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Capítulo 7. Energía Hidráulica Energía potencial acumulada. Potencia, carga y caudal. Capacidad mundial y nacional actual. El primer elemento motriz. Tipos de ruedas hidráulicas. Estimación de la potencia. Acción de la turbina. Optimización de la eficiencia. Velocidad específica y rangos de aplicación. Hidroeléctricas de pequeña escala. Diseño de una instalación hidráulica. Consideraciones medioambientales. Efectos hidrológicos. Las represas y sus efectos. Costos de inversiones en hidroelectricidad. Profesor: Dr. Orlando H. Álvarez Hernández PhD.
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INTRODUCCIÓN La energía hidráulica suministra 17% de la electricidad producida en el mundo, con una capacidad instalada de unos 730 GW, con otros 100 GW en proceso de construcción. De ese modo, resulta la más importante de las fuentes renovables de energía para la producción de electricidad. Esa energía se produce en grandes y pequeñas centrales hidroeléctricas (PCHE). La energía hidráulica o la hidroenergía es una tecnología que tiene su origen en la revolución pre-industrial de las ruedas hidráulicas y es conceptualmente muy simple. La energía hidráulica o hidroenergía es la energía proveniente del agua cayendo desde una distancia vertical usualmente conocida por “salto” o “carga”.
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La gran cantidad de energía que tiene el agua en movimiento es bien conocida desde la antigüedad, muchas veces por sus efectos devastadores, como las inundaciones, aunque en la mayoría de las ocasiones ha sido por el aprovechamiento que le ha dado la humanidad. En la época romana se pueden encontrar molinos, norias, canales y otras obras hidráulicas que demuestran ese conocimiento y utilización.
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Molino de agua
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NORIA
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Fig. 7.2. Central hidroeléctrica de agua fluyente
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La producción de electricidad en una central hidroeléctrica se basa en la transformación de la energía cinética de un cierto caudal de agua que mueve una turbina hidráulica, en energía eléctrica producida por un alternador acoplado al eje de la turbina. La energía cinética del agua puede obtenerse directamente del caudal de un río, o bien, aprovechando y creando un desnivel suficiente en su cauce mediante una presa o canal.
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SUMINISTRO TOTAL DE ENERGÍA PRIMARIA
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Un río o arroyo, desde su fuente hasta su desembocadura en el mar o en otro río posee un desnivel. La fuente puede tener una cota z1 y la desembocadura una cota z2, siendo z1 - z2 = Δz el desnivel entre ambas. La corriente (río o arroyo) fluye por su cauce natural con una velocidad tal que según la rugosidad del mismo las pérdidas hidráulicas (Hr), que son proporcionales al cuadrado de la velocidad, son tales que cumple la ecuación Hr = Δz Es preferible que no toda esa energía potencial z1 - z2 = Δz se pierda en la corriente si no que se aproveche para el bien del hombre. Para aprovechar la energía hidráulica y convertirla en otras formas apropiadas a las necesidades del hombre se crean instalaciones propicias por medio de máquinas hidráulicas que transforman la energía potencial y cinética de la masa de agua en energía mecánica. Estas máquinas mueven a su vez un generador para producir electricidad. A estas instalaciones se les conoce como centrales hidroeléctricas.
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Molino nórdico o griego
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Sin embargo, el despegue de la aplicación de la energía hidráulica a la producción de electricidad ha sido fruto de extraordinarias series de descubrimientos científicos y desarrollos técnicos en electricidad ocurridos durante el siglo XIX, aunque los cambios significativos en lo que ahora se denomina hidro tecnología también jugó su papel a partir del año 1832 en que Benoit Fourneyron diseño la primera turbina, que operaba con rendimientos del orden del 80%. Las centrales hidroeléctricas pueden clasificarse según la potencia instalada. Dentro de estas se encuentran las pequeñas centrales hidroeléctricas (PCHE). Todavía no existe una definición aceptada internacionalmente de PCHE y su potencia límite se ha definido de modo diferente en diversos países y por distintas autoridades. Por ejemplo, la Organización Latinoamericana de Energía (OLADE) considera PCHE las estaciones que tienen una potencia instalada de menos de 5 MW. La Comisión Europea asigna a ese límite 10 MW; la India lo sube a 25 MW; China a 50 MW. Otros lo consideran como de 15 MW y hasta de 30 MW. Con esta incertidumbre resulta difícil interpretar cuando algunos autores, como Taylor, Upadhyay y Laguna, refieren que la potencia instalada en PCHE en el mundo en el 2002 era de 47 GW, similar en escala a la de otras fuentes renovables.
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Se considerará la clasificación definida por la Organización Latinoamericana de Energía (OLADE) de la forma siguiente: - hasta 50 kW de potencia instalada en Micro hidroeléctricas, - más de 50 kW y hasta 500 kW son Mini hidroeléctricas; - desde este rango hasta 5000 kW se denominan Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCHE) -y más de 5000 kW Centrales Hidroeléctricas. Las micro hidroeléctricas se emplean por lo general para la conversión a energía mecánica en zonas rurales. Las mini hidroeléctricas se han aplicado para la conversión a energía mecánica y/o eléctrica operando en zonas no conectadas a la red. Las pequeñas centrales hidroeléctricas se emplean para la conversión a energía eléctrica para autoabastecimiento y por lo general están interconectadas a la red.
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La central hidroeléctrica de Itaipú, en el río Paraná entre Brasil y Paraguay, es la mayor del mundo. La altura efectiva es de 120 metros y el caudal medio de agua es de 9 000 m/s, con picos de más de 30 000 m3/s. Cada generador tiene una capacidad de 700 MW y dispone de 18 unidades, representando una capacidad de 12,6 GW. (Figura 7.11)
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P inst en J/s
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