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Cómo se transforma la energía cinética del agua en electricidad en una central hidroeléctrica

La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura para producir energía eléctrica. Actualmente, el empleo de la energía hidráulica tiene uno de sus mejores exponentes: la energía minihidráulica, de bajo impacto ambiental.

La presa de las Tres Gargantas de China es la central hidroeléctrica más grande del mundo.

 

Presa de central hidroeléctricaLa energía hidráulica o energía hídrica se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua o los saltos de agua naturales. En el proceso, la energía potencial, durante la caída del agua, se convierte en cinética y mueve una turbina para aprovechar esa energía.Este recurso puede obtenerse aprovechando los recursos tal y como surgen en la naturaleza, por ejemplo una garganta o catarata natural, o bien mediante la  construcción de presas. Desde hace siglos existen pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más común hoy en día la constituyen las centrales hidroeléctricas de las presas.Con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, comenzó a cobrar importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. Sin embargo, el nuevo sistema resultaba caro y la central eléctrica acabó cerrándose después de sólo dos años y medio.El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX por el desarrollo industrial. Ya en 1920 las centrales hidroeléctricas generaban una parte importante de la producción total de electricidad.¿Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas?En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río.Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada se deja salir de la presa para que mueva una turbina engranada con un generador de energía eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.En muchos países se han instalado centrales pequeñas, con potencias inferiores a 10Mw. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. La energía minihidráulica se considera respetuosa con el medio ambiente, ya que los impactos que genera son pequeños y fácilmente minimizables.La energía hidráulica ofrece un gran potencial para muchos países en vías de desarrollo que están utilizando este sistema con buenos resultados, como es el caso de Costa Rica.

Qué es la energía hidráulica

La energía hidráulica es la que permite generar electricidad a partir del agua en movimiento. La lluvia, o la nieve durante el deshielo que se acumula en colinas o montañas, crea ríos y arroyos. El agua en movimiento de esas corrientes contiene una gran cantidad de energía. La energía hidráulica se ha venido aprovechando desde muy antiguo. Los griegos y los chinos ya la usaban hace miles de años, para sus molinos o en la fabricación de papel. Hoy día, es una de las energías renovables más importantes y efectivas. Algunos países, como China o Estados Unidos, están haciendo enormes inversiones en energía solar o de viento. Aún así, la energía hidráulica continúa siendo la renovable más importante en cuanto a generación de electricidad.

Cómo funciona la energía hidráulica

El mecanismo es muy sencillo. La corriente de agua, que puede ser modulada por las compuertas de una presa situada en un río, empuja las cuchillas de una turbina y la hace girar. Ese movimiento hace que un generador produzca electricidad. La cantidad de energía que produce puede ser regulada según la altura desde la que caiga el agua o el caudal de la misma.
energia hidraulica
La energía hidráulica tiene un mecanismo muy sencillo: La corriente de agua, que puede ser modulada por las compuertas de una presa situada en un río, empuja las cuchillas de una turbina y la hace girar

Las ventajas de la energía hidráulica

La energía hidráulica es una de las renovables más utilizadas, debido a sus grandes ventajas. Sobre todo, cuando la comparas con fuentes de energía fósiles y no renovables.

1. Es una fuente de energía limpia

El «combustible» que genera la electricidad es el agua. Por tanto, no contamina el aire, ni emite residuos peligrosos durante la generación.

2. Es una fuente de energía renovable

Su funcionamiento está basado en el ciclo natural del agua, el cual se ve influenciado por la acción del sol. En las zonas óptimas en las que se instalan plantas hidroeléctricas, ese ciclo suele ser parecido cada año. Eso permite disponer siempre de agua y, por tanto, de energía inagotable. Eso sí, siempre que el cambio climático no altere las condiciones del clima. Por eso es tan importante también la lucha contra este fenómeno, mediante el uso de energías limpias.

3. Tiene una capacidad de generación poderosa y fiable

Una de las principales ventajas de la energía hidráulica es que no es intermitente, como el sol o el viento. Las presas permiten regular el caudal y la energía proporcionada. Además de eso, muchas plantas son muy eficientes. Pueden pasar de cero a una capacidad máxima de generación enseguida. Eso hace que se adapten a cualquier demanda de electricidad que sea necesaria, en cualquier momento.

4. Proporciona otros beneficios adicionales

Las presas de las plantas hidroeléctricas proporcionan otros beneficios al entorno. Para empezar, previenen inundaciones en épocas de demasiada lluvia. De la misma manera, esas presas permiten regular el nivel de agua potable y gestionarla mejor. Eso facilita que, zonas secas en las que llueve poco, dispongan siempre de agua gracias a una mejor dosificación de la existente. Del mismo modo, la capacidad de gestionar esa valiosa agua dulce permite ayudar a la irrigación y optimizarla. Así, las cosechas no están tan a merced del clima y las estaciones.

5. El coste de generación de electricidad es muy bajo

La energía hidráulica es, históricamente, la manera más barata de generar electricidad. Una vez construida la planta, el «combustible» es gratis. Las nuevas tecnologías y la situación óptima de algunas zonas para aprovechar otras fuentes renovables, como el sol, están aproximándose a ese nivel de eficiencia. Esto puede cambiar la situación en el futuro. Pero, considerando los estudios comparativos del coste de energía de las distintas fuentes, usando el Coste Nivelado de la Energía, la hidráulica aparece siempre como la más barata o, al menos, en el podio.

¿Por qué no se usa la energía hidráulica para generar más electricidad?

La energía hidráulica no se utiliza más, a pesar de todas sus ventajas, porque, para un aprovechamiento óptimo, precisa lugares geográficos muy concretos. Y lo cierto es que la mayoría de esos lugares ya están siendo usados. Por el contrario, quedan enormes extensiones de tierra o mar que pueden aprovechar otras energías renovables, como la solar o la eólica. Además, la energía hidráulica requiere de una gran inversión. Construir presas en lugares que no son óptimos provocaría un impacto en el entorno y una generación de electricidad que no sería rentable.

Algunas curiosidades sobre la energía hidráulica

He aquí algunas cosas que, seguramente, no sabes sobre la energía hidráulica. La energía hidráulica es la renovable más antigua en cuanto a generación de electricidad, siendo usada desde finales del siglo XIX. La primera planta hidroeléctrica se construyó en las famosas Cataratas del Niágara, en 1879. En 1881, el alumbrado de las calles de la ciudad de Niagara Falls, se alimentaba de energía hidráulica. La presa de las Tres Gargantas en China y la presa de Itaipu, que comparten Brasil y Paraguay, son la primera y segunda plantas hidroeléctricas que más electricidad generan. Curiosamente, aunque la planta china es capaz de generar mucha más electricidad (22.500 MW contra 14.000 MW), anualmente producen una cantidad de energía similar. Eso se debe a la situación más privilegiada de la presa sudamericana. Su caudal y sus mayores lluvias permiten una generación más constante todo el año. Como vemos, la energía hidráulica, la «abuela» de las renovables, sigue teniendo una importancia primordial. Es una de las fuentes de electricidad más poderosas y baratas, y seguirá teniendo un papel muy importante en el futuro.

Las 10 centrales hidroeléctricas más grandes del mundo

La energía hidroeléctrica es con gran diferencia la primera fuente renovable en el mundo. En la actualidad la potencia instalada supera los 1.000 GW y la producción en 2014 alcanzó los 1.437 TWh, que suponían el 14% de la producción mundial de electricidad según  los datos de laAgencia Internacional de la Energía (AIE). Además, según las previsionbes  de la AIE, la energía hidroeléctrica seguirá creciendo a un ritmo importante hasta doblar su potencia actual y superar los 2.000 GW de potencia instalada en 2050 (Ver gráfico).

Energía hidroeléctricaLa energía hidroeléctrica presenta numerosas  ventajas sobre la mayoría de otras fuentes de energía eléctrica, incluyendo un alto nivel de fiabilidad, tecnología probada y de alta eficiencia, los costes más bajos de operación y mantenimiento, y una gran flexibilidad y capacidad de almacenamiento.

La energía hidroeléctrica es la principal fuente renovable, ya que triplica a la eólica que, con 350 GW, es la segunda fuente. Los aportes de esta tecnología en los últimos años han generado más electricidad que el resto de las energías renovables juntas. Y el potencial de desarrollo de esta tecnología es enorme, especialmente en África, Asia y América Latina. La hoja de ruta de la AIE  prevé que se duplique la capacidad instalada global hasta casi 2.000 GW en 2050, con una producción mundial de electricidad superior a los  7.000 TWh.

La mayor parte del crecimiento de la generación hidráulica provendrá de los grandes proyectos en las economías emergentes y en desarrollo. En estos países, los grandes y pequeños proyectos de energía hidroeléctrica pueden mejorar el acceso a los servicios de la energía moderna y aliviar la pobreza en numerosas regiones del planeta a las que todavía no ha llegado la luz ni el agua potable.

La energía hidroeléctrica, obtenida a través del aprovechamiento de la energía cinética y el potencial de las corrientes y saltos de agua, es una de las fuentes renovables más antiguas y utilizadas del planeta para la obtención de energía. China, es hoy el mayor productor mundial de energía hidroeléctrica,  seguido de Brasil, Canadá, Estados Unidos y Rusia, países que cuentan con  las principales centrales hidroeléctricas del mundo. La foto fija a día de hoy del Top 10 de las centrales hidroeléctricas, tras incorporación de las centrales chinas de Xiluodu y Xiangjiaba, es la siguiente:

1. Central hidroeléctrica de las Tres Gargantas. 22.500 MW. China

La presa de las Tres Gargantas

La presa de las Tres Gargantas

La central hidroeléctrica china de las Tres Gargantas tiene una potencia instalada de 22.500 MW. Está situada en Yichang, provincia de Hubei, y es la mayor del mundo. Se trata de una instalación hidroeléctrica de embalse convencional que aprovecha el agua proveniente del río Yangtsé, siendo propiedad de la china Three Gorges Corporation a través de su filial China Yangtze Power, que además opera la central.

La construcción del proyecto requirió una inversión de 18.000 millones de euros. Esta colosal obra de la ingeniería fue iniciada en 1993 y quedó terminada en 2012. La presa tiene 181 metros de altura y 2.335 metros de longitud, fue llevada a cabo como parte del proyecto de las Tres Gargantas, unida a la central hidroeléctrica compuesta de 32 turbinas de 700 MW cada una, y dos unidades generadoras de 50 MW. En la actualidad, la producción de energía anual de la planta acaba de establecer el récord mundial en 2014 con 98,8 TWh, permitiendo suministrar electricidad a nueve provincias y dos ciudades, incluyendo Shanghai.

2. Central hidroeléctrica de Itaipú. 14.000 MW. Paraguay-Brasil

Calhas do vertedouro da Usina de Itaipu - 16.02.07La central hidroeléctrica de Itaipú, con una potencia instalada de 14.000 MW se sitúa como la segunda mayor del mundo. La instalación, operada por la compañía Itaipú Binacional, se encuentra en el río Paraná, en la frontera entre Brasil y Paraguay. La inversión realizada en la construcción de la planta fue de 15.000 millones de euros. Las obras se iniciaron en 1975 y fueron finalizadas en 1982. Los ingenieros del consorcio de IECO con sede en Estados Unidos y ELC Electroconsult con sede en Italia, llevaron a cabo la construcción, dando inicio a la producción de energía de la central en mayo de 1984.

La planta hidroeléctrica de Itaipú suministra alrededor del 17,3% del consumo energético de Brasil y el 72,5% de la energía consumida en Paraguay. Específicamente consta de 20 unidades generadoras con una capacidad de 700 MW cada una, habiendo llegado a lograr una producción en 2014 prácticamente igual a la de Tres Gargantas, al alcanzar los 98,5 TWh, lo que la convierte prácticamente en colíder mundial por  generación de energía, aunque no lo sea por potencia instalada.

3. Central hidroeléctrica de Xiluodu. 13.860 MW. China

xiluodu

La central hidroeléctrica de Xiluodu situada en el curso del río Jinsha, afluente del río Yangtze en su curso superior, está en el centro de la provincia de Sichuan, es la segunda mayor central de energía de China y la tercera más grande del mundo. La capacidad instalada de la planta alcanzó los 13.860 MW a finales de 2014 cuando se pusieron las dos últimas turbinas de generación. El proyecto fue desarrollado por la Three Gorges Project Corporation y se espera que genere 64 TWh de electricidad al año cuando esté plenamente operativa.

El proyecto requirió la inversión de 5.500 millones de euros y empezó a construirse en 2005, poniéndose en marcha las primeras turbinas en julio de 2013. La central consta de una presa de arco de doble curvatura de una altura de 285,5 metros y un ancho de 700 metros, creando un embalse con una capacidad de almacenamiento de 12.670 millones de metros cúbicos. El equipamiento de las instalaciones, suministrado por los ingenieros de Voith, consta de 18 generadores de turbinas Francis de una capacidad de 770 MW cada una y un generador refrigerado por aire con 855,6 MVA de salida. La central es operada por China Yangtze Power y es actualmente la segunda mayor central eléctrica de China y la tercera del mundo.

4. Central hidroeléctrica de Guri. 10.235 MW. Venezuela

640px-Guri_Dam_in_VenezuelaLa central Guri, también conocida como la central hidroeléctrica Simón Bolívar, se posiciona como la tercera más grande del mundo con una capacidad instalada de 10.235 MW. Las instalaciones se encuentran en el río Caroní, situado en el sudeste de Venezuela, siendoElectrificación del Caroní C.A. (EDELCA) la propietaria y operadora de la planta.

La construcción del proyecto fue iniciada en 1963 llevándose a cabo en dos fases, la primera quedó completada en 1978 y la segunda en 1986. La central consta de 20 unidades de generación de diferentes capacidades que oscilan entre los 130 MW y los 770 MW. La empresa Alstom fue seleccionada mediante dos contratos en 2007 y 2009 para la renovación de cuatro unidades de 400 MW y cinco de 630 MW, recibiendo Andritz también un contrato para suministrar cinco turbinas Francis de 770MW en 2007. Después de las renovaciones en el equipamiento de generación, la central de Guri alcanzó un suministro eléctrico superior a los 12.900 GW/h.

5. Central hidroeléctrica de Tucuruí. 8.370 MW. Brasil

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El Complejo Hidroeléctrico de Tucuruí localizado en la parte baja del río Tocantins, en Tucuruí, perteneciente al Estado de Pará en Brasil, se coloca como la cuarta central hidroeléctrica más grande en el mundo con sus 8.370 MW. La construcción del proyecto, que requirió una inversión de 4.000 millones de euros, fue iniciada en 1975 completándose la primera fase en 1984, constituida por una presa de gravedad de hormigón de 78 metros de altura y 12.500 metrosd de longitud, 12 unidades generadoras con una capacidad de 330MW cada una y dos unidades auxiliares de 25 MW.

La construcción de la segunda fase añadió una nueva central eléctrica que fue iniciada en 1998 y terminada a finales de 2010, en la que se llevó a cabo la instalación de 11 unidades de generación con una capacidad de 370 MW cada una. Los ingenieros de un consorcio formado por Alstom, GE Hydro, Inepar-Fem y Odebrecht suministraron los equipos para esta fase. En la actualidad, la central suministra electricidad a la ciudad de Belém y el área circundante.

6. Central hidroeléctrica Grand Coulee. 6.809 MW. Estados Unidos

Grand CouleeLa central hidroeléctrica Grand Coulee de 6.809 MW situada en el río Columbia en Washington, Estados Unidos, es actualmente la quinta central hidroeléctrica  más grande del mundo. La central, construida en tres fases, es propiedad de la US Bureau of Reclamation desde que comenzó a funcionar en 1941, alcanzando una capacidad de generación anual de más de 24 TWh.

La central  de energía hidroeléctrica Grand Coulee, inició su construcción en 1933, consta de tres plantas de energía y una presa de gravedad de hormigón con 168 metros de altura y 1.592 metros de longitud. Dos de sus plantas constan de un total de 18 turbinas Francis de 125 MW y tres unidades adicionales de 10 MW, operativas desde 1950. La tercera planta comenzó a construirse en 1967, finalizando el proceso final de la implementación de sus seis unidades entre 1975 y 1980, compuestas por tres turbinas de 805 MW y otras tres de 600 MW.

La renovación de las tres unidades de 805 MW de la tercera planta fue iniciada en 2013 y se espera que finalice en septiembre de 2017, mientras que la actualización de las otras tres unidades de 600 MW no se iniciarán hasta el año 2018.

7. Central hidroeléctrica de Xiangjiaba.  6.448 MW.  China

Xiangjiaba

La central hidroeléctrica de  Xiangjiaba es el último paso del desarrollo en cascada en aguas abajo de la corriente principal del Río Jinsha, con el Condado de Yibin en la margen izquierda y el Condado Shuifu en la margen derecha. Está localizado a 33 kilometros en aguas arriba de la ciudad de Yibin, a 2,5 km del Condado de Shuifu.

La presa es de gravedad de hormigón, que tiene una cota de coronación de 384 metros, una altura máxima de 162 metros y una longitud de coronación de 896,26 metros. La instalación cuenta con ocho turbinas Francis, cuatro con una capacidad de 812 MW y cuatro con un nominal de 800 MW, totalizando una capacidad instalada de 6.448 MW y una generación anual de energía de 30,7 TWh.

La central hidroeléctrica de Xiangjiaba tiene un nivel normal de almacenamiento de 380 metros y un nivel de reserva muerta de 370 metros. El embalse es de tipo regulación temporal parcial con una capacidad de almacenamiento total de 5.163 millones de metros cúbicos y una capacidad de regulación de 903 millones de metros cúbicos. Su trabajo preparatorio se inició en marzo de 2004, pero el inicio de la obras oficiales fue en noviembre de 2006. El primer grupo de turbinas generadoras fue puesto en operación en 2012, y el proyecto se ha completado en 2015, con un período de construcción de 9 años y 6 meses. Las inversión realizada en el proyecto ha sido de unos 6.000 millones.

8. Central hidroeléctrica de Longtan. 6.426 MW. China

Longtan Hydropower StationLa central hidroeléctrica de Longtan, situada en el río Hongshui en Tian’e, en la región autónoma china de Guangxi, es la séptima mayor del mundo con una capacidad instalada de 6.300 MW. Esta central hidroeléctrica propiedad de Longtan Hydropower Development, fue diseñada por Hydrochina Zhongnan Engineering y construida por Sinohydro, la cual se compone de nueve unidades generadoras Francis de 700 MW y una presa de gravedad de hormigón de 216,5 metros de altura y 832 metros de ancho.

La construcción del proyecto hidroeléctrico Longtan comenzó en mayo de 2007, entrando en servicio la central a pleno rendimiento en 2009. Los generadores de turbinas de la planta han sido suministrados por los ingenieros de Voith, Dongfang, Harbin y Tianjin, alcanzando en la actualidad una capacidad anual de generación de 18,7 TWh.

9. Central hidroeléctrica de Sayano-Shushenskaya. 6.400 MW. Rusia

sayano-shushenskaya-dam-russia-rebuilding-2La central hidroeléctrica de Sayano-Shushenskaya situada en el río Yenisei en Sayanogorsk (Jakasia), Rusia, se posiciona como la séptima mayor del mundo. La planta, operada por RusHydro, tiene una capacidad instalada actual de 6.400 MW. La construcción de la central se inició en 1963 y se completó en 1978, incluyéndose una presa de arco-gravedad de 242 metros de altura y 1.066 metros de longitud como parte del proyecto, así como 10 unidades generadoras Francis con una capacidad de 640 MW cada una, lo que permite generar 23,5 TWh de energía al año, de los cuales el 70% se utiliza en exclusiva para cuatro fundiciones de aluminio en Siberia.

La planta fue cerrada en 2009 después de un accidente que causó daños al sistema de turbinas. Un año después, en 2010, se volvió a abrir. Actualmente está previsto que sean instaladas en la central diez nuevas unidades con una eficiencia del 96,6%, un proyecto de mejora que costará alrededor de mil millones de euros.

10. Central hidroeléctrica de Krasnoyarsk. 6.000 MW. Rusia

de KrasnoyarskLa central hidroeléctrica de Krasnoyarsk se encuentra a orillas del río Yenisei, en Divnogorsk, Rusia, siendo actualmente la octava mayor del mundo con una capacidad de 6.000 MW. Su construcción fue iniciada en 1956 y se finalizó en 1972, constituida por una presa de gravedad de hormigón de una altura de 124 metros y una longitud de 1.065 metros, así como una planta de energía compuesta por 12 unidades generadoras Francis con una capacidad de 500 MW cada una.

Las instalaciones, operadas por JSC Krasnoyarsk HPS, cuentan con un sistema de turbinas/generadores íntegramente diseñados por los ingenieros de Leningradsky Metallichesky Zavod (LMZ) y Electrosila, permitiendo alcanzar una capacidad anual de 18,4 TWh.

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