Energía hidroeléctrica

Central eléctrica. Producción electricidad. Recursos energéticos. Aprovechamiento

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Trabajo de Física

Tema: la Hidroeléctrica

Introducción

La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas eléctricas, específicamente electrones (cargas negativas que giran alrededor del núcleo de los átomos) a través de un cable conductor.
Cada vez que se acciona un interruptor, se genera un movimiento de millones de electrones, los que circulan a través de un cable conductor metálico. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos que conforman el cable conductor. Los electrones se mueven desde el enchufe al aparato eléctrico -ya sea lavadora, radio, televisión, etcétera- lo que produce un tránsito de energía entre estos dos puntos.
La energía eléctrica puede hacer funcionar distintos aparatos y se transforma en otras manifestaciones de ella. Por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se transforma en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa. Lo mismo se puede observar cuando funciona un secador de pelo o estufa.

¿Qué es una central eléctrica?

Una central eléctrica es, esencialmente, una instalación que emplea en determinada cantidad una fuente de energía primaria para hacer girar (mediante agua, vapor o gas) las paletas de una turbina que, a su vez, hace girar una gran bobina en el interior de un campo magnético, generando así electricidad. Este principio es común al funcionamiento de la práctica totalidad de las centrales eléctricas existente en el mundo, salvo el caso de las instalaciones de tipo fotovoltáico.

En 1820 el investigador Oersted, observó que cuando la corriente eléctrica circula por un hilo metálico colocado en la proximidad de una brújula, la aguja de esta última se mueve. Oersted dedujo, en consecuencia, que toda corriente eléctrica produce un campo magnético. Años más tarde, Faraday demostró que también era posible el fenómeno opuesto. Comprobó que, si se mueve un imán cerca de un hilo metálico en espiral o en bobina (que no está conectado a una pila), por el hilo circula electricidad. Lo mismo sucede cuando se mueve la bobina y se mantiene fijo el imán: se consigue una circulación de electricidad, que recibe el nombre de corriente inducida. Es ésta, en última instancia, la base de las actuales centrales eléctricas; se trata de hacer girar campos magnéticos de gran intensidad inducidos en el rotor de los alternadores cerca de grandes bobinas situadas en el estátor de los mismos para generar así una corriente eléctrica.

El papel de las distintas fuentes energéticas utilizadas en las centrales eléctricas, es procurar la generación de la energía mecánica precisa para la producción de electricidad. En el caso de las centrales hidroeléctricas, es el agua de una corriente natural o artificial la que por efecto de un desnivel, cae con fuerza sobre el grupo turbina-alternador de la central, dando lugar a la producción de energía eléctrica. En el caso de las centrales termoeléctricas clásicas, es la combustión en una caldera de determinados combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas) lo que provoca la generación de una energía calorífica que vaporiza el agua que circula por una serie de conductos. Este vapor de agua es el agente que acciona las palas de la turbina, convirtiendo la energía calorífica en energía mecánica, la cual da lugar posteriormente a la generación de energía eléctrica. En las centrales termoeléctricas nucleares, la fisión de átomos de uranio por impacto de un neutrón provoca la liberación de una gran cantidad de energía, la cual vaporiza el fluido que circula por una serie de tubos, convirtiéndolo en un vapor que, a su vez, acciona un grupo turbina- alternador produciendo electricidad. En las termoeléctricas solares, la energía del Sol calienta un fluido que, a su vez, transforma en vapor un segundo fluido que circula por unos conductos, siguiéndose a partir de aquí el ciclo ya descrito.

¿Qué es una central Hidroeléctrica?

Son aquellas centrales que obtienen la energía eléctrica o la electricidad a partir de la energía potencial del agua que está retenida en una represa.
En Chile existen varias centrales hidroeléctricas que abastecen de energía eléctrica al país.
A continuación le entregamos algunos antecedentes en relación a las centrales.

  • En 1897 se puso en servicio la central de Chivilingo, ubicada a 10 kilómetros al sur de Lota.

  • En 1909 se inauguró la central Florida; también ese año entró en función la central El Sauce en Valparaíso.

  • En 1928 se inauguró la central Los Queltehues en el Cajón del Maipo.

  • En 1944 comenzó a funcionar la central El Volcán, en el sector del Cajón del Maipo.

  • En 1955 se puso en marcha la central Cipreses, en la hoya del río Maule.

  • A fines de la década del 50 se amplió la central Abanico y se puso al servicio la central Sauzalito.

  • En 1962 se inauguró Pullinque

  • En 1968 comenzaron a funcionar dos grandes turbinas de la central Rapel, a estas se unirían dos más en 1969 y una más en 1970.

  • En 1985 se pusieron en servicio las centrales de Colbún Machicura.

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS EN CHILE

En la actualidad existen un gran número de centrales hidroeléctricas, algunas de ellas son:

  • Chapiquiña

  • Los Molles

  • El Sauce

  • Los Quilos

  • La Florida

  • Los Maitenes

  • Queltehues

  • El Volcán

  • Coya

  • Rapel

  •  Pangal

  • Sauzalito

  • Sauzal

  • Colbún Machicura

  • Los Cipreses

  • Isla

  • El Toro

  • Abanico

  • Pullinque

  • Pilmaiquén

Este tipo de centrales es fundamental para generar electricidad, y su materia prima es el agua. Durante este año, la obtención de este recurso fue muy difícil en los primeros meses del año en nuestro país. Por este motivo se tuvo que establecer un plan para racionalizar el uso de la energía eléctrica.

¿Cuál es el objetivo de una central hidroeléctrica?

Las centrales hidroeléctricas tiene por fin aprovechar, mediante un desnivel, la energía potencial contenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a alternadores.

En algunos casos muy localizados, en los que el caudal del río asegura una aportación regular de agua, la energía potencial de ésta puede ser aprovechada directamente sin necesidad de embalsar previamente el agua o bien utilizando un embalse muy reducido. Este tipo de centrales recibe el nombre de centrales fluyentes. En los casos más habituales, por el contrario, una cantidad apreciable de agua es retenida mediante una presa, formando así un embalse o lago artificial del que se puede generar un salto de agua, para liberar eficazmente la energía eléctrica. Son las centrales con regulación

Almacenamiento de agua para regadíos

Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc.)

Evita inundaciones por regular el caudal

Sin embargo, también tiene una serie de inconvenientes:

Las presas: obstáculos insalvables

Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar.

Contaminación" del agua

El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río.

Privación de sedimentos al curso bajo

Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.

Las centrales eléctricas en Chile

En los primeros años de la historia eléctrica chilena, la mayor parte de las centrales eléctricas existentes eran accionadas por motores térmicos de gas pobre. En otros casos, se trataba de molinos u otras formas rudimentarias de aprovechamientos hidráulicos. De acuerdo con la primera estadística eléctrica oficial realizada en el país, correspondiente al año 1901, existían entonces 861 centrales con una potencia instalada de 127.940 HP, de la cual el 61% era termoeléctrica y el 39% hidroeléctrica.

Algo más de ocho décadas más tarde, es decir, a finales de 1984, funcionaban 1.311 centrales que sumaban una potencia de 38.919 MW. De ésta, el 36,3% era de carácter hidroeléctrico, el 51,2% correspondía a centrales termoeléctricas convencionales (que consumen fuel-oil, carbón o gas) y el 12,5% restante, a centrales termoeléctricas nucleares. Del conjunto de instalaciones en servicio, 1.131 eran hidroeléctricas, 173 eran termoeléctricas convencionales y las 7 restantes, nucleares. Aparte de las mencionadas, España poseía en esa fecha cuatro centrales solares de carácter experimental en funcionamiento que sumaban 2,3 MW.

En la actualidad, por lo tanto, las centrales eléctricas españolas utilizan, para generar electricidad, saltos de agua naturales o artificiales, lignito, hulla, antracita, fuel-oil, gas natural, gas procedente de altos hornos siderúrgicos, uranio y la energía que viene del sol. En 1984, por ejemplo, las centrales eléctricas de la España peninsular disponían de una capacidad de embalse de agua en aprovechamientos hidroeléctricos de más de 17.300 millones de kw/h y utilizaron 143,2 millones de toneladas de hulla y antracita, 24 millones de toneladas de lignitos, 1.9 millones de toneladas de fuel-oil y 1.851 millones de metros cúbicos de gas, amén de uranio y energía solar. La producción española total de energía eléctrica fue de 119.786 millones de Kw/h repartidos así: 27,7% de origen hidroeléctrico; 53,0% de origen termoeléctrico nuclear.

Desde las primitivas centrales térmicas de gas pobre, propias de finales del, pasado siglo, hasta la estructura productiva de 1984, se ha recorrido un largo camino que ha permitido aprovechar cuantos combustibles y fuentes energéticas tiene España a su alcance, a los costes, tecnologías y garantías de suministro que el país puede asumir.

La utilización de esta amplia gama de fuentes energéticas exige la puesta en servicio de centrales eléctricas que incorporan tecnologías acordes con una explotación eficaz y un alto rendimiento de la fuente que cada una de ellas emplea. El funcionamiento de todas las centrales eléctricas tiene unos fundamentos comunes. Sin embargo, cada central (dependiendo de la fuente que utiliza y de las tecnologías que incorpora) presenta características propias.

Todo lo que sigue a continuación, tiene por objeto, la descripción, del funcionamiento básico de los diferentes tipos de centrales eléctricas existentes.

¿Qué se entiende por recursos y reservas energéticos?

El mero conocimiento y cuantificación de la existencia de materias primas energéticas no significa necesariamente que éstas se puedan emplear para la obtención de energía útil. Para ello, además tiene que ser técnicamente posible su explotación y económicamente rentable la misma, es decir, que los costes de extracción sean inferiores a los precios del mercado. Asimismo, es preciso que la energía útil que se obtenga del recurso sea muy superior a la consumida en su extracción y transformación. Las cantidades de materia prima energética que cumplan todos estos requisitos se denominan reservas, que pueden aprovecharse para su transformación en energía útil en condiciones económicas rentables. Al resto de las cuantificadas se las denominan recursos. La proporción de recursos que pasan a ser reservas, sin descubrirse nuevos yacimientos, aumenta a medida que se abaratan técnicamente los costes de explotación, o bien porque en el mercado alcanzan un mayor precio. Así, la fuerte elevación de los precios del petróleo en 1973 provocó que el crudo del Mar del Norte dejase de considerarse únicamente recurso para considerarse reserva. La diferenciación entre recursos y reservas es fundamental en el análisis económico de la energía y decisiva para una planificación racional, puesto que, mientras que los recursos energéticos son muy abundantes, las reservas energéticas son más escasas, aunque bastante variables.

¿Cómo se clasifican las fuentes de energía?

Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios:

a) Según sean o no renovables.

b) Según la incidencia que tengan en la economía del país.

c) Según sea su utilización.

a) Llamaremos fuentes de energía renovables a aquéllas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Son la energía solar, eólica, hidráulica, maremotriz y la biomasa.

Las fuentes de energía no renovables son aquéllas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando se utilizan. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes. Los más comunes son carbón, petróleo, gas natural, uranio e hidrógeno (éstas utilizadas en fisión y fusión nuclear respectivamente).

b) Si atendemos al segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquéllas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidráulica, nuclear.

Por el contrario se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no cuentan con participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países. Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz y biomasa.

c) Según sea su utilización las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como ejemplo tenemos el carbón, petróleo, gas natural. Es una energía acumulada. Las secundarias, llamadas también útiles o fínales, se obtienen a partir de las primarias mediante un proceso de transformación por medios técnicos. Es el caso de la electricidad o de los combustibles.

¿Qué es la energía hidráulica y cómo se aprovecha?

Podemos considerar la energía hidráulica como la energía que se obtiene a partir del agua de los ríos. Es una fuente de energía renovable.

De forma indirecta tiene al Sol como origen. El calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a su vez se transformarán en lluvia o en nieve, asegurando así la perennidad del ciclo.

El mayor aprovechamiento de esta energía se realiza en los saltos de agua de las presas. El agua se encuentra generalmente retenida en los embalses o pantanos. Estos son unos grandes depósitos que se forman, generalmente, de manera artificial, cerrando la boca de un valle mediante un dique o presa en el que quedan retenidas las aguas de un río. Esta agua almacenada puede ser utilizada posteriormente para el riego, abastecimiento de poblaciones o para la producción de energía eléctrica en una central hidroeléctrica.

La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica. Los países con gran potencial hidráulico obtienen la mayor parte de la electricidad en centrales hidráulicas por sus grandes ventajas, entre ellas la de ser un recurso inagotable que se renueva de forma gratuita y constante en la naturaleza, pudiéndose aprovechar el excedente para otros fines.

Pero también presenta inconvenientes. No es posible hacer predicciones, puesto que dependen de la hidraulicidad anual, y los años de sequía o lluviosos no es algo sobre lo que el hombre pueda incidir. Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de costosas redes. Otro aspecto poco favorable es el efecto negativo que puede tener la creación de un embalse sobre el entorno, con problemas de alteración de cauces, erosión, incidencias sobre poblaciones, pérdida de suelos fértiles, etc.

Estos inconvenientes, unidos a las grandes inversiones necesarias en este tipo de centrales, y a la cada vez más difícil localización de emplazamientos son los que impiden una mayor utilización de esta fuente energética. Sin embargo la energía hidráulica sigue siendo la más empleada entre las fuentes de energía renovables para la producción de energía eléctrica.

La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis-Kaplan se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.

Las turbinas hidráulicas se emplean para aprovechar la energia del agua en movimiento. La turbina Kaplan es semejante a una hélice de un barco. las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua de alta presion liberada por una compuerta. La turbina Pelton es un modelo del siglo XIX cuyo funcionamiento es más parecido al de un molino de agua tradicional. La rueda gira cuando el agua procedente del conducto forzado golpea sus paleta o álabes. El agua sale a gran presion por la tobera e impulsa los álabes que hacen girar un eje.

Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.

Características Ecológicas

Los aspectos negativos de la energía hidráulica, con respecto a la ecología, son:

Altera el normal desenvolvimiento en la vida biológica (animal y vegetal) del río.

Las centrales de embalse tienen el problema de la evaporación de agua: En la zona donde se construye aumenta la humedad relativa del ambiente como consecuencia de la evaporación del agua contenida en el embalse.

¿Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas?

En el caso de las centrales de embalse construidas en regiones tropicales, estudios realizados han demostrado que generan, como consecuencia del estancamiento de las aguas, grandes focos infecciosos de bacterias y enfermedades. En Brasil el brote de dengue fue asociado con las represas construidas a lo largo del río Paraná.

A pesar de estos aspectos la energía hidráulica es una buena opción ya que es una fuente de energía renovable y lo más importante es que no genera CO2.

El aprovechamiento de la energía potencial acumulada en el agua para generar electricidad es una forma clásica de obtener energía. Alrededor del 20% de la electricidad usada en el mundo procede de esta fuente. Es, por tanto, una energía renovable pero no alternativa, estrictamente hablando, porque se viene usando desde hace muchos años como una de las fuentes principales de electricidad.

La energía hidroeléctrica que se puede obtener en una zona depende de los cauces de agua y desniveles que tenga, y existe, por tanto, una cantidad máxima de energía que podemos obtener por este procedimiento. Se calcula que si se explotara toda la energía hidroeléctrica que el mundo entero puede dar, sólo se cubriría el 15% de la energía total que consumimos. En realidad se está utilizando alrededor del 20% de este potencial, aunque en España y en general en los países desarrollados, el porcentaje de explotación llega a ser de más del 50%.

Energía hidroeléctrica

Desde el punto de vista ambiental la energía hidroeléctrica es una de las más limpias, aunque esto no quiere decir que sea totalmente inocua, porque los pantanos que hay que construir suponen un impacto importante. El pantano altera gravemente el ecosistema fluvial. Se destruyen habitats, se modifica el caudal del río y cambian las características del agua como su temperatura, grado de oxigenación y otras. También los pantanos producen un importante impacto paisajístico y humano, porque con frecuencia su construcción exige trasladar a pueblos enteros y sepultar bajo las aguas tierras de cultivo, bosques y otras zonas silvestres.

Energía hidroeléctrica
Energía hidroeléctrica

Los pantanos también tienen algunos impactos ambientales positivos. Así, por ejemplo, han sido muy útiles para algunas aves acuáticas que han sustituido los humedales costeros que usaban para alimentarse o criar, muchos de los cuales han desaparecido, por estos nuevos habitats. Algunas de estas aves han variado incluso sus hábitos migratorios, buscando nuevas rutas de paso por la Península a través de determinados pantanos.

La construcción de pantanos es cara, pero su costo de explotación es bajo y es una forma de energía rentable económicamente. Al plantearse la conveniencia de construir un pantano no hay que olvidar que su vida es de unos 50 a 200 años, porque con los sedimentos que el río arrastra se va llenando poco a poco hasta inutilizarse.

Conclusión

La energía hidroeléctrica es una excelente fuente de energía a la vez renovable y capaz de abastecer una gran demanda, además de ser poco contaminante. Pero presenta algunos inconvenientes, uno de ellos es el gran gasto económico que conlleva la construcción de una central aunque este aspecto se ve atenuado por lo económico que resulta la obtención de energía una vez producida la central. El aspecto más negativo de esta fuente es que se ve incapacitada de crecer ya que en casi todos los lugares donde es viable la construcción de una central, esta ya se encuentra alli.

Bibliografía

-Turistel 2002

-Icarito

-La tierra y sus recursos

-Páginas de Internet varias