El agua como fuente de energía para la industria

¿Qué es la energía hidráulica y cómo funciona?

La principal fuente de energía renovable para producir electricidad en Italia es la hidroeléctrica. La energía hidráulica es renovable, es decir, puede considerarse inagotable mientras exista el ciclo del agua. Las dos características principales de la energía hidroeléctrica son:

El ciclo del agua: el agua se evapora de los océanos por el calor de los rayos solares. El vapor de agua sube al cielo y se condensa debido a las bajas temperaturas, formando nubes. Una vez que alcanzan cierto peso, las gotas de agua encerradas en las nuevas caen a la tierra en forma de lluvia, granizo o nieve, que dan lugar a ríos y arroyos o caen a los mares y océanos;
La fuerza de la gravedad, que guía el agua de los ríos para que fluya hacia el mar y en parte también la de los lagos. El deshielo de los glaciares también forma agua que fluye hacia el mar o los océanos, alimentando el ciclo del agua. Todas las masas de agua a gran altura están dotadas de una cantidad considerable de energía potencial gravitatoria.

El componente más importante de una central hidroeléctrica es, sin duda, la turbina hidroeléctrica, que transforma la energía cinética del agua en energía mecánica; esta energía pone en movimiento el alternador, que la transforma en energía eléctrica, la cual aumenta su intensidad a través del transformador para ser inyectada en la red.

Existen tres tipos de turbinas hidráulicas, según el caudal de agua y la diferencia de altura:

Turbina Pelton: es la turbina de acción más eficiente, es decir, es capaz de convertir totalmente la energía potencial del agua en energía cinética. Funciona como la rueda hidráulica de los antiguos molinos, pero de forma mucho más eficaz: el agua es conducida a una tubería que la envía a una boquilla, que aumenta la velocidad del chorro de agua que golpea las aspas del impulsor. Se utiliza para grandes saltos, de 300 a 1400 metros, y para pequeños caudales de agua, inferiores a 50 metros cúbicos por segundo, para alcanzar mayores velocidades. Puede generar una potencia de hasta 200MW.
Turbina Francis: es el tipo de turbina hidráulica más utilizado. Se define como una turbina de reacción, porque además de la velocidad del agua también aprovecha su presión, y tiene un flujo centrípeto, porque el agua llega al rodete a través de un conducto en espiral e invierte sus palas gracias a un distribuidor que dirige el flujo de agua moviéndose axialmente.

Se utiliza para diferencias de altura medias, de 10 a 300-400 metros, y caudales de agua de 2 a 100 metros cúbicos por segundo. Puede generar hasta 800MW.

Turbina Kaplan: es una turbina de reacción de flujo axial. Funciona como la hélice de un barco: el flujo de agua que hace girar las palas de la hélice se mueve axialmente en relación con el eje de rotación de la misma. Su característica especial es la posibilidad de ajustar el ángulo de incidencia de las palas: esto proporciona una eficacia óptima para pequeñas diferencias de nivel y para grandes variaciones de carga.

Se utiliza para gradientes pequeños, de 2 a unas decenas de metros, y grandes caudales de agua, por encima de 200-300 m³/s. Puede generar hasta 400MW.

¿CÓMO APROVECHAR LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA?

La energía hidroeléctrica engloba varias aplicaciones que explotan las tecnologías de las turbinas de agua tanto para su propio consumo como para la venta de la propia energía. Entre ellas se encuentran:

Cursos de agua naturales;
Canales de riego;
Compuertas de acueducto (para uso potable o industrial);
Vertidos de aguas residuales industriales o de plantas de tratamiento de aguas residuales.

En particular, las centrales hidroeléctricas permiten recuperar zonas pantanosas y reducir el riesgo de inundaciones al contener los cursos de agua mediante presas artificiales. De este modo, pueden controlar con precisión la cantidad de agua que se libera.

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Las centrales hidroeléctricas también permiten reponer las reservas de agua en tiempos de sequía. Los embalses pueden actuar como depósitos de agua que permiten el riego de los campos incluso cuando el agua es escasa.

Hay tres tipos de centrales hidroeléctricas:

De pasada: aprovechan el caudal natural, el disponible, de los cursos de agua y, por tanto, la producción de electricidad no es constante, sino que depende de la estacionalidad y de las condiciones meteorológicas. Se instalan en las proximidades de los ríos o arroyos para canalizar el agua hacia un embalse con un sistema de tuberías (no forzadas) y hacerla fluir hacia un canal de restitución situado más abajo que la devuelve al río o arroyo. En medio de este recorrido, el agua pasa por las palas de la turbina hidroeléctrica, produciendo electricidad. De este modo, se produce electricidad sin desperdiciar agua.
Embalse: funcionan como las turbinas hidroeléctricas de pasada, con la diferencia de que el agua no procede de un río o arroyo, sino de un embalse, es decir, de un lago natural o de una presa artificial que actúa como embalse. En este caso, el agua pasa por tuberías forzadas para llegar a la turbina hidráulica.
Almacenamiento por bombeo: consiste en dos embalses a diferentes niveles, a los que el agua puede descender a través de una tubería forzada desde el embalse superior o ser bombeada desde el embalse inferior utilizando electricidad. Cuando la demanda de electricidad se reduce, por ejemplo durante la noche, el exceso de energía se utiliza para devolver el agua a la cuenca superior, garantizando así la estabilidad de la red eléctrica.

Este mecanismo permite producir electricidad en poco tiempo. La rapidez con la que se produce la electricidad es, de hecho, una de las principales ventajas de las centrales hidroeléctricas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA

La energía hidráulica se considera la energía del futuro. Es una de las fuentes de suministro energético más limpias, con una tasa de renovabilidad potencialmente infinita.

Sus principales ventajas son:

Cero emisiones de CO2: es una energía totalmente limpia que no contamina el medio ambiente;
Eficiencia del 90% o más, gracias a las turbinas de agua: esto significa que casi toda la energía potencial del agua se convierte en energía eléctrica;
Flexibilidad: permiten variar rápidamente la producción de energía eléctrica en función de la cantidad de agua que llega a la turbina, lo que permite restablecer rápidamente el equilibrio de la red en caso de necesidad, en un tiempo del orden de unos minutos;
Un mantenimiento y unos costes de funcionamiento mínimos.

Sin embargo, también hay desventajas:

Una inversión inicial elevada, ya que además del coste de las turbinas hidráulicas, los generadores, los cuadros de distribución y los sistemas de control, hay que realizar diversas obras civiles e hidráulicas, como presas con azudes, compuertas, el edificio de la central, etc;
Dependencia climática, ya que las centrales hidroeléctricas son muy sensibles al cambio climático y a los posibles periodos de sequía;
Cambios en los ecosistemas: la construcción de presas y compuertas no sólo puede provocar la erosión de la costa, sino que también puede alterar la flora y la fauna.

El salmón, por ejemplo, no puede desovar durante la migración, a pesar de que algunas tecnologías como la escalera de montículos consiguen ayudarles a cruzar las presas.

Por último, las centrales hidroeléctricas pueden dañar los cauces de los ríos debido a la falta de oxígeno en el agua, alterando el equilibrio químico de los ecosistemas allí presentes.

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