La carga hidráulica se refiere a la energía cinética del agua en ríos, arroyos o lagos. Representa el nivel del agua en un cuerpo de agua en movimiento. En pocas palabras, mide la altura de una columna de agua sobre un punto y se expresa comúnmente en metros (o pies en Estados Unidos). Cuando el nivel del agua o la carga hidráulica es mayor, hay energía disponible en ese punto.
En las instalaciones, la cantidad de energía aprovechada depende de la diferencia entre el nivel del agua aguas arriba en el embalse y el nivel del agua aguas abajo de la presa. Esta diferencia se denomina diferencia de carga hidráulica e indica la cantidad de energía que se puede convertir en electricidad mediante turbinas y generadores. Cálculos adicionales revelan que, además de la distancia, diversas pérdidas, denominadas pérdidas de carga, también influyen en el aprovechamiento de la energía.
Debido a que el agua en el embalse, al estar a mayor altura, posee mayor energía potencial gravitatoria horizontal que la del canal de descarga, la energía potencial gravitatoria del agua del embalse que desciende por las tuberías genera la energía necesaria para mover las turbinas y producir electricidad. El procedimiento se describe aquí mediante la ecuación de Bernoulli. Generalmente, una carga hidráulica equivale a una unidad de energía gravitatoria; en este caso, se trata de almacenamiento de agua.
La ecuación de potencia hidroeléctrica utiliza el valor de la carga hidráulica para obtener la potencia disponible estimada. Este factor influye en la ecuación, que se representa de la siguiente manera:
P = ρQgΔh
Lugar:
- P – La velocidad a la que se calcula la potencia y se mide, expresada en julios por segundo, conocidos como W.
- Δh – Representa la diferencia de carga hidráulica a través de la presa o turbina medida en metros.
- ρ – Depende de la densidad del fluido medida en kg/m3.
- Q – Denota el caudal volumétrico o caudal de agua medido en metros por segundo (m3/s).
- g – Representa la aceleración de la gravedad, medida en metros por segundo al cuadrado.
Esta ecuación establece que una mayor diferencia de altura conlleva un potencial de energía mecánica almacenada en los depósitos.
Tipos de cabezal hidráulico
Existen tres clasificaciones de presas según sus diferencias de carga hidráulica: media y baja. Más adelante se analizarán con más detalle estos tipos de carga hidráulica.
1. Cabeza alta
Cuando la diferencia de altura de caída supera los cien metros, se habla de alta presión. A diferencia del sistema anterior, el agua que fluye en esta planta se extrae generalmente de zonas elevadas, lo que significa que requiere un menor volumen para generar una energía similar. Dado que el agua fluye a través de estos sistemas a baja velocidad, se necesitan turbinas pequeñas.
El agua también debe recorrer cierta distancia utilizando una tubería forzada larga, ya que incluso una turbina más corta y una tubería forzada más estrecha provocarán la formación de bolsas de aire que reducen la eficiencia. Por lo general, las grandes centrales hidroeléctricas pertenecen a las de caídas altas y medias.
2. Cabeza mediana
En los sistemas de altura media, la diferencia de altura oscila entre 10 y 100 metros. En comparación con una presa de gran altura, la caída de elevación es menor al considerar la tubería forzada en una presa de altura media. Este tipo de presa aprovecha un volumen considerable de agua y una gran pérdida de altura de dicha agua.
3. Cabeza Baja
Los sistemas suelen tener presas de baja altura con menos de 10 metros de altura . Por ello, las turbinas hidroeléctricas de baja altura se utilizan habitualmente en sistemas de pasada, que implican el movimiento de ríos sin crecidas significativas.
Un sistema típico de baja caída transporta mucha agua, por lo que se requieren turbinas más grandes para transformar la energía hídrica en electricidad de manera eficiente. Estas instalaciones no requieren represas, ya que se necesita almacenar menos agua.
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Pérdidas de carga hidráulica
Estas pérdidas se producen por la fricción dentro de las tuberías . Al tener en cuenta estas pérdidas de carga, se reduce la cantidad de energía en el agua. Este valor ajustado, considerando las pérdidas de carga, se denomina carga efectiva.
La altura efectiva es igual a la altura bruta menos todas las pérdidas de carga. Todas las centrales hidroeléctricas producen pérdidas de carga, que se dividen en pérdidas de carga mayores y menores. Las pérdidas de carga hidráulica se miden, calculan y expresan en igualdad de condiciones con la altura hidráulica, por ejemplo, en términos de la altura equivalente del contador de agua . Esto requiere deducir de la potencia bruta total la potencia desperdiciada debido a las pérdidas de carga; así se obtiene la potencia neta real que se puede extraer. La ecuación se puede expresar como:
P neto = P bruto − P pérdida
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Tipos de pérdidas de carga
Los tipos de pérdidas de carga son:
Pérdidas de carga importantes: La gran mayoría de las pérdidas de carga importantes se deben a la fricción en las tuberías y se producen a lo largo de grandes distancias del oleoducto, por ejemplo, en la tubería forzada.
Pérdidas de carga menores: Cualquier otra fuente de pérdidas de carga menores que no sean las debidas a la fricción. En esencia, cualquier curva en una tubería o cambio en el flujo del agua genera algún tipo de pérdida, denominada pérdida menor.
Sin embargo, existen casos en que las pérdidas de carga mayores son menores que las menores pero se suman para determinar la potencia total de salida de una presa hidráulica, a diferencia de lo que sugieren sus nombres.
Lectura obligatoria: ¿Qué es la fracturación hidráulica?
