Energía Hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica es un tipo de energía que resulta de la síntesis entre la energía hidráulica y la energía eléctrica, aprovechada por el ser humano para producir electricidad mediante infraestructuras hidráulicas y dispositivos electromecánicos, constituyendo lo que se conoce como complejo hidroeléctrico.

Desde el punto de vista de la física, la energía hidroeléctrica implica una doble conversión energética. En primer lugar, la energía del movimiento del agua se transforma en energía hidráulica, gracias a diferencias de altura en el terreno y el flujo del líquido. Luego, la energía hidráulica es convertida en energía eléctrica por medio de dispositivos electromecánicos (turbinas y generadores), los cuales siguen los principios electromagnéticos de Faraday.

Generalmente, para obtener energía hidroeléctrica se construyen grandes complejos hidroeléctricos, los cuales están compuestos por una presa, un embalse y una central eléctrica. La primera central hidroeléctrica del mundo fue construida en los Estados Unidos en el año 1879.

La energía hidroeléctrica, también conocida como hidroelectricidad, es la energía renovable más utilizada en el mundo, ya que 150 países se dedican a su producción. Por ello, no sorprende que la energía hidroeléctrica represente cerca del 17% de la electricidad consumida en el planeta. Siendo China el líder mundial en la producción de hidroelectricidad, debido a la magnitud constructiva de la presa de las 3 Gargantas y la presa Xiluodu.

Ejemplos

A pesar de lo que se pudiera pensar, la energía hidroeléctrica puede ser ejemplificada de varias maneras, que ilustran los diferentes estados de movimiento del agua en la naturaleza. Los ejemplos más representativos son los siguientes:

Centrales hidroeléctricas


Son instalaciones que constituyen los grandes complejos hidroeléctricos, que se encargan de transformar la energía hidráulica, obtenida del potencial gravitacional del agua del embalse, en energía mecánica a través de turbinas. En la siguiente etapa, un generador se ocupa de convertir la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica, gracias a que cuenta con unos electroimanes que inducen corriente de alta tensión en cables conductores.

Estaciones hidroeléctricas


A diferencia de las centrales hidroeléctricas, las estaciones hidroeléctricas obtienen la energía hidráulica de la energía cinética de los ríos, o de cualquier flujo constante que provenga de una fuente (artificial o natural) que se encuentre aguas arriba. Por sus características, estas estaciones son incapaces de generar una reserva de agua, obligando al uso inmediato de la hidroelectricidad producida, haciendo posible desperdiciar energía hidroeléctrica.

Central eléctrica de mareas


Esta es una instalación que hace uso de la energía hidráulica es del tipo mareomotriz, es decir, aquella que proviene de la dinámica predecible de las mareas; a medida que aumenta y disminuye el nivel del mar. La energía de las mareas es básicamente energía cinética, que genera una serie de fenómenos en las profundidades marinas, como las ruedas de agua. Además, en condiciones ideales es posible construir reservorios que permitan atender periodos de alta demanda eléctrica.

Cómo se produce

Saltos del Guairá – Paraguay, hoy desaparecido por su potencial hidráulico, alimenta una de las Hidroléctricas más grandes del mundo, ITAIPU.

Como bien se ha mencionado en un principio, la energía hidroeléctrica se produce, principalmente, debido a una doble sucesión de transformaciones físicas. Esta sucesión de transformaciones es provocada por el ser humano, y generalmente es ilustrada en el funcionamiento de un complejo hidroeléctrico.

Al estar compuesto el complejo hidroeléctrico por una presa y un embalse, la primera sucesión transformadora conlleva el pasar de energía potencial a energía hidráulica. El embalse contiene agua con gran potencial gravitacional, debido a la altura del volumen almacenado. Por el empuje gravitacional el agua entra en movimiento y es extraída por unos ductos incorporados en la presa, los cuales la llevaran hasta las turbinas.

Al entrar en contacto con las turbinas, el agua en movimiento hace que giren, provocando que la energía hidráulica se convierta en energía mecánica, una transformación secundaria. Debido a que las turbinas hidráulicas se encuentran conectadas a unos generadores, el giro de los rotores es convertido en energía eléctrica por medio de electroimanes, que inducen una corriente por la influencia de un campo magnético en movimiento.

Por último, la corriente alterna producida por los generadores es conducida hasta unos transformadores, los cuales incrementan el voltaje del flujo eléctrico original para que este pueda recorrer grandes distancias hasta su destino final.

Cómo funciona la energía hidroeléctrica

Para comprender el funcionamiento de la energía hidroeléctrica es necesario conocer 3 principios físicos de la naturaleza, los cuales están presentes en el proceso de producción descrito anteriormente.

Turbina hidroeléctrica.
  • Conservación de la energía: la energía potencial y cinética de un sistema (cerrado) están estrechamente ligadas, en el sentido de que la suma de estas 2 energías debe mantenerse constante. Por ello, si debido a un cambio particular un tipo de energía disminuye, la otra debe aumentar. Esto sucede en los embalses hidroeléctricos, que por la diferencia de altura el agua adquiere energía potencial, que es convertida en energía cinética cuando los ductos de la presa son abiertos.
  • Ley de Faraday-Lenz: esta ley fundamental del electromagnetismo establece que un campo magnético en movimiento debe inducir una corriente en un material conductor, como el cobre. Por tanto, esta ley es el causante de la conversión de la energía mecánica de la turbina en electricidad, puesto que la turbina hace girar al electroimán del generador, induciendo una corriente alterna en una bobina.
  • Conductividad eléctrica: en contraste con las demás, este es una propiedad de los materiales, referida a la permisibilidad atómica para posibilitar el flujo de electrones. Sin esta propiedad no sería posible el transporte de la energía hidroeléctrica desde la central hasta las ciudades, incluso, ni siquiera sería posible la generación de energía eléctrica por la Ley de Faraday.

Usos

Por ser la energía renovable de mayor producción mundial, la energía hidroeléctrica es empleada en diferentes actividades como fuente de electricidad alternativa. Sin embargo, de todas las aplicaciones que recibe actualmente la hidroelectricidad, los usos más significativos son:

Línea de transmisión eléctrica.
  1. Generación rentable de electricidad la cual es capaz de satisfacer la demanda fluctuante de las poblaciones de una determinada región.
  2. Producción de electricidad para atender las necesidades del sector industrial, especialmente a las industrias encargadas de la electrolisis del aluminio.
  3. Almacenamiento de grandes volúmenes de agua para satisfacer las necesidades de la agricultura y acuicultura. Además, el entorno silvestre de los embalses es valioso para ambientar las instalaciones de deportes acuáticos.

Ventajas y desventajas

El hecho de que la energía hidroeléctrica sea renovable no implica que esta sea 100% beneficiosa, ya que existen detalles perjudiciales detrás de producción de hidroelectricidad. Sin más que agregar, estas son las ventajas y desventajas de la energía hidroeléctrica:

Ventajas

  • En primera instancia, gracias a que la energía hidroeléctrica es renovable es posible reducir las emisiones de gases de invernadero, como el dióxido de carbono, ya que las represas hidroeléctricas no queman combustible.
  • Los complejos hidroeléctricos son beneficiosos económicamente, debido a que permiten almacenar agua a bajo costo, usada para producir electricidad de alto valor. Además, las centrales hidroeléctricas tienen una considerable vida útil, pudiendo seguir en funcionamiento después de 50 a 100 años y pueden ser automatizadas, reduciendo el costo en personal.
  • La energía hidroeléctrica se adapta a los cambios en la demanda, disminuyendo o aumentando la producción de hidroelectricidad por medio del control del caudal de los ductos de la presa.
  • Los complejos hidroeléctricos no solamente son construidos para satisfacer la necesidad energética de poblaciones, también es utilizada para abastecer de electricidad a industrias, como la del aluminio. Incluso, el embalse puede servir para agricultura, acuicultura y para deportes acuáticos.

Desventajas

  • La construcción de complejos hidroeléctricos trae consigo ciertos perjuicios al ecosistema, ya que el establecimiento del embalse puede provocar el hundimiento de valles boscosos, pantanos, pastizales, etc. Además, el complejo altera considerablemente el flujo de ríos, ya que el agua proveniente de la turbina desgasta el lecho de ríos y las orillas.
  • El agua del embalse hidroeléctrico está sometida a la tasa de evaporación más alta entre todas las tecnologías de producción energética.
  • Los embalses hidroeléctricos pueden estimular la producción natural de metano, un gas de invernadero, ya que los organismos vegetales en constante interacción con el agua se descomponen anaeróbicamente, produciendo metano.
  • Las represas hidroeléctricas están sujetas al riesgo de sufrir roturas por defectos constructivos, por mantenimientos inadecuados, fenómenos naturales, etc., generando una liberación repentina de toneladas de agua, lo que trae consigo inundaciones y catástrofes en las poblaciones aledañas.

Fórmula matemática

En el campo de la ingeniería, la formulación matemática de la energía hidroeléctrica está dada por una simple ecuación que indica, de forma aproximada, cómo varía la potencia eléctrica del complejo, según la diferencia de altura y el caudal del flujo.

\[ P=\rho*h*r*g*k \]

Dónde:

  • P: potencia hidroeléctrica en vatios.
  • \[/rho \]: densidad del agua, cuyo valor aproximado es de 1000kg/m3.
  • h: altura del desnivel en metros.
  • r: caudal del agua en m3/seg.
  • g: aceleración gravitacional, aproximadamente igual a 9,81 m/s2.
  • k: coeficiente de eficiencia de la turbina, que varía entre 0 y 1.