La supervisión de una presa hidroeléctrica permite conocer mejor las emisiones de carbono
La presa de Kariba contiene el mayor embalse artificial del mundo y genera energía para millones de personas en Zambia y Zimbabue. Un estudio reciente de la presa mostró cómo afecta la liberación de gases de efecto invernadero en el embalse y en aguas abajo. Utilizando la sonda multiparamétrica YSI EXO2 de Xylem para la supervisión continua, los investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre cómo pueden optimizarse las centrales hidroeléctricas para reducir las emisiones de carbono.
La presa de Kariba es un lugar impresionante. Está situada en la frontera de Zambia con Zimbabue y cruza el río Zambeze, una de las mayores vías fluviales de África. La presa tiene 579 metros de ancho, 128 metros de alto y 24 metros de grosor, creando el lago Kariba, un embalse de 223 kilómetros de largo.
Aunque la energía hidroeléctrica se considera una fuente de energía «limpia», los embalses hidroeléctricos pueden producir emisiones de gases de efecto invernadero por la descomposición de la materia orgánica. Sin embargo, no se ha estudiado a fondo la cantidad de emisiones que se generan ni su fluctuación.
Un equipo de investigación de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, dirigido por Elisa Calamita y el investigador principal Bernhard Wehrli, se propuso recientemente medir las emisiones de gases de efecto invernadero de la presa de Kariba y su fluctuación.
«Es un hecho ampliamente reconocido que los lagos y embalses emiten gases y que los proyectos hidroeléctricos pueden generar emisiones aguas abajo», afirma Scott Winton, investigador de la Universidad de Stanford, en Palo Alto (California), que fue investigador postdoctoral de la ETH y colaboró con Calamita. «Es todo un reto captar toda la dinámica estacional para estimar esas emisiones con precisión»
Dr. Scott Winton, investigador científico
Utilizando un seguimiento continuo, en lugar de un muestreo discreto, el equipo descubrió que el proyecto hidroeléctrico de la presa de Kariba libera entre 18.000 y 35.000 toneladas métricas de carbono, en forma de dióxido de carbono, al año. El equipo de la ETH de Zúrich también registró enormes oscilaciones estacionales e incluso diarias en las emisiones de dióxido de carbono. Si el equipo hubiera utilizado únicamente un sistema de muestras discretas, en lugar de un seguimiento continuo, sus cálculos podrían haber sobrestimado las emisiones de carbono hasta en un 30 % o haberlas subestimado hasta en un 90 %.
¿Cuáles son las causas de las fluctuaciones de las emisiones de CO2?
Winton explica que la materia orgánica se descompone cuando cae al fondo de lagos y embalses profundos, liberando dióxido de carbono (y, en condiciones anóxicas, metano). Cuando el dióxido de carbono (CO2) flota en la superficie del lago, se libera a la atmósfera. Sin embargo, gran parte permanece disuelta en las capas frías y más profundas del perfil del agua.
Este CO2 disuelto en las zonas más frías y profundas del embalse y en los cauces aguas abajo contribuye a las fluctuaciones de las emisiones. Cuando cambian las temperaturas estacionales, el agua estratificada de los embalses se mezcla y puede provocar grandes y breves emisiones de este CO2 disuelto durante largo tiempo. Además, si las turbinas extraen agua de estas zonas más profundas, estará más cargada de CO2 disuelto.
Las fluctuaciones también pueden deberse a variaciones de la demanda. En la presa de Kariba, la demanda de electricidad alcanza su punto máximo por la mañana y al final de la tarde. Cuando se libera más agua del embalse para satisfacer la demanda, también pueden aumentar las emisiones de carbono.
Urge medir con precisión las emisiones
El reto para la mayoría de los investigadores es que se limitan a unas pocas mediciones y deben extrapolar las emisiones a partir de ellas.
«Si se depende de un proceso manual, como ocurre con las mediciones de flujo de gas, se tiende a pasar por alto esas fluctuaciones», afirma Winton. «Lo importante de la recopilación automatizada de datos a largo plazo es que puede ayudar a captar las discrepancias estacionales e incluso los ciclos diarios relacionados con las operaciones, como vimos en el lago Kariba»
En la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el equipo advirtió de la posibilidad de grandes imprecisiones en las estimaciones de liberación de carbono de las instalaciones hidroeléctricas. El documento subraya la urgente necesidad de evaluaciones más precisas, ya que hay más de 58.000 presas de cinco metros o más de altura en todo el mundo y casi 3.700 presas hidroeléctricas actualmente en construcción o en proceso de planificación.
Recogida de datos horarios con las sondas multiparamétricas YSI EXO2
Winton afirma que la herramienta clave para reconocer y cuantificar las fluctuaciones de las emisiones fue el conjunto de sondas multiparamétricas YSI EXO2 del equipo. Durante casi un año, cada sonda midió cada hora la temperatura, la conductividad, el pH y el oxígeno disuelto.
La sonda multiparamétrica YSI EXO2
«No podríamos haber hecho este estudio sin esa información sobre las altas frecuencias», afirma Winton. «Disponer de un sensor capaz de medir cada hora durante mucho tiempo te permite responder a un montón de preguntas que de otro modo no podrías. Y, sobre todo si te interesa la energía hidroeléctrica, muchas de esas cuestiones se plantean con una frecuencia realmente alta, de hora en hora.»
Los científicos de la ETH de Zúrich midieron los niveles de dióxido de carbono en 17 puntos del Zambeze, sus afluentes y el lago Kariba. También tomaron muestras de agua para analizarlas en el laboratorio de Suiza en busca de dióxido de carbono y metano. Por último, utilizaron instrumentos portátiles YSI para medir la temperatura, el oxígeno disuelto, la conductividad y el pH para explorar la influencia de los afluentes, medir las condiciones en las profundidades del lago y validar los datos del EXO2.
Evitar las fugas de carbono de las presas hidroeléctricas
El control de la calidad del agua in situ a largo plazo podría ser una herramienta importante para prevenir altos niveles de fuga de carbono de futuras presas. Winton afirma que los sistemas de captación que pueden obtener agua de distintas capas de un embalse podrían ser una estrategia útil para reducir los vertidos de CO2. Comprender la termoclina de un yacimiento –la capa de transición entre las aguas poco profundas y cálidas y las aguas profundas y frías– es un elemento clave de esta estrategia.
«Una cosa que se puede hacer si se tiene una presa nueva, o se quiere acondicionar una existente, es determinar “de dónde viene el agua”», dice. «Si se dispone de una infraestructura que permita hacer un seguimiento del contenido de oxígeno en las aguas profundas, del oxígeno en las aguas poco profundas y de la altura de la termoclina, y luego se cuenta con un sistema de entrada que permita elegir la profundidad a la que se abastece el agua, se podrían evitar muchos de estos problemas».
Lo más importante para Winton fueron los descubrimientos que pueden surgir al plantear grandes preguntas a un equipo de investigación multidisciplinar.
«Básicamente fuimos a Zambia con una pregunta amplia, que era “¿cuál es el estado de la calidad del agua en esta cuenca y cuáles son sus amenazas? ¿Cómo van a afectar las presas?”». Cuenta Winton.
La respuesta tiene enormes implicaciones para comprender lo que ocurre en las profundidades de los embalses que hay detrás de miles de presas, y para que los responsables políticos puedan evaluar mejor las repercusiones de la energía hidroeléctrica.
Más información
Descargue el número 9 de la revista gratuita de YSI, Mission: Water.
Escrito por Steve Werblow. Fotos: Scott Winton y ATEC-3D Ltd.