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¿Cómo convierte el agua en electricidad una central hidroeléctrica? El ejemplo de la planta de Keage

Categoría: Tecnología

En Kioto existe una planta hidroeléctrica que comenzó a funcionar en 1891. Se presenta como una instalación que sigue activa más de 130 años después. [6] Pero, ¿por qué se puede crear electricidad simplemente dejando que el agua fluya de un lugar alto a uno bajo? ¿Por qué existen tantas formas diferentes de turbinas? ¿Y cómo se almacena la electricidad en forma de agua? Aquí analizamos el mecanismo paso a paso.

1. La planta hidroeléctrica de Keage en Kioto: la primera en dar electricidad a una ciudad de Japón

La planta de Keage, en Kioto, es una instalación hidroeléctrica que utiliza el agua del Canal Biwako y comenzó a operar en 1891 (año 24 de la era Meiji). Según la explicación del Patrimonio Japonés de la Agencia de Asuntos Culturales, se considera la primera planta hidroeléctrica en Japón destinada a suministrar electricidad al público general. [6] La electricidad generada se usó para las farolas de la calle y la energía de las fábricas, y posteriormente también para el primer ferrocarril eléctrico comercial de Japón (el Ferrocarril Eléctrico de Kioto). [6] Así, la fuerza del agua que caía se convirtió en la luz de la ciudad y en el movimiento de los trenes. Se indica que la planta que funciona actualmente es la tercera, construida en 1936. [7] Dado que los datos sobre la potencia de los equipos iniciales varían según la fuente, aquí no se mencionan cifras específicas para esa época.

2. Cómo la turbina y el generador producen electricidad con el agua

El proceso de la energía hidroeléctrica es sorprendentemente simple. El agua entra por una toma de agua, pasa por un canal que hace girar una turbina, y un generador conectado directamente a la turbina gira para producir electricidad. [2] Es una cadena de transferencia: la fuerza del agua cayendo → la rotación de la turbina → la rotación del generador → electricidad. La velocidad de rotación de la turbina varía según el modelo; los documentos de la compañía eléctrica indican entre 120 y 1,200 revoluciones por minuto. [1] Esto equivale a 2-20 revoluciones por segundo. La eficiencia de conversión, que muestra cuánta energía se transforma en electricidad, es de aproximadamente el 80% en la hidroeléctrica, frente al 30-40% en la térmica, según los mismos documentos de la compañía eléctrica. [1] Se dice que la hidroeléctrica es aproximadamente el doble de eficiente que la térmica, aunque estos son valores explicativos de la empresa y pueden variar según el modelo y las condiciones.

4. Tres tipos de turbinas y cómo se elige según la altura y el caudal

Las turbinas se seleccionan según la altura de caída y el caudal. [2] Basándonos en la explicación de Chubu Electric Power, veamos tres tipos representativos. [4] Para plantas con gran altura de caída, la turbina Pelton es adecuada. Es una turbina que hace girar álabes en forma de copa utilizando solo la fuerza del agua expulsada por una boquilla. Para alturas de caída medias, se utiliza la turbina Francis. Se puede usar en un amplio rango de aproximadamente 10 a 300 m, y se dice que alrededor del 70% de las plantas hidroeléctricas de Japón usan este tipo. Las explicaciones sobre el rango de altura aplicable varían entre las fuentes, mencionando desde 40 hasta 600 m. Para plantas con altura de caída relativamente baja y alto caudal, se usan turbinas de hélice o Kaplan, donde el ángulo de los álabes es móvil. También se presenta que en pequeñas plantas hidroeléctricas de menos de 1,000 kW, se usa principalmente la turbina Cross-flow. [4] Para obtener la misma potencia, si la altura de caída es baja, se necesita una forma que permita pasar mucha más agua.

5. Plantas de bombeo: cómo el generador también funciona como motor

Los métodos de plantas hidroeléctricas incluyen de flujo continuo, de embalse regulador, de presa y de bombeo. Se dice que las plantas de presa son de gran capacidad (nivel de 1 millón de kW) y están destinadas a horas de alto consumo eléctrico. [3] Las plantas de bombeo tienen dos embalses: uno superior y uno inferior. Durante el día, el agua cae del embalse superior al inferior para generar electricidad; por la noche, el agua se bombea desde el inferior al superior. [5] Se explica que funcionan como baterías que almacenan electricidad en forma de agua. Lo interesante es que el generador actúa como motor cuando bombea agua. Por la noche, recibe electricidad y funciona como motor; durante el día, la turbina lo hace girar para generar electricidad. También se dice que, al comenzar la generación, alcanza la potencia máxima en pocos minutos. [5] Sin embargo, al bombear agua se pierde parte de la electricidad. Cuánta energía se recupera en el ciclo completo varía según el equipo y las condiciones.

6. Qué porcentaje de la electricidad de Japón proviene de la energía hidroeléctrica

Según el resumen del Instituto de Política de Energía y Medio Ambiente (ISEP), en 2023 la hidroeléctrica representó el 7.5% de la generación total de electricidad en Japón, un aumento respecto al 7.1% del año anterior. [8] Esto equivale a aproximadamente 1/13 del total. Las cifras cambian según qué se use como denominador. Si se toma como base la demanda de electricidad, el porcentaje de hidroeléctrica para el mismo año se muestra como 7.8%. [8]

7. Un experimento para investigar cómo la altura de caída del agua cambia la fuerza que sientes

¿Cambia la sensación en la mano según la altura desde la que cae el agua? En un lugar donde puedas mojarte, deja caer lentamente agua de un vaso de papel sobre tu mano desde 10 cm de altura y desde la altura de tu brazo estirado para comparar. Puedes comprobar con tus propias manos si sientes más fuerza desde mayor altura. Si quieres consultar documentos, hay tres recursos: la explicación de turbinas de la compañía eléctrica [4], donde puedes comparar las formas de las tres turbinas con diagramas; la explicación de la planta de bombeo de J-Power [5], que muestra el mecanismo de los embalses superior e inferior; y la página del Patrimonio Japonés de la Agencia de Asuntos Culturales [6], donde puedes leer la historia de la planta de Keage.

Fuentes

  1. Kansai Electric Power, "Resumen de la energía hidroeléctrica" https://www.kepco.co.jp/energy_supply/energy/newenergy/water/shikumi/ (Información sobre el flujo de generación, la velocidad de rotación de las turbinas y la eficiencia de conversión.)
  2. Asociación de Fabricantes de Equipos Eléctricos de Japón (JEMA), "¿Qué es la energía hidroeléctrica?" https://www.jema-net.or.jp/energy/hydro.html (Información sobre el generador conectado a la turbina, la altura y el caudal, y la selección de turbinas.)
  3. Asociación de Ingenieros Eléctricos de Japón, "Métodos de generación y operación de plantas hidroeléctricas" https://jeea.or.jp/course/contents/12142/ (Información sobre la fórmula de potencia y los tipos de métodos de plantas hidroeléctricas.)
  4. Chubu Electric Power, "Tipos de turbinas" https://www.chuden.co.jp/energy/renew/ren_shikumi/wat_shikumi/suisha/ (Características de las turbinas Pelton, Francis, Kaplan y Cross-flow.)
  5. J-Power, "Mecanismo de la planta de Okkyotsu" https://www.jpower.co.jp/okky/knowledge/ (Operación diurna y nocturna del bombeo reversible y el uso del generador como motor.)
  6. Agencia de Asuntos Culturales, "Canal Biwako, Planta de Keage" https://japan-heritage.bunka.go.jp/ja/culturalproperties/result/5146/ (Información sobre el año de inicio de operaciones y los usos de la electricidad.)
  7. Wikipedia, "Planta de Keage" https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B9%B4%E4%B8%8A%E7%99%BA%E9%9B%BB%E6%89%80 (Información sobre su funcionamiento actual y la planta de la tercera fase.)
  8. Instituto de Política de Energía y Medio Ambiente (ISEP), "Proporción de electricidad renovable en 2023" https://www.isep.or.jp/archives/library/14750 (Porcentaje de la hidroeléctrica en la generación total de electricidad de Japón en 2023.)