: turbina de reacción de tipo axial, como turbinas de hélice pero que además pueden variar el ángulo y las palas o álabes de la hélice durante su funcionamiento. Son más eficientes con grandes caudales y saltos de agua pequeños. Puede proporcionar más de 2000KW.
- Turbina Pelton: turbina de acción de flujo transversal (turbina en disposición vertical) y admisión parcial. Son una evolución de los molinos de agua. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes pero con pequeños caudales. Consiste en una rueda (rodete o rotor) con “cucharas” en su periferia. Pueden tener una potencia nominal de hasta 5000KW. Existe también una versión más doméstica de ésta: la micro turbina pelton.
- Turbina Francis: turbina de reacción y de flujo mixto. Está diseñada para saltos de agua y caudales medios. Consta de una parte fija, con unas guías curvadas llamadas deflectores (o distribuidor), y de una parte móvil con álabes, también curvados, llamada rotor. La inclinación de los deflectores se puede regular para ajustar el caudal aplicado a los álabes, regulando así la velocidad de la turbina. Puede producir hasta 800KW de potencia.
Energía hidráulica, ventajas y desventajas
Las principales ventajas de la energía hidráulica son:
- Se trata de una energía renovable de alto rendimiento energético.
- Debido al ciclo del agua, su disponibilidad es casi inagotable.
- Es una energía limpia, puesto que no produce emisiones tóxicas durante su funcionamiento.
- Es una energía barata, que no necesita de continuos procedimientos de extracción o tratamiento de residuos.
- Los embalses permiten el almacenamiento de agua para la realización de actividades recreativas y el abastecimiento de sistemas de riego; así como permiten laminar las crecidas en épocas de lluvias torrenciales, regulando el caudal del río aguas abajo.
- La energía hidráulica evita la importación de combustibles a otros países.
- Las plantas hidroeléctricas tienen una vida de mayor duración que las plantas eléctricas que emplean combustibles fósiles.
- Los costos de operación de las centrales hidroeléctricas son bajos.
- Las unidades de control se pueden activar o desactivar rápidamente en unos pocos minutos, con la apertura y cierre de las cerraduras hidráulicas. Este sistema también permite cubrir cualquier pico en la demanda de energía de las áreas circundantes, lo cual no es tan factible en centrales termoeléctricas o nucleares, que necesitan más tiempo para activarse y no pueden apagarse sin largos tiempos de reactivación.
- La pérdida de energía que acompaña a la transformación del movimiento del agua en electricidad, es mínima.
- Las energías minihidráulica y microhidráulica tienen un impacto todavía menor que la hidráulica convencional.
Mientras que las desventajas de la energía hidráulica más destacables son:
- La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, lo que podría conllevar pérdidas de tierras fértiles y daño al ecosistema.
- Presas y embalses pueden ser destructivas para los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las presas en las costas de Norteamérica han reducido las poblaciones de trucha septentrional común que necesitan migrar a ciertos lugares para reproducirse. Por ello, también hay estudios buscando soluciones a este tipo de problema. Un ejemplo es la invención de un tipo de escalera para los peces.
- Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del río se puede modificar drásticamente causando una alteración en los ecosistemas.
- Las centrales hidroeléctricas se pueden ver afectadas por casos de fenómenos climáticos.
- La regulación del caudal de agua río abajo también implica ciertas desventajas. Esta característica cambia los ecosistemas en el río aguas abajo. El agua que sale de las turbinas no tiene prácticamente sedimento. Esto puede dar como resultado la erosión de los márgenes de los ríos o el retroceso de los deltas en la desembocadura de determinados ríos, así como también puede desencadenar erosión costera.
- La construcción de las presas y de toda la central hidroeléctrica puede suponer una inversión inicial muy elevada, aunque en su funcionamiento se trate de una energía barata.
- Por su potencial peligrosidad, las centrales hidroeléctricas no deben situarse cerca de poblaciones, ya que puede existir riesgo de inundación en caso de que la presa se desborde a causa de las excesivas precipitaciones o de la poca previsión. Esto también provoca que haya que tender costosos cableados para hacer llegar la electricidad desde las centrales hasta las poblaciones.
- Una planta hidroeléctrica no se puede construir en cualquier lugar porque se necesitan elementos contingentes en el territorio, como que haya un caudal en los ríos que sea suficiente para proporcionar almacenamiento de agua, la posibilidad de tomar el agua desde grandes alturas, necesarias para liberar más energía, y el suficiente espacio para la creación de presas que recogen el agua en sí. Además, la creación de una presa solo es posible si el territorio lo permite en función de las características geológicas del terreno.
- Las centrales hidroeléctricas sufren un entierro progresivo en las cuencas de acumulación. Para evitar esto, éstas deben ser dragadas periódicamente.
Fuentes: Wikipedia, Twenergy, Energía Solar, Erenovable.com, Sostenibilidad para todos y Ecocosas
