Es posible generar Energía Eléctrica sin caída de agua Lic. MA. Rony B. Pezo Sánchez

Actualmente la forma mas típica de generar energía eléctrica es mediante una caída de agua( diferencial de altura), previo represamiento (para acumular energía potencial y la presión consecuente). Esta tecnología si bien es muy usada, tiene inconvenientes negativos al medio ambiente por el represamiento de grandes volúmenes de agua, destruyendo hábitat valiosos y  modificando espacios vitales para la fauna y flora, y produciendo la aparición de enfermedades endémicas por la proliferación de mosquitos, inclusive puede generar microclimas no adecuados (dependiendo del tamaño del embalse). 

Durante mas de cien años esta tecnología nos ha permitido satisfacer nuestras necesidades de energía, pero que requiere de una gran inversión y que ha generado una postura decisiva y de intereses en seguir implementándose este tipo tradicional de generación, en desmedro de otras tecnologías también evidentes y mas convenientes al planeta, sobre todo que tiene dos ventajas claves:  
1) El costo de su desarrollo e implementación es considerablemente menor, pues no se requiere de una gran infraestructura física e inversión.

2) Es amigable con el medio ambiente, pues no destruye hábitats ya que no requiere embalses de agua. 

Una forma posible para generar energía eléctrica sin necesidad de una caída de agua y que contiene las dos ventajas antes mencionadas, es mediante una idea que si bien no es nueva y que emplea física nada compleja para generar energía eléctrica. Veamos la siguiente propuesta que es un sistema más económico y de alta eficiencia.

Comencemos, en general sabemos que la potencia hidráulica está dada por:

P = d.Q.g.H  …….(1)

Donde:
P, energía generada en Kw.

d, es la densidad del agua en kg/m³

Q, es el caudal del agua en m³/sg o masa.

g, es la gravedad (9.8 m/s²).

H, es el diferencia de altura de la caída (m).

Veamos, en el siguiente cuadro la potencia obtenida con diferentes alturas, con un caudal de 40 m³/s.

Se observa, que la energía generada (P) tiene incrementos en forma lineal  conforme se incrementa la altura (h) de la caída. Es decir pura energía potencial.

Por otro, lado sabemos que la velocidad del agua es:

V = (2.g.h)^1/2 …….(2)

Ahora bien, a partir de los datos de la altura del cuadro anterior, se ha obtenido otro gráfico en el se expresa la variación de la velocidad (V), conforme se incrementa la altura (H), en base a la ecuación (2). En el gráfico siguiente podemos observar que las variaciones incrementales de la velocidad son cada vez menores (la curva se achata) conforme aumenta la altura.

Consideremos ahora el concepto de la energía cinética en el agua, es posible obtener energía eléctrica o potencia eléctrica, la cual se puede obtener en base a la velocidad del flujo y la masa de agua, o sea: la magnitud del flujo medido en metros cúbicos por segundo, de acuerdo con la siguiente fórmula:

P = EE = 0.5.Q.V² ……..(3)

Por ejemplo, si suponemos una velocidad de 25 metros por segundo y una masa de 5 m³/s, se obtiene una potencia de:

P = EE = 1/2 5^.25^.25 =1.562,5 Kw

Afín de comparar anotamos varios ejemplos (suponiendo un pequeño caudal de solamente 2 m³/s), se obtienen las siguientes relaciones de potencia según velocidad del agua:

velocidad m/sg	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
Potencia Kw	225	400	625	900	1225	1600	2025	2500	3025	3600
velocidad m/sg	65	70	75	80	85	90	95	100	105	110
Potencia Kw	4225	4900	5625	6400	7225	8100	9025	10.000	11.025	12.100

Los cálculos nos predicen que doblando la velocidad se cuadruplica la potencia obtenida. Una velocidad triple conduce a la obtención de nueve veces más potencia. En otras palabras: tenemos un incremento exponencial. La curva del incremento de energía se muestra en el siguiente gráfico.

La representación gráfica anterior, lo hace todo más claro: un incremento de velocidad conduce a incrementos progresivos de energía. O sea que: cuánto mayor es la velocidad del agua, mayor es la eficiencia global de la central hidroeléctrica, no se requiere diferenciales de altura.

Por lo que desde el punto de vista de la utilización de la energía hidráulica es irrelevante que la velocidad sea el resultado de la diferencia de altura o de cualquier otro medio que refuerce la tendencia natural del agua a fluir. Y tal parece que podemos incrementar la velocidad del agua según nuestros deseos.

Por tanto, la clave está en lograr la mayor velocidad (V), ante un mismo caudal (Q) y altura (o inclusive sin diferencial de altura), esto se puede lograr por ejemplo (es un caso extremo por cierto), restringiendo gradualmente el cauce del río, para incrementar la velocidad la velocidad del agua. Véase el gráfico de la derecha à

En el se puede observar que no es necesaria un diferencial de altura, todo se desarrolla a nivel del lecho del río. Recuérdese que tradicionalmente se obtiene la velocidad por altura o por presión, que aquí no es necesaria.

Por ejemplo, a una V = 40 m/s, es el equivalente de una energía potencial de:

V = (2.g.h)^1/2, entonces:

H = V² / 2g = (40²) / 2x9.8 =  81.63 mts = aprox. 82 mts.

Una energía potencial de una caída de 82 mts. de altura.

Y si suponemos un caudal Q = 14 m³ / s, podemos obtener la energía:

P = 0.5 Q. V² = 0.5 x 14 x 40² = 11200 KW = 11.2 MW

La cual es una potencia energética considerable, empleando sólo la energía cinética.

Podemos señalar entonces que bajo este sistema no se requiere grandes alturas, abarata costos de instalaciones, de represa y turbinas y tiempo de implementación. Es aplicable inclusive en bocatomas o derivaciones de agua de ríos. Sería muy interesante evaluar su aplicación en nuestro país.

Anexo 1: Datos empleados en gráficos 1 y 2.

Densidad agua  d =1 kg/m3

Gravedad  g =9.8 m/s2 

Caudal Q = 40 m3/sg  

Anexo 2: Tabla de datos generada con datos anexo 1.

          

Anexo 3: Se empleo como dato de prueba en gráfico 3, el caudal Q = 2 m3/s