Fuentes renovables de energía y aplicaciones. ap licaciones. 6.1 Conceptos generales de energía Solar La energía solar es una energía garantizada para los próximos 6000 millones de aos. !l Sol" #uente de vida y origen de las dem$s #ormas de energía %ue el ser &umano &a utilizado desde los albores de la &istoria" puede satis#acer todas nuestras necesidades si aprendemos cómo aprovec&ar de #orma racional la luz %ue continuamente derrama sobre el planeta. 'a brillado en el cielo desde &ace unos cinco mil millones de aos" y se calcula %ue todavía no &a llegado ni a la mitad de su existencia. (urante el presente ao" el Sol arro)ar$ sobre la *ierra cuatro mil veces m$s energía %ue la %ue vamos a consumir. !spaa" por su privilegiada situación y climatología" se ve particularmente #avorecida respecto al resto de los países de !uropa" ya %ue sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al ao unos 1.+00 ,ilovatios-&ora de energía" ci#ra similar a la de muc&as regiones de m/rica Central y del Sur. !sta energía puede aprovec&arse directamente" o bien ser convertida en otras #ormas tiles como" por e)emplo" en electricidad. !spaa es tambi/n el país con m$s experiencia en tecnología solar. 'a sido líder mundial en desarrollo e implantación de centrales #otovoltaicas una compaía espaola construir$ la mayor planta #otovoltaica del mundo2" y ocupa tambi/n el primer puesto en sistemas solares de concentración" exportando su tecnología a muc&os países. 3or mencionar otro e)emplo" la capacidad total en captadores solares para calentamiento de agua operativos supera a la de los !stados 4nidos de m/rica. Sería poco racional no intentar aprovec&ar" por todos los medios t/cnicamente posibles" esta #uente energ/tica gratuita" limpia e inagotable" %ue puede liberarnos de#initivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras" contaminantes o" simplemente" agotables. !s preciso" no obstante" sealar %ue existen algunos problemas %ue debemos a#rontar y superar. parte de las di#icultades %ue una política energ/tica solar avanzada conllevaría por sí misma" &ay %ue tener en cuenta %ue esta energía est$ sometida a continuas #luctuaciones y a variaciones m$s o menos bruscas. sí" por e)emplo" la radiación solar es menor en invierno" precisamente cuando m$s la solemos necesitar. !s de vital importancia proseguir con el desarrollo y per#eccionamiento de la todavía incipiente tecnología de captación" acumulación y distribución de la energía solar" para conseguir las condiciones %ue la &agan de#initivamente competitiva" a escala planetaria. 5u/ se puede obtener con la energía solar7 8$sicamente" recogiendo de #orma adecuada la radiación solar" podemos obtener calor y electricidad. !l calor se logra mediante los captadores o colectores t/rmicos" y la electricidad" a trav/s de los denominados módulos #otovoltaicos. mbos procesos nada tienen %ue ver entre sí" ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación.
'ablemos primero de los sistemas de aprovec&amiento t/rmico. !l calor recogido en los captadores puede destinarse a satis#acer numerosas necesidades. 3or e)emplo" se puede obtener agua caliente para consumo dom/stico o industrial" o bien para dar cale#acción a nuestros &ogares" &oteles" colegios" #$bricas" etc. 9ncluso podemos climatizar las piscinas y permitir el bao durante gran parte del ao. *ambi/n" y aun%ue pueda parecer extrao" otra de las m$s prometedoras aplicaciones del calor solar es la re#rigeración durante las /pocas c$lidas" precisamente cuando m$s soleamiento &ay. !n e#ecto" para obtener #río &ace #alta disponer de una :#uente c$lida;" la cual puede per#ectamente tener su origen en unos captadores solares instalados en el te)a te)ado do o azot azotea ea.. !n los los país países es $rab $rabes es ya #unc #uncio iona nan n a plen pleno o rend rendim imie ient nto o muc& muc&os os acondicionadores de aire %ue utilizan e#icazmente la energía solar. Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y m$s tempranas cosec&as< los secaderos agrícolas consumen muc&a menos energía si se combinan con un sistema solar" y" por citar otro e)emplo" pueden #uncionar plantas de puri#icación o desalinización de aguas sin consumir ningn tipo de combustible. Las :c/lul :c/lulas as solare solares; s; #otovo #otovolta ltaica icas" s" dispue dispuesta stass en panele paneless solare solares" s" ya produc producían ían electricidad en los primeros sat/lites espaciales. ctualmente se per#ilan como la solución de#initiva al problema de la electri#icación rural" con clara venta)a sobre otras alternativas" pues" al carecer los paneles de partes móviles" resultan totalmente inalterables al paso del tiempo" no contaminan ni producen ningn ruido en absoluto" no consumen combustible y no necesi necesitan tan manten mantenimi imient ento. o. dem$ dem$s" s" y aun%ue aun%ue con menos menos rendim rendimien iento" to" #uncio #uncionan nan tambi/n en días nublados" puesto %ue captan la luz %ue se #iltra a trav/s de las nubes. La electricidad %ue así se obtiene puede usarse de manera directa por e)emplo para sacar agua de un pozo o para regar" mediante un motor el/ctrico2" o bien ser almacenada en acumul acumulado adores res para para usarse usarse en las &oras &oras noctur nocturnas nas.. La electr electrici icidad dad #otovo #otovolta ltaica ica generada tambi/n se puede inyectar en la red general" obteniendo una buena rentabilidad económica" bien sea por medio de su autoconsumo o mediante su venta" ya %ue cada vez m$s países priman tanto a los pe%ueos como a los grandes productores de electricidad #otovoltaica" dado el bene#icio %ue aporta para el medio ambiente. Si se consigue %ue el precio de los módulos solares siga disminuyendo" potenci$ndose su #abricación a gran escala" es muy probable %ue" para la tercera d/cada del siglo" una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su origen en la conversión #otovoltaica. La energía solar t/rmica puede ser per#ectamente complementada con otras energías convencionales" para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. sí" un edi#icio bien aislado puede disponer de agua caliente y cale#acción solares" con el apoyo de un sistema convencional a gas o el/ctrico %ue nicamente #uncionaría en los periodos sin sol. !l coste de la energía convencional sería sólo una #racción del %ue alcanzaría sin la existencia de la instalación solar.
5(e %u/ manera convertimos la energía solar en energía til para su uso cotidiano7 !sta energía renovable se usa principalmente para dos cosas" aun%ue no son las nicas" primero para calentar cosas como comida o agua" conocida como energía solar t/rmica" y la segunda para generar electricidad" conocida como energía solar #otovoltaica.
Los principales aparatos %ue se usan en la energía solar t/rmica son los calentadores de agua y las estu#as solares. 3ara generar la electricidad se usan las c/lulas solares" las cuales son el alma de lo %ue se conoce como paneles solares" las cuales son las encargadas de trans#ormarla energía el/ctrica. Sus usos no se limitan a los mencionados a%uí" pero estas dos utilidades son las m$s importantes. =tros usos de la energía solar son> • • • • • •
3otabilizar agua !stu#as Solares Secado !vaporación (estilación ?e#rigeración
Como podr$s ver los usos %ue se le pueden dar son muy amplios" y cada día se est$n descubriendo nuevas tecnologías para poder aprovec&arla me)or. 6.@ Celdas #otovoltaicas Las Celdas Fotovoltaicas" son sistemas #otovoltaicos %ue convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. lgunos materiales presentan una propiedad conocida como e#ecto #otoel/ctrico en su #orma m$s simple" estos mariales se compone de un $nodo y un c$todo recubierto de un material #otosensible. La luz %ue incide sobre el c$todo libera electrones %ue son atraídos &acia el $nodo" de carga positiva" originando un #lu)o de corriente proporcional a la intensidad de la radiación" %ue &ace %ue absorban #otones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados" el resultado es una corriente el/ctrica %ue puede ser utilizada como electricidad. Las celdas #otovoltaicas se #abrican principalmente de silicio el segundo elemento m$s abundante en la corteza terrestre2. ctualmente" existen celdas #otovoltaicas" por e)emplo" en nuestras calculadoras solares así como en los co&etes espaciales. 3rincipio de Funcionamiento La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación #otovoltaica. lgunos materiales presentan una propiedad conocida como e#ecto #otoel/ctrico" %ue &ace %ue absorban #otones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos" el resultado es una corriente el/ctrica %ue puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Las celdas #otovoltaicas" llamadas tambi/n celdas solares" est$n compuestas de la misma clase de materiales semiconductores %ue se usan en la industria microelectrónica" como por e)emplo el silicio.
Figura
[email protected] 4na delgada l$mina semiconductora" especialmente tratada" #orma un campo el/ctrico" positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energía luminosa sobre ella" los electrones son golpeados y extraídos de los $tomos del material semiconductor. Como se &an dispuesto conductores el/ctricos en #orma de una re)illa %ue cubre ambas caras del semiconductor" los electrones circulan para #ormar una corriente el/ctrica %ue aporta energía. Cuando la luz solar pega en una celda sola resta puede ser> re#le)ada" absorbida o pasar limpiamente a trav/s de esta. Ao obstante" solo a%uella luz absorbida es la %ue va a generar electricidad. La energía de la luz es trans#erida a electrones en los $tomos de la celda #oto voltaica. Con su nueva energía" estos escapan de sus posiciones normales en los $tomos del material semiconductor #otovoltaico y se convierten en parte del #lu)o el/ctrico.
Figura 6.@.@ 3ara inducir el campo el/ctrico construido dentro de una c/lula #oto voltaica" se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre sí. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia de electrones con carga
negativa. La otra capa semiconductora es del tipo con abundancia de B&oyosB %ue tienen una carga positiva. un%ue ambos materiales son el/ctricamente neutros" la silicona del tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agu)eros de sobra. Colocando estos como s$ndic& se crea entonces un punto de salida pDn en su #ase intermedia cre$ndose entonces a&í y por esta razón un campo de #uerza el/ctrico. Cuando n - y silicón del p-tipo entra en el contacto" los electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. !l resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la inter#ace y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del ptipo.
Figura
[email protected] !s%uema !l/ctrico del !#ecto Fotoel/ctrico (ebido al #lu)o de electrones y agu)eros" los dos semiconductores se comportan como una batería" creando un campo el/ctrico en la super#icie dónde ellos se )untan en la unión o )untura pDn. !l campo el/ctrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor &acia la super#icie negativa de donde %uedan disponibles para ser ocupados por algn circuito el/ctrico o acumulación. l mismo tiempo los &oyos se mueven en dirección contraria &acia la super#icie positiva donde se van a esperar a los electrones %ue vienen en dirección contraria.
!#ecto de bsorción
Figura 6.@. *ipos
Figura 6.@.+ C/lulas de Silicio monocristalinas. Silicio dopado 8
Figura
[email protected] C/lulas de Silicio policristalinas. C/lulas de Silicio amor#o poseen mayor capacidad absorción de luz" y son muc&o m$s #inas.
Figura
[email protected] Celda Hulticapas Construcción de las C/lulas Solares (ebido a %ue una c/lula solar genera corrientes y tensiones pe%ueas" /stas no son los elementos %ue se utilizan en las aplicaciones pr$cticas" sino %ue" con ob)eto de lograr potencias mayores" se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes #ormando lo %ue se denomina módulo #otovoltaico" %ue es el elemento %ue se comercializa. la vez" estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes %ue nos den la potencia deseada. Hódulos en serie aumentan el volta)e y conservan la misma corriente" mientras %ue módulos en paralelo aumentan la corriente" conservando el mismo volta)e. Los módulos generalmente se #abrican para tener una salida de 1@ IC(.
Figura
[email protected] !l proceso de #abricación de las c/lulas solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas> a2 =btención del Si de alta pureza. !ste se obtiene a partir del óxido de silicio" Si=@" b$sicamente cuarzo" cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. !ste tiene %ue ser de alta pureza" seme)ante al semiconductor %ue se utiliza en la industria electrónica. ctualmente se est$ traba)ando con silicio de menor pureza" pero til para la #abricación de c/lulas solares y a un menor costo. b2 =btención de obleas. 4tilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se &ace crecer el monocristal &asta obtener una pieza cilíndrica de di$metro variable entre @ y @0 cm y longitud de alrededor de 1 m. !l crecimiento del monocristal sirve para puri#icar el material y para la creación de una estructura per#ecta" gracias a la cual la #utura oblea gozar$ de propiedades semiconductoras. La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de E00 Km. !n esta etapa &ay una p/rdida de material de aproximadamente el 60 en #orma de serrín. ctualmente existen otras #ormas m$s e#icientes de cortado de la barra. c2 3rocesamiento de la oblea. 3ara obtener #inalmente la c/lula solar" la oblea su#re un procesamiento %ue consiste de los siguientes pasos> • • • • • • • •
lapeado y pulido" #ormación de unión p-n" decapado y limpieza" capa antirre#lectante" #otoligra#ía para #ormación de contactos" #ormación de contactos o electrodos" material para soldadura de electrodos" limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda.
La #ormación de la unión p- n es la etapa m$s crítica de todo el proceso de #abricación" debido a %ue el buen #uncionamiento de la c/lula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. 3or otro lado" una adecuada capa antirre#le)ante tambi/n es necesaria" ya %ue una super#icie de Si bien pulida puede llegar a re#le)ar &asta el E de la radiación de onda larga y un + si la radiación es de onda corta.
Figura
[email protected] 'orno de Fusión de Silicio Sistema de condicionamiento !n la actualidad resulta imprescindible &acer una gestión correcta de la energía" intentando obtener el m$ximo rendimiento posible desde la generación &asta la carga" utilizando todos los recursos %ue se tienen al alcance. La #inalidad de esta energía %ue obtenemos del sol es utilizarla de la manera m$s correcta" pero como se sabe es necesario convertir la energía %ue nos proporciona el sol" en este caso en #orma de radiación electromagn/tica en electricidad. Las instalaciones #otovoltaicas re%uieren para su #uncionamiento el acoplamiento de cuatro subsistemas principales los cuales sirven de acondicionamiento> • •
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Subsistema de captación> cuya #inalidad es la captación de la energía solar. Subsistema de almacenamiento> cuya #inalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energía y la demanda" acumul$ndola cuando est$ disponible" para poderla o#recer en cual%uier momento en %ue se solicite" en baterías. Subsistema de regulación> cuya #inalidad es proporcionar la regulación de carga y descarga de la batería y el control necesario en instalaciones #otovoltaicas. Subsistema de distribución y consumo> cuya #inalidad es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida" adapt$ndola a las necesidades cuando sea necesario.
Figura
[email protected]
4n e)emplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un convertidor %ue trans#orma la energía proveniente del sol en energía el/ctrica en #orma corriente continua. !l ob)etivo del convertidor es adecuar los niveles de tensión y corriente proporcionados por el panel" a los niveles de tensión y corriente demandados. Ao se debes olvidar %ue el convertidor es un NintermediarioO necesario de la energía" %ue permitir$ &acer un uso correcto de la misma. 3ero por su calidad de NintermediarioO debe tener el mayor rendimiento posible ya %ue el ob)etivo es utilizar toda la energía %ue proporciona el panel.
Figura
[email protected] Circuito de acondicionamiento Los convertidores de potencia se utilizan de manera gen/rica para adecuar el NtipoO de corriente %ue necesitamos" existen convertidores de alterna a continua" de continua a alterna" etc. !ste circuito permite la unión entre dos corrientes continuas con niveles de tensión y corrientes di#erentes. plicaciones 9ndustriales a2 !lectri#icación rural y de viviendas aisladas. !xisten muc&as zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energía el/ctrica por medio de la red general sería demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. !n este caso" la instalación de un generador #otovoltaico es ampliamente rentable. menudo se re%uiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía de la red es demasiado alto. *ales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad" ayudas a la navegación e). boyas y #aros2" seales iluminadas en los caminos" seales en cruces #erroviarios y la iluminación de aldeas. Las c/lulas solares pueden satis#acer tales usos" aun%ue siempre se re%uerir$ de una batería de almacena)e. !stos sistemas generalmente consisten de un panel #otovoltaico m$s una batería de almacena)e" un acondicionador de energía y una l$mpara #luorescente de C.C. de ba)a tensión y alta e#iciencia. !stos sistemas son muy populares en $reas remotas" especialmente en países en vías de desarrollo y es uno de los usos principales de c/lulas solares.
Figura
[email protected]@ b2 Comunicaciones. Los generadores #otovoltaicos son una excelente solución cuando &ay necesidad de transmitir cual%uier tipo de seal o in#ormación desde un lugar aislado" por e)emplo" reemisores de seales de *I" plata#ormas de telemetría" radioenlaces" estaciones meteorológicas. Los sistemas #otovoltaicos &an proporcionado una solución rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en $rea remotas. !stas estaciones típicamente consisten de un receptor" un transmisor y un sistema basado en una #uente de alimentación #otovoltaica. !xisten miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputación por su con#iabilidad y costos relativamente ba)os de operación y mantenimiento. 3rincipios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energía solar" los tel/#onos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra in#ormación sobre el medio ambiente y transmitirla autom$ticamente vía radio a una central. c2 yudas a la navegación. %uí la aplicación puede ser relativa a la navegación misma o a sus sealizaciones" como alimentar el/ctricamente #aros" boyas" balizas" plata#ormas y embarcaciones. d2 *ransporte terrestre. 9luminación de cruces de carretera peligrosos y tneles largos. limentación de radiotel/#onos de emergencia o puestos de socorro le)os de líneas el/ctricas. Sealizaciones de pasos a desnivel o cambio de vías en los #errocarriles. e2 gricultura y ganadería. Se est$ teniendo una atención muy espacial en estos sectores. Hediante generadores #otovoltaicos podemos obtener la energía el/ctrica necesaria para gran)as %ue conviene %ue est/n aisladas de las zonas urbanas por motivos de &igiene. Sin embargo" la aplicación m$s importante y de #uturo es el bombeo de agua para riego y alimentación de ganado %ue normalmente se encuentra en zonas no pobladas. =tras aplicaciones pueden ser la vigilancia #orestal para prevención de incendios. #2 plicaciones en la industria. 4na de las principales aplicaciones en este campo es la obtención de metales como cobre" aluminio y plata" por electrólisis y la #abricación de acumuladores electro%uímicos.
g2 (i#usión de la cultura. *elevisión escolar para zonas aisladas. (i#usión de in#ormación mediante medios audiovisuales alimentados el/ctricamente mediante generadores #otovoltaicos. &2 Sistemas (e *ratamiento (e aguas. en $reas ale)adas la energía el/ctrica se utiliza a menudo para desin#ectar o puri#icar agua para consumo &umano. Las celdas #otovoltaicas se utilizan para alimentar una luz #uerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. !sto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energía solar. La desalinización del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas #otovoltaicos de ósmosis inversa. i2 Sistemas de protección Catódicos. La protección catódica es un m/todo de proteger las estructuras de metal contra la corrosión. !s aplicable a puentes" tuberías" edi#icios" estan%ues" per#oraciones y líneas #erroviarias. 3ara alcanzar la protección catódica se aplica un pe%ueo volta)e negativo a la estructura de metal y /ste evita %ue se oxide o a&errumbre. !l terminal positivo de la #uente es conectado a un $nodo galv$nico o de sacri#icio %ue es generalmente un pedazo del metal de desec&o" %ue es corroído en vez de la estructura %ue se desea proteger. Las celdas solares #otovoltaicas se a menudo utilizan en lugares remotos para proporcionar este volta)e. )2 *e)as Fotovoltaicas. Los paneles para te)as tienen solamente mm de grosor y las c/lulas de Silicio policristalino est$n montadas sobre una super#icie de acero inoxidable %ue soporta &asta una curvatura de 10mm por el lado m$s largo y + mm D J mm respectivamente por el lado corto. (iodos de corriente inversa est$n incluidos" otros tamaos y potencias disponibles ba)o demanda. Los Nte)ados solaresO se orientan siempre &acia el sur y su inclinación debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 1+P. 3roblema 3r$ctico 9ndustrial
Figura
[email protected] La Fotocat$lisis" es un proceso catalítico promovido por energía de determinada longitud de onda" capaz de excitar a un semiconductor catalizador2 al grado de &acer %ue se comporte como un material conductor" en la super#icie del cual se desarrollar$n reacciones de óxido-reducción" las cuales generan radicales libre muy reactivos" mismos %ue reaccionar$n con las especies a su alrededor" rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxid$ndolas &asta convertirlas en especies menos comple)as.
!sta reducción en la comple)idad molecular generalmente se traduce en una reducción del grado de contaminación o peligrosidad de la especie %ue se est/ tratando. Como es conocido en muc&as $reas aledaas no existen plantas de tratamiento de agua capaces de eliminar los microorganismos yDo bacterias %ue se reproducen" para lo cual se &ace necesario la implementación d energía alternativa como el empleo de la energía solar a trav/s del uso de las celdas #otovoltaicas. La tecnología Fotocatalítica es relativamente nueva G0Qs2. !n la reacción #otocatalitica interviene> un catalizador" un semiconductor generalmente óxido met$lico2" radiación con la su#iciente energía de origen natural como la radiación solar" o de origen arti#icial como l$mparas de luz2 y el medio en %ue se lleva a cabo puede ser gas" lí%uido o sólido. !sta tecnología tiene muc&as aplicaciones" la mayoría de ellas en#ocadas a procesos amigables con el medio ambiente" como lo es la degradación #otocatalítica de contaminantes" siendo estos de diversos tipos" como plaguicidas" detergentes" explosivos" metales pesados" residuos tóxicos" peligrosos y en ocasiones biológicos in#ecciosos. 6.E plicaciones de la energía solar t/rmica La energía solar t/rmica consiste en el aprovec&amiento de la energía procedente del Sol para trans#erirla a un medio portador de calor" generalmente agua o aire. La tecnología actual permite tambi/n calentar agua con el calor solar &asta producir vapor y posteriormente obtener energía el/ctrica. Segn su #orma de traba)ar los sistemas de energía solar t/rmica se clasi#ican como colectores de ba)a" media y alta temperatura> • •
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Colectores de ba)a temperatura. 3roveen calor til a temperaturas menores de 6+ RC. Colectores de temperatura media. Son los dispositivos %ue concentran la radiación solar para entregar calor til a mayor temperatura" usualmente entre los 100 y E00 RC. Colectores de alta temperatura. *raba)an a temperaturas superiores a los +00PC. Se usan para la generación de energía el/ctrica.
Sistemas %ue #orman una instalación solar t/rmica !l es%uema b$sico de una instalación solar t/rmica es el siguiente>
Figura 6.E.1 4na instalación solar t/rmica est$ #ormada por varios sistemas> 9.
Sistema de captación de radiación solar
!l sistema de captación de radiación solar est$ #ormado por captadores solares conectados entre sí. Su misión es captar la energía solar para trans#ormarla en energía t/rmica" aumentando la temperatura de #luido %ue circula por la instalación. !l tipo de captador m$s extendido es el captador solar plano %ue consigue aumentos de temperatura de 60 RC a un coste reducido. !stos captadores est$n indicados para la producción de agua caliente para diversas aplicaciones> agua caliente sanitaria" cale#acción por suelo radiante" etc. !l captador plano est$ #ormado por una placa met$lica %ue se calienta con su exposición al Sol absorbedor2< esta placa es de color negro de #orma %ue no re#le)a los rayos del Sol. Aormalmente la placa est$ colocada en una ca)a con cubierta de vidrio. 3or el interior de la ca)a se &ace circular agua a trav/s de un serpentín o un circuito de tubos de #orma %ue el calor se trasmite al #luido. !l e#ecto %ue se produce es similar al de un invernadero" la luz del Sol atraviesa la placa de vidrio y calienta la placa ennegrecida. !l vidrio es una Ntrampa solarO" pues de)a pasar la radiación del Sol onda corta2 pero no de)a salir la radiación t/rmica %ue emite la placa ennegrecida onda larga2 y como consecuencia" esta placa se calienta y trasmite el calor al lí%uido %ue circula por los tubos. 3ara las aplicaciones de calentamiento de agua de piscinas se pueden emplear los captadores no vidriados. !stos est$n #ormados simplemente por una gran cantidad de diminutos tubos de metal o de pl$stico dispuestos en serpentín por los %ue circula el agua. Ao necesitan ca)a ni cubierta de cristal" por esta razón el aumento de temperatura es ba)o" en torno a E0 RC. Las p/rdidas de calor son grandes lo %ue limita su aplicación a otro tipo de instalaciones. Los tubos #lexibles toleran bien el paso de aguas agresivas" como el agua de piscina clorada" pero aguantan mal las tensiones mec$nicas %ue se producen al congelarse el agua y los rasguos super#iciales. Son m$s económicos %ue los captadores solares planos. !xisten tambi/n en el mercado los captadores solares de vacío. Consisten en tubos de metal %ue recubren el tubo met$lico %ue contiene el #luido de traba)o de)ando entre ambos una c$mara %ue acta como aislante. *ienen un rendimiento muy elevado" pero su costo tambi/n es elevado. 3ara aplicaciones de media y alta temperatura existen otros elementos de captación" provistos de sistemas concentradores de la radiación" sistemas de seguimiento de la posición del Sol a lo largo de día" etc. 99.
Sistema de acumulación Consiste en almacenar la energía t/rmica en un depósito de acumulación para su posterior utilización. !l agua caliente obtenida mediante el sistema de captación" es conducida &asta donde se va a utilizar. 3uede ser directamente" como es el caso del calentamiento del agua de una piscina. !n aplicaciones de CS o cale#acción la demanda no siempre coincide con el momento en el %ue &ay su#iciente radiación" por tanto si se %uiere aprovec&ar al m$ximo las &oras de Sol ser$ necesario acumular la energía en a%uellos momentos del día en %ue esto sea posible y utilizarla cuando se produzca la demanda. !l sistema de acumulación est$ #ormado por uno o m$s depósitos de agua caliente. La dimensión de los depósitos de almacenamiento deber$ ser proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua caliente de uno o dos días.
999.
Sistema de distribución
!n este sistema se engloban todos los elementos destinados a la distribución y acondicionamiento a consumo> control" tuberías y conducciones" vasos de expansión" bombas" purgadores" v$lvulas" etc. *ambi/n #orma parte de este sistema el sistema de apoyo basado en energías convencionales el/ctricos" caldera de gas o gasóleo2" necesarios para prevenir las posibles #altas derivadas de la ausencia de insolación y &acer #rente a los picos de demanda. 9I.
Sistemas convencionales de apoyo
Las instalaciones de energía solar t/rmica necesitan sistemas de apoyo convencional en previsión a la #alta de radiación o a un consumo superior al dimensionado gasóleo" gas o electricidad2. !n la mayoría de los casos tanto en instalaciones en viviendas uni#amiliares" como en edi#icios de viviendas" las instalaciones solares se disean para proporcionar a las viviendas entre el 60-J0 del agua caliente demandada" aun%ue en zonas con gran insolación a lo largo del ao" el porcenta)e de aporte suele ser superior. Se puede apreciar como en los meses de m$s ba)a radiación enero" #ebrero" noviembre y diciembre2 no se llega a cubrir el 60 de las necesidades de energía" mientras %ue en los meses de verano se alcanza pr$cticamente el 100 de las mismas. sí" el ob)etivo con el %ue se disean las instalaciones t/rmicas es cubrir un mínimo de un 60 de las necesidades energ/ticas anuales dependiendo de la zona geogr$#ica. 3retender cubrir por encima de un 60 o G0 anual re%ueriría colocar un campo solar muy grande" por lo %ue resultaría un costo sumamente elevado %ue no se llegaría a amortizar nunca" adem$s de provocar en los meses de mayor radiación" como son los de verano" un excedente de producción %ue no se podría utilizar y %ue provocaría problemas de sobrecalentamiento en toda la instalación. 3or este motivo las instalaciones %ue me)or #uncionan y antes se rentabilizan son las %ue necesitan CS para todo el ao" cale#acción me)or por suelo radiante2 para invierno y cuentan con piscina para verano o incluso todo el ao. spectos económicos y sociales La inversión inicial de un sistema solar t/rmico ser$ mayor #rente al sistema convencional" si bien su coste de #uncionamiento durante los m$s de @+ de aos de vida de la instalación ser$ irrelevante comparado con el de compra de combustible o energía el/ctrica" reparaciones" mantenimiento" etc." asociado al sistema convencional. sí" la instalación de energía solar resulta económicamente m$s venta)osa" ya %ue toda la energía %ue obtengamos del Sol con los captadores solares t/rmicos" nos la a&orraremos de producirla %uemando combustible en una caldera2 o consumirla de la red el/ctrica de distribución2. (e esta #orma" una instalación de energía solar acaba rentabiliz$ndose a lo largo de los aos" ya %ue el a&orro energ/tico %ue produce se materializa en a&orro económico" el cual permite acabar amortizando el coste de la instalación. !sta amortización puede oscilar entre los + y 1@ aos dependiendo del tamao de la instalación" de las ayudas obtenidas a #ondo perdido" del lugar donde se instale mayor o menor radiación2 y de las necesidades mayores o menores del usuario. !n el caso de colocar estas instalaciones en viviendas de nueva construcción o re&abilitación" la amortización se puede considerar instant$nea" ya %ue el incremento %ue representa en el precio total de la vivienda es muy pe%ueo< el importe %ue se paga por
ese mayor costo en un pr/stamo &ipotecario cada ao es in#erior al importe en euros %ue supone el menor gasto de gas o gasóleo. Se pueden enumerar toda una serie de venta)as %ue nos aporta un sistema solar t/rmico" empezando por las económicas" pues para unas mismas necesidades el sistema convencional precisar$ consumir menos combustible" lo %ue representar$ para el usuario un menor gasto anual. 3odemos continuar resaltando las venta)as medioambientales" puesto %ue la generación de energía con sistemas convencionales posee unos costes ambientales muy importantes emisiones de C=@" cambio clim$tico" vertidos" residuos nucleares" lluvia $cida" etc.2 en relación con los sistemas solares. dem$s" la energía solar es independiente del combustible convencional y su abastecimiento" dado %ue es compatible con cual%uier sistema convencional e independiente de la variación del precio de compra del combustible. Como t/rmino medio" un m@ de captador solar t/rmico es capaz de evitar cada ao la emisión a la atmós#era de una tonelada de C=@. por ltimo" la larga vida til de las instalaciones solares" superiores a @+ aos" con un mantenimiento %ue" si bien es necesario &acer" es de muc&a menor entidad %ue en el caso de los sistemas convencionales. La instalación de sistemas t/rmicos presenta un inconveniente> se precisa la instalación del mismo sistema convencional %ue el %ue resultaría si no se instalasen los captadores solares" y a veces resulta problem$tico su monta)e en edi#icios existentes como consecuencia de su #alta de previsión a nivel de proyecto. 3or otro lado" como consecuencia de la adaptación a los edi#icios ya construidos" existe la posibilidad de una imagen est/tica NnegativaO" si bien /ste es un aspecto sub)etivo y cultural" ya %ue existen otras instalaciones antenas parabólicas" de tele#onía móvil" e%uipos de aire acondicionado" etc.2 posiblemente m$s #eas y sin embargo con mayor aceptación social. (e todas #ormas" con voluntad y buen criterio" siempre existe la posibilidad de integrar ar%uitectónicamente cual%uier instalación. !n cual%uier caso" siempre se necesitar$ de un instalador %ue e)ecute su traba)o adecuadamente" pues &ay %ue ser conscientes de la existencia de instalaciones %ue no &an dado los resultados esperados debido a %ue &an sido realizadas por pro#esionales sin la experiencia y conocimientos su#icientes. 3ara edi#icios de viviendas se suelen instalar de media entre 1"+ y @ m@ por vivienda dependiendo de par$metros tales como la super#icie disponible" la zona geogr$#ica" etc. La inversión necesaria por cada metro cuadrado de super#icie de captación est$ entre los 600 y los M00 T" siendo los costes de operación y mantenimiento muy ba)os. !l per iodo de amortización depende del tipo de energía convencional %ue sustituya> 10-1@ aos en el caso del gas" y +-6 aos en el caso de energía el/ctrica. Situación actual de desarrollo de la energía solar t/rmica ctualmente los sistemas solares t/rmicos de ba)a temperatura in#erior a 100 RC2 &an alcanzado la madurez tecnológica y comercial en !spaa" existiendo m$s de G00.000 m@ instalados a #inales de @00. !stos sistemas son su#icientes para suplir aproximadamente dos tercios del consumo energ/tico para agua caliente" tanto sanitaria como industrial. Son sistemas tecnológicamente sencillos" #$ciles de instalar y %ue se amortizan en pocos aos.
La aplicación m$s generalizada de los sistemas solares es la generación de gua Caliente Sanitaria CS2" tanto en servicios de &oteles como en viviendas" residencias" &ospitales" campings" instalaciones deportivas y otros tipos de dependencias municipales. Sin embargo" no es todavía una aplicación extendida en nuestro país el uso de energía solar para cale#acción" debido a %ue cuando las necesidades son m$ximas es cuando las condiciones meteorológicas resultan m$s adversas. (e cara al #uturo se est$n introduciendo me)oras t/cnicas mediante captadores solares especiales y avanzando en aspectos de diseo en la instalación de cale#acción por Nsuelo radianteO. La evolución previsible del mercado es positiva y se ve #avorecida por #actores tales como el potencial disponible" la capacidad de acogida del mercado existente" la experiencia de los #abricantes espaoles" la madurez tecnológica alcanzada y las tendencias en países seme)antes al espaol y en los de la 4nión !uropea. *eniendo en cuenta %ue nuestro potencial solar es el m$s elevado de !uropa y %ue" sin embargo" el ratio de super#icie de captación de energía solar t/rmica por cada 1.000 &abitantes est$ por deba)o de la media europea J"G #rente a 1M"M
[email protected] &abitantes de la !uropa de los 1+2" es previsible %ue con las medidas propuestas y las dem$s condiciones de entorno descritas anteriormente se alcancen ratios" al menos" similares a los de países como ustria o Urecia.
6. lmacenamiento y transporte de la energía t/rmica La energía solar es la energía producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de #usión< Llega a la *ierra a trav/s del espacio en cuantos de energía llamados #otones" %ue interactan con la atmós#era y la super#icie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmós#era" si se considera %ue la *ierra est$ a su distancia promedio del Sol" se llama constante solar" y su valor medio es 1"EG V 106 ergDsDcm@" o unas @ calDminDcm@. Sin embargo" esta cantidad no es constante" ya %ue parece ser %ue varía un 0"@ en un periodo de E0 aos. La intensidad de energía real disponible en la super#icie terrestre es menor %ue la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación %ue origina la interacción de los #otones con la atmós#era. La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la *ierra depende" de #orma complicada pero predecible" del día del ao" de la &ora y de la latitud. dem$s" la cantidad de energía solar %ue puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor. Sistemas 3asivos> Los sistemas pasivos se usan generalmente en el acondicionamiento calorí#ico de edi#icios y tanto lo %ue sirve de colector como el sistema de almacenamiento se encuentran incorporados en los distintos componentes de mismo edi#icio" como> pisos" paredes" recipientes con agua y tec&os. !l tipo de almacenamiento de energía utilizado en estos sistemas es generalmente por calor sensible cambios de temperatura de los distintos componentes del edi#icio2" %ue explicaremos m$s delante. (ebido a %ue en estos sistemas las temperaturas de almacenamiento son ba)as" usualmente menores de 0 RC" se re%uiere de grandes volmenes del material %ue sirve como almac/n. 3or e)emplo" los distintos componentes de un edi#icio %ue representan un gran volumen" pueden absorber
energía durante las &oras de sol y posteriormente cederla durante la tarde o noc&e. 3ara poder calcular la capacidad de almacenamiento de un material determinado" necesitamos conocer sus propiedades como la densidad y el calor especí#ico. La venta)a del agua sobre el concreto o ladrillo es %ue tiene una gran capacidad calorí#ica" y por lo tanto tiene m$s capacidad de almacenamiento por unidad de volumen" %ue los materiales mencionados. Sistemas ctivos> La característica principal de los sistemas activos es %ue estos utilizan un #luido de traba)o en movimiento %ue puede ser agua" aire" aceites o algn otro #luido. Los principales componentes %ue intervienen en estos sistemas son> el colector solar" la unidad de almacenamiento" sistemas de conversión y control y el lugar donde se &ace la descarga de energía. Ueneralmente" el medio de almacenamiento es agua si por el colector se &ace circular un lí%uido. Similarmente" si en el colector circula aire" el medio de almacenamiento ser$n rocas o piedras. Las temperaturas alcanzan con este tipo de sistemas entre los +0 y 100 RC. !n este caso el almacenamiento de energía se puede dar por cual%uiera de los mecanismos siguientes" calor sensible" cambio de #ase" reacciones %uímicas y estan%ues solares.
Figura 6..1 !s%uema de la distribución de la energía solar ?ecogida directa de energía Solar> La recogida directa de energía solar re%uiere dispositivos arti#iciales llamados colectores solares" diseados para recoger energía" a veces despu/s de concentrar los rayos del Sol. La energía" una vez recogida" se emplea en procesos t/rmicos o #otoel/ctricos" o #otovoltaicos. !n los procesos t/rmicos" la energía solar se utiliza para calentar un gas o un lí%uido %ue luego se almacena o se distribuye. !n los procesos #otovoltaicos" la energía solar se convierte en energía el/ctrica sin ningn dispositivo mec$nico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales> los de placa plana y los de concentración.
lmacenamiento de energía por calor sensible o capacidad calorí#ica (iversos tipos de materiales lí%uidos" sólidos y combinaciones de lí%uidos y sólidos" pueden almacenar energía por cambios de temperatura. !sta energía almacenada es igual al cambio de energía interna 42 %ue su#re el material al cambiar su temperatura y viene a ser igual al calor sensible s2. 4na regla de tipo pr$ctico para determinar si un material es apropiado para utilizarse como medio de almacenamiento" es %ue este debe ser capaz de almacenar entre E00 y 600 ,WDRC-m@ de $rea de colector" como mínimo. *ambi/n encontramos %ue cuanto mayor sea la temperatura %ue pueda alcanzar el medio de almacenamiento" tanto menor ser$ el tamao del sistema" aun%ue las p/rdidas se &acen m$s evidentes. 3or e)emplo" 1000 litros de agua pueden almacenar aproximadamente J HW de energía cuando su temperatura aumenta de E0 a +0 RC y 16J HW cuando la temperatura varía de E0 a G0 RC. Aótese %ue se re%uieren aproximadamente @.+ mE de rocas para almacenar la misma cantidad de energía con los mismos incrementos de temperatura. !l calor especí#ico o capacidad calorí#ica especí#ica de una sustancia es de manera #ormal" la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia< usando el S9 es la cantidad de )ulios de energía necesaria para elevar en un 1 X la temperatura de 1 Xg de masa. !speci#icaciones de aceites La trans#erencia t/rmica es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energía de un medio. Se plantea el uso de aceite como medio de almacenamiento de energía para la cale#acción de una vivienda rural" la razón principal es %ue los aceites presentan una mayor estabilidad de #ase lí%uido2 a altas temperaturas" por lo %ue el sistema de transmisión del aceite no es sometido a es#uerzos ni complicaciones producidos por posibles cambios de #ase" como por e)emplo en el caso de usar agua. Los aceites para trans#erencia t/rmica como su nombre lo indica son #luidos basados en aceites minerales para#ínicos" altamente re#inados y cuidadosamente seleccionados para proporcionar un per#ormance superior en sistemas de trans#erencia t/rmica. Los aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites con base sint/tica. 3or e)emplo" S&ell dispone de aceites con base mineral" conocidos con el nombre de *'!?H9 =9LS" en di#erentes grados de viscosidad. 3ropiedades de los ceites */rmicos> a2 b2 c2 d2
!levada !stabilidad */rmica 8uena ?esistencia a la =xidación 3oseer un lto Coe#iciente de *rans#erencia de Calor 3oseer una 3rolongada Iida Ytil
3ara una adecuada selección de ceites */rmicos se debe considerar el rango de temperaturas entre los cuales va a traba)ar. 3ara este proyecto se usar$ un aceite de m$%uina usado y #iltrado adecuadamente" cuyos valores est$n por deba)o %ue los aceites t/rmicos pero %ue puede servir per#ectamente para nuestros re%uerimientos de temperatura y traba)o. Sus características de traba)o son estables a temperaturas menores de @00PC y su Ce es aproximadamente 1.6G XWDXg.X. 6.+ 8iocombustibles
Los biocombustibles ayudan a reducir las emisiones de gases de e#ecto invernadero Los biocombustibles contienen componentes derivados a partir de biomasa" es decir" organismos recientemente vivos o sus desec&os metabólicos. Los biocomponentes actuales proceden &abitualmente del azcar" trigo" maíz o semillas oleaginosas. *odos ellos reducen el volumen total de C=@ %ue se emite en la atmós#era" ya %ue lo absorben a medida %ue crecen y emiten pr$cticamente la misma cantidad %ue los combustibles convencionales cuando se %ueman. (ebido a la actual aplicación simult$nea de tecnologías de componentes en los motores de los ve&ículos %ue se #abrican en la mayoría de los países" los biocomponentes son a menudo mezclados con los carburantes en pe%ueas proporciones" + o 10" proporcionando una reducción til pero limitada de gases de e#ecto invernadero. !n !uropa y !stados 4nidos" se &a implantado una legislación %ue exige a los proveedores mezclar biocombustibles &asta unos niveles determinados. Los biocombustibles son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos org$nicos. !stos restos org$nicos proceden &abitualmente del azcar" trigo" maíz o semillas oleaginosas. *odos ellos reducen el volumen total de C=@ %ue se emite en la atmós#era" ya %ue lo absorben a medida %ue crecen y emiten pr$cticamente la misma cantidad %ue los combustibles convencionales cuando se %ueman" por lo %ue se produce un proceso de ciclo cerrado. Los biocombustibles son a menudo mezclados con otros combustibles en pe%ueas proporciones" + o 10" proporcionando una reducción til pero limitada de gases de e#ecto invernadero. !n !uropa y !stados 4nidos" se &a implantado una legislación %ue exige a los proveedores mezclar biocombustibles &asta unos niveles determinados. !sta legislación &a sido copiada luego por muc&os otros países %ue creen %ue estos combustibles ayudar$n al me)oramiento del planeta a trav/s de la reducción de gases %ue producen el denominado Z!#ecto 9nvernadero[. 8iodiesel> 5u/ es el biodiesel7 !l biodiesel es un biocarburante lí%uido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales" siendo la colza" el girasol y la so)a las materias primas m$s utilizadas en la actualidad para este #in. Las propiedades del biodiesel son pr$cticamente las mismas %ue las del gasóleo gasoil2 de automoción en cuanto a densidad y nmero de cetano. dem$s" presenta un punto de in#lamación superior. 3or todo ello" el biodiesel puede mezclarse con el gasóleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan /stos convenientemente. La de#inición de biodiesel propuesta por las especi#icaciones S*H merican Society #or *esting and Haterial Standard" asociación internacional de normativa de calidad2 lo describe como /steres monoal%uílicos de $cidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales" y %ue se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo" los /steres m$s utilizados" como veremos m$s adelante" son los de metanol y etanol obtenidos a partir de la transesteri#icación de cual%uier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esteri#icación de los $cidos grasos2 debido a su ba)o coste y sus venta)as %uímicas y #ísicas.
di#erencia de otros combustibles" los biocarburantes o biocombustibles presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. !sto es la causa de %ue sea preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas" )unto a la comple)idad %ue ya de por sí presentan los mercados energ/ticos. !n este sentido" &ay %ue destacar %ue el desarrollo de la industria de los biocombustibles no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima" sino de la existencia de una demanda su#iciente. l asegurar la existencia de una demanda de biocombustibles" el desarrollo de su mercado puede aprovec&arse para potenciar otras políticas como la agrícola" #avoreciendo la creación de empleo en el sector primario" la #i)ación de población en el $mbito rural" el desarrollo industrial y de actividades agrícolas" y reduciendo a la vez los e#ectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energ/ticos. !n cuanto a la utilización del biodiesel como combustible de automoción" &a de sealarse %ue las características de los /steres son m$s parecidas a las del gasoil %ue las del aceite vegetal sin modi#icar. La viscosidad del /ster es dos veces superior a la del gasoil #rente a diez veces o m$s de la del aceite crudo< adem$s el índice de cetano de los /steres es superior" siendo los valores adecuados para su uso como combustible. S*H &a especi#icado distintas pruebas %ue se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto #uncionamiento. 5u/ es el 8ioetanol7 !l bioetanol" tambi/n llamado etanol de biomasa" es un alco&ol %ue se obtiene a partir de maíz" sorgo" caa de azcar o remolac&a. 3ermite sustituir las gasolinas o na#tas en cual%uier proporción y %ue generan contaminación ambiental. 8rasil es el principal productor de bioetanol" + de la producción mundial" !stados 4nidos representa el " C&ina el 6" la 4nión !uropea el E" 9ndia el 1 y otros países el restante 1. !l bioetanol puede proceder del maíz como en los !!44 o de la caa de azcar como el %ue se #abrica en 8rasil. !n este ltimo país se &a venido utilizando el alco&ol como combustible de automoción desde los aos 60 aproximadamente. La caa de azcar" la remolac&a o el maíz no son la nica #uente de azcar. 3uede ser utilizada la celulosa para obtener azcar. La celulosa es una larga cadena #ormada por NeslabonesO de glucosa. (e este modo" casi todo residuo vegetal ser$ susceptible de ser trans#ormado en azcar y luego gracias a la #ermentación por levaduras obtener el alco&ol destilando el producto obtenido. 5u/ es el 8iog$s7 !l biog$s" resulta de la #ermentación de los desec&os org$nicos. !ste combustible es una alternativa m$s en la matriz energ/tica del país. 5u/ es la 8iomasa7 !sta #ue la primera #uente de energía %ue conoció la &umanidad. La madera o incluso los excrementos secos son biocombustibles. Si se administra bien la madera de los bos%ues puede ser un recurso renovable y mal administrado puede convertirse en un desastre ecológico. (e este modo se propuso la biomasa como #uente de energía. 8iomasas pueden ser virutas o aserrín de madera" producto de la limpieza de bos%ues o incluso de su explotación racional. 5Cómo #uncionan7
!l avanzado proceso de producción de biocombustibles> del cultivo al ve&ículo Los biocombustibles convencionales como el etanol y el biodiesel proceden &abitualmente del maíz" la caa de azcar" la remolac&a" el trigo o semillas oleaginosas. *raba)ando con investigadores" agricultores y otros asociados" 83 y (u3ont tienen como ob)etivo identi#icar y desarrollar cultivos especí#icamente me)orados para biocombustibles" incluidos cultivos no comestibles y &ierba de crecimiento r$pido" cultivadas especialmente para combustibles y labradas de #orma sostenible. 3osteriormente los cultivos son recogidos y procesados para convertirlos en biocombustibles. Los investigadores de 83 y (u3ont est$n desarrollando nuevos procesos tecnológicos para utilizar nuevas materias primas y producir mol/culas me)oradas para la creación de biocombustibles. Ienta)as de los biocombustibles •
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3ueden ser mezclados en grandes cantidades con carburantes convencionales" los cuales pueden ser usados en ve&ículos sin modi#icar. *ienen un mayor contenido energ/tico m$s ,ms por litro2. Facilidad de introducción dentro del proceso de suministro de carburantes. ?educción del volumen total de emisiones de C=@ a la atmós#era.
!n la actualidad Los biocombustibles suponen el E de la producción de combustibles para transportes" aun%ue se espera %ue la ci#ra aumente &asta el E0 en mercados clave. Los biocombustibles avanzados proporcionan una opción viable para el aprovisionamiento de energía y una aceleración del cambio a carburantes de transporte renovables con un ba)o índice de emisiones de gases de e#ecto invernadero. 54n me)or ambiente7 4no de los argumentos %ue se o#recen para promover los biocombustibles es %ue su impacto ambiental sería menor %ue el de los combustibles #ósiles. !n un estudio realizado por Worn Sc&arlemann y \illiam Laurence" del 9nstituto Smit&soniano de 9nvestigaciones *ropicales" se midió la in#luencia de los biocombustibles en las emisiones de C=@. Los autores del estudio concluyen %ue J0 de los biocombustibles reducen las emisiones de C=@ en un E0. !l etanol reduciría las emisiones en 1E y el biodiesel en GM" comparados con el di/sel petrolero. dem$s" segn este estudio" se producen menos partículas suspendidas y &ollín" %ue son nocivos para el sistema respiratorio. Sc&arlemann y Laurence sealan tambi/n %ue la relación entre la energía invertida y la obtenida balance energ/tico2 del biodiesel es positiva< por cada unidad de energía #ósil invertida en producirlo el biodiesel da E.@ unidades de energía. !n el etanol obtenido a partir de la #ermentación del azcar" el rendimiento energ/tico es de 1.MJ unidades< es decir" se obtiene casi el doble de la energía invertida. Sin embargo" otros autores no dan cuentas tan alegres< ellos a#irman %ue los cultivos de los %ue se extraen biocombustibles presentan balances energ/ticos negativos> para producirlos se necesita invertir m$s energía de la %ue se obtiene. 3or e)emplo" se &a calculado %ue" en el caso del etanol de maíz" por cada unidad de energía #ósil gastada en
su producción se recuperan 0.GJ unidades< y %ue en el peor de los casos el del biodiesel producido a partir de la soya2 se recuperan 0.+E unidades" ]la mitad de lo invertido^ si se contabiliza la de#orestación" el costo ambiental total de los biocombustibles puede resultar mayor %ue el de usar combustibles #ósiles. 3roducir biocombustibles re%uiere super#icies muy extensas para cultivar maíz" caa de azcar" soya o palma de aceite. Convertir ecosistemas en super#icies de cultivo contribuiría a aumentar el calentamiento global. Los bos%ues y muc&os otros ecosistemas naturales se consideran Nsumideros de carbonoO por%ue los te)idos vegetales #i)an el dióxido de carbono por medio de la #otosíntesis. Con la de#orestación" estos sumideros o depósitos se perderían y se a#ectaría la biodiversidad. 'asta la #ec&a se observa %ue los cultivos de palma aceitera y soya %ue se emplean para producir biodiesel ya &an &ec&o desaparecer selvas tropicales" pantanos y pastizales en 9ndonesia" así como importantes extensiones de la selva amazónica" ecosistemas %ue almacenan una gran cantidad de carbono. l convertirlos en tierras de cultivo se libera a la atmós#era casi @0 veces m$s C=@ del %ue se a&orró al usar los biocombustibles. !stos c$lculos permiten concluir %ue los balances energ/ticos del biodiesel y del bioetanol dependen en gran medida de la materia prima %ue se eli)a" la e#iciencia tecnológica" el proceso utilizado y el lugar donde se producen los cultivos< es decir" si se usan campos ya abiertos al cultivo o se eliminan ecosistemas naturales para establecerlos. !n nuestro país se &a comenzado a #omentar el cultivo de la palma aceitera" el pino pionero y diversas especies del g/nero Watrop&a como materias primas de biocombustibles" aun%ue todavía se debate la conveniencia de producir biocombustibles. ?a#ael !lvira uesada" secretario del Hedio mbiente y ?ecursos Aaturales" &a opinado %ue el etanol producido a partir del maíz no es una buena opción para H/xico. La crisis alimentaria (esde &ace algunos aos el mundo atraviesa una crisis alimentaria por el aumento de precios de alimentos b$sicos como el maíz" el arroz y el trigo. !ntre las causas de esta crisis se encuentra la demanda de tierras y productos para la producción de biocombustibles. Segn la =rganización de las Aaciones 4nidas =A42" la o#erta alimentaria de granos se &a reducido y los precios de los alimentos &an aumentado debido en parte a %ue países como 8rasil y !stados 4nidos usan grandes extensiones para cultivar la materia prima de los biocombustibles en lugar de alimentos. !ste #enómeno a#ecta a los grupos &umanos m$s vulnerables del planeta. Segn predicciones de la =rganización para la Cooperación y el (esarrollo !conómico =C(!2" si se utilizara etanol para producir el 10 de los combustibles empleados en el transporte en !stados 4nidos" se re%ueriría %ue el E0 de la super#icie agrícola de ese país se dedicara al cultivo de materias primas< un porcenta)e %ue en el caso de la 4nión !uropea ascendería al G@ de la super#icie arable< a nivel mundial esta ci#ra sería del M. !s probable %ue los países desarrollados promuevan cultivos para biocombustibles #uera de sus territorios para despu/s comprarlos" y no en#rentar así las consecuencias ambientales ni sociales de su producción. Finalmente" debe &acerse notar %ue el uso de biocombustibles est$ asociado con los intereses de grandes empresas %ue tienen una enorme oportunidad de crecer y enri%uecerse con su producción y comercialización. La organización Urain _un organismo no gubernamental %ue promueve el uso sustentable de la diversidad agrícola _" sostiene %ue estas empresas pretenden Nreemplazar millones de &ect$reas de
sistemas agrícolas locales y a las comunidades rurales %ue traba)an en ellos" erradicando los sistemas indígenas de cultivo y pastoreo para sustituirlos con grandes plantaciones de monocultivo e ingeniería gen/tica" en las %ue las empresas multinacionales tengan el controlO. La alternativa parece ser entonces no producir biocombustibles a partir de alimentos" sino con desec&os de industrias como la #orestal" la agrícola y la papelera. !stos biocombustibles" %ue se &acen con celulosa" madera de desec&o o algas cultivadas" llamados de segunda generación" pueden ser una me)or opción por%ue no re%uieren grandes super#icies de cultivo. Su uso permitiría adem$s mane)ar los desec&os de manera adecuada y no competir con la industria alimentaria. !n H/xico ya se desarrollan proyectos para producir biocombustibles a partir de desec&os org$nicos" como c$scaras de #rutas o aceite %uemado. Las alternativas 4sar #ormas alternativas de producción de energía puede ser una opción m$s limpia y e#iciente v/ase N4n rayo de Sol" un soplo de vientoO" 5Cómo ves7" Ao.1@12. 4na de estas #uentes es el viento. La energía eólica es renovable" gratuita y limpia. *iene algunos inconvenientes" por e)emplo" %ue los molinos de viento alteran el paisa)e con su tamao y su nmero" pues tienen %ue ser cuantiosos para producir su#iciente energía y pueden a#ectar a las poblaciones de aves migratorias. Sin embargo" los bene#icios tecnológicos" sociales" y económicos asociados con su uso" adem$s de la reducción de las emisiones de carbono" &acen de la energía eólica una buena opción para sustituir a los combustibles #ósiles. =tra #uente de energía alternativa es la solar. 'ay diversas tecnologías %ue permiten aprovec&arla" en especial las celdas de semiconductores %ue se activan con la radiación solar celdas #otoel/ctricas2 y producen electricidad. l igual %ue la energía eólica" la solar es autónoma y descentralizada" pues proviene de una #uente gratuita e inagotable y puede obtenerse en pr$cticamente cual%uier sitio" aun%ue es m$s e#iciente en zonas calurosas con ba)a nubosidad" como los desiertos. !n con)unto estas energías verdes y los biocombustibles pueden disminuir en gran medida nuestra dependencia de los combustibles #ósiles. Los biocombustibles podrían ser una buena alternativa si se lograra producirlos sin emplear combustibles #ósiles. 'asta a&ora" debido a %ue se producen a partir de cultivos agrícolas" le)os de representar una alternativa sustentable" son una #uente de problemas ambientales" sociales" políticos y económicos m$s graves %ue los %ue resultan de usar combustibles #ósiles. 6.6 'idrógeno !l #in de la era del petróleo ya se vislumbra y un candidato cada vez m$s #irme para obtener energía es el &idrógeno. Los $tomos de este elemento %uímico se componen de tan sólo un protón y un electrón" y son los m$s abundantes> cerca del M0 de todos los $tomos %ue existen en el 4niverso son de &idrógeno. !n nuestro planeta este elemento no es tan abundante> aproximadamente el 1+ de todos los $tomos son de &idrógeno y )untos constituyen apenas el 0.M de la masa total del planeta. La mayoría de los $tomos de &idrógeno %ue existen en la *ierra est$n en las mol/culas de agua. 3ese a su relativa escasez en este planeta" el &idrógeno #orma parte de un mayor nmero de compuestos %uímicos %ue ningn otro elemento.
!n estado elemental" el &idrógeno es un gas #ormado por mol/culas diatómicas" %ue sólo alcanzan a ser una millon/sima parte de la atmós#era< por ser tan ligeras" la gravedad de la *ierra no alcanza a retenerlas.
La reacción entre el &idrógeno '@2 y el oxígeno elementales =@2 produce mol/culas de agua y desprende una importante cantidad de energía. !sto sucede por%ue los enlaces de la mol/cula de agua son m$s #uertes %ue los enlaces en las mol/culas de '@ y =@. @'@ ` =@ @'@= sta es la reacción %ue se usó" por e)emplo" en los co&etes Saturno I uno de los cuales puso en el espacio al polo 11" la primera misión tripulada a la Luna2 y los transbordadores espaciales" %ue utilizan &idrógeno elemental como combustible. La sombra del 'indenburg La reacción del &idrógeno con el oxígeno es peligrosa por explosiva" pero el peligro se &a exagerado desde la explosión del dirigible 'indenburg" en 1MEG. !l es%ueleto del 'indenburg estaba armado con varas de madera" cuerdas de seda y laca. 3ara la cubierta se usó tela de algodón" recubierta primero con una capa de acetato de celulosa" uno de los componentes de la pólvora" y despu/s con aluminio met$lico en polvo. La violenta reacción del aluminio met$lico pulverizado con el oxígeno se utiliza tambi/n en los combustibles de los co&etes espaciales y es el principal responsable de la gran luminosidad de la llama de /stos. !l incendio del 'indenburg #ue provocado por una c&ispa de electricidad est$tica del aire" %ue causó %ue el aluminio de la cubierta se incendiara y con /l el resto de los materiales" todos in#lamables" con los %ue estaba &ec&o el globo< y desde luego" tambi/n el &idrógeno. !l &idrógeno arde con una #lama casi invisible y por su extrema ligereza" tiende a dispersarse &acia arriba. !n el caso del 'indenburg" se tiene registro de %ue todo el &idrógeno %ue contenía se consumió en tan solo EG segundos. !l #uego %ue se ve en las #otos no puede atribuirse a la combustión del &idrógeno" sino a la de los materiales del globo y al combustible di/sel %ue alimentaba sus motores. (e los MG pasa)eros y tripulantes del dirigible" E6 perdieron la vida" EE de ellos por &aber caído o saltado intencionalmente al vacío. Sólo tres de las víctimas m$s murieron por %uemaduras" seguramente causadas no por la combustión del &idrógeno" sino por la del di/sel usado como combustible del dirigible" ya %ue la cabina de los pasa)eros se ubicaba ba)o el globo. !l di/sel y el resto de los materiales in#lamables tardaron 10 &oras en consumirse. 5diós a la gasolina7 'oy en día existen varios prototipos de automóviles impulsados por la energía mec$nica generada por la reacción del &idrógeno con el oxígeno. Los #abrican compaías como 8H\ de lemania y Hazda de Wapón" asociada con la estadounidense Ford. 3ara &acer automóviles de combustión interna impulsados por &idrógeno elemental se re%uiere una tecnología parecida a la %ue se usa para producir motores movidos por gas natural" %ue ya abundan en nuestros días. La combustión del &idrógeno en estos motores an no es per#ecta. Su #uente de oxígeno es el aire" por lo %ue inevitablemente una pe%uea #racción de nitrógeno interviene en la combustión y #orma óxidos de nitrógeno" A=x" %ue producen el esmog #oto%uímico y el ozono BmaloB.
Comparado con la gasolina" el &idrógeno como combustible extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento" ya %ue no se acumula carbón en la c$mara de combustión ni en las bu)ías" y los gases resultantes son tan limpios %ue casi no se necesita cambiar el aceite del motor" solo &ay %ue restituirlo periódicamente. Sin embargo" los inconvenientes siguen siendo mayores %ue las venta)as. Como las mol/culas de &idrógeno son tan pe%ueas" se re%uiere muc&a energía para comprimirlo o licuarlo. 3or la misma razón" el gas se #uga con muc&a #acilidad de los recipientes %ue lo contienen< incluso en el me)or tan%ue" el '@ se evapora a una tasa de E diario. (el &idrógeno a la electricidad =tra posibilidad es aprovec&ar la energía %uímica liberada cuando el &idrógeno reacciona con el oxígeno" no como energía mec$nica o t/rmica" sino almacen$ndola como energía el/ctrica. !sta alternativa se va &aciendo cada vez m$s viable. Los dispositivos %ue producen electricidad a partir de esta reacción se conocen como celdas de combustible v/ase recuadro2. !n las celdas de combustible la energía %uímica se convierte en electricidad sin necesidad de combustión. Se &ace reaccionar el &idrógeno con el oxígeno en dos electrodos los BpolosB" o BbornesB" de una pila2 separados por una membrana de pl$stico delgada. !n uno de los electrodos las mol/culas de &idrógeno se despo)an de sus electrones. stos se suministran al circuito externo al %ue la celda alimenta para realizar traba)o. Los protones de las mol/culas de &idrógeno atraviesan la membrana y van al otro electrodo" donde se mezclan con el oxígeno y los electrones en circulación para dar agua. !s decir" las celdas de combustible permiten obtener energía el/ctrica totalmente limpia a partir de la reacción %uímica entre el &idrógeno y el oxígeno. 4no de los reactivos necesarios" el oxígeno" se obtiene directamente del aire y es virtualmente inagotable. Cómo obtener el &idrógeno es otra &istoria. Las #uentes !l &idrógeno se encuentra combinado en #orma de agua o de compuestos org$nicos. 3or lo tanto" se puede obtener de esas #uentes" pero para separarlo de sus compuestos es preciso suministrar energía. 'oy en día el &idrógeno se obtiene principalmente de sustancias extraídas del petróleo> &idrocarburos gaseosos como el metano y el propano" o alco&oles como el metanol o el etanol" %ue son lí%uidos. =btener &idrógeno del metano" por e)emplo" tiene dos inconvenientes. !l primero es %ue el metano del %ue se parte se obtiene principalmente del petróleo" %ue se est$ agotando. !ste inconveniente podría evitarse por%ue se puede extraer metano de biomasa mediante #ermentaciones llevadas a cabo por microorganismos sobre materia org$nica de desec&o2 y este proceso podría volverse la principal #uente de metano. !l segundo inconveniente es %ue el proceso genera dióxido de carbono" igual %ue cuando se %uema el gas natural" lo %ue contribuye al calentamiento global. La obtención de &idrógeno a partir de metanol" C'E='" tiene las mismas desventa)as %ue a partir de metano. La venta)a %ue o#rece el metanol sobre el metano es %ue mientras %ue /ste es un gas" a%u/l es un lí%uido" %ue podría transportarse y almacenarse de manera seme)ante a la gasolina. !l inconveniente es %ue la materia prima para obtener metanol" es )ustamente el metano. !l etanol tambi/n puede utilizarse para obtener &idrógeno" con la venta)a de %ue es un alco&ol m$s #$cil de obtener biotecnológicamente" mediante la #ermentación de azcares.
(esde luego" tambi/n es posible obtener el &idrógeno elemental a partir del agua" %ue en tanta abundancia tenemos. Sin embargo" la manera m$s simple y directa de separar el agua en sus componentes" la electrólisis" no representa ninguna ganancia en cuanto al balance total de energía> para e#ectuarla &ay %ue proporcionar la misma cantidad de energía el/ctrica %ue la %ue se obtiene al realizar la reacción inversa. Si esa energía el/ctrica se obtuvo a partir de la principal #uente actual en nuestro planeta" una planta termoel/ctrica" estaremos sólo dando la vuelta al problema y seguiremos %uemando combustibles #ósiles. 3ero existen otras posibilidades. Si para &idrolizar el agua usamos electricidad proveniente de una planta nuclear" &idroel/ctrica o eólica" las pilas de combustible se convierten en una buena manera de almacenar y transportar esa energía. La energía del Sol tambi/n puede ser la solución" ya sea por%ue la electricidad re%uerida para &idrolizar el agua puede provenir de celdas solares" o por%ue la luz solar por sí misma es capaz de separar el agua en sus componentes mediante el uso de catalizadores adecuados. Los coc&es el/ctricos &oy Los primeros automóviles el/ctricos se desarrollaron en la primera mitad del siglo 9 y llegaron a tener cierto auge durante la primera d/cada del siglo . Sin embargo" la poca durabilidad de las baterías disponibles en a%uel entonces y el advenimiento del automóvil con motor de combustión" así como el incremento en las exploraciones petroleras" &icieron %ue los autos el/ctricos se convirtieran en una curiosidad. !n 1M1@ un automóvil el/ctrico costaba 1 G+0 dólares" mientras %ue uno con motor de gasolina se ad%uiría por 6+0. !l inter/s en los coc&es el/ctricos resurgió a partir de los aos G0 con las crisis energ/ticas provocadas por los embargos petroleros de los países $rabes. !n la actualidad" los ve&ículos el/ctricos m$s populares no son solamente el/ctricos" sino &íbridos. Se llama &íbrido a cual%uier ve&ículo %ue utilice dos #uentes de energía" pero actualmente el t/rmino se &a vuelto casi exclusivo para designar autos impulsados por energía el/ctrica y energía proveniente de la combustión de gasolina. !sta combinación logra rendimientos de gasolina del orden de @0 ,ilómetros por litro" con una potencia comparable a la de los autos con motores tradicionales a base de gasolina. !n realidad esta tecnología es solamente un paso en la transición de los ve&ículos altamente contaminantes con motor de combustión interna &acia ve&ículos impulsados por #uentes de energía limpia" como podrían ser las celdas de combustible. La mayoría de las compaías #abricantes de automóviles llevan a cabo &oy en día intensos programas de investigación y desarrollo encaminados a producir autos movidos por celdas de combustible. 3or e)emplo" Ford tiene ya un modelo de automóvil de este tipo" del cual &a distribuido" a manera de prueba" varias decenas en los !stados 4nidos" Canad$ y lemania. La producción de estos ve&ículos a nivel comercial est$ a la espera de un sistema de distribución de &idrógeno %ue permita a los consumidores reabastecer sus autos. Ford" en colaboración con su socio Hazda" &a promovido la instalación de estaciones de &idrógeno en 'iros&ima" (etroit y 8erlín. 'onda no sólo tiene planes de producir comercialmente su ve&ículo de celdas de combustible para el ao @010" sino %ue tambi/n participa en el desarrollo de una estación casera de energía" capaz de producir &idrógeno a partir de gas natural en una escala dom/stica. !l petróleo empieza a escasear y el &idrógeno abunda< la transición no ser$ #$cil" pero es inexorable. Aos dirigimos &acia una nueva tecnología energ/tica" %ue traer$ pro#undos cambios en el $mbito económico y social.
