TEMA 5: L ENERGIA HIDRÀULICA

Transcripción

1 TEMA 5: L ENERGIA HIDRÀULICA 1. L energia de l aigua 1.1. Introducció L aigua que circula per la superfície terrestre conté una gran quantitat d energia. Podem prendre consciència de la magnitud del que representa contemplant l aigua que baixa per un riu o un torrent. Cal analitzar, també, els enormes efectes que té una gran massa d aigua desplaçant-se a una gran velocitat o caient des d una determinada altura. Durant l evolució del planeta aquesta energia ha estat capaç d excavar roques i obrir coves, per on poder passar, formant els rius, els continents i els oceans El cicle de l aigua Es pot dir que el l energia que té l aigua té el seu origen en el Sol. Això pot explicar-se perquè la calor de l astre que arriba a la Terra és el motor del cicle hidrològic o cicle de l aigua. L energia solar serveix per evaporar l aigua dels mars i formar núvols, les quals seran transportades per el vent fins el continent. Allà, es transformaran en precipitacions d aigua líquida (pluja) i en neu. L aigua que arriba d aquesta manera a la superfície de la terrestre aprofita el desnivell existent fins arribar a la mar, i torna a aquesta, formant corrents superficials (rius) o subterrànies. Des del punt de vista de l aprofitament energètic, els rius són la part més important del cicle de l aigua. L energia que compte la massa d aigua, la qual es desplaça per ells, és considerable, i per tant, renovable. 1.3 L energia hidràulica L energia hidràulica és la que tenen les masses d aigua que es mouen per la superfície terrestre, és a dir, els rius. Aquesta energia pot tenir dues formes diferents: Energia potencial: que té una massa d aigua que es troba a una determinada altura o en una posició elevada. Aquesta és major quant major és la massa d aigua i la diferència d altura entre la posició inicial i la final de la massa d aigua. A aquesta diferència se l anomena salt d aigua. Energia cinètica: que té l aigua que corre lliure. És a dir, que es desplaça en els salts d aigua. Aqueta energia és major quant major és la velocitat de la massa d aigua. La velocitat de l aigua que flueix depèn del desnivell del salt d aigua. Quan l aigua de la part més alta d un salt d aigua flueix fins a la part més baixa, el desnivell existent i la gravetat fan que caigui i que guanyi velocitat. Transformant-se l energia potencial en energia cinètica. 1

2 1.4 Aprofitament de l energia hidràulica L ésser humà pot aprofitar l energia cinètica de l aigua que flueix en els salts d aigua, instal lant en els rius les anomenades màquines hidràuliques. Aquestes tenen la capacitat de moure s empeses per l aigua. A més, no sempre és possible, o convenient, instal lar-les en un riu. Depèn de: El relleu del riu: es necessari un salt d aigua el suficientment gran com per adquirir prou energia cinètica. En cas contrari, s ha de construir un salt d aigua artificial interposant una presa en el riu. D aquesta manera l aigua queda emmagatzemada en un embassament i arriba a una altura superior a la del cabal inicial. Quan obrim el canal de desguàs, el qual està situat en la base de la presa, l aigua surt per aquest amb la mateixa energia que si caigués des de la superfície de l embassament fins el llit del riu i pot moure la màquina hidràulica. El clima de la zona: si les precipitacions de la zona no són suficientment importants, el cabal del riu no serà prou abundant, ni constant, com per poder instal lar una màquina hidràulica. La rendibilitat: la major part de les màquines hidràuliques, especialment aquelles que necessiten de la construcció d una presa, demanen grans inversions. Un cost tan alt només és possible en països rics. 2

3 2. Història de l energia hidràulica 2.1 Introducció L aprofitament de l aigua i de l energia que se n deriva és molt antic. En un principi l energia de l aigua s usà per moure rodes amb pales, les quals eren els motors de les màquines, com els molins d aigua, per moldre cereals o elevadors d aigua. Així, l energia de l aigua en moviment es transformava en energia mecànica. Juntament, amb les màquines eòliques (molins) i la tracció animal, les rodes hidràuliques, han estat els únic motors de la civilització preindustrial. 2.2 De la roda hidràulica a la turbina La forma bàsica d aprofitar l energia de l aigua a través de les rodes hidràuliques ha canviat. Gràcies, en gran part, a l evolució de la civilització i la tecnologia. Ara s entenen els mecanismes i els materials són millors, però els principis sempre han estat els mateixos. Una aproximació a l evolució històrica de les màquines hidràuliques seria aquesta: - La roda impulsada per davall. La primera referència ben coneguda d una roda hidràulica data de l any 85 abans de Crist. Aquest mecanisme servia per moure un molí per moldre cereals. Era una roda de paletes la meitat de la qual estava submergida en una intensa corrent d aigua, de manera que girava, cap enrere, en sentit oposat al corrent de l aigua. Les pèrdues eren molt altes, per la qual cosa tenia un rendiment molt baix, un 30%. Això significava que de 100 litres que passaven per la roda, només 30 litres s aprofitaven per a generar energia mecànica, i així, moldre el cereal en el molí. O dit d una altre manera, només podia aprofitat una tercera part de l energia cinètica que li donava l aigua. - La roda impulsada per dalt. Posteriorment, es desenvolupà la roda d impulsió per dalt, en la qual la corrent de l aigua es dirigia de forma artificial sobre la part superior de la roda, que en aquest cas gira cap endavant,en el mateix sentit del corrent. L eficiència era millor, ja que a més, d aprofitar l energia cinètic del corrent de l aigua, també utilitzava l energia que l aigua aportava al caure des de la part superior de la roda. Aquesta circumstància va permetre augmentar el rendiment fins a un 70% o un 80%. - Les turbines. Durant la Revolució Industrial, l estudi de les característiques de la transmissió de l energia cinètica de l aigua fluent dugué al desenvolupament de les turbines. Aquestes màquines són semblants a les rodes de molí d aigua, però es diferencien d aquestes en dues característiques principals: estan dispostes a l interior o al final d un conducte, a través del qual els hi arriba l aigua que les mou; les seves paletes estan corbades per rebre de forma més eficient el flux d aigua i guanyar major velocitat. En l actualitat existeixen molts de tipus de turbines, ja que cada disseny té una eficiència màxima depenent del cabal i de la velocitat de l aigua que rep. 3

4 3. Les centrals hidroelèctriques 3.1 Introducció En l actualitat la major part de l energia hidràulica que s aprofita en el món es converteix en energia elèctrica. Les instal lacions que transformen l energia de l aigua en energia elèctrica s anomenen centrals hidroelèctriques. En el països desenvolupats, quasi tots els rius que reuneixen les condicions adequades per a la instal lació, tenen algun tipus de central hidroelèctrica. Cada central s adapta a les característiques dels curs de l aigua, segons el lloc en el qual està construïda o a la demanda d una població creixent, possibilitats econòmiques i tecnologies disponibles. La generació d electricitat per aquesta via no contamina l aire i evita la dependència de la producció exterior. 3.2 La regulació del cabal En molt de casos la quantitat d aigua que dur un riu, el seu cabal, és molt variable i depèn de l època de l any. Com la quantitat d energia hidràulica depèn del cabal del riu, es sol controlar la quantitat d aigua que passa per les turbines de la central, amb l objectiu de produir electricitat en la mesura que sigui necessària. Per tant, en totes les centrals es produeix un control artificial del cabal del riu. Es poden diferenciar dos grans tipus de centrals depenent de com es controla, artificialment, aquest cabal: - Centrals amb embassament: en aquest tipus de centrals es construeix una presa que talla el riu. Com a conseqüència es forma un embassament que fa pujar notablement el nivell de l aigua, fent-li guanyar altura, i per tant, energia potencial. La central es sol construir en els peus de la presa per aprofitar el desnivell existent entre el nivell de l aigua del riu amb l embassament i sense l embassament. Aquestes centrals solen ser de gran tamany i molt potents, el que vol dir que poden generar grans quantitats d energia elèctrica. - Centrals fluents: en aquestes centrals no hi ha embassament. L aigua és retinguda amb un dic especial, anomenat azut, i desviada cap a la central mitjançant un canal; canal de desviació. El control del cabal es fa deixant passar més o menys aigua al canal de desviació. Aquestes central també reben el nom de minicentrals, i solen ser de menor tamany que les anteriors. Al ser-ho, generen menys energia. Es solen instal lar bora rius amb cabals estables o que varien molt poc. 4

5 3.3 Avantatges i desavantatges de les centrals fluents i les d embassament CENTRALS DE GRAN TAMANY AMB EMBASSAMENT Avantatges: a) L aigua embassada pot servir, a part de generar energia elèctrica, per altres activitats humanes: consum, regar o activitats esportives. b) El rendiment energètic és molt alt i la producció energètica també. c) L energia produïda és barata. d) El cabal del riu queda regulat, el que redueix el risc de crescudes i assegura aigua per tot l any encara que no plogui. Desavantatges: a) Els embassaments inunden i destrueixen zones de conreu, pobles i ecosistemes fluvials. A més, obstrueixen els rius, i s omplen amb els sediments que arrastren. b) La construcció de les preses sol ser molt costosa. Es necessiten grans instal lacions per poder dur l electricitat als llocs de consum. MINICENTRALS DEL TIPUS FLUENT Avantatges: a) Com no es fan embassaments no modifiquen el paisatge, ni els ecosistemes fluvials. Tenen escàs impacte ambiental. b) La construcció és poc costosa i la tecnologia senzilla. c) No és necessiten grans instal lacions per dur l electricitat, perquè els llocs de consum estan propers. Desavantatges: a) El rendiment energètic és petit comparat amb les centrals d embassament. No aprofiten tota l energia del cabal. b) Depenen que el cabal del riu sigui relativament constant al llarg de l any, per la qual cosa no es poden instal lar en llocs on hi ha sequeres durant l època d estiu. c) Produeixen menys electricitat. 5