¿Qué tan eficiente sería bombear agua cuesta arriba usando energía hidroeléctrica?

no sera muy eficiente

Hay muchas maneras de bombear agua hacia arriba. El tornillo es uno de ellos y ha durado mucho tiempo. Es muy efectivo para una solución de tan baja tecnología. Tan efectivo que todavía se usa en muchas, muchas estaciones de bombeo modernas.

La razón por la que podemos determinar que su solución no es eficiente es el costo de transferir energía. Cada vez que transfiere energía, puede asumir con seguridad que parte de la energía no se usa para el propósito previsto. El agua contra la rueda de agua no solo moverá la rueda, sino que agregará tensión a la estructura y la fricción genera calor. Eso significa que esa parte está 'perdida'. Cualquier sistema tiene pérdida, por lo que debemos verificar la eficiencia y la cantidad de puntos de transferencia.

En primer lugar, el agua transfiere energía a la rueda hidráulica. Suponiendo una rueda Pelton , no hay mucho que pueda hacer para que sea más eficiente. Buen punto. Luego transfieres esa energía a algunas grandes rocas giratorias. Esta no es una mala idea. Los volantes funcionan con este principio exacto. Se está utilizando como dispositivos de almacenamiento de energía en autobuses e incluso en la red eléctrica. El problema es que es un traslado extra. ¿Es necesario? Si no, quítelo. Tiene poderes de fricción en el eje y con el aire, y mucho menos el costo inicial de hacer que gire. Aunque ahora tenemos volantes de inercia increíblemente eficientes, probablemente no sea tan eficiente si usa las viejas ruedas de molino como tecnología. Fue sorprendentemente avanzado antes de que las fábricas se hicieran cargo del trabajo, pero en comparación con la tecnología moderna, será un desperdicio.

El mecanismo de transferencia al fuelle no está bien especificado. Puede esperar algunas o enormes pérdidas de energía aquí, dependiendo de la forma. Como los fuelles parecen comprimirse debido a la rotación de una piedra de molino, espero una gran cantidad de fricción. Los fuelles en sí no son demasiado extraños. Es similar a una forma en que puedes bombear agua. Si lo hace bien, puede tener la misma presión en el sistema de agua. Los fuelles necesitan aspirar agua, así como derramarla. Otros dos puntos de pérdida de energía.

Todo puede funcionar con agua, usando una corriente de agua para bombear otra agua hacia arriba. La eficiencia depende en gran medida de la tecnología utilizada. Aunque cada uno tiene una base en la tecnología del mundo real, es ineficiente en comparación con muchas soluciones del mundo real. Está utilizando múltiples tecnologías del mundo real encadenadas por una pequeña razón. Cada tecnología representa la transferencia de energía a otra cosa, dando una pérdida. Sucede en el mundo real por algunas razones, como el almacenamiento temporal de energía en un volante para emitir una cantidad estable de energía. Aún así, es mejor usar la rueda hidráulica para accionar directamente algunas bombas. O simplemente tome algunos tornillos grandes y eficientes y no piense demasiado en eso.

Sin embargo, no dejaría pasar esas ideas. La creatividad solo puede ser elogiada.

Mucho más eficiente y más fácil de construir que la rueda de agua, los engranajes, las ruedas de leva, las vejigas, etc., es una "bomba de impulsos" o "bomba de ariete", que se pueden fabricar tan pronto como se disponga de tubos rígidos, utilizando la misma tecnología. que usaría para hacer una bomba de pozo reciprocante manual o impulsada por un molino de viento.

El agua que corre cuesta abajo en una tubería activa secuencialmente un par de válvulas de aleta, una en línea con el flujo y otra verticalmente hacia arriba. El cierre de la válvula en línea hace que el impulso del agua en la tubería de entrada empuje el agua a través de la válvula vertical, hasta que se gasta el impulso y la válvula vertical se cierra, y el agua quieta ya no mantiene cerrada la válvula en línea, por lo que el el flujo comienza de nuevo.

Estas bombas pueden elevar una pequeña fracción del flujo a alturas muy por encima de la cabeza de la tubería de entrada, o mucho más flujo a alturas más modestas, y son una tecnología accesible al menos desde el período helénico clásico (en términos de materiales y herramientas disponibles (podría usarse tubería de bronce y plomo).

No hay nada en su pregunta sobre el nivel de tecnología que está preguntando, así que supongamos tecnología moderna del mundo real. Un sistema en el que se usa un flujo de agua cuesta abajo para accionar una bomba podría tener una eficiencia de aproximadamente 70-80% , lo que significa que la tasa de flujo cuesta arriba podría ser del 70-80% de la tasa de flujo cuesta abajo con la misma separación vertical, o las tasas de flujo podría ser igual pero la bomba alcanza el 70-80 % de la separación vertical en comparación con el flujo cuesta abajo, o alguna otra combinación numérica de caudal y separación vertical que da como resultado una eficiencia del 70-80 %.

Esta cifra proviene de la página de Wikipedia sobre hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo , que establece:

La eficiencia energética de ida y vuelta de PSH varía entre el 70 % y el 80 %, ^[4][5][6][7] y algunas fuentes afirman hasta el 87 %. ^[8]

Una instalación hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo puede funcionar como generador (que produce energía a partir del flujo de agua cuesta abajo) o como bomba (que consume energía para bombear agua cuesta arriba). Su propósito es equilibrar la carga en una red eléctrica, básicamente una batería gigante que puede cargarse cuando la oferta supera la demanda, o consumirse cuando la demanda supera la oferta. El sistema que describí en mi primer párrafo es simplemente equivalente a dos instalaciones de este tipo conectadas entre sí, una funcionando siempre como generador y la otra como bomba, por lo que la eficiencia sería la misma.

Si puede pensar en una manera de hacerlo significativamente mejor que esto, entonces ganaría más dinero construyéndolo en el mundo real, en lugar de escribir una historia al respecto.

Espero que sea más lento pero que no requiera energía (no energía tripulada de todos modos). Poner en marcha las piedras llevará algo de tiempo y energía, pero una vez que el impulso se pone en marcha, el resto es fácil.

"El resto" (la energía gastada para que las piedras sigan girando) es, menos las pérdidas, igual a la energía potencial gravitatoria acumulada por el agua que sube. Por lo tanto, cuanta menos energía se gaste para que las piedras sigan girando, menos agua se bombea (asumiendo una eficiencia de bombeo del 30 %, cada litro/segundo de caudal que sube un metro cuesta alrededor de 30 W; por lo tanto, 10 l/s a 20 m de altura). requieren alrededor de 6 kW).

Su principal dificultad es la presión del agua: el fuelle debe presurizar el agua lo suficiente como para enviarla hacia arriba contra la contrapresión del agua que ya está en las tuberías y que mantiene las válvulas cerradas. Puede suministrar esa presión con las ruedas de molino, pero ¿resistirán las juntas? ¿Y las pipas? Así, la altura máxima alcanzable estará limitada (cada 10 metros se suma una atmósfera de presión).

Luego, la eficiencia. Las muelas, por bien equilibradas e instaladas que estén, van a producir una fricción considerable. El agua corriente entrante tendrá que superar esa fricción. Esto es más que posible: después de todo, los molinos de agua existen y pueden alcanzar una eficiencia de conversión de alrededor del 60 % . En teoría, los fuelles pueden ser muy eficientes , pero esto depende de que el material sea flexible pero inflexible (no debe estirarse, ya que esa energía se desperdicia). Con las características apropiadas del material del fuelle, podríamos estar viendo una eficiencia de bombeo del 90 % al 95 %, lo que se traduce en alrededor del 40 % en general. Con agua que fluye lentamente y una rueda hidráulica de sobreimpulso, la eficiencia de conversión probablemente se duplicaría.

Como alternativa (también con agua que fluye lentamente), puede considerar una rueda hidráulica que impulse un teleférico de agua vertical: cuatro o cinco cubos que bajan pueden enviar tres cubos hacia arriba a cualquier altura (más y más lento cuanto más alto se sube), y la fricción es concentrada en la rueda superior. La rueda y el teleférico se pueden escalar un poco engrosándolos (los cubos se convierten en canales).

Noria . Una rueda inferior típica de tabla plana usa alrededor del 20 por ciento de la energía, aunque se puede mejorar a ~50% con un poco de experimentación.

Las consideraciones termodinámicas le dicen que terminará bombeando menos agua de la que baja, debido a todas las pérdidas en el proceso, y básicamente puede olvidarse de subir mientras baja.

Mi instinto me dice que tendrías suerte si obtienes un rendimiento general del 30 %.

Usar un tornillo de Arquímedes es una de las formas en que lo hacían en la antigüedad... Solo necesitarías usar un poco del agua restante para girar el tornillo...

En términos de eficiencia del agua, debe considerar la eficiencia energética y luego considerar la energía que producirá el agua restante. El último depende del peso del agua que desea levantar W, multiplicado por la distancia vertical D a la que está levantando, multiplicado por algún alfa de eficiencia energética, con alfa> 1 y dependiendo de la tecnología. Esta energía la obtendrá de la energía cinética del agua que tiene (por ejemplo, rueda en el lecho de un río) o dejando caer el agua a una gran distancia (y luego usando la(s) rueda(s) al final/a lo largo del camino, (piense cómo está hecho en la Presa Hoover) multiplicado por algún alfa de eficiencia, con alfa <1 dependiendo de su tecnología.

Para el primer método, depende de que la masa del agua que libera sea significativamente mayor que la que levanta. El segundo método es mucho mejor en términos de energía liberada por galón perdido.

Hay un buen truco para simplificar las cosas: usando la baja de la conservación de la energía, si quiere levantar algo de masa, deje caer la misma masa a la misma altura (más las pérdidas de energía), o deje caer la mitad de la masa para duplicar la altura , o suelte duplicar la masa a la mitad de la altura, o incluso dejar caer una décima parte de esa masa a diez veces la altura y así sucesivamente.

Por cierto, el hecho de que esté bombeando agua o arena, o lo que sea, hace poca diferencia en la conservación de energía, solo en la tecnología utilizada y las pérdidas incurridas...