¿Es posible generar electricidad utilizando una torre de agua?

Question

¿Es posible construir una torre de agua que proporcione suficiente presión para hacer funcionar un generador de electricidad? Se puede utilizar una bomba de agua para enviar el agua a la torre. La bomba de agua puede funcionar con paneles solares. También se puede alimentar la bomba de agua con la electricidad producida por el generador.

La torre de agua puede contener entre 20.000 y 30.000 galones de agua. ¿Podría esto tener suficiente presión para enviar el agua por una tubería y hacerla pasar por un generador eléctrico donde hará girar una turbina y producirá electricidad?

Una vez que el agua pasa por el generador puede ser redirigida de nuevo a la bomba de agua. El agua será entonces bombeada de nuevo a la torre de agua convirtiéndola en un sistema de circulación de agua. Me gustaría saber si es físicamente posible producir más energía a partir de la presión almacenada en la torre de agua que la necesaria para bombearla. Si se utilizan paneles solares para alimentar la bomba de agua, ¿es teóricamente posible producir más energía eléctrica con este método?

No conozco ningún proyecto similar, pero quiero saber si este montaje tendrá la capacidad de producir suficiente electricidad para que sea un proyecto factible.

Answer 1

Sí, se puede utilizar el agua que cae para producir electricidad: así funcionan las presas hidroeléctricas. Pero si se utiliza la energía para bombear el agua hacia arriba, siempre se utilizará más energía para bombearla hacia arriba que la que se obtiene de la caída. De lo contrario, se trata de una máquina de movimiento perpetuo.

La única manera de que tenga sentido es si se necesita bombear el agua por otras razones, es decir, si se utiliza como almacenamiento de agua potable y sólo se quiere recuperar algo de energía, o si se puede utilizar electricidad barata para bombearla y generar una cantidad menor de electricidad cara cuando vuelva a bajar.

Se suelen utilizar para equilibrar los cambios en la demanda - véase https://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity

Answer 2

Si quieres saber más allá de los conceptos físicos, pregunta en el nuevo Intercambio de pilas de sostenibilidad donde podemos cubrir la física, la economía y la ingeniería de dicha cuestión. Aquí me ocuparé de la física (y sólo tocaré los demás aspectos de pasada)

Viabilidad técnica

Cada una de las partes del sistema que propones ocurre en la vida real:

La electricidad se utiliza para bombear el agua hacia arriba en una torre, para crear una cabeza de agua. Esto se utiliza en los sistemas de distribución de agua de todo el mundo.

La electricidad se genera liberando el agua de un sistema de almacenamiento a través de una turbina, convirtiendo el potencial gravitacional en electricidad: es un sistema hidroeléctrico de almacenamiento .

Los sistemas hidroeléctricos de almacenamiento por bombeo combinan estos dos mecanismos, para tomar electricidad barata fuera de las horas punta, almacenarla en forma de potencial gravitacional y luego liberarla como electricidad más valiosa en las horas punta.

Y los paneles fotovoltaicos se utilizan para generar electricidad para bombear agua: Yo y otros diseñamos y vendimos varios sistemas, a principios de los años 90, que hacían precisamente eso, para pozos de agua en África. (No es un anuncio, hace ya 19 años que dejé ese negocio).

Así que el sistema que propones podría funcionar, técnicamente.

Eficiencia

Tenga en cuenta que nunca se obtiene más energía útil de la que se introduce, siempre hay pérdidas. Pero la hidroeléctrica de almacenamiento es uno de los mayores medios de almacenamiento de energía útil del mundo, porque es muy escalable y eficiente.

La eficiencia de conversión de ida y vuelta es de alrededor del 80%.

Densidad energética

Tenga en cuenta que la densidad de energía es bastante baja $$ E = m{\cdot}g{\cdot}h$$ La energía almacenada al levantar 1000 kg ( $1m^3$ ) de agua por 1 metro es sólo $1000 \times 9.8 \times 1 = 9800 J$ o 0,0027 kWh, que no es mucho. Y por eso las instalaciones hidroeléctricas de bombeo suelen ser a escala de montaña:

Sólo en Europa hay más de cien teravatios/hora de almacenamiento hidroeléctrico, suficiente para suministrar electricidad a Europa durante unos 20 días.

Answer 3

Hay muchas ideas análogas al sistema de torre de agua/turbina/bomba (sin los paneles solares). Un ejemplo común es un sistema de electrólisis del agua que hace pasar una corriente eléctrica a través del agua para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, que luego se utiliza como combustible en un motor o en una pila de combustible para producir energía eléctrica para alimentar la célula de electrólisis. Cuando se espera producir más energía en el motor que la que se consume en la célula de electrólisis (o más energía en la turbina que la que se consume en la bomba), se tiene lo que se conoce como una máquina "sobreunitaria". Un dispositivo de este tipo es imposible.

Una regla fundamental de la física es la conservación de la energía; una máquina sobreunitaria es una violación de esta regla, ya que requiere que se cree energía de la nada. Dado que ningún dispositivo del mundo real puede funcionar con una eficiencia del 100%, cualquier esquema de "sobreunidad" consumirá de hecho más energía de la que puede producir debido a las pérdidas: fricción mecánica, resistencia eléctrica, etc.

Cuando se añade una célula solar al esquema de torre de agua/turbina/bomba, lo que se tiene esencialmente es un sistema de energía solar que emplea una torre de agua como dispositivo de almacenamiento de energía. Este sistema podría almacenar la energía solar recogida bombeando el agua hacia la torre, y cuando el sol no brilla, el sistema puede seguir produciendo energía de la turbina. La fuente de energía (y el límite de capacidad) es la luz solar que cae sobre los paneles solares, no el agua que cae.

Answer 4

El sistema que usted describe se conoce como generación hidroeléctrica por bombeo, y es factible y se utiliza en algunas centrales hidroeléctricas de todo el mundo. Pero

Normalmente, entre el 70% y el 80% de la energía utilizada para bombear el agua se recupera cuando ésta vuelve a bajar; el resto se pierde en diversas ineficiencias; las bombas/generadores se calientan, hacen ruido, etc.

En las cataratas del Niágara, por ejemplo, la preocupación por el turismo limita la cantidad de agua que puede desviarse de las cataratas para la generación de energía, a distintas horas del día y en distintas estaciones. Estas cantidades de agua rara vez coinciden con las cantidades de energía necesarias en esos momentos. Tanto la central de Adan Beck (Canadá) como la de Robert Moses (EE.UU.) tienen grandes embalses detrás. El agua se bombea en ellos en horas no laborables, hasta niveles por encima de la fuente de agua. Cuando hay menos agua disponible del río Niágara, esta agua almacenada vuelve a pasar por las bombas, generando algo de electricidad, y luego por los generadores principales, junto con el agua reducida no bombeada, produciendo más electricidad.

Answer 5

¡Oh, el viejo paradigma de la energía libre! La respuesta rápida y sucia a tu pregunta es sí. Podrías crear electricidad utilizando la energía potencial del agua almacenada en la torre de agua de altura (h metros). SIN EMBARGO, también habría que considerar la cantidad de energía que se necesitaría para bombear el mismo volumen de agua a una altura de h metros. En todos los casos, la energía necesaria para bombear el agua hasta la torre es mayor o igual que la cantidad de energía que se aprovecharía al dejar fluir el agua desde dicha torre de agua.

La energía libre entra en juego cuando la cantidad de energía de salida es mayor que la de entrada. Esto, te prometo, nunca ocurrirá con el escenario anterior.

Ya que he refutado la Teoría de la Energía Libre en mi declaración anterior, permítame hacer una más. Tome el sistema que sugiere, y elimine completamente la torre de agua. Sería mucho más eficiente conectar los generadores solares directamente a lo que quieras alimentar. También es más barato, las torres de agua no son la cosa más fácil del mundo para construir.