La Energía Eléctrica a partir del Agua

La forma tradicional de obtener energía del agua, es a partir de tener un caudal y un diferencial de altura (o salto de agua) para generar potencia util. Esto implica tomar energía del caudal y el salto, pero en forma de electricidad ( esa en nuestra intención básica), pero es importante señalar que este sistema no transmite el 100% de energía, debido a las perdidas que hay en el camino debido a fricciones, calor, curvas, ruido, entre otros.

La conversión se rige por la siguiente ecuación:

Potencia de entrada = Potencia disponible = P_disp= Potencia de salida + pérdidas

O de esta otra forma:

Potencia de salida = Potencia Util entregada= P_neta= Potencia de entrada x eficiencia de conversión

Eficiencia de conversión = n₀

Entonces tenemos: P_{neta =} P_disp x n₀  (kW)

Como ejemplo de aplicación de estas ecuaciones, tenemos el caso de un sistema que recibe 300 kW y entrega 210 kW, implica que tenemos una eficiencia del 70% (210 = 300 x 70%)

Bien ahora, a la potencia disponible es igual a la altura o salto disponible (h_disp ) multiplicado por el caudal (Q) y afectado por un factor de 10, con lo cual se obtiene la ecuación fundamental de potencia hidráulica:

P_neta = 10. h_{disp .}Q. n_{0 ....(1)}

La altura esta en metros, el caudal en m³/sg. Esta ecuación es la base de todo diseño de sistemas hidroenergéticos.

La energía liberada por un cuerpo que cae es su peso multiplicado por la distancia vertical recorrida. La fuerza que ejerce el agua es el producto de su masa (m) y la aceleración de la gravedad (g). La distancia vertical es el salto (h_disp).

Energía liberada = m.g. h_disp  ( en Joules)

La masa de agua es su densidad (p) por su volumen (V), de modo que:

Potencia disponible (P_disp) = p.Q.g.h_disp  (en Joules/seg o Watts, dependiendo de las unidades empleadas)

Los Detalles físicos del desarrollo de la Formula (1) son:

Se considera que el agua tiene una densidad de 1000 kg/m³ y la aceleración de la gravedad es de 9.8 m/s². La potencia producida en la turbina es menor que la potencia disponible debido alas pérdidas por fricción en las tuberías y en la misma turbina. La potencia de salida del generador es menor nuevamente debido a la ineficiencia del sistema de transmisión y generador; más aún, las pérdidas en el transporte de la energía harán el final que el ususario reciba alrededor de la mitad de la potencia disponible del sistema. La eficiencia total del sistema (n₀) en realidad varia entre 0.4 y 0.6. La potencia recibida por el consumidor, o potencia neta (P_neta), es:

P_neta= n₀.p.Q.g.h_disp Watts

P_neta= n₀.1000.Q.9.8.h_disp Watts

P_neta= n₀.Q.9.8.h_disp kW ....(2)

Redondeando en esta última ecuación el 9.8 a 10, tenemos la ecuación (1).

La potencia neta se estima a menudo en una forma rápida asumiendo que n₀=0.5, de modo que redondeando (véase proceso deductivo de la eficiencia en gráfico anterior):

P_neta= 0.5.Q.9.8.h_disp kW

P_neta= 5.Q.h_disp kW …(3)

Ejemplos:

1. Se requiere diseñar un sistema de microhidroenergía para 90 kW para un aserradero. Se tiene el dato que existe un salto de agua con una altura de 25 mts. ¿Cuánto caudal se necesita?

Empleando la ecuación (3), y despejando tenemos la siguiente relación:

Q = P_neta /5.h_disp = 90 / 5x25 = 0.72 m³/s

2. Si se nos pide calcular la potencia de salida que puede generar un río que tiene un caudal de 250 lt/sg y que posee un salto de 40 metros.

Aplicando la formula (1), tenemos lo siguiente: (recordar que 250 lt/sg = 0.25 m³/sg)

P_neta= 5x0.25x40 = 50 kW