La potencia mecánica del agua que cae es una herramienta antigua. Fue utilizado por los griegos para convertir ruedas de agua para moler trigo en harina, hace más de 2.000 años . La disponibilidad de mano de obra barata de esclavos y animales, sin embargo, restringió su aplicación generalizada hasta aproximadamente el siglo XII. Durante la Edad Media, se desarrollaron grandes ruedas hidráulicas de madera con una potencia máxima de unos 50 CV. La energía hidráulica moderna a gran escala debe su desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, quien primero construyó grandes ruedas hidráulicas de hierro fundido.
La energía hidráulica desempeñó un papel importante en la Revolución Industrial. Dio impulso al crecimiento de las industrias textil, de cuero y de talleres mecánicos a principios del siglo XIX. Aunque la máquina de vapor ya había sido desarrollada, el carbón era escaso y la madera insatisfactoria como combustible. La energía hidráulica ayudó a desarrollar las primeras ciudades industriales de Europa y los Estados Unidos hasta que la apertura de los canales proporcionó carbón barato a mediados del siglo XIX.
Se necesitaron presas y canales para la instalación de ruedas de agua sucesivas cuando la caída era mayor de 5 m (16 pies). La construcción de grandes presas de almacenamiento, sin embargo, no era factible, y los bajos flujos de agua durante el verano y el otoño, junto con la formación de hielo durante el invierno, llevaron a la sustitución de casi todas las ruedas hidráulicas por vapor cuando el carbón estaba disponible.
La primera central hidroeléctrica fue construida en 1880 en Cragside, Northumberland, Inglaterra. El renacimiento de la energía hidráulica vino con el desarrollo del generador eléctrico, la mejora adicional de la turbina hidráulica y la creciente demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920, las centrales hidroeléctricas ya representaban el 40% de la energía eléctrica producida en los Estados Unidos.
El principio básico de funcionamiento de la mayoría de las grandes instalaciones ha permanecido inalterado desde entonces. Las plantas dependen de un gran depósito de almacenamiento de agua aguas arriba de una presa donde se puede controlar el flujo de agua y garantizar un nivel de agua casi constante. El agua fluye a través de conductos, llamados penstocks, la Planta de Energía de Almacenamiento por Bombeo de Agua de mar de Okinawa, que se controlan mediante válvulas o compuertas de turbina para ajustar el caudal de acuerdo con la demanda de energía. El agua entra en las turbinas y las abandona a través de la llamada pista de escape. Los generadores de energía se montan directamente sobre las turbinas en ejes verticales. El diseño de las turbinas depende de la altura de agua disponible, con las llamadas turbinas Francis utilizadas para cabezas altas y turbinas de hélice utilizadas para cabezas bajas.
En contraste con las plantas de almacenamiento, que dependen de la incautación de grandes cantidades de agua, existen algunos ejemplos en los que tanto la caída de agua como el caudal constante son lo suficientemente altos como para permitir las llamadas instalaciones de funcionamiento del río; uno de ellos es el proyecto de energía conjunto de Estados Unidos y Canadá de las Cataratas del Niágara.
En la década de 1700, los estadounidenses reconocieron las ventajas de la energía hidroeléctrica mecánica y la utilizaron ampliamente para la molienda y el bombeo. A principios de 1900, la energía hidroeléctrica representaba más del 40 por ciento del suministro de electricidad de los Estados Unidos. En la década de 1940, la energía hidroeléctrica proporcionaba alrededor del 75 por ciento de toda la electricidad consumida en el Oeste y el Noroeste del Pacífico, y alrededor de un tercio de la energía eléctrica total de los Estados Unidos. Con el aumento en el desarrollo de otras formas de generación de energía eléctrica, el porcentaje de energía hidroeléctrica ha disminuido lentamente y hoy proporciona aproximadamente una décima parte de la electricidad de los Estados Unidos.
Las primeras centrales hidroeléctricas fueron estaciones de corriente continua construidas para alimentar el arco y la iluminación incandescente durante el período de aproximadamente 1880 a 1895. Entre los años 1895 y 1915 se produjeron rápidos cambios en el diseño hidroeléctrico y se construyó una amplia variedad de estilos de plantas. El diseño de la planta hidroeléctrica se estandarizó bastante después de la Primera Guerra Mundial, con la mayor parte del desarrollo en los años 1920 y 1930 relacionado con las plantas térmicas y la transmisión y distribución.
A continuación se enumeran algunos eventos importantes en la historia de la hidroeléctrica:
1826 El ingeniero francés Benoit Fourneyron desarrolló una turbina de agua de flujo de salida de alta eficiencia (80%) en la que el agua se dirigía tangencialmente a través del corredor de la turbina haciendo que girara. Otro ingeniero francés, Jean V. Poncelet, diseñó una turbina de flujo interno en 1826 que utilizaba los mismos principios. No fue construido hasta 1838, cuando S. B. Howd obtuvo una patente estadounidense para un diseño similar.1848 James B. Francis mejoró estos diseños para crear una turbina con un 90% de eficiencia.
1870 el primer proyecto hidroeléctrico del mundo en Cragside, Rothbury, Inglaterra suministró luz eléctrica.1880 el primer uso industrial de energía hidroeléctrica para generar electricidad ocurrió en Grand Rapids, Michigan, cuando 16 lámparas de arco de cepillo se alimentaron con una turbina de agua en la Fábrica de sillas Wolverine en Grand Rapids, Michigan1881 en Niagara Falls, Nueva York, una dinamo de cepillo se conectó a una turbina en el molino harinero de Quigley para encender las lámparas de las calles de la ciudad.1882 en Appleton, Wisconsin, la primera central hidroeléctrica en utilizar el sistema Edison fue la planta de Vulcan Street.
1887 la estación de High Grove de San Bernadino, California, fue la primera central hidroeléctrica en el oeste de los Estados Unidos.1889 en Oregon City, Oregón, la estación de Willamette Falls fue la primera central hidroeléctrica de CA. Transmitió energía monofásica de 13 millas a Portland a 4.000 voltios, bajó a 50 voltios para distribución.
1891 en Frankfort en Main, Alemania, se utilizó el primer sistema hidroeléctrico trifásico para una línea de demostración de 175 km y 25.000 voltios desde la planta de Lauffen.
1895 la primera planta hidroeléctrica de propiedad pública en el Hemisferio Sur se completó en Duck Reach, Tasmania y suministró energía a la ciudad de Launceston para el alumbrado público.
1898 Decew Falls 1, St. Catherines, Ontario, Canadá se completó. Propiedad de Ontario Power Generation, cuatro unidades siguen en funcionamiento. El 25 de agosto de 1898, esta estación transmitía energía a 22.500 Voltios, 66 2/3 Hz, bifásica, a una distancia de 56 km a Hamilton, Ontario. El uso del voltaje más alto permitió una transmisión eficiente a esa distancia. (Reconocido como un hito de IEEE en Ingeniería Eléctrica & Computación por el Comité Ejecutivo de IEEE en 2002)
1901 en Trenton Falls, Nueva York, vio la primera instalación de turbinas de reacción de cabeza alta diseñadas y construidas en los EE. UU. 1905 en Sault Ste. Marie, Míchigan, la primera planta de cabezal bajo con turbinas de eje vertical conectadas directamente y generadores se construyó
1906 en Ilchester, Maryland, se construyó una planta hidroeléctrica totalmente sumergida dentro de la presa Ambursen.1911 R. D. Johnson inventó el tanque de sobretensión diferencial y la válvula hidrostática Johnson.
1912 en Holtwood, Pensilvania, hubo la primera instalación comercial de un cojinete de empuje vertical Kingsbury en una planta hidroeléctrica.
1914 S. J. Zowski desarrolló el corredor de turbina de reacción de alta velocidad específica (Francis) para aplicaciones de cabezal bajo.
1916, hubo la primera instalación comercial de turbina de hélice de palas fijas diseñada por Forrest Nagler.
1917 el tubo de tiro hydracone fue patentado por W. M. White.
1919 Viktor Kaplan demostró un corredor de turbina de hélice de palas ajustables en Podebrady, Checoslovaquia.
1922 fue la primera vez que se construyó una planta hidroeléctrica específicamente para la potencia máxima.
1929 la planta de Rocky River en New Milford, Connecticut, fue la primera gran planta hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo.
Para más información: Un recurso recomendado que detalla la historia de la hidroelectricidad es el conjunto de dos volúmenes de Desarrollo Hidroeléctrico en los Estados Unidos 1880-1940, preparado para el Grupo de Trabajo sobre Gestión de Recursos Culturales, Edison Electric Institute, Duncan Hay, Museo del Estado de Nueva York, 1991. Este libro detalla el desarrollo hidroeléctrico estadounidense desde el primer uso de energía hidroeléctrica alrededor de 1880 hasta 1940, momento en el que había más de 1500 instalaciones hidroeléctricas en línea que producían aproximadamente un tercio de la energía eléctrica de los Estados Unidos. Esto se compara con hoy en día, cuando menos de una décima parte de la energía es hidroeléctrica.
Historia de las Centrales Hidroeléctricas y de Energía en la región del Niágara
El esquema de Montañas Nevadas, Nueva Gales del Sur, Australia, es uno de los esquemas integrados de energía hidroeléctrica y de agua más complejos del mundo, que tardó 25 años en construirse. La información sobre el desarrollo está disponible en el sitio web de Snowy Hydro.
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