Energía Hidráulica

La energía hidráulica es la energía cinética del movimiento de masas de agua, o la energía potencial del agua disponible a una cierta altura. Es una consecuencia de la radiación solar. El Sol inicia el ciclo hidrológico evaporando agua de la superficie de la Tierra (océanos, lagos, etc.) que, posteriormente, al precipitar y fluir por la superficie de los terrenos es capaz de proporcionar esta energía. La ecuación que la describe es:

E = m. g. h

La suma anual de energía almacenada es, por tanto, algo menos de 200.000 TWh al año.

Potencial

Cerca de un cuarto de la energía solar que incide sobre la tierra se consume en la evaporación de agua. El vapor de agua en la atmósfera representa, por consiguiente, un enorme y continuo almacenamiento de energía renovable. Desafortunadamente, la mayor parte de esta energía no está disponible para ser usada: es reciclada en la atmósfera cuando el vapor de agua condensa para formar la lluvia o la nieve, y finalmente re-radiada en el espacio.

P = ρ.Q. g. h. η

donde:

• ρ es la densidad del agua en kg/m³
• Q el caudal de agua en m³/s que circula por las tuberías que la conducen a las turbinas
• g la aceleración de la gravedad en m/s²
• h el desnivel en metros
• η es el rendimiento del sistema

Tecnología

Actualmente, la energía hidráulica se destina fundamentalmente a la generación de electricidad. Las plantas hidroeléctricas actuales son el resultado de 2.000 años de avances tecnológicos, desde la rueda de madera, que convertía un bajo porcentaje de energía hidráulica en energía mecánica útil, a los modernos turbogeneradores que giran a 1.500 revoluciones por minuto y producen energía eléctrica con muy altos rendimientos. A diferencia de las otras energías renovables, la energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy bien establecida. La tipología de las centrales hidroeléctricas es muy variada. Estas dependen de:

• La altura útil del salto.
• La capacidad de generación.
• El tipo de tecnología.
• La localización y tipo de presa, embalse, etc.

Según el tipo de central, las instalaciones hidráulicas pueden clasificarse fundamentalmente en:

• Centrales de agua fluyente.
• Centrales con embalse.

Subsistemas componentes en una central hidroeléctrica:

• Obra civil.
• Turbinas hidráulicas y transmisiones mecánicas.
• Generadores eléctricos.
• Subsistema de regulación y control.

La obra civil se compone de forma general de (Figura 3: Central hidroeléctrica de agua fluyente):

• Los elementos de retención (azudes y presas), destinados a retener el cauce de un río, y los elementos de seguridad para la evacuación de caudales, integrados por aliviaderos y compuertas.
• Los canales de derivación, cuya función es conducir el caudal de agua derivado hasta una cámara de descarga, pueden ser a cielo abierto, enterrados o una conducción a presión.
• La cámara de carga consiste en un depósito (mucho más pequeño que un embalse) ubicado en el otro extremo del canal. Estas cámaras alimentan a las tuberías forzadas.
• Las tuberías forzadas son las encargadas de conducir el agua desde la cámara de carga o desde el embalse hasta la turbina.
• El edificio central en cuyo interior se encuentran las turbinas, los generadores eléctricos y demás aparatos de regulación y control. Su ubicación requiere adecuados estudios topográficos, geológicos, geotécnicos y de accesibilidad.

Costos

La energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy conocida. Los sistemas de control del agua y los turbogeneradores para extraer la potencia constituyen tecnologías estándar. Las instalaciones existentes cubren un rango de potencia que abarca desde cientos de vatios a miles de megavatios.

Impacto ambiental

a) Desde el punto de vista de los beneficios que supone producir energía eléctrica disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y, por tanto, reduciendo los efectos negativos de éstos sobre el medio ambiente (emisión de CO₂ y NOx, lluvia ácida, residuos tóxicos, etc.).

b) Desde el punto de vista de la afectación al medio ambiente. Entre las posibles alteraciones del medio físico que las instalaciones hidroeléctricas pueden generar durante la etapa de construcción y la etapa de explotación se encuentran:

• La inundación de extensas zonas, con el consiguiente impacto ambiental.
• Pérdidas de suelo agrícola, ganadero o forestal por erosión e inundación.
• Cortes de vías de comunicación.
• Reajustes de las corrientes de agua y los efectos asociados sobre la calidad y cantidad de agua y fauna acuática.

Situación actual

La capacidad hidroeléctrica total instalada en el mundo es de aproximadamente 630 GW. En Europa, el aprovechamiento de los recursos hidráulicos representó en el año 1994 aproximadamente 299.000 GWh. Francia es el país que lidera en Europa la producción de energía hidráulica, mientras que España ocupa el quinto lugar. A finales de 2002, la potencia total de las centrales mini-hidráulicas en la Unión Europea era de 10.500 MW, de los que el 87% provenía de cinco Estados Miembros (Italia, Francia, España, Alemania y Suecia). Estas instalaciones tienen más de 40 años, por tanto, si se llevase a cabo un programa de renovación de las mismas podría alcanzarse la cifra de 12.000 MW en el año 2010.

Energía Térmica: Combustibles Utilizados e Impactos Ambientales

El proceso fundamental de funcionamiento de las centrales termoeléctricas está basado en la conversión de energía térmica en energía mecánica, y a partir de ésta, en energía eléctrica. Las centrales termoeléctricas convencionales pueden ser clasificadas de acuerdo con el método de combustión utilizado como de:

• Combustión externa: son aquéllas donde el combustible no entra en contacto con el fluido de trabajo.
• Combustión interna: son aquéllas donde la combustión se efectúa sobre una mezcla de aire y combustible, siendo el fluido de trabajo el conjunto de productos de combustión.

Existen diferentes tecnologías de reactores nucleares, los más importantes son:

• Reactores de Agua Liviana LWR: La tecnología de estos reactores comprobó ser económica, segura y confiable.
• Reactores de Agua Pesada HWR: Son reactores refrigerados y moderados a agua pesada, son también económicos, seguros y confiables.
• Reactores refrigerados a metal líquido (Fast Breeder Reactors): El desarrollo de los reactores súper regeneradores rápidos enfriados a metal líquido no ganó el ímpetu esperado debido al aumento de la disponibilidad de los recursos de uranio a bajo costo para sostener la demanda a corto y mediano plazo.

Combustibles Utilizados

La gran variedad de diseños de unidades de generación termoeléctrica está asociada principalmente a los combustibles utilizados, los que comprenden una gran gama de recursos energéticos primarios no renovables y renovables. Los combustibles fósiles (derivados del petróleo, carbón mineral, gas natural, etc.) así como los nucleares (uranio, torio, plutonio, etc.).

Eras Energéticas

Habitualmente hablamos de tres eras energéticas (leña, carbón y petróleo-gas), las que han tenido un papel decisivo en el desarrollo económico, en particular a partir de la Revolución Industrial. La próxima era energética presumiblemente también ocasionará efectos pronunciados sobre la magnitud y naturaleza del futuro crecimiento económico mundial. En la figura siguiente puede apreciarse un esquema de la evolución de las distintas fuentes energéticas.

Características de los Combustibles Utilizados para Generación Termoeléctrica

Desde los comienzos mismos de la humanidad, el hombre ha utilizado una variedad de recursos energéticos. Comenzó a utilizar, como fuente de energía, a la biomasa en forma de leña y carbón de leña cuya principal aplicación era la cocción de alimentos y la calefacción.

Carbón Mineral

El carbón mineral era conocido y utilizado en China hacia el año 1100 AC., pero recién pasó a ser ampliamente usado con el advenimiento de la Revolución Industrial en el siglo XVII como fuente de energía para las máquinas de vapor. Su utilización fue inevitable debido a la crisis de disponibilidad de leña del siglo XVI que registró importantes disminuciones en su producción debido a la reducción de grandes áreas forestales. Con la Revolución Industrial se sientan las bases para el moderno crecimiento económico, signado por la utilización intensiva de energía.

El petróleo está formado básicamente por hidrocarburos, cuya fórmula general es C_nH_2n+2, de donde se obtienen por destilación un sinnúmero de derivados. Su utilización implica necesariamente daños ambientales, por la emisión de óxidos de azufre, de nitrógeno y de carbono, contribuyendo al efecto invernadero. El petróleo es, hoy en día, el principal componente de la matriz energética mundial, presentando un bajo costo y una amplia gama de usos en diversos sectores de la industria.

Gas Natural

El gas natural comienza a competir con el petróleo en la década del 30 cuando logra desarrollarse la tecnología de transporte a largas distancias con gasoductos de costos competitivos. A partir de allí el consumo de gas se expande rápidamente favorecido por la conveniencia de su manejo a nivel industrial y residencial. Su uso fue intensificado durante las crisis del petróleo de 1973 y 1979, cuando se evidenció sus óptimas condiciones como sustituto del petróleo en múltiples aplicaciones. El gas natural es hoy el tercer combustible en la matriz energética mundial, a excepción del kerosén de aviación puede sustituir cualquier combustible, sólido, líquido o gaseoso.

Gasificación del Carbón Mineral

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania garantizaba su abastecimiento de combustible a través de la gasificación de carbón y su posterior conversión a combustible líquido.

Combustibles Nucleares

La energía nuclear aprovecha la propiedad de ciertos isótopos de uranio de dividirse liberando gran cantidad de energía térmica, en un proceso conocido como fisión nuclear. La utilización de la energía nuclear comienza, en escala comercial, a partir de 1957 cuando se producen importantes adelantos tecnológicos.

Energías Renovables

Introducción

Prácticamente todas las actividades que desarrolla el ser humano requieren de la utilización de los recursos energéticos en mayor o menor grado.

Uso Eficiente de la Energía Eléctrica

La Fig. 1 esquematiza la progresión del consumo de energía desde la Revolución Industrial hasta nuestros días, sus fuentes principales y su relación con los desarrollos tecnológicos.

Trilema Energético

El explosivo incremento en el consumo energético conduce a un conflicto con el concepto de Desarrollo Sustentable conocido como trilema energético caracterizado por tres elementos fundamentales:

a) Las limitaciones de los recursos energéticos

b) Los factores económicos

c) Los efectos ambientales asociados a la transformación y consumo de energía.

Energía y Recursos Energéticos

Hasta hace pocos siglos —antes del inicio del uso del carbón mineral— la humanidad dependía casi enteramente de las energías renovables.

Utilización de la Energía Eléctrica

En nuestros días, las fuentes de energía primaria a partir de las cuales se impulsa la humanidad son casi en un 86% combustibles fósiles, no renovables. Por definición, una fuente energética no renovable es aquella cuyo stock es fijo o tiene una velocidad de renovación sumamente lenta, y por lo tanto se encontrará disponible sólo hasta que se agoten sus existencias.

Reservas

Se entiende por reservas de petróleo y gas al volumen de hidrocarburos de un yacimiento ya descubierto, que será posible producir de ahora en más en condiciones rentables. Para determinarlas, lo primero que se debe saber es cuánto petróleo y/o gas contiene el yacimiento, lo que se conoce como “petróleo original in situ”.

Energía y Economía

Los combustibles fósiles permitieron a la humanidad aumentar la disponibilidad energética y con ello su actividad económica. Esta situación condujo a un concepto fuertemente arraigado hasta hace poco tiempo que sostenía que el uso de la energía y el crecimiento económico están estrechamente vinculados y que este último requería constantes incrementos en el uso de la primera.

Desarrollo → crecimiento económico → mayor PBI → mayor consumo energía

En particular, para el sector eléctrico, la lógica se completa de la siguiente forma: mayor consumo energía → mayor consumo electricidad → Generación centralizada

Energía y Medio Ambiente

Toda actividad humana interactúa de alguna forma con la naturaleza. Los recursos naturales, alimentos, vestimenta, materias primas y energía provienen de ella; y todos los resultados de esta actividad: efluentes gaseosos y líquidos, desechos urbanos e industriales, basura, y objetos con su vida útil acabada, van a parar a ella. Una lista sintética de los daños ambientales vinculados con la utilización energética sería la siguiente:

• Contaminación atmosférica por utilización de combustibles
• Degradación y contaminación de tierras
• Destrucción de ecosistemas
• Cambio Climático

Uso Eficiente de la Energía Eléctrica

A pesar de esto, las crisis energéticas descriptas anteriormente motivaron —dadas sus ventajosas características— su resurgimiento desde la década del ‘70, representando hoy casi el 1% de la generación mundial y encontrándose en rápido aumento —fundamentalmente la eólica.

Seguridad Energética

Pueden encontrarse varias definiciones distintas del concepto de Seguridad Energética, pero básicamente los aspectos compartidos por todas ellas son:

• Confiabilidad y seguridad de las fuentes: el riesgo de mantener su provisión a lo largo del tiempo es mínimo. Los cambios en el entorno económico, social, ambiental, político, etc., influyen mínimamente en su provisión.
• Accesibilidad económica: la utilización de la fuente energética es viable en términos económicos.

Energías Renovables

Las energías renovables son, como su nombre lo indica, fuentes que se encuentran a disposición tanto ahora como en el futuro ya que su provisión no se encuentra limitada por stock, sino que están en su gran mayoría provistas por una fuente exterior: el Sol.

Los Combustibles como Fuente Energética para el Ser Humano

La población humana alcanzó en el año 1998 los 5.500 millones de habitantes, cada uno de los cuales consumía en promedio 8 veces más energía que el hombre en los comienzos de su historia.

Emisión de Gases en el Proceso de Combustión

Una descripción simplificada del fenómeno de combustión ayudará a comprender sus características más importantes para nuestro análisis.

Monóxido de Carbono

El CO es un gas incoloro e inodoro que tiene mayor afinidad química con la hemoglobina (de 200 a 300 veces mayor) que el oxígeno.

Balance Radiativo de la Tierra y Efecto Invernadero

La temperatura de la Tierra, queda determinada por la cantidad de energía entrante y saliente del planeta.

Centrales Termoeléctricas

Básicamente, las centrales termoeléctricas, ya sea que funcionen utilizando combustibles fósiles o fisión nuclear, constan de un elemento productor de calor, combustión o fisión nuclear, un sistema de producción de vapor, un generador eléctrico y un sistema de refrigeración.

Termoeléctricas con Combustibles

Las centrales termoeléctricas que producen electricidad a partir de la utilización de combustibles fósiles son responsables de una importante porción de las emisiones de origen antropogénico.

Factores de Emisión

Se denomina Factor de Emisión de un determinado contaminante a la cantidad de dicho contaminante emitida por unidad de producción de la industria en cuestión.

Centrales Termonucleares

Las centrales termonucleares completan la lista de centrales energéticas convencionales con impacto ambiental. En particular este tipo de centrales utilizan elementos radioactivos para la realización del proceso de fisión nuclear responsable de la liberación de enormes cantidades de calor que, ciclo térmico mediante, es transformado en energía eléctrica.

Centrales Hidroeléctricas

La construcción de represas hidroeléctricas representa —en algunos casos— uno de los impactos ambientales del tipo local y/o regional más importantes producidos por el hombre.

Modificación del Caudal del Régimen Hidrológico

Debido a que las centrales hidroeléctricas tienen como función principal la generación de energía eléctrica, la periodicidad de los caudales aguas abajo de la presa se pierde, en general, afectando a los ecosistemas como se verá más adelante.

Características del Agua del Río

Es sabido que algunos ríos —como el Paraná—, arrastran gran cantidad de sedimentos confiriéndole al agua su característica turbiedad. El aquietamiento del agua en el embalse, permite que parte de estos sedimentos se depositen gradualmente en el fondo produciendo el fenómeno conocido como «colmatación», que va restando paulatinamente capacidad de almacenamiento al embalse hasta inutilizarlo.

Problemas sobre el Ser Humano

Los problemas más directos generados sobre el ser humano están relacionados con la destrucción de los patrimonios históricos —tener en cuenta que los valles de los ríos han sido tradicionalmente los sitios donde han proliferado las civilizaciones—, caminos, poblaciones, etc., y con los reasentamientos de población que conlleva la modificación de las pautas culturales.

Problemas sobre la Fauna y Flora

La destrucción del hábitat ocupado por el área inundada no requiere explicación, y afecta a todas las formas de vida. En el caso de ríos en climas subtropicales y tropicales, los ecosistemas afectados tienen una enorme biodiversidad.

Efecto invernadero: En síntesis, la atmósfera terrestre actúa como un gigantesco invernadero evitando la pérdida de calor por radiación al espacio exterior y manteniendo los valores medios de temperatura planetaria dentro de los rangos que hacen posible la vida tal cual la conocemos en la actualidad.