Indice
1.
Energía.
2. Energía
solar
3. Colectores de placa
plana
5. Energía solar en el
espacio
6. Desarrollo de la energía
hidroeléctrica
7. Canal
8. Energía
geotérmica
9. Energía
cinética
10. Energías no
renovables
11. Energía
nuclear
12. El átomo
Capacidad de un sistema
físico para realizar trabajo. La materia posee
energía como resultado de su movimiento o
de su posición en relación con las fuerzas que
actúan sobre ella. La radiación
electromagnética posee energía que depende de su
frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta
energía se comunica a la materia cuando absorbe
radiación y se recibe de la materia cuando emite
radiación. La energía asociada al movimiento se
conoce como energía cinética, mientras que la
relacionada con la posición es la energía
potencial. Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene una
energía potencial máxima en los extremos de su
recorrido; en todas las posiciones intermedias tiene
energía cinética y potencial en proporciones
diversas. La energía se manifiesta en varias formas, entre
ellas la energía mecánica. Todas las formas de
energía pueden convertirse en otras formas mediante los
procesos
adecuados. En el proceso de
transformación puede perderse o ganarse una forma de
energía, pero la suma total permanece
constante.
Un peso suspendido de una cuerda tiene energía
potencial debido a su posición, puesto que puede realizar
trabajo al caer. Una batería eléctrica tiene
energía potencial en forma química. Un trozo de
magnesio también tiene energía potencial en forma
química, que se transforma en calor y
luz si se
inflama. Al disparar un fusil, la energía potencial de la
pólvora se transforma en la energía cinética
del proyectil. La energía cinética del rotor de una
dinamo o alternador se convierte en energía
eléctrica mediante la inducción electromagnética. Esta
energía eléctrica puede a su vez almacenarse como
energía potencial de las cargas eléctricas en un
condensador o una batería, disiparse en forma de calor o
emplearse para realizar trabajo en un dispositivo
eléctrico. Todas las formas de energía tienden a
transformarse en calor, que es la forma más degradada de
la energía. En los dispositivos mecánicos la
energía no empleada para realizar trabajo útil se
disipa como calor de rozamiento, y las pérdidas de los
circuitos
eléctricos se producen fundamentalmente en forma de
calor.
Las observaciones empíricas del siglo XIX
llevaron a la conclusión de que aunque la energía
puede transformarse no se puede crear ni destruir. Este concepto,
conocido como principio de conservación de la
energía, constituye uno de los principios
básicos de la mecánica clásica. Al igual que
el principio de conservación de la materia, sólo se
cumple en fenómenos que implican velocidades bajas en
comparación con la velocidad de
la luz. Cuando las velocidades se empiezan a aproximar a la de la
luz, como ocurre en las reacciones nucleares, la materia puede
transformarse en energía y viceversa. En la física moderna se
unifican ambos conceptos, la conservación de la
energía y de la masa.
Energía renovable
También llamada energía alternativa o blanda, este
término engloba una serie de fuentes
energéticas que en teoría
no se agotarían con el paso del tiempo. Estas
fuentes serían una alternativa a otras tradicionales y
producirían un impacto ambiental
mínimo, pero que en sentido estricto ni son renovables,
como es el caso de la geotermia, ni se utilizan de forma blanda.
Las energías renovables comprenden: la energía
solar, la hidroeléctrica (se genera haciendo pasar una
corriente de agua a
través de una turbina), la eólica (derivada de la
solar, ya que se produce por un calentamiento diferencial del
aire y de las
irregularidades del relieve
terrestre), la geotérmica (producida por el gradiente
térmico entre la temperatura
del centro de la Tierra y la
de la superficie), la hidráulica (derivada de la
evaporación del agua) y la procedente de la biomasa (se
genera a partir del tratamiento de la materia
orgánica).
Las enunciaremos a continuación:
Energía eléctrica
Desde principios del s. XX, la electricidad
pasó a ocupar la primera posición entre las
energías utilizadas por el hombre. A
diferencia de los combustibles o de la energía
hidráulica, la energía eléctrica no se
obtiene directamente de la naturaleza (es
una fuente energética secundaria) ni es fácil
almacenarla en grandes cantidades. Su producción a partir de todo tipo de fuentes
de energía y con dispositivos que suministran potencias
enormes (centrales eléctricas) o muy pequeñas
(pilas) es una
de sus grandes ventajas, además de la facilidad con que se
convierte en las formas de energía que la sociedad maneja
con mayor frecuencia en motores, hornos,
lámparas, aparatos de telecomunicación, etc. Otro
hecho importantes es que se pueda transportar casi
instantáneamente y en grandes cantidades a largas
distancias, con una sola condición: se debe emplear la
corriente
alterna, ya que si la corriente fuese continua se
disiparía mucha energía en forma de calor por el
efecto Joule, al no poderse usar transformadores
para elevar la tensión de transporte y
reducir dicho efecto. Hasta principios del s. XX, la electricidad
se producía en pequeñas centrales, ya fuesen
hidráulicas, aprovechando desniveles de los ríos
próximos a fábricas, o bien térmicas
(gas pobre) en
las ciudades, y se utilizaban pilas o acumuladores para ciertos
usos (telegrafía). El dispositivo fundamental de estas
primeras centrales se basaba en una turbina y un generador (una
dinamo), cuyo inducido era solidario del eje de la turbina; la
fuerza
mecánica del agua o del gas sobre los álabes de la
turbina realizaba un trabajo (haciendo girar el eje y, por
consiguiente, también el inducido) que la dinamo
convertía en energía eléctrica, en corriente
continua (ley de Faraday).
Con la adopción
de la corriente alterna, se pudieron alejar las centrales de los
centros de consumo y
ponerlas cerca de las minas de carbón o de los grandes
ríos. Esto tuvo tres consecuencias: un cambio en el
generador (el alternador sustituyó la dinamo), la
instalación de grandes redes de distribución, y un aumento de la potencia de las
centrales para satisfacer la creciente demanda.
Básicamente, el alternador difiere de la dinamo
en que el inducido se traslada a la parte fija (estator) y el
inductor, a la parte móvil (rotor); para excitar el rotor
se emplea, a menudo, una dinamo auxiliar solidaria del mismo eje
que une la turbina con el alternador (grupo
turboalternador). Este dispositivo se mantiene en esencia
idéntico para todo tipo de centrales en donde la
conversión de energía primaria a eléctrica
se efectúe por medio de un fluido: agua
(hidráulicas, mareomotrices), vapor de agua u otros
(térmicas de carbón, fuel, gas y uranio,
geotérmicas, solares), aire (eólicas) o gases de
combustión (cogeneración). Las
turbinas se adaptan a cada fluido y el alternador, a la potencia
y al tipo de corriente requeridos; en general, se produce
corriente trifásica (apropiada para la industria)
cuya frecuencia es de 50 Hz en Europa y 60 Hz en
América
(una frecuencia mucho más alta elevaría las
pérdidas por calor, debido al efecto Kelvin). El sistema
de transporte está formado por redes interconectadas de
ámbito continental, cuya estructura
básica consta de líneas troncales de alta
tensión (torres, aisladores, cables de plata, cobre o
aluminio)
hasta 400.000 V para grandes distancias; líneas de media
tensión (miles o decenas de miles de V) hasta los centros
de distribución; y redes de baja tensión (220 V o
380 V) trifásicas y monofásicas (usos
domésticos), radiales (rurales) o formando bucles y
mallas, hasta la acometida del usuario, cuyos aparatos deben
estar ajustados a la tensión y frecuencia de la corriente.
En el primer eslabón de la red, los transformadores
elevan la tensión de salida de la central, mientras que en
los siguientes la van reduciendo. Para atender una demanda
fluctuante, la red debe asegurar una carga de base constante
(grandes centrales de más de 500 MW), así como
incrementos de carga en horas o períodos de punta
(centrales más pequeñas y flexibles, compra de
electricidad a otra red).
A lo largo del s. XX se ha ido imponiendo la centralización productiva en plantas de gran
potencia (se suele utilizar como unidad el MW, equivalente a un
millón de W), pero el desarrollo
técnico y otros factores favorecen tanto el uso creciente
de generadores transportables (pilas, grupos
electrógenos, células
fotovoltaicas y electroquímicas) como la
proliferación de pequeñas unidades productivas
(minicentrales hidráulicas, cogeneración, ciclos
combinados).
Energía radiante producida en el Sol como
resultado de reacciones nucleares de fusión .
Llega a la Tierra a
través del espacio en cuantos de energía llamados
fotones , que interactúan con la atmósfera y la
superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar
en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que
la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama
constante solar, y su valor medio es
1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo,
esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía
un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de
energía real disponible en la superficie terrestre es
menor que la constante solar debido a la absorción y a la
dispersión de la radiación que origina la
interacción de los fotones con la
atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un
punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero
predecible, del día del año, de la hora y de la
latitud. Además, la cantidad de energía solar que
puede recogerse depende de la orientación del dispositivo
receptor.
Transformación natural de la energía
solar
La recogida natural de energía solar se produce en la
atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra.
Las interacciones de la energía del Sol, los
océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen
vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos.
Los sistemas modernos
de energía eólica utilizan hélices fuertes,
ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño
aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen
electricidad para usos locales y especializados o para alimentar
la red eléctrica de una región o comunidad.
Casi el 30% de la energía solar que alcanza el
borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua,
que produce la lluvia y la energía potencial de las
corrientes de montaña y de los ríos. La
energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por
las turbinas modernas se llama energía
hidroeléctrica.
Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar
contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto
con la madera y los
combustibles fósiles que desde el punto de vista
geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada
como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el
metano también pueden extraerse de la biomasa.
Asimismo, los océanos representan un tipo natural
de recogida de energía solar. Como resultado de su
absorción por los océanos y por las corrientes
oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En
algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan
20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando
hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios
termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo
generador de energía que extrae energía de la masa
con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con
temperatura menor . La diferencia entre estas energías se
manifiesta como energía mecánica (para mover una
turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para
producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de
conversión de energía térmica
oceánica (CETO), requieren enormes intercambiadores de
energía y otros aparatos en el océano para producir
potencias del orden de megavatios.
Recogida directa de energía solar
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos
artificiales llamados colectores solares, diseñados para
recoger energía, a veces después de concentrar los
rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en
procesos térmicos o fotoeléctricos, o
fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía
solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que
luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos,
la energía solar se convierte en energía
eléctrica sin ningún dispositivo mecánico
intermedio . Los colectores solares pueden ser de dos tipos
principales: los de placa plana y los de
concentración.
En los procesos térmicos los colectores de placa
plana interceptan la radiación solar en una placa de
absorción por la que pasa el llamado fluido portador.
Éste, en estado
líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales
por transferencia de calor desde la placa de absorción .
La energía transferida por el fluido portador, dividida
entre la energía solar que incide sobre el colector y
expresada en porcentaje, se llama eficiencia
instantánea del colector. Los colectores de placa plana
tienen, en general, una o más placas cobertoras
transparentes para intentar minimizar las pérdidas de
calor de la placa de absorción en un esfuerzo para
maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos
portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de
eficiencia.
Los colectores de placa plana se han usado de forma
eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas
típicos para casa-habitación emplean colectores
fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se
orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El
ángulo de inclinación óptimo para montar los
colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que
se usan durante todo el año, como los que producen agua
caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano
horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se
orientan unos 20° latitud S o 20° de latitud
N.
Además de los colectores de placa plana, los
sistemas típicos de agua caliente y calefacción
están constituidos por bombas de
circulación, sensores de
temperatura, controladores automáticos para activar el
bombeo y un dispositivo de almacenamiento.
El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o
agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca
o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de
energía.
4. Colectores de
concentración
Para aplicaciones como el aire
acondicionado y la generación central de
energía y de calor para cubrir las grandes necesidades
industriales, los colectores de placa plana no suministran, en
términos generales, fluidos con temperaturas bastante
elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera
fase, y después el fluido se trata con medios
convencionales de calentamiento. Como alternativa, se pueden
utilizar colectores de concentración más complejos
y costosos. Son dispositivos que reflejan y concentran la
energía solar incidente sobre un zona receptora
pequeña. Como resultado de esta concentración, la
intensidad de la energía solar se incrementa y las
temperaturas del receptor (llamado ‘blanco’) pueden
acercarse a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius.
Los concentradores deben moverse para seguir al Sol si se quiere
que actúen con eficacia; los
dispositivos utilizados para ello se llaman
heliostatos.
Hornos solares
Los hornos solares son una aplicación importante de los
concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo,
en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con
una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas
de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para
investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales,
que requieren temperaturas altas en entornos libres de
contaminantes.
Receptores centrales
La generación centralizada de electricidad a partir de
energía solar está en desarrollo. En el concepto de
receptor central, o de torre de potencia, una matriz de
reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora
reflejan y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua
situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los
ciclos convencionales de las plantas de energía y generar
electricidad.
Enfriamiento solar
Se puede producir frío con el uso de energía solar
como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por
absorción . Uno de los componentes de los sistemas
estándar de enfriamiento por absorción, llamado
generador, necesita una fuente de calor. Puesto que, en general,
se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que
los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los
colectores de concentración son más apropiados que
los de placa plana.
Electricidad fotovoltaica
Las células solares hechas con obleas finas de silicio,
arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado
cristalino, convierten la radiación en electricidad de
forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias
de conversión superiores al 30%. Por medio de la
conexión de muchas de estas células en
módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha
reducido mucho. El uso actual de las células solares se
limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento,
como boyas y equipamiento de naves espaciales.
5. Energía solar en
el espacio
Un proyecto
futurista propuesto para producir energía a gran escala propone
situar módulos solares en órbita alrededor de la
Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se
convertiría en microondas que
se emitirían hacia antenas
terrestres para su conversión en energía
eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas
grandes de energía
nuclear (de mil millones de vatios cada una), tendrían
que ser ensamblados en órbita varios kilómetros
cuadrados de colectores, con un peso de más de
4000 t; se necesitaría una antena en tierra de
8 m de diámetro. Se podrían construir sistemas
más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala
supone ventajas para un único sistema de gran capacidad
.
Dispositivos de almacenamiento de energía
solar
Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar
como fuente energética durante los periodos de baja
demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para
cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente.
Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como
el agua y la
roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de
refrigeración, dispositivos más
compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales
eutécticas (sales que se funden a bajas temperaturas). Los
acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de
energía eléctrica producida por dispositivos
eólicos o fotovoltaicos . Un concepto más global es
la entrega del excedente de energía eléctrica a las
redes existentes y el uso de éstas como fuentes
suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Sin
embargo, la economía y la fiabilidad de este proyecto
plantea límites a
esta alternativa.
Captación activa de energía solar
Se denomina «captación activa de energía
solar» a la absorción de la radiación del Sol
en forma de energía térmica útil, llevada a
cabo mediante dispositivos mecánicos.
Las dos mayores limitaciones de esta fuente de energía son
el grado de dispersión en que llega a la Tierra y su
emisión discontinua según los ciclos
día-noche y verano-invierno. La primera
característica impone unos sistemas de captación de
gran superficie, capaces de seguir el curso del Sol, para
disponer de cantidades de calor significativas, así como
la necesidad de concentrar la radiación para alcanzar
temperaturas medias (100-250 °C) o altas (superiores a 250
°C). Por su parte, la emisión discontinua hace
necesario el uso de acumuladores de calor y el recurso a otras
fuentes energéticas auxiliares.
Siendo, en general, la temperatura el factor decisivo en
las aplicaciones térmicas, los sistemas de
captación activa se dividen en tres grupos: colectores de
baja temperatura (producción de agua caliente sanitaria y
otros usos similares), colectores de concentración de
temperatura media (generación de vapor y
calefacción industrial) y centrales y hornos solares
(generación de electricidad y algunas aplicaciones
industriales). Excepto los hornos, todos los sistemas suelen
operar con un agente térmico o fluido portador de calor en
circuito cerrado.
Central solar
La central solar es una instalación de generación
eléctrica por captación activa de alta temperatura.
Convierte la radiación solar en calor y éste en
energía eléctrica; la primera conversión se
lleva a cabo mediante un campo de heliostatos: éstos
reflejan y concentran la radiación solar en una superficie
receptora que calienta un fluido portador; a través de un
intercambiador de calor, dicho fluido genera vapor de agua a alta
temperatura y presión,
que, análogamente a lo que ocurre en una central
termoeléctrica, alimenta un grupo
turbogenerador.
Existen dos tipos de central, según que los
heliostatos concentren la radiación en un receptor
único situado en lo alto de una torre (central de torre) o
bien cada uno lo haga en su propio receptor (heliostatos
parabólicos o cilindroparabólicos). El receptor
debe caracterizarse por una absorción máxima de
radiación y una reflexión y emisión
mínimas; en las centrales de torre, se experimenta con
receptores volumétricos consistentes en una especie de
malla metálica o cerámica por la que circula el fluido. Este
último, en las primeras centrales de torre, era agua, una
sal fundida, sodio líquido, etc. Las fluctuaciones de la
radiación solar se suelen compensar con un acumulador de
calor. Mientras las centrales de concentradores
cilindroparabólicos han empezado a tener una cierta
aplicación comercial, las de torre siguen en fase
experimental.
Energía de biomasa
Cantidad de materia viva producida en un área determinada
de la superficie terrestre, o por organismos de un tipo
específico. El término es utilizado con mayor
frecuencia en las discusiones relativas a la energía de
biomasa, es decir, al combustible energético que se
obtiene directa o indirectamente de recursos
biológicos. La energía de biomasa que procede de la
madera, residuos agrícolas y estiércol,
continúa siendo la fuente principal de energía de
las zonas en desarrollo. En algunos casos también es el
recurso económico más importante, como en Brasil, donde la
caña de azúcar
se transforma en etanol, y en la provincia de Sichuan, en
China, donde
se obtiene gas a partir de estiércol. Existen varios
proyectos de
investigación que pretenden conseguir un desarrollo
mayor de la energía de biomasa, sin embargo, la rivalidad
económica que plantea con el
petróleo es responsable de que dichos esfuerzos se
hallen aún en una fase temprana de desarrollo.
Energía eólica
Energía producida por el viento. La primera
utilización de la capacidad energética del viento
la constituye la navegación a vela . En ella, la fuerza
del viento se utiliza para impulsar un barco. Barcos con velas
aparecían ya en los grabados egipcios más antiguos
(3000 a.C.). Los egipcios, los fenicios y más tarde
los romanos tenían que utilizar también los remos
para contrarrestar una característica esencial de la
energía eólica, su discontinuidad. Efectivamente,
el viento cambia de intensidad y de dirección de manera impredecible, por lo
que había que utilizar los remos en los periodos de calma
o cuando no soplaba en la dirección deseada. Hoy, en los
parques eólicos, se utilizan los acumuladores para
producir electricidad durante un tiempo, cuando el viento no
sopla . Otra característica de la energía producida
por el viento es su infinita disponibilidad en función
lineal a la superficie expuesta a su incidencia. En los barcos, a
mayor superficie vélica mayor velocidad. En los parques
eólicos, cuantos más molinos haya, más
potencia en bornes de la central. En los veleros, el aumento de
superficie vélica tiene limitaciones mecánicas (se
rompe el mástil o vuelca el barco). En los parques
eólicos las únicas limitaciones al aumento del
número de molinos son las urbanísticas.
Parque eólico
Un parque eólico es una instalación que dispone de
varios aerogeneradores que sirven conjuntamente energía
eléctrica a la red. Una gran instalación consta de
varias decenas de aerogeneradores, de la misma potencia o no,
distribuidos según las condiciones locales del viento, que
se han proyectado para trabajar a barlovento (de
«cara» al viento) y requieren un sistema de control de
orientación del bastidor y de las palas (si son variables) o a
sotavento (de «espaldas» al viento), sin necesidad de
tal control; dispositivos eléctricos de cada unidad, a pie
de torre (armario con interruptores, contactores, etc);
infraestructura eléctrica: centralización en un
transformador único de las líneas procedentes de
cada unidad, o escalón intermedio de transformación
por grupos de unidades; anemómetros o torres
meteorológicas; y sistema de telecontrol parcial o total.
A partir de los mapas
eólicos, se considera que una zona donde la velocidad del
viento es de 5 m/s durante más de 3.500 horas/año,
es adecuada para instalar un parque eólico; dentro de la
zona, dos factores decisivos son la rugosidad del terreno (que
frena el viento) y las pendientes superiores a los 30° (que
provocan turbulencias).
Energía del mar
Hay tres manifestaciones de la energía marina que son
aprovechables para producir energía eléctrica: las
olas, las diferencias de temperatura entre estratos de agua a
distinta profundidad y las mareas. La energía
cinética de las olas se utiliza para la generación
eléctrica en el convertidor noruego de Kvaerner, situado
en una costa escarpada: un cilindro hueco de hormigón, de
varios metros de alto, en cuya boca inferior las olas ejercen
presión sobre el aire contenido en el mismo y lo impulsan
hacia la boca superior, donde mueve una turbina. Otras plantas,
situadas en el mar, emplean turbinas hidráulicas
verticales, con potencias de hasta 2 MW. En latitudes tropicales,
el fuerte calentamiento de las aguas superficiales crea un salto
térmico notable respecto de las aguas que están a
centenares de metros de profundidad, y se ensayan dispositivos,
basados en un ciclo termodinámico abierto o cerrado
(evaporación, expansión en una turbina,
enfriamiento y condensación de un fluido como el
amoníaco), para obtener energía. Las únicas
centrales marinas de potencia elevada son, hoy por hoy, las que
utilizan las mareas: centrales mareomotrices.
Central mareomotriz
Una central mareomotriz produce energía eléctrica a
partir del desnivel creado por las mareas. Este tipo de central
utiliza la energía potencial gravitatoria del agua como
una central hidráulica, es decir, convierte el salto entre
la superficie del agua represada y la turbina en carga
cinética y de presión, que, a su vez, se
transforman en gran parte en energía de rotación y
luego en energía eléctrica.
La presa consiste aquí en un dique que cierra una
bahía o estuario; en la pleamar se crea un salto de varios
metros entre el nivel del agua exterior y el del agua interior;
el agua exterior fluye a través de turbinas de Kaplan de
bulbo de eje horizontal y reversibles, instaladas en el dique,
hasta que se igualan ambos niveles; en la bajamar se invierte el
proceso. De hecho, el ciclo que tiene lugar en la central es
más complicado, pues intervienen esclusas para regular el
nivel. La central de La Rance (1967), en la Bretaña
francesa, donde subsistieron hasta la década de 1950
algunos molinos hidráulicos accionados por la marea, sigue
siendo la más importante instalación de este tipo
(dique de 700 m, 24 grupos turbogeneradores con una potencia
unitaria de 10 MW).
Energía hidráulica
Energía que se obtiene de la caída del agua desde
cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de
ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un
recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente
cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos,
presas, canales de derivación, y la instalación de
grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad . Todo
ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo
que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o
el petróleo
son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central
térmica, debido al combustible, sea más caro que el
de una central hidroeléctrica. Sin embargo, el peso de las
consideraciones medioambientales centra la atención en estas fuentes de energía
renovables.
Historia
Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía
del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo.
Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga
retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo
XII. Durante la edad media,
las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una
potencia máxima de cincuenta caballos . La energía
hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil
británico John Smeaton, que construyó por vez
primera grandes ruedas hidráulicas de hierro
colado.
La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la
Revolución
Industrial. Impulsó las industrias textil
y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a
principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor ya
estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera
poco satisfactoria como combustible. La energía
hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas
ciudades industriales que se crearon en Europa y América
hasta la construcción de canales a mediados del siglo XIX,
que proporcionaron carbón a bajo precio.
Las presas y los canales eran necesarios para la
instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando
el desnivel era mayor de cinco metros. La construcción de
grandes presas de contención todavía no era
posible; el bajo caudal de agua durante el verano y el
otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a
sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de
vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.
6. Desarrollo de la
energía hidroeléctrica
La primera central hidroeléctrica se
construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña.
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 .
En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una
parte importante de la producción total de
electricidad.
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 se utilizan para caudales grandes y
saltos medios y bajos, y las turninas Pelton para grandes saltos
y pequeños caudales.
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.
A principios de la década de los noventa, las
primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran
Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de
su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el
mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta
parte de la producción total de electricidad, y su
importancia sigue en aumento. Los países en los que
constituye fuente de electricidad más importante son
Noruega (99%), República Democrática del Congo
(97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el
río Paraná, está situada entre Brasil y
Paraguay; se
inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del
mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos,
genera unos 6.500 MW y es una de las más
grandes.
En algunos países se han instalado centrales
pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y
un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas
pequeñas presas son la principal fuente de electricidad.
Otras naciones en vías de desarrollo están
utilizando este sistema con buenos resultados.
Presa
Barrera artificial que se construye en algunos ríos para
embalsarlos y retener su caudal. Los motivos principales para
construir presas son concentrar el agua del río en un
sitio determinado, lo que permite generar electricidad , regular
el agua y dirigirla hacia canales y sistemas de abastecimiento,
aumentar la profundidad de los ríos para hacerlos
navegables, controlar el caudal de agua durante los periodos de
inundaciones y sequía, y crear pantanos para actividades
recreativas. Muchas presas desempeñan varias de estas
funciones.
La primera presa de la que se tiene constancia se
construyó en Egipto en el
4000 a.C. para desviar el cauce del Nilo y proporcionar
más terreno a la ciudad de Menfis. Muchas presas de tierra
antiguas, como las construidas por los babilonios, formaban parte
de un complejo sistema de riego que transformaba regiones no
productivas en fértiles vegas capaces de mantener a
grandes poblaciones. Muy pocas de más de un siglo de
antigüedad se mantienen en pie debido a los destrozos de las
inundaciones periódicas. La construcción de presas
de altura y capacidad de almacenamiento considerables, casi
indestructibles, se hizo posible gracias al desarrollo del
cemento
Portland, del hormigón, y al uso de máquinas para
mover tierra y equipamiento para el transporte de
materiales.
El control y la utilización del agua mediante
presas afecta de modo importante las posibilidades
económicas de grandes áreas.
Diseño de la presa
Una presa debe ser impermeable las filtraciones a través o
por debajo de ella deben ser controladas al máximo para
evitar la salida del agua y el deterioro de la propia estructura.
Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se
ejercen sobre ella. Estas fuerzas que los ingenieros deben tener
en cuenta son: la gravedad (que empuja a la presa hacia abajo) la
presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua
contenida), la presión hidrostática en la base (que
produce una fuerza vertical hacia arriba que reduce el peso de la
presa), la fuerza que ejercería el agua si se helase, y
las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de los
sismos.
Cuando se valora el mejor emplazamiento para construir
una presa, el riesgo de
terremotos
forma parte del análisis geológico. Además,
los geólogos deben determinar qué tipo de terreno
está expuesto a filtraciones y cuál puede soportar
el peso de la presa y el agua que contendrá detrás
de ella.
Análisis geológicos inadecuados han tenido
consecuencias catastróficas. Un ejemplo es el desastre
ocurrido con la presa Vaiont, en los Alpes italianos. El 9 de
octubre de 1963 perdieron la vida 4.000 personas cuando un
desprendimiento de rocas
detrás de la presa produjo una enorme ola que
rebasó los 265 m de la estructura de hormigón. La
fuerza de esta ola, al caer desde una altura tan grande,
devastó varios kilómetros de valle río
abajo. Varios factores geológicos fueron responsables del
desprendimiento, sobre todo el debilitamiento de las paredes de
roca, inestable en el agua embalsada.
Altura de la presa
La altura de la presa está limitada por la topografía de su emplazamiento, aunque
otros factores pueden determinar una altura máxima menor.
Si la función principal de la presa es la obtención
de energía la altura es un factor crítico, ya que
la energía potencial del agua embalsada es mayor cuanto
mayor es la altura a la que se encuentra. Si la presa es de
contención el factor más importante es la capacidad
de almacenamiento. El volumen de agua
embalsada es mayor cuanto más alta es la presa. Otros
factores son la utilidad y el
valor de las tierras que quedarán sumergidas, y si las
aguas afectarán a importantes vías de comunicación.
Aliviaderos
Después de determinar el nivel del embalse en condiciones
normales, hay que establecer los procedimientos
que aseguren que este nivel no se supere. Los aliviaderos son
necesarios para descargar el excedente de agua para que
éste no dañe la presa, la central eléctrica
ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de
aliviadero más común es el derrame. Este sistema
consiste en que una zona de la parte superior es más baja.
Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de
almacenamiento estas partes más bajas están
cerradas con unas compuertas móviles. En algunas presas,
los excedentes de agua son tan grandes que hay aliviaderos en
todo el ancho de la presa, de forma que la estructura es una
sucesión de pilares que sujetan compuertas levadizas. Otro
tipo de aliviadero es el salto de agua, un canal de
hormigón ancho, con mucha pendiente, que se construye en
la base de algunas presas de altura moderada.
Las grandes presas de bóveda construidas en
cañones rocosos río abajo paredes demasiado
inclinadas para utilizar aliviaderos de derrame. Un ejemplo de
esto es la presa Hoover, en el río Colorado (EEUU), en la
que se utilizan vertederos de pozo, que consisten en un conducto
vertical que conduce agua del embalse, cuando el nivel es alto,
hasta un conducto horizontal que atraviesa la presa y la lleva
río abajo.
Desaguaderos
Además de los aliviaderos, que aseguran que el embalse no
rebase la presa, los desaguaderos son necesarios para extraer de
modo constante agua del embalse. El agua extraída puede
descargarse río abajo, puede llevarse a los generadores
para obtener energía hidroeléctrica o puede
utilizarse para riego. Los desaguaderos son conductos o
túneles cuyas entradas se encuentran a la altura del nivel
mínimo del embalse. Estas tomas poseen unas compuertas o
válvulas que regulan la entrada de agua.
Protección contra la erosión
Hay que evitar que el agua que se envía río abajo
erosione la base de la presa. Para reducir la velocidad del agua
se construyen unos embalses llamados cuencas amortiguadoras, que
forman parte de las estructura de la presa. Existen dos tipos de
estructura que se utilizan para disipar la energía
destructiva que lleva el agua al caer. Uno en el que el flujo
rápido y de poca profundidad que baja de la presa se
convierte en un flujo profundo y lento al hacerlo pasar por una
falda horizontal o poco inclinada de hormigón, construida
río abajo desde la base de la presa. En el otro tipo la
base de la presa tiene una forma que desvía el flujo, que
baja a gran velocidad, hacia arriba y lo hace girar. Este giro
disipa la energía destructiva del agua.
Tipos de presa
Las presas se clasifican según la forma de su estructura y
los materiales empleados. Las grandes presas pueden ser de
hormigón o de elementos sin trabar. Las presas de
hormigón más comunes son de gravedad, de
bóveda y de contrafuertes. Las presas de elementos sin
trabar pueden ser de piedra o de tierra. También se
construyen presas mixtas, por ejemplo de gravedad y de piedra,
para conseguir mayor estabilidad. Además, una presa de
tierra puede tener una estructura de gravedad de hormigón
que soporte los aliviaderos. La elección del tipo de presa
más adecuado para un emplazamiento concreto se
determina mediante estudios de ingeniería y consideraciones
económicas. El coste de cada tipo de presa depende de la
disponibilidad en las cercanías de los materiales para su
construcción y de las facilidades para su transporte.
Muchas veces sólo las características del terreno
determinan la elección del tipo de estructura.
- Presas de gravedad
Las presas de gravedad son estructuras de
hormigón de sección triangular; la base es ancha y
se va estrechando hacia la parte superior; la cara que da al
embalse es prácticamente vertical. Vistas desde arriba son
rectas o de curva suave. La estabilidad de estas presas radica en
su propio peso. Es el tipo de construcción más
duradero y el que requiere menor mantenimiento. Su altura suele
estar limitada por la resistencia del
terreno. Debido a su peso las presas de gravedad de más de
20 m de altura se construyen sobre roca. La presa Grande Dixence,
en Suiza, que se terminó de construir en 1962, tiene una
altura de 284 m y es una de las más grandes del mundo.
Tiene una estructura de hormigón de gravedad de 700 m de
longitud, construida sobre roca.
- Presas de bóveda
Este tipo de presa utiliza los fundamentos
teóricos de la bóveda. La curvatura presenta una
convexidad dirigida hacia el embalse, así la carga se
distribuye por toda la presa hacia los extremos; las paredes de
los estrechos valles y cañones donde se suele construir
este tipo de presa. En condiciones favorables, esta estructura
necesita menos hormigón que la de gravedad, pero es
difícil encontrar emplazamientos donde se puedan
construir.
- Presas de contrafuertes
Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta
el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma
triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a
la base. Estas presas precisan de un 35 a un 50% del
hormigón que necesitaría una de gravedad de
tamaño similar. Hay varios tipos de presa de
contrafuertes: los más comunes son de planchas uniformes y
de bóvedas múltiples. En las de planchas uniformes
el elemento que contiene el agua es un conjunto de planchas que
cubren la superficie entre los contrafuertes. En las de
bóvedas múltiples, éstas permiten que los
contrafuertes estén más espaciados.
A pesar del ahorro de
hormigón las presas de contrafuertes no son siempre
más económicas que las de gravedad. El coste de las
complicadas estructuras para forjar el hormigón y la
instalación de refuerzos de acero suele
equivaler al ahorro en materiales de construcción. Pero
este tipo de presa es necesario en terrenos poco
estables.
- Presas de elementos sin traba
Las presas de piedra o tierra y los diques son las
estructuras más usadas para contener agua. En su
construcción se utiliza desde arcilla hasta grandes
piedras. Las presas de tierra y piedra utilizan materiales
naturales con la mínima transformación, aunque la
disponibilidad de materiales utilizables en los alrededores
condiciona la elección de este tipo de presa. El
desarrollo de las excavadoras y otras grandes máquinas ha
hecho que este tipo de presas compita en costes con las de
hormigón. La escasa estabilidad de estos materiales obliga
a que la anchura de la base de este tipo de presas sea de cuatro
a siete veces mayor que su altura. La cuantía de
filtraciones es inversamente proporcional a la distancia que debe
recorrer el agua; por lo tanto, la ancha base debe estar bien
asentada sobre un terreno cimentado.
Las presas de elementos sin trabar pueden estar
construidas con materiales impermeables en su totalidad, como
arcilla, o estar formadas por un núcleo de material
impermeable reforzado por los dos lados con materiales más
permeables, como arena, grava o roca. El núcleo debe
extenderse hasta bastante más abajo de la base para evitar
filtraciones.
Construcción de presas
Un aspecto importante de la construcción de presas es la
desecación y preparación de los cimientos. La
desecación se consigue normalmente mediante una o varias
ataguías, diseñadas para eliminar el agua del
terreno donde se va a construir la presa. Las ataguías
pueden ser presas de tierra o conjuntos de
chapas de acero asentadas sobre pilotes y sujetas con tierra.
También se deben construir ataguías a los lados del
río para evitar el desbordamiento de su curso antes y
después de la presa, y túneles rodeando la presa
para conducir el agua. Estos túneles pueden aprovecharse
cuando se haya terminado la presa. Si las condiciones
topográficas impiden la construcción de
túneles, la presa se debe realizar en dos etapas. Primero
se instala una ataguía que deseca la mitad del ancho del
río y se construye la base de esa mitad de la presa.
Después se elimina esta ataguía y se construye una
en la otra mitad. La construcción de grandes presas puede
durar más de siete años; la posibilidad de que se
produzcan inundaciones durante este periodo constituye un serio
problema.
El plan
hidroeléctrico de las Tres Gargantas, en
construcción en la cuenca del río Yangzi Jiang
(Yang-tsê), en China, incluye una presa de 2 km de longitud
y 100 m de anchura. Esta es la construcción más
grande realizada en China desde la Gran Muralla; se
extenderá 600 km río arriba, y constituirá
el embalse más largo del mundo. El plan de las Tres
Gargantas proporcionará energía a Shanghai y a toda
la cuenca del río Yangzi Jiang. También
protegerá a los 10 millones de personas que viven
río abajo de las inundaciones periódicas que asolan
esta zona, donde se cultivan las dos terceras partes del arroz
que se produce en China. Además hará navegable el
río más arriba de las gargantas. El embalse
inundará la garganta Xiling y desplazará a 1,2
millones de habitantes.
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