Energía hidráulica
Las primeras evidencias de ruedas de agua y molinos de agua se remontan al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a.C., concretamente en el Imperio Persa antes del 350 a.C., en las regiones de Irak, Irán y Egipto.
En el Imperio Romano los molinos de agua fueron descritos por Vitruvio en el siglo I a.C. El molino de Barbegal tenía dieciséis ruedas de agua que procesaban hasta 28 toneladas de grano al día. Las ruedas hidráulicas romanas también se utilizaban para aserrar mármol, como el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III d.C. Estos aserraderos contaban con una rueda hidráulica que accionaba dos manivelas y bielas para accionar dos sierras. También aparece en dos aserraderos romanos orientales del siglo VI excavados en Éfeso y Gerasa respectivamente. El mecanismo de manivela y biela de estos molinos romanos convertía el movimiento rotatorio de la rueda de agua en el movimiento lineal de las hojas de la sierra.
En China, se teorizó que sus martillos de viaje y fuelles accionados por agua desde la dinastía Han (202 a.C. – 220 d.C.) eran accionados por cucharas de agua, pero los historiadores posteriores creyeron que eran accionados por ruedas de agua sobre la base de que las cucharas de agua no habrían tenido la fuerza motriz para hacer funcionar sus fuelles de altos hornos. Las pruebas de las ruedas hidráulicas verticales de los Han pueden verse en dos modelos contemporáneos de loza funeraria que representan martillos de viaje accionados por agua. Los primeros textos que describen este dispositivo son el diccionario Jijiupian del 40 a.C., el texto de Yang Xiong conocido como Fangyan del 15 a.C., así como el Xin Lun escrito por Huan Tan hacia el 20 d.C. Fue también en esta época cuando el ingeniero Du Shi (c. 31 d.C.) aplicó la fuerza de las ruedas hidráulicas a los fuelles de pistón para forjar el hierro fundido.
La fuerza de una ola de agua liberada de un tanque se utilizó para la extracción de minerales metálicos en un método conocido como husillo. El método se utilizó por primera vez en las minas de oro de Dolaucothi, en Gales, a partir del año 75, pero se había desarrollado en España en minas como Las Médulas. El hushing también se utilizó ampliamente en Gran Bretaña en la época medieval y en épocas posteriores para extraer minerales de plomo y estaño. Más tarde evolucionó hacia la minería hidráulica cuando se utilizó durante la fiebre del oro de California.
En el mundo musulmán, durante la Edad de Oro islámica y la revolución agrícola árabe (siglos VIII-XIII), los ingenieros hicieron un amplio uso de la energía hidráulica, así como de los primeros usos de la energía mareomotriz, y de los grandes complejos industriales hidráulicos. En el mundo islámico se utilizó una gran variedad de molinos industriales accionados por el agua, como batanes, molinos de parrilla, molinos de papel, descascarilladoras, aserraderos, molinos de barcos, molinos de sellos, molinos de acero, molinos de azúcar y molinos de mareas. En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico contaban con estos molinos industriales, desde Al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central. Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas de agua, emplearon engranajes en los molinos de agua y en las máquinas elevadoras de agua, y fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y a las máquinas elevadoras de agua.
El ingeniero mecánico islámico Al-Jazari (1136-1206) describió los diseños de 50 dispositivos, muchos de ellos accionados por agua, en su libro El Libro del Conocimiento de los Dispositivos Mecánicos Ingeniosos, incluyendo relojes, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para elevar el agua de los ríos o estanques, aunque tres son accionados por animales y uno puede ser accionado por animales o por agua. Entre ellos se encuentran una cinta sin fin con cántaros acoplados, un shadoof accionado por una vaca y un dispositivo alternativo con válvulas abatibles.
En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó Architecture Hydraulique, que describía máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal. La creciente demanda de la Revolución Industrial también impulsaría el desarrollo.
Las redes de energía hidráulica utilizaban tuberías para transportar agua a presión y transmitir la energía mecánica desde la fuente hasta los usuarios finales. La fuente de energía era normalmente una cabeza de agua, que también podía ser asistida por una bomba. Estas redes estaban muy extendidas en las ciudades victorianas del Reino Unido. También se desarrolló una red de energía hidráulica en Ginebra (Suiza). El mundialmente famoso Jet d’Eau fue diseñado originalmente como válvula de alivio de sobrepresión para la red.
Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua era la principal fuente de energía para los nuevos inventos, como el bastidor de agua de Richard Arkwright. Aunque el uso de la energía hidráulica dio paso a la energía de vapor en muchos de los molinos y fábricas más grandes, se siguió utilizando durante los siglos XVIII y XIX para muchas operaciones más pequeñas, como el accionamiento de los fuelles de los pequeños altos hornos (por ejemplo el horno de Dyfi) y los molinos de parrilla, como los construidos en las cataratas de San Antonio, que aprovechan el desnivel de 15 m del río Misisipi.
En la década de 1830, en el primer momento de auge de la construcción de canales en EE.UU., la energía hidroeléctrica proporcionaba el transporte de barcazas por colinas empinadas mediante ferrocarriles de planos inclinados. A medida que el ferrocarril superó a los canales para el transporte, los sistemas de canales se modificaron y se convirtieron en sistemas hidroeléctricos; la historia de Lowell, Massachusetts, es un ejemplo clásico de desarrollo comercial e industrialización, construido sobre la base de la disponibilidad de energía hidráulica.
Los avances tecnológicos habían trasladado la rueda de agua abierta a una turbina cerrada o motor de agua. En 1848, James B. Francis, mientras trabajaba como ingeniero jefe de la compañía Lowell’s Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con una eficiencia del 90%. Aplicó principios científicos y métodos de prueba al problema del diseño de la turbina. Sus métodos de cálculo matemático y gráfico permitieron diseñar con seguridad turbinas de alto rendimiento que se ajustaban exactamente a las condiciones de flujo específicas de un lugar. La turbina de reacción Francis sigue siendo muy utilizada en la actualidad. En la década de 1870, a partir de sus usos en la industria minera de California, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de rueda Pelton de alto rendimiento, que utilizaba la energía hidráulica de las corrientes de gran altura características del interior montañoso de California.