Energía hidráulica

Un pistón de agua del Nongshu de Wang Zhen (fl. 1290-1333)

Saint Anthony Falls, Estados Unidos; la energía hidráulica se utilizaba aquí para moler harina.

Molino de mineral impulsado por agua, finales del siglo XIX.

La evidencia sugiere que los fundamentos de la energía hidráulica se remontan a la civilización griega antigua.[3] Otras evidencias indican que la rueda hidráulica surgió de forma independiente en China alrededor del mismo periodo.[3] Las evidencias de rueda hidráulicas y molinos de agua se remontan al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C.[4] ^: 14 Además, ciertas evidencias indican el uso de la energía hidráulica mediante máquinas de riego en las civilizaciones antiguas de Sumer y Babilonia.[5] Los estudios indican que la rueda hidráulica fue la forma inicial de energía hidráulica y que era impulsada por humanos o animales.[5]

En el Imperio Romano, los molinos accionados por agua fueron descritos por Vitruvio en el siglo I a. C.[6] El molino de Barbegal, situado en la actual Francia, tenía 16 ruedas hidráulicas que procesaban hasta 28 toneladas de grano al día.[7] Las norias romanas también se utilizaban para aserrar mármol, como el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III d. C.[8] Dichos aserraderos tenían una rueda hidráulica que accionaba dos manivelas y bielas para accionar dos sierras. También aparece en dos excavaciones del siglo VI del Imperio bizantino aserraderos descubiertos en Éfeso y Gerasa. El mecanismo de manivela y biela de estos molinos de agua romanos convertía el movimiento rotatorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra.[9]

En China, durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), se cree que los martillos y fuelles accionados por agua eran accionados por cucharas de agua.[4]^: 26–30 Sin embargo, algunos historiadores sugirieron que eran impulsados por ruedas hidráulicas. Esto se debe a que se ha teorizado que las palas de agua no habrían tenido la fuerza motriz suficiente para hacer funcionar los fuelles de un alto horno.[10] Muchos textos describen la rueda hidráulica huna; algunos de los más antiguos son el diccionario Jijiupian del año 40 a. C., el texto de Yang Xiong conocido como el Fangyan del año 15 a. C., así como el Xin Lun, escrito por Huan Tan hacia el año 20 d. C.[11] También fue durante esta época cuando el ingeniero Du Shi (c. 31 d. C.) aplicó la fuerza de las ruedas hidráulicas a los pistones-fuelles para forjar el hierro fundido.[11]

Otro ejemplo del uso temprano de la energía hidráulica se ve en el erosionado. El erosionado es el uso de la fuerza de una ola de agua liberada de un tanque en la extracción de minerales metálicos. El método se utilizó por primera vez en las minas de oro de Dolaucothi en Gales a partir del año 75 de nuestra era. Este método se desarrolló posteriormente en España en minas como Las Médulas. El descabezamiento también fue ampliamente utilizado en Británica en la Medieval y períodos posteriores para extraer minerales de plomo y estaño. Posteriormente evolucionó a minería hidráulica cuando se utilizó durante la fiebre del oro de California en el siglo XIX.[12]

El Imperio islámico abarcaba una gran región, principalmente en Asia y África, junto con otras zonas circundantes.[13] Durante la Edad de Oro del islam y la Revolución agrícola del islam medieval (siglos VIII-XIII), la energía hidroeléctrica fue ampliamente utilizada y desarrollada. Los primeros usos de la energía mareomotriz surgieron junto con los grandes complejos hidráulicos de fábricas.[14] En la región se utilizaba una amplia gama de molinos industriales accionados por agua, como batanes, molino de carne, molino de papel, descarilladora, aserradero, molino de barcos, fábrica de sellos, fábrica de acero, fábrica de azúcar y molino de mareas. En el siglo XI, todas las provincias del imperio islámico contaban con estos molinos industriales, desde Al-Andalus y África del Norte hasta el Oriente Medio y Asia Central.[15] ^: 10 Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas de aguas al tiempo que empleaban engranajes en los molinos de agua y en las máquinas elevadoras de agua. También fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y a las máquinas de elevación de agua.[16]

Además, el ingeniero mecánico musulmán Al-Jazari (1136-1206) describió en su libro El libro del conocimiento de los ingenios mecánicos el diseño de 50 aparatos. Muchos de estos dispositivos eran accionados por agua, incluyendo relojes, un dispositivo para servir vino, y cinco dispositivos para elevar el agua de ríos o estanques, donde tres de ellos son accionados por animales y uno puede ser accionado por animales o por agua. Además, incluían una cinta sin fin con cántaros acoplados, un shadoof impulsado por una vaca (una herramienta de riego parecida a una grúa), y un dispositivo alternativo con válvulas abatibles.[17]

Benoît Fourneyron, el ingeniero francés que desarrolló la primera turbina hidroeléctrica

En el siglo XIX, el ingeniero francés Benoît Fourneyron desarrolló la primera turbina hidroeléctrica. Este dispositivo se implantó en la central comercial de las cataratas del Niágara en 1895 y aún sigue en funcionamiento.[5] A principios del siglo XX, el ingeniero inglés William Armstrong construyó y puso en funcionamiento la primera central eléctrica privada que se encontraba en su casa de Cragside en Northumberland, Inglaterra.[5] En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó su libro, Architecture Hydraulique, que describía las máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal.[18]

La creciente demanda de la Revolución Industrial impulsaría también el desarrollo.[19] Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua fue la principal fuente de energía para nuevos inventos como el Richard Arkwright de water frame.[20] Aunque la energía hidráulica dio paso a la energía de vapor en muchos de los molinos y fábricas más grandes, se siguió utilizando durante los siglos XVIII y XIX para muchas operaciones menores, como el accionamiento de los fuelles en los pequeños altos hornos (por ejemplo, el horno de Dyfi). Por ejemplo, el horno Dyfi y los molinos, como los construidos en las cataratas de San Antonio, que aprovechan el desnivel de 15 metros del río Misisipi.[20]

Los avances tecnológicos trasladaron la rueda de agua abierta a una turbina cerrada o motor de agua. En 1848, el ingeniero británico-estadounidense James B. Francis, ingeniero jefe de la compañía Lowell's Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con una eficiencia del 90 %.[21] Aplicó principios científicos y métodos de prueba al problema del diseño de turbinas. Sus métodos de cálculo matemático y gráfico permitieron diseñar con seguridad turbinas de alto rendimiento que se ajustaban exactamente a las condiciones de flujo específicas de un lugar. La turbina de reacción Francis sigue en uso. En la década de 1870, derivado de los usos en la industria minera de California, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de alta eficiencia rueda Pelton, que utilizaba la energía hidráulica de las corrientes de gran altura características de Sierra Nevada.

La principal aplicación de la energía hidráulica en la actualidad es la obtención de electricidad. Las centrales hidroeléctricas generalmente se ubican en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias y desniveles geológicos favorables a la construcción de represas. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética de las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. En su caída entre dos niveles del cauce, se hace pasar el agua por una turbina hidráulica, la cual transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica.

Otro sistema que se emplea es conducir el agua de un arroyo con gran desnivel, por una tubería cerrada, en cuya base hay una turbina. El agua se recoge en una presa pequeña y la diferencia de altura proporciona la energía potencial necesaria

Otro más consiste en hacer en el río una presa pequeña y desviar parte del caudal por un canal con menor pendiente que el río, de modo que unos kilómetros más adelante habrá ganado una cierta diferencia de nivel con el cauce y se hace caer el agua a él por una tubería, con una turbina especial.

Cuota mundial de energías renovables (2008)

Tendencias en los cinco principales países productores de hidroelectricidad

La clasificación de la capacidad hidroeléctrica es por la producción de energía anual real o por la potencia nominal de la capacidad instalada. En 2015, la energía hidroeléctrica generó el 16.6 % de la electricidad total del mundo y el 70 % de toda la electricidad renovable.[22] La energía hidroeléctrica se produce en 150 países y la región de Asia y el Pacífico generó el 32 % de la hidroelectricidad global en 2010. China es el mayor productor de energía hidroeléctrica, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17 % del uso doméstico de electricidad. Brasil, Canadá, Nueva Zelanda, Noruega, Paraguay, Austria, Suiza y Venezuela tienen una mayoría de la producción interna de energía eléctrica a partir de energía hidroeléctrica. Paraguay produce el 100 % de su electricidad de las represas hidroeléctricas y exporta el 90 % de su producción a Brasil y Argentina. Noruega produce el 98-99 % de su electricidad a partir de fuentes hidroeléctricas.[23]

Una estación hidroeléctrica rara vez opera a su potencia máxima durante un año completo; la relación entre la potencia promedio anual y la capacidad de capacidad instalada es el factor de capacidad. La capacidad instalada es la suma de todas las clasificaciones de potencia de la placa de identificación del generador.[24]

Los diez países mayores productores hidroeléctricos en 2020.[23][25][26]

País	Producción hidroeléctrica anual (TWh)	Capacidad instalada (GW)	Factor de capacidad	% de la producción mundial	%en generación de electricidad doméstica
China China	1232	352	0.37	28.5 %	17.2 %
Brasil Brasil	389	105	0.56	9.0 %	64.7 %
Canadá Canadá	386	81	0.59	8.9 %	59.0 %
Estados Unidos	317	103	0.42	7.3 %	7.1 %
Rusia Rusia	193	91	0.42	4.5 %	17.3 %
India	151	49	0.43	3.5 %	9.6 %
Noruega Noruega	140	33	0.49	3.2 %	95.0 %
Japón Japón	88	50	0.37	2.0 %	8.4 %
Vietnam Vietnam	84	18	0.67	1.9 %	34.9 %
Francia	71	26	0.46	1.6 %	12.1 %

Capacidad instalada de energía hidroeléctrica (MW) [27]

#	País	2020
1	China	370 160
2	Brasil	109 318
3	Estados Unidos	103 058
4	Canadá	81 058
5	Rusia	51 811
6	India	50 680
7	Japón	50 016
8	Noruega	33 003
9	Turquía	30 984
10	Francia	25 897
11	Italia	22 448
12	España	20 114
13	Vietnam	18 165
14	Venezuela	16 521
15	Suecia	16 479
16	Suiza	15 571
17	Austria	15 147
18	Irán	13 233
19	México	12 671
20	Colombia	12 611
21	Argentina	11 348
22	Alemania	10 720
23	Pakistán	10 002
24	Paraguay	8 810
25	Australia	8 528
26	Laos	7 376
27	Portugal	7 262
28	Chile	6 934
29	Rumania	6 684
30	Corea del Sur	6 506
31	Ucrania	6 329
32	Malasia	6 275
33	Indonesia	6 210
34	Perú	5 735
35	Nueva Zelanda	5 389
36	Tayikistán	5 273
37	Ecuador	5 098

• Manuale dell'Ingegnere. Edición 81. Editado por Ulrico Hoepli. Milano. 1987. ISBN 88-203-1430-4.
• Handbook of Applied Hydraulics. Library of Congress: Catalog Card Number 67-25809.
• Engenharia de Recursos Hídricos. Ray K. Linsley & Joseph B. Franzini. Editora da Universidade de San Paulo e Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. 1978.
• Handbook of Applied Hydrology. A Compendium of Water-resources Technology. Ven Te Chow, Ph.D., Editor in Chief. Editora McGraw-Hill Book Company. 1964. ISBN 0-70107742.
• Hidráulica de los Canales Abiertos. Ven Te Chow. Editorial Diana. México. 1983. ISBN 968-13-1327-5.