Energía hidroeléctrica de baja presión

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La energía hidroeléctrica de baja caída se refiere al desarrollo de la energía hidroeléctrica donde la caída es típicamente inferior a 20 metros, aunque las definiciones precisas varían. ^[1] La caída es la altura vertical medida entre el nivel de agua de la toma hidroeléctrica y el nivel del agua en el punto de descarga. El uso de solo una caída de altura baja en un río o flujos de marea para crear electricidad puede proporcionar una fuente de energía renovable que tendrá un impacto mínimo en el medio ambiente. Dado que la energía generada (calculada de la misma manera que la energía hidroeléctrica general ) es una función de la caída, estos sistemas generalmente se clasifican como energía hidroeléctrica de pequeña escala, que tienen una capacidad instalada de menos de 5 MW.

La mayoría de los proyectos hidroeléctricos actuales utilizan una gran carga hidráulica para impulsar turbinas que generan electricidad. La carga hidráulica se produce de forma natural, como en una cascada, o se crea mediante la construcción de una presa en el valle de un río, creando un embalse . Mediante una liberación controlada de agua del embalse se impulsan las turbinas. Los costos y los impactos ambientales de la construcción de una presa pueden hacer que los proyectos hidroeléctricos tradicionales sean impopulares en algunos países. A partir de 2010, han evolucionado nuevas tecnologías ecológicamente innovadoras que se han vuelto económicamente viables.

Dentro de la energía hidroeléctrica de baja presión se dan varias situaciones típicas:

De pasada : La energía hidroeléctrica en pequeña escala de baja presión se puede generar a partir de ríos, a menudo descritos como proyectos de pasada. Los lugares adecuados incluyen presas, arroyos, esclusas, ríos y desagües de aguas residuales. Las presas son comunes en los ríos de toda Europa, así como en los ríos que están canalizados o tienen espigones. Generar energía significativa a partir de lugares de baja presión utilizando tecnologías convencionales generalmente requiere grandes volúmenes de agua. Debido a las bajas velocidades de rotación producidas, se requieren cajas de engranajes para impulsar eficientemente los generadores, lo que puede dar lugar a equipos e infraestructura civil grandes y costosos.

Energía de las mareas : en combinación con una laguna o una presa, las mareas se pueden utilizar para crear una diferencia de altura. La mayor amplitud de mareas se encuentra en la bahía de Fundy , entre las provincias canadienses de Nuevo Brunswick y Nueva Escocia, Canadá, donde puede alcanzar los 13,6 m. La primera instalación de medición de amplitud de mareas se inauguró en 1966 en Le Rance, Francia.

Almacenamiento de agua de mar bombeada a baja altura: actualmente en niveles TRL muy bajos , pero en la próxima década estas tecnologías podrían convertirse en parte del sistema energético.

Energía maremotriz dinámica : otro tipo de energía hidroeléctrica de baja presión potencialmente prometedor es la energía maremotriz dinámica, un método novedoso y aún no aplicado para extraer energía de los movimientos de las mareas. Aunque se requiere una estructura similar a una presa, no se encierra ningún área y, por lo tanto, se conservan la mayoría de los beneficios de la "energía hidroeléctrica sin presas", al tiempo que se generan grandes cantidades de energía.

La energía hidroeléctrica de baja altura no debe confundirse con las tecnologías de "flujo libre" o "corriente", que funcionan únicamente con la energía cinética y la velocidad del agua.

Las turbinas adecuadas para su uso en aplicaciones de muy baja presión son diferentes de las turbinas Francis, de hélice, Kaplan o Pelton que se utilizan en las grandes centrales hidroeléctricas más convencionales. Los diferentes tipos de turbinas de baja presión son:

• Turbina mejorada con Venturi : este tipo de turbina utiliza los principios de Venturi para lograr una amplificación de presión para la turbina de modo que se puedan implementar turbinas más pequeñas, más rápidas y sin caja de cambios en entornos hidroeléctricos de baja altura, sin la necesidad de una gran infraestructura o grandes cursos de agua. El agua que pasa a través de un Venturi (una constricción) crea un área de baja presión. Una turbina que descarga en esta área de baja presión experimenta entonces un diferencial de presión más alto, es decir, una altura mayor. ^[2] Solo aproximadamente el 20% del flujo pasa a través de la turbina de hélice y, por lo tanto, requiere una criba, pero los peces y la vida acuática pueden pasar de manera segura a través del Venturi (80% del flujo), lo que evita la necesidad de cribas grandes. Las turbinas Venturi se pueden utilizar en alturas bajas (1,5 a 5 metros) y caudales medios a altos (1 m ³ /s–20 m ³ /s). Se pueden instalar múltiples turbinas en paralelo.
• Tornillo de Arquímedes : Se introduce agua en la parte superior del tornillo para obligarlo a girar. El eje giratorio se puede utilizar para accionar un generador eléctrico. Se necesita una caja de cambios, ya que la velocidad de rotación es muy baja. El tornillo se utiliza para alturas bajas (1,5 a 5 metros) y caudales medios a altos (1 a 20 m ³ /s). Para caudales mayores, se utilizan varios tornillos. Debido a la construcción y al movimiento lento de las aspas de la turbina, la turbina tiende a ser muy grande, pero se considera que es respetuosa con la vida silvestre acuática.
• Turbina Kaplan : esta turbina es de tipo hélice y tiene aspas ajustables para lograr eficiencia en una amplia gama de alturas y caudales. La turbina Kaplan se puede utilizar con alturas bajas a medias (1,5 a 20 metros) y caudales medios a altos (3 m ³ /s a 30 m ³ /s). Para caudales más altos se pueden utilizar varias turbinas. Presentan un riesgo para la vida acuática y en la mayoría de las situaciones requieren un control completo.
• Turbinas de flujo cruzado : También conocidas como turbinas Banki-Mitchell u Ossberger, estos dispositivos se utilizan para un amplio rango de alturas hidráulicas (de 2 a 100 metros) y caudales (de 0,03 a 20 m ³ /s), pero son más eficientes para alturas bajas y potencias reducidas. Se consideran turbinas "de impulso", ya que obtienen energía del agua reduciendo su velocidad (toda la energía hidráulica se convierte en energía cinética). Presentan un alto riesgo para la vida acuática y requieren un cribado completo.
• Rueda hidráulica : Las ruedas hidráulicas se pueden utilizar con alturas bajas (1–5 metros) y caudales medios (0,3–1,5 m ³ /s) y se consideran seguras para la vida acuática.
• Planta de energía de vórtice de agua por gravitación : este tipo de planta hidroeléctrica utiliza la energía de un vórtice de agua por gravitación, que solo existe en baja altura.

Se han planteado diversas inquietudes sobre los impactos ambientales de los dispositivos de mareas y corrientes fluviales. Entre las más importantes se encuentran las siguientes:

• Vida acuática. Se ha expresado preocupación por el peligro que suponen las palas giratorias para la vida acuática, como las focas y los peces. Las instalaciones dentro de los cursos de agua pueden inspeccionarse para garantizar que la vida marina no entre en contacto con ninguna pieza móvil. Después de extensas pruebas y auditorías por parte de los reguladores ambientales, la tecnología puede obtener una certificación que demuestre que es segura para los salmonetes, los peces adultos, las anguilas y los ecosistemas marinos. ^[3]
• Batimetría. Al alterar los patrones de las olas y las corrientes de marea, los dispositivos tendrán sin duda un efecto, por ejemplo, en la deposición de sedimentos. Las investigaciones realizadas hasta la fecha parecen indicar que los efectos no serían significativos, e incluso podrían ser positivos, por ejemplo, ayudando a frenar la erosión costera. (Esto es particularmente pertinente a la luz de la evidencia de que las olas han aumentado constantemente de tamaño en el pasado reciente). El mar a sotavento de los dispositivos casi con certeza estaría más tranquilo de lo normal, pero, se ha sugerido, esto ayudaría a crear más áreas para actividades como deportes acuáticos o navegación a vela.
• Paisaje . En los ríos o cursos de agua similares, los parámetros ambientales sensibles pueden dificultar la obtención de permisos de planificación para instalaciones hidroeléctricas. Las grandes infraestructuras y las infraestructuras visibles por encima del agua, como los sistemas de tornillo de Arquímedes y las casas de turbinas, pueden generar objeciones. Además, las vibraciones y los niveles de ruido de las cajas de cambios pueden generar objeciones ambientales debido al temor a un impacto en la fauna local, como las nutrias o las aves (por ejemplo, en Balmoral Estate, Escocia ^[4] ). El principal impacto probablemente provendría de las extensas líneas de transmisión necesarias para llevar la energía desde la costa hasta los usuarios finales. Este problema tendría que abordarse, posiblemente mediante el uso de líneas de transmisión subterráneas.

Los diques y espigones se han utilizado históricamente para la gestión del agua y para permitir el transporte fluvial río arriba. Los diques y espigones pueden tener efectos negativos en la batimetría del río e impedir la migración de peces río arriba, lo que tendrá un efecto en la ecología local y los niveles de agua. Al instalar turbinas hidroeléctricas de baja altura en estructuras históricas, se puede aumentar el transporte de sedimentos junto con nuevos pasajes de migración de peces, ya sea a través de la propia turbina o instalando escalas para peces.

En los lugares donde no se talan grandes áreas, “la vegetación, invadida por el aumento de las aguas, se descompone y forma metano, un gas de efecto invernadero mucho peor que el dióxido de carbono”, en particular en los trópicos. Las presas y los diques de baja altura no producen metano nocivo. Los espigones, pero también los diques, impiden el transporte de sedimentos río abajo para fertilizar los campos ^[5] y desplazar los sedimentos hacia los océanos.

La energía hidroeléctrica de baja presión generalmente se instala cerca de las áreas donde se necesita la energía, lo que evita la necesidad de grandes líneas de transmisión eléctrica.

La mayor parte de la regulación gubernamental se relaciona con el uso de las vías fluviales. La mayoría de los sistemas de turbinas hidráulicas de baja altura son proyectos de ingeniería más pequeños que las turbinas hidráulicas tradicionales. Aun así, es necesario obtener el permiso de las instituciones gubernamentales estatales y federales antes de implementar estos sistemas [1]. Algunas de las limitaciones que enfrentan estos sistemas en vías fluviales más grandes son asegurarse de que las vías fluviales aún puedan usarse para embarcaciones y asegurarse de que no se alteren las rutas de migración de los peces.

Los subsidios del gobierno de los EE. UU. para la implementación de instalaciones hidroeléctricas de pequeña escala se pueden obtener más fácilmente a través de subvenciones federales, en particular subvenciones para energía verde [2]. Un ejemplo específico es el Crédito Fiscal para la Producción de Electricidad Renovable. Se trata de un crédito fiscal federal destinado a promover los recursos de energía renovable. Para calificar, la fuente hidroeléctrica debe tener una capacidad mínima de 150 kW. Este subsidio se otorga durante los primeros diez años de producción. Las organizaciones reciben $0,011/kWh. [3]. Para los proyectos hidroeléctricos, este subsidio expiró el 31 de diciembre de 2017 [4].

Dado que se trata de una fuente de energía sostenible, no son perjudiciales para las fuentes de agua que utilizan y no son estéticamente desagradables, son bien considerados en la esfera pública [5] ^{[ enlace muerto permanente ]} . Sin embargo, existe poco conocimiento público e industrial sobre estos sistemas, ya que aún se están probando para "responder preguntas del mundo real". ^[6] Por ello, los promotores y fabricantes de estos sistemas han tratado de hacerlos de conocimiento público [6]

• Proyecto de tecnología de turbina mejorada con Venturi Socon de Eaton
• Molino de agua de Orión
• Poder verde
• Proyecto de demostración de energía maremotriz en Race Rocks
• Energía hidroeléctrica
• Microhidráulica
• Energía renovable
• Hidroelectricidad de pasada

• https://web.archive.org/web/20101129052257/http://www.oregon.gov/ENERGY/RENEW/Hydro/Hydro_index.shtml#Regulación
• http://tonto.eia.doe.gov/energy_in_brief/energy_subsidies.cfm
• [7] ^{[ enlace muerto permanente ]}
• http://www.microhidropower.com/
• https://web.archive.org/web/20130317000437/http://www.dsireusa.org/incentives/incentive.cfm?Incentive_Code=US13F
• http://amppartners.org/pdf/project-reports/November_2011_Phase_1.pdf ^{[ enlace muerto permanente ]}