A nivel mundial, las centrales hidroeléctricas generan aproximadamente el 24 % de la electricidad del planeta y abastecen a más de mil millones de personas. Según el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, las centrales hidroeléctricas del mundo producen un total combinado de 675 000 megavatios, el equivalente energético de 3600 millones de barriles de petróleo. En Estados Unidos operan más de 2000 centrales hidroeléctricas, lo que convierte a la energía hidroeléctrica en la principal fuente de energía renovable del país.
En este artículo, veremos cómo el agua en caída genera energía y aprenderemos sobre el ciclo hidrológico que crea el flujo de agua esencial para la energía hidroeléctrica. También descubrirás una aplicación singular de la energía hidroeléctrica que puede afectar tu vida diaria.
Al observar un río fluir, es difícil imaginar la fuerza que transporta. Si alguna vez has practicado rafting en aguas bravas, habrás sentido una pequeña parte de su poder. Los rápidos se forman cuando un río, que transporta una gran cantidad de agua cuesta abajo, se estrecha al pasar por un paso angosto. Al verse forzado a atravesar este paso, su caudal aumenta. Las inundaciones son otro ejemplo de la enorme fuerza que puede ejercer un gran volumen de agua.
Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía del agua y utilizan mecanismos sencillos para convertirla en electricidad. En realidad, se basan en un concepto bastante simple: el agua que fluye a través de una presa hace girar una turbina, que a su vez hace girar un generador.
Estos son los componentes básicos de una central hidroeléctrica convencional:
El eje que conecta la turbina y el generador.
Presa: La mayoría de las centrales hidroeléctricas dependen de una presa que retiene el agua, creando un gran embalse. A menudo, este embalse se utiliza como lago recreativo, como el lago Roosevelt en la presa Grand Coulee en el estado de Washington.
Toma de agua: Las compuertas de la presa se abren y la gravedad impulsa el agua a través de la tubería forzada, un conducto que conduce a la turbina. El agua aumenta su presión a medida que fluye por esta tubería.
Turbina: El agua golpea y hace girar las grandes palas de una turbina, que está conectada a un generador situado encima mediante un eje. El tipo de turbina más común en las centrales hidroeléctricas es la turbina Francis, que tiene la apariencia de un gran disco con palas curvas. Una turbina puede pesar hasta 172 toneladas y girar a una velocidad de 90 revoluciones por minuto (rpm), según la Fundación para la Educación en Agua y Energía (FWEE).
Generadores: A medida que las palas de la turbina giran, también lo hace una serie de imanes dentro del generador. Imanes gigantes rotan pasando junto a bobinas de cobre, produciendo corriente alterna (CA) mediante el movimiento de electrones. (Aprenderás más sobre cómo funciona el generador más adelante).
Transformador: El transformador que se encuentra dentro de la central eléctrica toma la corriente alterna y la convierte en corriente de mayor voltaje.
Líneas eléctricas: De cada central eléctrica salen cuatro cables: las tres fases de la energía que se produce simultáneamente, más un neutro o tierra común a las tres. (Lea «Cómo funcionan las redes de distribución eléctrica» para obtener más información sobre la transmisión por línea eléctrica).
Descarga: El agua usada se transporta a través de tuberías, llamadas canales de desagüe, y vuelve a entrar en el río aguas abajo.
El agua del embalse se considera energía almacenada. Al abrirse las compuertas, el agua que fluye por la tubería forzada se convierte en energía cinética debido a su movimiento. La cantidad de electricidad generada depende de varios factores, entre ellos el caudal y la altura hidráulica. Esta última se refiere a la distancia entre la superficie del agua y las turbinas. A medida que aumentan la altura y el caudal, también aumenta la electricidad generada. La altura suele depender del volumen de agua en el embalse.
Existe otro tipo de central hidroeléctrica, llamada central de bombeo. En una central hidroeléctrica convencional, el agua del embalse fluye a través de la planta, sale y es transportada aguas abajo. Una central de bombeo tiene dos embalses:
Embalse superior: Al igual que una central hidroeléctrica convencional, una presa crea un embalse. El agua de este embalse fluye a través de la central hidroeléctrica para generar electricidad.
Embalse inferior: El agua que sale de la central hidroeléctrica fluye hacia un embalse inferior en lugar de volver a entrar en el río y fluir aguas abajo.
Mediante una turbina reversible, la planta puede bombear agua de vuelta al depósito superior. Esto se realiza en las horas de menor demanda. Básicamente, el segundo depósito rellena el depósito superior. Al bombear agua de vuelta al depósito superior, la planta dispone de más agua para generar electricidad durante los periodos de máxima demanda.
El generador
El corazón de la central hidroeléctrica es el generador. La mayoría de las centrales hidroeléctricas tienen varios de estos generadores.
Como habrás imaginado, el generador produce electricidad. El proceso básico para generar electricidad de esta manera consiste en hacer girar una serie de imanes dentro de bobinas de alambre. Este proceso mueve electrones, lo que produce corriente eléctrica.
La presa Hoover cuenta con un total de 17 generadores, cada uno de los cuales puede generar hasta 133 megavatios. La capacidad total de la central hidroeléctrica de la presa Hoover es de 2074 megavatios. Cada generador está compuesto por ciertas partes básicas:
A medida que la turbina gira, el excitador envía una corriente eléctrica al rotor. El rotor es una serie de grandes electroimanes que giran dentro de una bobina de alambre de cobre enrollada firmemente, llamada estator. El campo magnético entre la bobina y los imanes crea una corriente eléctrica.
En la presa Hoover, una corriente de 16.500 amperios fluye desde el generador hasta el transformador, donde la corriente aumenta hasta alcanzar los 230.000 amperios antes de ser transmitida.
Las centrales hidroeléctricas aprovechan un proceso natural y continuo: el proceso que provoca la lluvia y el caudal de los ríos. Diariamente, nuestro planeta pierde una pequeña cantidad de agua a través de la atmósfera debido a que los rayos ultravioleta descomponen las moléculas de agua. Al mismo tiempo, se emite agua nueva desde el interior de la Tierra mediante la actividad volcánica. La cantidad de agua que se crea y la que se pierde son prácticamente iguales.
En cualquier momento dado, el volumen total de agua en el mundo se encuentra en diversas formas. Puede ser líquida, como en los océanos, ríos y la lluvia; sólida, como en los glaciares; o gaseosa, como el vapor de agua invisible en el aire. El agua cambia de estado al ser transportada por las corrientes de viento alrededor del planeta. Estas corrientes se generan por el calentamiento solar. Los ciclos de corrientes de aire se producen cuando el sol brilla con mayor intensidad sobre el ecuador que sobre otras zonas del planeta.
Las corrientes de aire impulsan el suministro de agua de la Tierra mediante un ciclo propio, llamado ciclo hidrológico. Cuando el sol calienta el agua líquida, esta se evapora y se convierte en vapor en el aire. El calor solar provoca que el aire ascienda en la atmósfera. A mayor altitud, el aire es más frío, por lo que, al ascender, el vapor de agua se enfría y se condensa en gotitas. Cuando se acumulan suficientes gotitas en una zona, estas pueden volverse lo suficientemente pesadas como para caer a la Tierra en forma de precipitación.
El ciclo hidrológico es fundamental para las centrales hidroeléctricas, ya que dependen del caudal del agua. Si no llueve cerca de la central, el agua no se acumulará aguas arriba. Al no acumularse agua aguas arriba, fluye menos agua a través de la central hidroeléctrica y se genera menos electricidad.
La idea básica de la energía hidroeléctrica es utilizar la fuerza de un líquido en movimiento para hacer girar las palas de una turbina. Normalmente, para ello es necesario construir una gran presa en medio de un río. Un nuevo invento aprovecha la idea de la energía hidroeléctrica a una escala mucho menor para proporcionar electricidad a dispositivos electrónicos portátiles.
El inventor Robert Komarechka, de Ontario, Canadá, ideó un sistema para colocar pequeños generadores hidroeléctricos en las suelas de los zapatos. Cree que estas microturbinas generarán suficiente electricidad para alimentar casi cualquier aparato. En mayo de 2001, Komarechka obtuvo la patente de su innovador dispositivo accionado con el pie.
Existe un principio fundamental en nuestra forma de caminar: el pie toca primero el talón y luego la punta en cada paso. Al aterrizar, la fuerza se transmite a través del talón. Al prepararnos para el siguiente paso, impulsamos el pie hacia adelante, transfiriendo así la fuerza a la parte delantera del pie. Al parecer, Komarechka observó este principio básico de la marcha y desarrolló una idea para aprovechar el poder de esta actividad cotidiana.
El calzado de Komarechka, que incorpora un generador hidroeléctrico, consta de cinco partes, tal como se describe en su patente:
Fluido: El sistema utilizará un fluido conductor de electricidad.
Bolsas para contener el líquido: se coloca una bolsa en el talón y otra en la puntera del zapato.
Conductos: Los conductos conectan cada saco a un microgenerador.
Turbina: A medida que el agua se mueve de un lado a otro en el suelo, hace girar las aspas de una pequeña turbina.
Microgenerador: El generador está ubicado entre los dos sacos llenos de líquido e incluye un rotor de paletas que acciona un eje y hace girar el generador.
Al caminar, la compresión del fluido en la bolsa ubicada en el talón del zapato impulsa el fluido a través del conducto hacia el módulo generador hidroeléctrico. A medida que el usuario continúa caminando, el talón se eleva y se ejerce presión hacia abajo sobre la bolsa bajo la planta del pie. El movimiento del fluido hace girar el rotor y el eje para generar electricidad.
Se proporcionará una toma externa para conectar cables a un dispositivo portátil. También se puede incluir una unidad de control de potencia que el usuario puede llevar en el cinturón. A esta unidad se pueden conectar dispositivos electrónicos para obtener un suministro constante de electricidad.
Según la patente, «con el aumento del número de dispositivos portátiles que funcionan con baterías, existe una creciente necesidad de proporcionar una fuente de energía eléctrica duradera, adaptable y eficiente». Komarechka prevé que su dispositivo se utilizará para alimentar ordenadores portátiles, teléfonos móviles, reproductores de CD, receptores GPS y radios bidireccionales.
Fecha de publicación: 21 de julio de 2022
