- Característiques
- rendiment
- Com funciona l'energia hidràulica?
- Transformació de l'energia solar en energia cinètica
- Producció d'electricitat a partir de l'energia hidràulica (Hidroelèctrica)
- turbines
- turbina Pelton
- turbina Francis
- turbina Kaplan
- alternador
- avantatges
- és econòmica
- és renovable
- alt rendiment
- No és contaminant
- Presència d'embassaments
- desavantatges
- Dependència de les precipitacions
- Alteració de el curs natural del riu
- Perill de ruptura de la presa
- usos
- Sínies i bombes d'aigua
- molins
- forges
- fractura hidràulica
- fracking
- Centrals hidroelèctriques
- Exemples de centrals d'energia hidràulica
- Les Tres Gorges
- Itaipú
- Simón Bolívar (Guri)
- referències
La energia hidràulica és la capacitat que té l'aigua de produir treball en forma de moviment, llum i calor amb base en la seva energia potencial i cinètica. Així mateix, es considera una energia renovable neta i d'alt rendiment.
Aquesta energia es troba determinada pel cabal, el desnivell entre punts de el terreny pel qual es mou l'aigua i la força de gravetat. La mateixa ha estat aprofitada per l'ésser humà des d'èpoques antigues per realitzar diferents treballs.
Represa d'Itaipú (Brasil i Paraguai). Font: Angelo Leithold
Un dels primers usos que se li va donar a l'energia hidràulica va ser per accionar molins d'aigua que aprofitaven la força del corrent. D'aquesta manera, mitjançant engranatges es podien moure pedres de molí per batre blat.
En l'actualitat la seva aplicació més rellevant és la generació d'energia elèctrica mitjançant les centrals d'energia hidràulica o centrals hidroelèctriques. Aquestes centrals consisteixen bàsicament en una represa i un sistema de turbines i alternadors.
L'aigua s'acumula a la represa entre dos nivells de la llera (desnivell geodèsic), generant energia potencial gravitatòria. Posteriorment, el corrent d'aigua (energia cinètica) activa unes turbines que transmeten l'energia a alternadors per produir energia elèctrica.
Entre els avantatges de l'energia hidràulica està que és renovable i no contaminant, a diferència d'altres fonts d'energia. D'altra banda, és altament eficient amb un rendiment que va de el 90 - 95%.
L'impacte ambiental de les centrals hidroelèctriques està associat a la variació de temperatura i alteració física de el curs d'aigua. Igualment, es produeixen deixalles d'olis i greixos que es filtren des de la maquinària.
El seu principal desavantatge és l'alteració física que causa a causa de que s'inunden grans extensions de terra i s'altera el curs i cabal natural dels rius.
La central hidroelèctrica més gran de món és Les Tres Gorges, situada a la Xina, al riu Iang-Tsé. Les altres dues en importància són les d'Itaipú a la frontera entre el Brasil i el Paraguai i la central hidroelèctrica Simón Bolívar o Guri a Veneçuela.
Característiques
La font de l'energia hidràulica és l'aigua i es considera és una energia renovable en la mesura que no s'alteri el cicle de l'aigua. Així mateix, pot produir treball sense generar residus sòlids ni gasos contaminants i per tant és considerada una energia neta.
rendiment
El rendiment energètic es refereix a la relació entre la quantitat d'energia que s'obté en un procés i l'energia que va ser necessària invertir en el mateix. En el cas de l'energia hidràulica, s'aconsegueix un rendiment entre 90 a el 95% depenent de la velocitat de l'aigua i de el sistema de turbina que s'empri.
Com funciona l'energia hidràulica?
Esquema d'una central hidroelèctrica. Font: User: Tomia
Transformació de l'energia solar en energia cinètica
El fonament de l'energia hidràulica està en l'energia solar, la topografia de el terreny i la gravetat terrestre. En el cicle de l'aigua l'energia solar causa l'evaporació i després l'aigua es condensa i precipita sobre la terra.
Com a conseqüència dels desnivells de el terreny i la força de gravetat, en la superfície terrestre es produeixen corrents d'aigua superficials. D'aquesta manera, l'energia solar es transforma en energia cinètica a causa de el moviment de l'aigua per l'acció combinada dels desnivells i la gravetat.
Posteriorment l'energia cinètica de l'aigua pot transformar-se en energia mecànica que és capaç de realitzar treball. Per exemple, es poden moure aspes que transmeten el moviment a un sistema d'engranatges que pot fer funcionar diversos aparells.
La magnitud de l'energia hidràulica ve donada pel desnivell entre dos punts donats d'la llera i el cabal d'aquest. Mentre més gran sigui el desnivell de el terreny, més gran serà l'energia potencial i cinètica de l'aigua així com la seva capacitat de generar treball.
En aquest sentit, l'energia potencial és aquella que s'acumula en una massa d'aigua i està relacionada amb la seva alçada amb relació a terra. D'altra banda, l'energia cinètica és la que allibera l'aigua en el seu moviment de caiguda en funció de la topografia i la gravetat.
Producció d'electricitat a partir de l'energia hidràulica (Hidroelèctrica)
L'energia cinètica que genera l'aigua en la seva caiguda pot ser utilitzada per produir energia elèctrica. Això s'aconsegueix construint preses on l'aigua s'acumula i reté en diferents nivells d'alçada.
Així, l'energia potencial de l'aigua és directament proporcional a l'desnivell entre un punt i un altre i quan l'aigua cau es transforma en energia cinètica. Posteriorment, l'aigua passa a través d'un sistema d'aspes de rotació i genera energia cinètica de rotació.
El moviment de rotació permet moure sistemes d'engranatges que poden activar sistemes mecànics com molins, sínies o alternadors. En el cas particular de la generació d'energia hidroelèctrica el sistema requereix un sistema de turbines i un alternador per generar electricitat.
turbines
La turbina consisteix en un eix horitzontal o vertical amb un sistema d'aspes que per la força de l'aigua fan girar a l'eix.
Hi ha tres tipus bàsics de turbines hidràuliques:
turbina Pelton
Turbina Pelton. Font: Robertk9410
És una turbina d'impuls d'alta pressió amb eix horitzontal que treballa sense estar totalment submergida. El rodet porta una sèrie d'àleps (paletes o dents) còncaus que són impulsats per dolls d'aigua.
Com més dolls d'aigua xoquin contra la turbina, es generarà més potència. Aquest tipus de turbina s'empra per salts d'aigua de 25 a 200 metres d'altura i arriba a una eficiència de fins a 90%.
turbina Francis
Turbina Francis. Font: The original uploader was Stahlkocher at German Wikipedia.
És una turbina de reacció de pressió mitjana amb un eix vertical i treballa totalment submergida en l'aigua. El rodet està format per paletes que són impulsades per l'aigua conduïda a través d'un distribuïdor.
Es pot emprar en salts d'aigua de 20 a 200 metres d'altura i aconsegueix una eficiència de 90%. Aquest és el tipus de turbina que s'utilitza més freqüentment en les grans centrals hidroelèctriques de el món.
turbina Kaplan
Turbina Kaplan. Font: TheRunnerUp
Es tracta d'una variant de la turbina Francis i a l'igual que aquesta posseeix un eix vertical, però el rodet està format per una sèrie de pales orientables. La mateixa és de reacció d'alta pressió i treballa totalment submergida en aigua.
La turbina Kaplan és utilitzada en salts d'aigua de 5 a 20 metres d'altura i la seva eficiència pot arribar fins a un 95%.
alternador
L'alternador és un aparell que té la capacitat de transformar energia mecànica en energia elèctrica mitjançant inducció electromagnètica. Així, es fan rotar pols magnètics (inductor) dins d'una bobina amb pols alterns de material conductor (per exemple coure enrotllat en ferro dolç).
El seu funcionament es basa en el fet que un conductor sotmès per cert temps a un camp magnètic variable, genera una tensió elèctrica.
avantatges
L'energia hidràulica és utilitzada àmpliament a causa que té molts aspectes positius. Entre aquests podem ressaltar:
és econòmica
Si bé en el cas de les centrals hidroelèctriques la inversió inicial és alta, en termes generals a llarg termini és una energia barata. Això és degut a la seva estabilitat i baix cost de manteniment.
A més, s'han d'afegir les compensacions econòmiques que proporcionen els embassaments amb possibilitats per aqüicultura, esports aquàtics i turisme.
és renovable
A l'estar fonamentada en el cicle de l'aigua es tracta d'una font d'energia renovable i contínua. Això implica que no s'esgota en el temps a diferència de l'energia provinent dels combustibles fòssils.
Tanmateix, la seva continuïtat depèn que el cicle de l'aigua no sigui alterat en una regió determinada o globalment.
alt rendiment
L'energia hidràulica és considerada molt eficient i amb un alt rendiment que està entre 90 a 95%.
No és contaminant
Aquest tipus d'energia utilitza una font natural com és l'aigua ia més no produeix residus ni gasos contaminants. Per tant, el seu impacte sobre el medi ambient és reduït i es considera una forma d'energia neta.
Presència d'embassaments
En els casos en què es construeixen embassaments per a l'aprofitament de l'energia hidroelèctrica, aquests presenten una sèrie de beneficis addicionals:
- Permeten regular el cabal del riu i evitar inundacions.
- Representen un reservori d'aigua per a consum humà, reg i ús industrial.
- Poden emprar-se com zones d'esplai i per a la pràctica d'esports aquàtics.
desavantatges
Dependència de les precipitacions
Una limitant de la generació d'energia hidroelèctrica és la seva dependència de el règim de precipitacions. Per tant, en anys particularment secs el subministrament d'aigua pot disminuir dràsticament i es redueix el nivell de l'embassament.
Quan el cabal d'aigua es redueix la generació d'energia elèctrica és menor. De tal manera que en regions que depenen molt de l'energia hidroelèctrica es poden presentar problemes en el subministrament.
Alteració de el curs natural del riu
La construcció d'una presa en un riu altera el seu curs natural, el seu règim de crescudes, minves (disminució de l'cabal) i el procés d'arrossegament de sediments. Per tant, es produeixen canvis en la biologia de plantes i animals aquàtics o ubicats a les rodalies de el cos d'aigua.
D'altra banda, la retenció de sediments en la presa altera la formació de deltes a la desembocadura dels rius i altera les condicions de terra.
Perill de ruptura de la presa
A causa de el gran volum d'aigua emmagatzemada en algunes preses hidroelèctriques un trencament de el mur de contenció o vessants properes pot produir accidents greus. Per exemple, durant l'any 1963 va passar el despreniment del vessant en la presa Vajont (avui en desús) a Itàlia i va ocasionar 2.000 morts.
usos
Sínies i bombes d'aigua
La rotació d'una roda impulsada per l'energia cinètica de l'aigua permet portar aigua d'un pou poc profund o d'un curs a un canal o dipòsit elevat. Igualment, l'energia mecànica generada per la roda pot fer funcionar una bomba hidràulica.
El model més senzill consisteix en una roda amb aspes amb bols que van recollint l'aigua a el mateix temps que són impulsats pel corrent. Després, en la seva rotació van deixant caure l'aigua en un dipòsit o canal.
molins
Des de fa més de 2000 anys els grecs i romans van emprar l'energia hidràulica per moure molins a fi de moldre cereals. El gir de la roda impulsada pel corrent d'aigua activa engranatges que fan girar la pedra de molí.
forges
Una altra aplicació antiga de la capacitat de treball amb base a l'energia hidràulica és el seu ús per activar la manxa de la forja en els treballs de ferreria i metal·lúrgia.
fractura hidràulica
En mineria i petroli es fa servir l'energia cinètica d'l'aigua per erosionar roca, fracturar i facilitar l'extracció de diversos minerals. Per això es fan servir gegantins canons d'aigua a pressió que colpegen el substrat fins erosionar.
Aquesta és una tècnica destructiva de terra i altament contaminant dels cursos d'aigua.
fracking
Una tècnica molt controversial i que està adquirint auge en la indústria petroliera és el fracking. El mateix consisteix a augmentar la porositat de la roca mare que conté petroli i gas a fi de facilitar la seva sortida.
Això s'aconsegueix injectant grans quantitats d'aigua i sorra a altes pressions al costat d'una sèrie d'additius químics. La tècnica ha estat qüestionada pel seu alt consum d'aigua, contaminar els sòls i aigües i causar canvis geològics.
Centrals hidroelèctriques
L'ús modern més comú és per fer funcionar centrals generadores d'energia elèctrica, les anomenades centrals hidroelèctriques o centrals hidràuliques.
Exemples de centrals d'energia hidràulica
Les Tres Gorges
Presa de les Tres Gorges (Xina). Font: Le Grand PortageDerivative work: Rehman
La hidroelèctrica de Les Tres Gorges està ubicada a la província de Hubei a la Xina en el curs del riu Iang-Tsé. Aquesta presa va començar a construir-se el 1994 i es va finalitzar el 2010, aconseguint una àrea inundada de 1.045 km² i una capacitat instal·lada de 22.500 MW (megawatts).
La planta inclou 34 turbines Francis (32 de 700 MW i dues de 50 MW) amb una producció anual d'energia elèctrica de 80,8 GWh. És la major central hidroelèctrica de l'món pel que fa a estructura i potència instal·lada.
La presa de les Tres Gorges ha aconseguit controlar les inundacions periòdiques del riu que van arribar a causar greus perjudicis a la població. Així mateix, garanteix el subministrament elèctric de la regió.
No obstant això, la seva construcció va tenir algunes conseqüències negatives com el desplaçament de prop de 2 milions de persones. A més, va contribuir a l'extinció de l'dofí de riu xinès o baiji (Lipotes vexillifer) que es trobava en perill crític.
Itaipú
Represa d'Itaipú. Font: Herr stahlhoefer
La hidroelèctrica d'Itaipú està ubicada a la frontera entre el Brasil i Paraguai en el curs del riu Paraná. La seva construcció es va iniciar en 1970 i va finalitzar en tres etapes en els anys 1984, 1991 i 2003.
L'àrea inundada de la represa és de 1.350 km² i té una capacitat instal·lada de 14.000 MW. La planta inclou 20 turbines Francis de 700 MW cadascuna i té una producció anual d'energia elèctrica de 94,7 GWh.
Itaipú és considerada la major central hidroelèctrica de l'món quant a producció d'energia. La mateixa aporta el 16% de l'energia elèctrica consumida al Brasil i 76% de Paraguai.
Quant als seus impactes negatius aquesta represa va afectar l'ecologia de les illes i el delta del riu Paraná.
Simón Bolívar (Guri)
Central hidroelèctrica Simón Bolívar (Gurí, Veneçuela). Font: Warairarepano & Guaicaipuro
La hidroelèctrica Simón Bolívar, també coneguda com represa de l'Guri està situada a Veneçuela sobre el curs del riu Caroní. La represa va començar a construir-se en 1957, va finalitzar una primera etapa el 1978 i es va concloure en 1986.
La represa de l'Guri té una àrea inundada de 4.250 km² i una capacitat instal·lada de 10.200 MW. La seva planta inclou 21 turbines Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW i una de 340 MW)
La producció anual és de 46 GWh i és considerada la tercera central hidroelèctrica més gran de l'món pel que fa a estructura i potència instal·lada. La central hidroelèctrica proporciona el 80% de l'energia elèctrica que consumeix Veneçuela i una part és venuda al Brasil.
Durant la construcció d'aquesta central hidroelèctrica es van inundar grans extensions d'ecosistemes de la Guaiana veneçolana que és una regió amb una alta biodiversitat.
Avui dia, a causa de la profunda crisi econòmica de Veneçuela la capacitat de producció d'aquesta central s'ha vist reduïda de forma significativa.
referències
1.- Hadzich M (2013). Energia hidràulica, Capítol 7. Curs de capacitació tècnica Grup PUCP. Tecnologies per a cases i hotels ecològics. Pontifícia Universitat Catòlica de Perú.
2.- Raabe J (1985). Hydro power. The design, utilitzeu, and function of hydromechanical, hydraulic and electrical equipment. Germany: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Capítol 6: Conceptes Bàsics de Centrals Hidroeléctricas.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dies LCP, Rodrigues HO and Soares-Filho BS (2013). Dependence of Hydropower energy generation on forests in the Amazon Basin at local and regional fiscals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
5.- Sòria I (s / f). Hidràulica. Energies renovables per a tothom. IBERDROLA. 19 pàg.