Al aprovechar la gravedad y el ciclo del agua, hemos aprovechado uno de los motores de la naturaleza para crear una forma útil de energía. De hecho, los humanos han estado capturando la energía del agua en movimiento durante miles de años.
Hoy, aprovechar el poder del agua en movimiento para generar electricidad, conocida como energía hidroeléctrica, es la mayor fuente de electricidad renovable y libre de emisiones en todo el mundo.
Aunque la generación de energía hidroeléctrica no emite contaminación del aire o emisiones de gases de efecto invernadero, puede tener consecuencias ambientales y sociales negativas. El bloqueo de ríos con presas puede degradar la calidad del agua, dañar el hábitat acuático y ribereño, bloquear el paso de peces migratorios y desplazar a las comunidades locales.
Los beneficios y las desventajas de cualquier desarrollo hidroeléctrico propuesto deben sopesarse antes de seguir adelante con cualquier proyecto. Aún así, si se hace bien, la energía hidroeléctrica puede ser una fuente de electricidad sostenible y no contaminante que puede ayudar a disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y reducir la amenaza del calentamiento global.
El recurso hidroeléctrico
En la Tierra, el agua se mueve constantemente en varios estados, un proceso conocido como ciclo hidrológico. El agua se evapora de los océanos, formando nubes, cayendo en forma de lluvia y nieve, reuniéndose en arroyos y ríos, y volviendo al mar. Todo este movimiento brinda una enorme oportunidad para aprovechar la energía útil.
En 2011, la energía hidroeléctrica proporcionó el 16 por ciento de la electricidad mundial, solo superada por los combustibles fósiles. La capacidad mundial en 2011 fue de 950 gigavatios (GW), con 24 por ciento en China, 8 por ciento en Estados Unidos y 9 por ciento en Brasil. A nivel mundial, la capacidad hidroeléctrica se ha más que duplicado desde 1970.
Convertir agua en movimiento en electricidad
Para generar electricidad a partir de la energía cinética en el agua en movimiento, el agua tiene que moverse con suficiente velocidad y volumen para hacer girar un dispositivo tipo hélice llamado turbina, que a su vez gira un generador para generar electricidad. En términos generales, un galón de agua por segundo cayendo cien pies puede generar un kilovatio de electricidad.
Para aumentar el volumen de agua en movimiento, se utilizan embalses o presas para recoger el agua. Una abertura en la presa usa la gravedad para dejar caer agua por una tubería llamada compuerta. El agua en movimiento hace que la turbina gire, lo que hace que los imanes dentro de un generador giren y generen electricidad.
Hay una variedad de tipos de turbinas utilizadas en las instalaciones hidroeléctricas, y su uso depende de la cantidad de carga hidráulica (distancia vertical entre la presa y la turbina) en la planta. Los más comunes son los diseños de ruedas Kaplan, Francis y Pelton. Algunos de estos diseños, llamados ruedas de reacción e impulso, utilizan no solo la fuerza cinética del agua en movimiento sino también la presión del agua.
La turbina Kaplan es similar a una hélice de barco, con un corredor (la parte giratoria de una turbina) que tiene de tres a seis palas, y puede proporcionar hasta 400 MW de potencia. La turbina Kaplan se diferencia de otros tipos de turbinas hidroeléctricas porque su rendimiento puede mejorarse cambiando el paso de las palas.
La turbina Francis tiene un corredor con nueve o más paletas fijas. En este diseño de turbina, que puede tener un tamaño de hasta 800 MW, las palas del corredor dirigen el agua para que se mueva en un flujo axial.
La turbina Pelton consiste en un conjunto de cucharones de forma especial que se montan en el exterior de un disco circular, lo que hace que se vea similar a una rueda de agua. Las turbinas Pelton se usan típicamente en sitios de alta carga hidráulica y pueden ser de hasta 200 MW.
La energía hidroeléctrica también se puede generar sin una presa, a través de un proceso conocido como run-of-the-river. En este caso, el volumen y la velocidad del agua no aumentan con una presa. En cambio, un proyecto de pasada hace girar las palas de la turbina al capturar la energía cinética del agua en movimiento en el río.
Los proyectos de energía hidroeléctrica que tienen represas pueden controlar cuándo se genera electricidad porque las represas pueden controlar el tiempo y el flujo del agua que llega a las turbinas. Por lo tanto, estos proyectos pueden optar por generar energía cuando sea más necesaria y más valiosa para la red.
Debido a que los proyectos de riachuelos no almacenan agua detrás de las presas, tienen mucha menos capacidad para controlar la cantidad y el momento en que se genera la electricidad.
Almacenamiento por bombeo
Otro tipo de tecnología hidroeléctrica se llama almacenamiento por bombeo. En una planta de almacenamiento por bombeo, el agua se bombea desde un depósito inferior a un depósito superior durante las horas de menor actividad cuando la electricidad es relativamente barata, utilizando la electricidad generada a partir de otros tipos de fuentes de energía.
Bombear el agua cuesta arriba crea el potencial para generar energía hidroeléctrica más adelante. Cuando se necesita la energía hidroeléctrica, se libera nuevamente en el depósito inferior a través de turbinas. Inevitablemente, se pierde algo de energía, pero los sistemas de almacenamiento por bombeo pueden ser hasta un 80 por ciento eficientes.
La necesidad de crear recursos de almacenamiento para capturar y almacenar para su uso posterior, la generación a partir de altas penetraciones de energía renovable variable (por ejemplo, eólica y solar) podría aumentar el interés en la construcción de nuevos proyectos de almacenamiento por bombeo.
Preocupaciones ambientales y sociales
Si bien la generación de energía hidroeléctrica no emite gases de calentamiento global u otros contaminantes del aire, la construcción y operación de proyectos hidroeléctricos puede tener consecuencias ambientales y sociales que dependen en gran medida de dónde se encuentra el proyecto y cómo se opera.
Las presas que han inundado áreas con vegetación viva pueden emitir metano, un poderoso gas de calentamiento global, a medida que ese material orgánico se descompone. Por ejemplo, la presa de Tucurui en Brasil creó un embalse en la selva tropical antes de limpiar los árboles. Cuando las plantas y los árboles comenzaron a pudrirse, redujeron el contenido de oxígeno del agua, matando las plantas y los peces en el agua, y liberaron grandes cantidades de metano.
Los proyectos de energía hidroeléctrica pueden reducir los flujos en los ríos aguas abajo si los flujos aguas arriba quedan atrapados detrás de un embalse y/o se desvían a canales que llevan el agua fuera de la corriente a una unidad de generación.
Bajar los caudales en un río puede alterar la temperatura del agua y degradar el hábitat de plantas y animales. Menos agua en el río también puede reducir los niveles de oxígeno que dañan la calidad del agua.
El agua generalmente se almacena detrás de una presa y se libera a través de las turbinas cuando se necesita energía. Esto crea patrones de flujo artificiales en el río aguas abajo que pueden ser muy diferentes de los patrones de flujo que un río experimentaría naturalmente. Por ejemplo, los ríos alimentados principalmente por deshielo pueden experimentar flujos mucho más altos en invierno y primavera que en verano y otoño.
Las operaciones hidroeléctricas pueden diferir de estos patrones de flujo natural, lo que tiene implicaciones para las especies ribereñas y acuáticas aguas abajo. Si los niveles de agua aguas abajo de un proyecto hidroeléctrico fluctúan enormemente debido a las operaciones de generación, los peces podrían quedar varados en aguas poco profundas.
Si las operaciones causan un horario de flujo más estático durante todo el año de lo que normalmente experimentaría el río, el movimiento de sedimentos a lo largo de una sección del río podría verse interrumpido, reduciendo el hábitat para las especies acuáticas.
Menos eventos de flujo estacional también podrían hacer que un corredor ribereño se engrose en un canal menos dinámico, ya que los retoños que generalmente se adelgazan estacionalmente por flujos altos pueden madurar.
Las presas también pueden bloquear la migración de peces que nadan río arriba para llegar a las zonas de desove. La cantidad de salmones que hacen el viaje río arriba ha caído un 90 por ciento desde la construcción de cuatro presas en el bajo río Snake. Se están tomando algunas medidas para mover los peces alrededor de las presas, como ponerlos en barcazas o construir escaleras de peces, pero el éxito ha sido limitado.
El paso de peces río abajo también puede ser un desafío, ya que los peces jóvenes pueden ser masticados en las turbinas de la presa mientras se dirigen hacia el océano.
La inundación de tierras para crear embalses también puede eliminar las áreas donde las personas viven o cultivan. La presa de Balbina en Brasil, por ejemplo, inundó 2.360 km2. La densidad de población es típicamente mayor a lo largo de los ríos, lo que lleva a la dislocación masiva de los centros urbanos. La presa de las Tres Gargantas en China implicó el traslado de casi 1.2 millones de personas.
Los hábitats de vida silvestre destruidos por reservorios pueden ser especialmente valiosos. En América del Sur, el 80 por ciento del potencial hidroeléctrico se encuentra en las selvas tropicales, uno de los ecosistemas más ricos y diversos de la Tierra. La presa de Rosana en Brasil destruyó uno de los pocos hábitats restantes del tití león negro, una especie rara y hermosa de mono de pelo largo.
Hidroeléctrica de bajo impacto
Si bien las operaciones hidroeléctricas pueden causar impactos ambientales negativos, la forma en que se opera un proyecto puede marcar una gran diferencia en su grado de huella ambiental. Los proyectos pueden gestionar las liberaciones de flujo de las presas para garantizar que haya suficiente agua en el río para apoyar a las especies nativas.
Los flujos también se pueden programar para imitar patrones de flujo natural, que ayudan a transportar sedimentos e imitan las señales biológicas que habría proporcionado el ciclo de flujo natural. La modernización de presas con equipos de paso de peces e incluso la eliminación de presas en algunos ríos clave puede mejorar en gran medida el acceso al hábitat aguas arriba.
El futuro de la energía hidroeléctrica
Los avances en turbinas “amigables para los peces” y las técnicas mejoradas de recolección de datos para aumentar la efectividad de las tecnologías de paso de peces crean nuevas oportunidades para la industria hidroeléctrica.
Si se construye y opera de una manera que minimiza los impactos ambientales y culturales, los proyectos hidroeléctricos pueden proporcionar fuentes de electricidad limpias y de bajo costo a las zonas urbanas y rurales de todo el mundo. Aprovechar el poder de nuestros ríos puede ser parte de un conjunto inteligente y diverso de soluciones para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y el impacto que tienen en nuestro clima y la salud pública.
La capacidad de aumentar y disminuir la generación de energía hidroeléctrica es una fuente valiosa de generación flexible en la red eléctrica, que puede desplazar directamente el carbón y el gas natural, y ayudar a integrar grandes cantidades de recursos variables de energía renovable, como la energía eólica y solar.
Dado que la mayoría de los países desarrollados han acrecentado sus áreas más accesibles para la energía hidroeléctrica a gran escala, el crecimiento de estos proyectos probablemente se concentrará en naciones con poblaciones en crecimiento y economías en desarrollo.
Según la Asociación Internacional de Energía Hidroeléctrica, en 2012 se encargaron más de 30 GW de nueva capacidad hidroeléctrica, con importantes inversiones en América del Sur, Asia y África.
En Brasil, se están construyendo tres grandes proyectos en la región amazónica que suman más de 22 GW de capacidad de generación.