FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA Por:
Natalia Correa Hincapié Ingeniero Agroindustrial
Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
MEDELLÍN – 2007
COMITÉ DIRECTIVO
Jaime Alberto Leal Afanador Rector. Gloria Herrera Sánchez Vicerrector Académico Académico y de Investigación. Roberto Salazar Vicerrector de Medios y Mediaciones Pedagógicas Maribel Córdoba Guerrero Secretaria General. Maria Priscila Rey Vásquez Decana Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente.
MÓDULO FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA PRIMERA EDICIÓN © Copyrigth Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN 2007 Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
COMITÉ DIRECTIVO
Jaime Alberto Leal Afanador Rector. Gloria Herrera Sánchez Vicerrector Académico Académico y de Investigación. Roberto Salazar Vicerrector de Medios y Mediaciones Pedagógicas Maribel Córdoba Guerrero Secretaria General. Maria Priscila Rey Vásquez Decana Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente.
MÓDULO FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA PRIMERA EDICIÓN © Copyrigth Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN 2007 Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
TABLA DE CONTENIDO. PRESENTACIÓN
1
UNIDAD 1. Energías enovables, energía fotovoltaica fotovoltaica y energía solar s olar..
2
Capítulo 1. Introducción a las energías renovables.
2
Lección 1. Lección 2. Lección 3. Lección 4. Lección 5.
2 5 11 26 51
Energía – Introducción. Demanda y producción de energía Fuentes de energía Usos actuales de cada tipo de energía. Ad Adelantos en materia de energías alternativas
Capítulo 2. Energía fotovoltaica.
54
Lección 6. Introducción. Lección 7. Radiación solar. Lección 8. Co Conversión fotovoltaica y celúlas solares. Lección 9. Generador fotovoltaico. Lección 10. Elementos del sistema fotovoltaico.
54 58 65 71 73
Capítulo 3. Energía solar térmica.
77
Lección 11. Introducción. Lección 12. Área solar térmica. Lección 13. Energía solar pasiva. Lección 14. Área solar termoeléctrica. Lección Lección 15. Investi Investigac gacion iones es reci recient entes es que que impl impliqu iquen en el el uso uso de energía energía solar solar..
77 79 82 85 91
UNIDAD 2. Energía eólica, por biomas, del mar, geotérmica. geotérmica.
92
Capítulo 4. Energía eólica.
92
Lección 16. Introducción. Lección 17. Implicaciones teóricas sobre la energía del viento. Lección 18. Aerogeneradores, tipos y funciones. Lección 19. Parques eólicos. Lección 20. Energía eólica y medio ambiente.
93 95 98 101 104
Capítulo 5. Energía por biomasa.
109
Lección 21. Introducción Lección 22. Fuentes de biomasa. Lección 23. Tratamientos para la biomasa
109 111 114
Lección 24. Biocombustibles. Lección 25. Ventajas y desventajas del uso de biomasa.
116 127
Capítulo 6. Energía del mar, geotérmica.
129
Lección 26. Introducción. Lección 27. Energía de origen marino. Lección 28. Energía geotérmica. Lección 29. Implicaciones de estas energías sobre el medio ambiente. Lección 30. Investigaciones recientes que impliquen el uso de estas energías.
129 130 135 138 140
UNIDAD 3. ENERGÍA HIDRÁULICA, PILAS DE COMBUSTIBLE, FUSIÓN NUCLEAR. Capítulo 7. Energía hidráulica.
141
Lección 31. Introducción. Lección 32. Centrales hidroeléctricas. Lección 33. Clasificación de las centrales hidroeléctricas. Lección 34. Ventajas y desventajas de la energía hidráulica. Lección 35. Nuevos desarrollos para la evolución de la energía hidráulica.
141 144 147 152 154
Capítulo 8. Pilas de combustible.
155
Lección 36. Conceptos básicos. Lección 37. Principio de funcionamiento de una celda combustible. Lección 38. Tipos de pilas combustibles. Lección 39. Utilidades para las pilas combustibles. Lección 40. Investigaciones recientes que impliquen el uso de pilas combustibles.
155 159 160 171 177
Capítulo 9. Fusión nuclear.
178
Lección 41. Introducción. Lección 42. La fusión fría. Lección 43. Fusión por confinamiento inercial. Lección 44. Fusión por confinamiento magnético. Lección 45. Investigaciones recientes que impliquen el uso de energía nuclear.
178 180 182 186 189
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Celda fotovoltaica. Figura 2. Recurso solar en Colombia. Figura 3. Recurso eólico en Colombia. Figura 4: Central mareomotriz Figura 5. Poder de las olas. Figura 6. Mapa geotérmico de Colombia. Figura 7. Mapa de energía hidráulica en Colombia. Figura 8. Piranómetros. Figura 9. Pirheliómetro de cavidad Absoluta, serie PMO-6. Figura 10. Actinógrafo Fuess. Figura 11. Célula fotovoltaica. Figura 12. Célula fotovoltaica. Figura 13. Generador fotovoltaico. Figura 14: Tipos de Inversores. Figura 15: sistemas conectados en red. Figura 16: Sistemas aislados. Figura 17. Energía solar térmica y fotovoltaica Figura 18. Sistemas termoeléctricos. Figura 19. Sistemas termoeléctricos. Figura 20. Sistema solar de discos parabòlicos. Figura 21. Planta solar de 10MW en California. Figura 22. Colectores solares de disco. Figura 23: Parque eólico San Jorge Figura 24. Parque eólico marítimo Figura 25. Generación de biomasa. Figura 26. Mapa de biomasa de Colombia Figura 27: Diagrama de flujo de bioetanol. Figura 28: Esquema productivo de biodisel. Figura 29: Proceso de producción de biogas. Figura 30: Central mareomotriz. Figura 31: Turbina mareomotriz. Figura 32: Turbina de Olas. Figura 33. Esquema idealizado de un sistema geotérmico. Figura 34. Canal de riego en Alloz. Figura 35. Presa de bóveda de Alloz. Figura 36: centrales del Urumea Figura 37: Rueda Pelton. Figura 38. Presa de agua fluente en el río Urumea. Figura 39. Compuerta del embalse de Alloz. Figura 40. Canal para regadío en las proximidades de Alloz. Figura 41. Presa de Alloz. Figura 42. Esquema de una Pila combustible.
32 33 37 38 39 42
44 61 62 63 69 70 71 72 74 75 82 86 87 88 88 89 99 104 110 113 119 122 126 131 132 134 136 142 143 145 146 148 151 152 153 156
Figura 43. Pila de combustible PEM. Figura 44. Pila de combustible PAFC. Figura 45. Pila de combustible AFC. Figura 46. Pila de combustible MCFC. Figura 47. Pila de combustible SOFC. Figura 48: Modos de confinamiento.
162 163 166 168 170 188
LISTA DE TABLAS.
abla 1. Producción de etanol durante 2004 a nivel mundial. Tabla 2. Unidades de medición de la radiación. Tabla 3. Instrumentos meteorológicos para la medida de la radiación Tabla 4. Superficie total instalada de colectores solares térmicos en el mundo 2003 Tabla 5. Comparativo de niveles de ruido generados por diferentes fuentes Tabla 6: Poderes caloríficos de de diferentes tipos de biomasa.
27 59 60 80 105 116
Lista de gráficas Gráfica 1. Intesiddad energética final por subregiones Gráfica 2. Intensidad energética final. Países con reformas energéticas parciales o nulas. Gráfica 3. Proyección de demanda. Panorama base. Grafica 4. Potencia fotovoltaica instalada en el mundo para 2004. Gráfica 5. Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo, 2001. Gráfica 6. Capacidad instalada acumulada global de energía eólica 1995-2005 Gráfica 7. Capacidades de energías renovables a nivel mundial. Gráfica 8. Producción mundial de energía solar fotovoltaica 1995-2003 Grafica 9: Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo Año 2004.
7 8 10 30 34 36 52 57 77
PRESENTACIÓN. El Módulo de Fuentes Alternativas de Energía, se desarrollo con el propósito de que todos los profecionales de las Ciencias Agrarias e interesados, y otros interesados, conozcan los tipos de fuentes alternativas de energía, su comportamiento en el ámbio mundial y las perspectivas de cada una de ellas. Este módulo además, enfoca su contenido en la presentación de energías amigables con e medio ambiente, que fomenten el desarrollo sostenible de las empresas, países y regiones y además ayuden a minimizar el cambio climática que se esta presentando en el globo terráqueo. Cada fuente de energía, se presenta con las tecnologías propias para su funciomiento y desarrollo, además de indicar las condiciones y terrenos en los cuales es óptimo poner en funcionamiento cada fuente energética.
UNIDAD 1: Energías renovables, energía fotovoltaica y energía solar. CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES LECCIÓN 01. ENERGÍA INTRODUCCIÓN. La energía tiene diversas definiciones, todas ellas dependiendo del campo de estudio en el cual se esta actuando. Principalmente se define como la capacidad para obrar, poner en movimiento, transformar. Desde la física, La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema cerrado que permanece invariable en el tiempo. La energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos, es la capacidad de los cuerpos para producir cambios en su alrededor.
En la física la energía se define según la disciplina, pero todas las definiciones siempre están orientadas a la capacidad de trabajo.1 Física clásica En Mecánica: •
Energía mecánica es la combinación o suma de: •
Energía cinética: generada por el movimiento.
•
Energía potencial. Asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo.
En electromagnetismo: 1
El concepto de energía en física. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa
Consultado
el
28
de
Septiembre
de
2006.
Disponible
en:
•
Energía electromagnética. Se compone de: •
Energía radiante
•
Energía del campo
•
Energía potencial eléctrica.
En termodinámica: •
energía interna, suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema
•
Energía térmica
Física relativista clásica En Relatividad: •
Energía en reposo es la energía debida a la masa, según Einstein. La Ecuación que establece esta energía esta determinada por E= mv2
•
Energía de desintegración, es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración
Física cuántica En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además en física cuántica contamos con:
Energía del vacío. Energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia. Según Hill y Kolb2, la energia es la capacidad para alterar la materia desde el punto de vista físico o químico. Se necesita energía para hacer que ocurra algo 2
HILL. John W y KOLB. Doris K. Quimica para el nuevo milenio. Octava Edición. Editorial Prentice Hall, Inc. 1999.
que no sucede por si mismo. La energía existe en varias formas. La energía debida a la posición o a la distribución se denomina energía potencial. El agua que está en la parte superior de una presa tiene energía potencial debido a la atracción gravitacional. Cuando el agua fluye por una turbina hacia un nivel inferior, la energía potencial se convierte en energía cinética (energía de movimiento). La energía que esta en mayor disposición en la Tierra proviene del sol. Esta energía es utilizada por las plantas para el proceso de la fotosíntesis. Restos de plantas de tiempos remotos se han convertido en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. Según el sistema internacional de medidas SI, la unidad de medida de energía es el Joule (J). Un watt (W), la unidad SI de potencia, es 1 joule por segundo (J/s). A partir de la termodinámica la energía tiene dos leyes principales que la rigen: Primera ley de la termodinámica. También llamada ley de la conservación de la energía. La energía se puede convertir de una forma a otra, no se crea ni se destruye. A partir de esto se puede concluir que la energía no se acaba, porque esta se conserva. Segunda ley de la termodinámica. La energía no fluye expontáneamente de un objeto frío a uno caliente. En toda transformación de la energía se produce una degradación – desorden -, o dicho en otras palabras, muerte térmica, esto implica que no hay procesos de transformación de energía 100% eficientes.
LECCIÓN O2. DEMANDA Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA. La Agencia Internacional de la Energia (AIE), en la presentación de su informe anual, mostró que la demanda energética mundial se incrementara en 50% para 2030, si se mantiene la evolución del consumo actual. Según la AIE, existen suficientes reservas, especialmente en Medio Oriente y África del Norte, para hacer frente a esta demanda, pero es imprescindible que se adopten medidas para incrementar la capacidad de producción.
El informe de la agencia, Previsiones Mundiales para la Energia 2005, destaco que los países consumidores tienen en su mano también la posibilidad de contener el incremento del consumo, de manera que se reduzca su dependencia de los recursos de Medio Oriente y África.
De acuerdo con esta organización, que agrupa a 26 países consumidores, las emisiones procedentes de la producción de energía aumentaran 52 por ciento para 2030, lo cual considero "insostenible" desde el punto de vista ecológico y energetico.
La Agencia subrayo que, a pesar del ligero incremento de la energía renovable, para 2030, las principales fuentes de energía seguirán siendo el gas y el petroleo.
La AIE aseguro que la demanda de derivados del petroleo alcanzara los 92 millones de barriles diarios en 2010 y los 115 millones de barriles al día en 2030, con un promedio de crecimiento anual del 1.4%.
Según destaco el informe, dos tercios del aumento total de la demanda de petroleo mundial prevista hasta 2030 procederá de los países en desarrollo.
Respecto a la demanda de gas natural, fuente de energía que experimentara un mayor crecimiento, el consumo se incrementara cada año una media de 2.1%, hasta los 4.8 billones de metros cúbicos para 2030 (lo que supone un aumento del 75%).
También sufrirán un fuerte crecimiento las energias renovables, con un incremento del 6.2% anual, durante los próximos 25 anos, sin embargo únicamente representaran el 2% del consumo total de energía. 3
Con el panorama presentado por la AIE, es importante revisar los frentes de producción y consumo de energía en el ámbito latinoamericano y de Colombia.
Hugo Altomonte y otros 4, establecen que los avances en América Latina en lo que corresponde a Intensidad energética, son modestos en comparación con los países desarrollados. “la realidad latinoamericana en materia de eficiencia energética
es
compleja.
Algunos
países
han
implementado
profundas
modificaciones estructurales de su sector energético hacia mercados más abiertos y globalizados, como es el caso de Chile, Argentina, Perú, Bolivia y Guatemala. Por el contrario países como Brasil, México, Cuba y Venezuela han tenido estructuras de control central con fuerte presencia de las empresas del Estado.
La tendencia en la intensidad energética por subregiones en Latinoamerica se presenta a continuación:
3
AIE preve un aumento del 50% en la demanda energetica mundial en 2030; [Source: El Universal]. NoticiasFinancieras. Miami: Nov 7, 2005. pg. 1. Revista ProQuest. Consultado el 26 de septiembre de 2007. Disponible 4
Hugo Altomonte, Manlio Coviello, Wolfgang F. Lutz. Energías renovables y eficiencia energética en América Latina y el Caribe. Restricciones y perspectivas. División de recursos naturales e infraestructura. Santiago de Chile. 2003.
Gráfico 1. Intensidad energética final por sub-regiones
Fuente: Energías renovables y eficiencia energética en América Latina y el Caribe. Restricciones y perspectivas. División de recursos naturales e infraestructura. Santiago de Chile. 2003 .
El caribe es la región con el índice energético más alto, a diferencia del cono sur que presenta el indice menor, esto por la aplicación de tecnologías energéticas más avanzadas en los procesos productivos.
Gráfico 2. Intensidad energética final. Países con reformas energéticas parciales o nulas
Fuente: Energías renovables y eficiencia energética en América Latina y el Caribe. Restricciones y perspectivas. División de recursos naturales e infraestructura. Santiago de Chile. 2003 .
La posición de Colombia tiene un comportamiento muy parejo con una pequeña disminución en la IE per càpita.
En general latinoamérica no presenta mejoras significativas en cuanto al consumo energético por unidad de producto.
La unidad de planeación minero energético del ministerio de minas y energía de la república de Colombia5, presenta una proyección en la demanda 2006-2025, en 5
Proyección de demanda energética. Consultado el 20 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.upme.gov.co/siel/documentos/documentacion/Demanda/demanda%20publicada_marz_2007.swf
lo que corresponde a energéticos primarios y energéticos secundarios. La información se encuentra en el siguiente enlace. http://www.upme.gov.co/siel/documentos/documentacion/Demanda/demanda%2 0publicada_marz_2007.swf
Las fuentes de energía con mayor indice de uso en las proyecciones establecidas, son las provenientes de fuentes alternativas como la energía hidráulica, por biomasa y gas natural.
Aunque se presenta un incremento en los combustibles fósiles, este no tiene el mismo índice de crecimiento de los últimos años. En la siguiente gráfica se demarca el panorama base propuesto por el Ministerio de Minas y Energía para la demanda de Energia hasta el 2025.
Gráfica 3. Proyección de Demanda Panorama Base. 200000 150000 100000 50000 0 2005
2010
2015
2020
2025
Petroleo
Hidraulica
Carbon
Gas Natural
Viento
Biomasa
2030
Fuente: Energías renovables y eficiencia energética en América Latina y el Caribe. Restricciones y perspectivas. División de recursos naturales e infraestructura. Santiago de Chile. 2003 .
LECCIÓN 03. FUENTES DE ENERGIA.
En épocas primitivas, la energía se obtenía a partir de la recolección de plantas silvestres y cazando animales salvajes. Con la domesticación del caballo y el buey, se incremento en una pequeña proporción la disponibilidad de energía de los hombres. Las materias primas utilizadas para el trabajo de estos animales eran materiales vegetales naturales, que podían renovarse.
Los primeros materiales combustibles fueron ramas de árboles, matorrales secos que se encendían en fogatas primitivas.
El primer dispositivo mecánico para la conversión de energía en trabajo fue la rueda hidráulica. Esta se uso por los egipcios principalmente para moler granos. Los molinos de viento se introdujeron en Europa Occidental durante la edad media, utilizados para bombear agua y moler granos. Estas dos formas de energía transforman la energía cinética en energía mecánica, lo que bastó para impulsar la Revolución Industrial. Después de 1850, la turbina de agua, el motor de combustión interna, la turbina de vapor, la turbina de gas, fueron desarrollados como dispositivos para la conversión de energía.
Los combustibles fósiles son la base para el desarrollo de la Revolución Industrial y siguen siendo la base de nuestra civilización.6
6
HILL. John W y KOLB. Doris K. Quimica para el nuevo milenio. Octava Edición. Editorial Prentice Hall, Inc. 1999
Combustibles fósiles. Cerca del 97% de la energía que se utiliza en el mundo proviene de loscombustibles fósiles: 38% del carbón, 40% del petróleo y 19% de gas natural.7 Los combustibles son sustancias que arden fácilmente y al hacerlo liberan gran cantidad de energía, son una forma reducida de la materia y su proceso de combustión es una oxidación.
Los combustibles fósiles están limitados en la tierra ya que son una fuente de energía no renovable.8
Toda combustión de fósiles produce gases como el dióxido de carbono (CO2), que va a la atmósfera, donde ha estado aumentando al ritmo de 2 partes por 1000 al año. La mitad de éste se quedará en la atmósfera, la cual podría quedar saturada -teóricamente- en 700 años, la otra mitad pasa a la biosfera y a los océanos.9 - Carbón.10
El carbón se reconoce también en el mercado con el nombre de hulla., se compone principalmente de carbono con pequeños porcentajes de otros elementos. La calidad del carbón se mide a partir de su contenido de carbono y se clasifica como turba, lignito de baja densidad hasta antracita de alta densidad.
7
Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006. 8 HILL. John W y KOLB. Doris K. Quimica para el nuevo milenio. Octava Edición. Editorial Prentice Hall, Inc. 1999 9 Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006. 10
HILL. John W y KOLB. Doris K. Quimica para el nuevo milenio. Octava Edición. Editorial Prentice Hall, Inc. 1999
La hulla es combustible fósil que se extrae de minas. El carbón se transporta moliéndolo hasta convertirlo en polvo, se mezcla con agua, para luego bombear la suspensión por una tubería. El carbón es el combustible fósil más abundante.
La combustión completa del carbono produce dióxido de carbono. C + O2
CO2
Cuando en el proceso de combustión el aire es limitado, su reacción produce monóxido de carbono y hollín que es en su mayor parte carbono no quemado.
El carbón es uno de los combustibles más sucios. Las minas de carbón pueden dañar los suelos y su combustión genera grandes cantidades de óxidos de azufre, monóxido de carbono y partículas, además de las enfermedades respiratorias ocasionadas a los trabajadores de las minas. 11 2C + O2
2CO
- Gas natural.12
El gas natural es un combustible fósil constituido principalmente por metano. Es probable que el gas natural se halla formado por la acción del calor, la presión y tal vez por la descomposición de materia orgánica enterrada por la acción de las bacterias. El gas queda atrapado en formaciones geológicas cubiertas por roca impermeable, y se extrae mediante pozos perforados en las formaciones que contienen gas.
El gas natural, compuesto principalmente por metano, en el proceso de combustión presenta la siguiente reacción: 11
Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006. 12 HILL. John W y KOLB. Doris K. Quimica para el nuevo milenio. Octava Edición. Editorial Prentice Hall, Inc. 1999
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
El proceso de combustión en cantidades limitadas de aire, produce monóxido de carbono e incluso hollín
2CH4 + 3O2 CH4 + 2O2
2CO + 4H2O C + 2H2O + O2
De esta forma, el gas natural es el más limpio de los combustibles fósiles.
- Petróleo.
El petróleo es una mezcla líquida de compuestos orgánicos. Sus principales componentes son hidrocarburos , los cuales en su mayor parte son alcanos, pero algunos son compuestos cíclicos. El petróleo contiene cantidades variables de compuestos de azufre, nitrógeno y oxígeno. 13
El Petróleo se extrae mediante la perforación de un pozo sobre el yacimiento. Si la presión de la bolsa de gas es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su almacenamiento, su transporte mediante buques petroleros y su proceso de refinería.14
13
Ibid. Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006. 14
Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano y butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc. Todos estos productos, de baja solubilidad.
15
Una reacción representativa de la combustión completa del petróleo es la de un octano, en presencia de aire.
2C8H18 + 25O2
16CO2 + 18H2O
La combustión en aire da pie a la formación de óxidos de nitrógeno. La combustión incompleta produce monóxido de carbono y hollín
Siguiendo el ritmo de extracción del año 2002 y sin encontrar nuevos yacimientos petroleros, se estima que las reservas actuales de petróleo durarían aproximadamente 42 años.
Fuentes alternativas de energía
Energías obtenidas de fuentes distintas a las clásicas como carbón, petróleo y gas natural, son consideradas fuentes alternativas de energía. Son energías alternativas la solar, eólica, geotérmica, mareomotriz y de la biomasa, que, además, son energías renovables.
Energías renovables, son energías procedentes de fuentes renovables por formar parte de ciclos naturales y en oposición a aquellas que proceden de reservas. Son 15
Ibid.
energías renovables la solar, eólica, del agua, mareomotriz y de la biomasa. 16
Más de 15.000.000 millones de KV/H de electricidad se generan anualmente en todo el mundo. De esto, cerca de el 65% es producido quemando combustibles fósiles
y
el
resto
se
obtiene
de
otras
fuentes,
incluyendo
nuclear,
hidroelectricidad, geotérmica, biomasa, solar y el viento.17
- Biocarburantes. 18
Los biocarburantes son combustibles líquidos de origen biológico, que por sus características físico químicas resultan adecuados para sustituir a la gasolina, bien sea de manera total, o en mezcla como aditivo. Estos productos se obtienen principalmente de materia vegetal.
El bioetanol se produce mediante la fermentación de granos ricos en azúcares o almidón. Puede utilizarse mezclado al 5% con gasolina convencional, en motores modernos de explosión. En motores modificados, pueden funcionar con mezclas de etanol al 85%.
El biodisel se obtiene principalmente de plantas oleaginosas. Los aceites extraídos de estas se transforman mediante transesterificación hasta producir biodisel (ésteres metílicos). El biodisel se utiliza en los motores de compresión, en forma de mezcla al 5% para carros y en forma pura en motores modificados.
16
Energías alternativas. Consultado el 27 http://www.jmarcano.com/glosario/glosario_e.html 17
18
de Septiembre de
2007. Disponible
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea.
RICO, Javier. Biocarburantes en el transporte. Institución para la diversificación y ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Septiembre de 2006
en:
- Biomasa
La biomasa es un recurso ampliamente distribuido que incluye, además de la biomasa forestal y los residuos de la industria de elaboración de la madera, cultivos energéticos, residuos agrícolas y efluentes agroalimentarios, estiércoles y la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales o domésticos y los lodos de aguas residuales. La energía procedente de la biomasa es versátil ya que puede servir para producir electricidad, calor o carburante de transporte según convenga y, al contrario de la electricidad, puede almacenarse de forma sencilla y normalmente económica. Además, las unidades de producción pueden variar de escala desde las más pequeñas hasta las de varios megavatios.19 Las ventajas de la explotación de la biomasa basada en las nuevas tecnologías puede verse claramente en el caso de la explotación del biogás. Este gas se compone fundamentalmente de metano, que es un potente gas de invernadero.20 - Hidrógeno.21
El hidrógeno es el gas mas abundante en la naturaleza, constituye el 75% de la masa del universo y el 90% de sus moléculas. El hidrógeno no se encuentra en estado libre y su obtención debe ser a través de un combustible fósil, de la biomasa o del agua, consumiendo electricidad, para luego bombearlo a una pila de combustible para que sea utilizable como electricidad.
19
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea. Ibid. 21 Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006. 20
- Energía hidroeléctrica. La energía hidroeléctrica proviene indirectamente de la energía del sol al evaporar el agua de las zonas bajas – océanos - y llevarla a las altas – montañas - a través de la lluvia. El agua es almacenada en rios, lagos y glaciares. Luego, partiendo de la diferencia de desnivel entre dos puntos, las hidroelectricas transforman esa energía en electricidad. Primero la energía se transforma en energía mecánica en la turbina hidráulica, ésta activa el generador que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.22 La energía hidroeléctrica es una tecnología probada que es competitiva en relación con otras fuentes energéticas comerciales. Solamente se ha explotado un 20% del potencial económico de las pequeñas centrales hidroeléctricas.
23
- Energía fotovoltaica
La generación fotovoltaica solar de electricidad es una tecnología de energía renovable reciente y de vanguardia. La palabra fotovoltaico procede de photo = luz y voltaico = electricidad y significa electricidad producida a través de la luz. El efecto fotovoltaico se basa sobre la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctrica cuando se exponen a la radiación solar.24
22
Castro Adriana. Minicentrales Hidroelectricas. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid, Octubre de 2006. 23
24
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea.
Energia solar fotovoltaica. Consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.iter.es/I18NLayer.areasiter/es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20SOLAR%20FOTO VOLTAICA).pdf
La conversión de la radiación solar en energía eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica, que es el elemento base del proceso de transformación de la radiación solar en energía eléctrica. El mercado de la energía fotovoltaica es de ámbito mundial. La producción anual mundial de módulos está prevista en 2,4 GWb para el año 2010. Para alcanzar una producción anual de 2,4 Gwb en todo el mundo sería necesario un ritmo anual de crecimiento del 5%. 25 - Energía solar térmica.
La energía solar térmica usa directamente el sol, por lo que debe situarse en regiones con una alta radiación solar directa. Entre las áreas más prometedoras del mundo están el Suroeste de Estados Unidos, América Central y del Sur, Africa, Oriente Próximo, la Europa Mediterránea, Irán, Pakistán, y las regiones desérticas de India, la ex-Unión Soviética, China y Australia.26 Producir electricidad de la energía de los rayos solares es un proceso relativamente sencillo. La radiación solar directa puede concentrarse y recogerse mediante una serie de tecnologías (TCS) que proporcionarian temperaturas de medias a altas. Este calor se utiliza entonces para operar un ciclo termodinámico convencional, por ejemplo mediante una turbina de vapor o de gas, o un motor Stirling. El calor solar recogido durante el día puede también almacenarse en medios líquidos, sólidos o que cambian de fase, como sales fundidas, cerámicas, cemento, o en el futuro, mezclas de sales que cambian de fase. Por la noche, puede extraerse el calor del medio de almacenamiento para hacer funcionar la turbina.27
25
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea. Energía solar termoeléctrica. 2020. Pasos firmes contra el cambio climático. Greenpace. Consultado el 24 de septiembre de 2007. Disponible en: www.greenpeace.org/espana/reports/solar-termoelectrica-2020-pas 27 Ibid. 26
- Energía eólica.28 Cerca del 0.3% de esta energía es producida convirtiendo la energía cinética del viento en energía eléctrica, sin embargo, el uso del viento para la producción eléctrica se ha estado extendiendo rápidamente en años recientes. Los beneficios de la energía eólica incluyen:
•
Energía limpia e inagotable: La energía del viento no produce ninguna emisión y no se agota en un cierto plazo. Una sola turbina de viento de un megavatio (1 MW) que funciona durante un año puede reemplazar la emisión de más de 1.500 toneladas de dióxido de carbono, 6.5 toneladas de dióxido de sulfuro, 3.2 toneladas de óxidos del nitrógeno, y 60 libras de mercurio.
•
Desarrollo económico local: Las plantas eólicas pueden proporcionar un flujo constante de ingresos a los terratenientes que arriendan sus campos para la explotación del viento, y un aumento en la recaudación por impuestos territoriales para las comunidades locales.
•
Tecnología modular y escalable: las aplicaciones eólicas pueden tomar muchas formas, incluyendo grandes granjas de viento, generación distribuida, y sistemas para uso final. Las aplicaciones pueden utilizar estratégicamente los recursos del viento para ayudar a reducir los riesgos por el aumento en la carga o consumo y costos producidos por cortes.
•
Estabilidad del costo de la energía: La utilización de energía eólica, a través de la diversificación de las fuentes de energía, reduce la dependencia a los
28
Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006.
combustibles convencionales que están sujetos a variaciones de precio y volatilidad en su disponibilidad.
•
Reducción en la dependencia de combustibles importados: la energía eólica no esta afectada a la compra de combustibles importados, manteniendo los fondos dentro del país, y disminuyendo la dependencia a los gobiernos extranjeros que proveen estos combustibles.
Las Desventajas de la energía eólica (viento):
•
Impacto visual; su instalación genera una gran modificación en el paisaje.
•
Impacto sobre la fauna avícola, principalmente el choque de las aves contra las palas.
•
Impacto sonoro, el roce de las palas con el aire produce un ruido constante, la población más cercana deberá de estar al menos a 200 mts. Distancia para evitar disturbios en la vivienda.
•
Posibilidad de perturbar zonas arqueológicas interesantes. El viento es inducido principalmente por el calentamiento irregular de la superficie de la tierra y su atmósfera debido a las grandes cantidades de energía provenientes del sol.
La radiación solar que llega a la superficie de la tierra es convertida en energía cinética en la atmósfera y que el 30 por ciento de esta energía cinética ocurre bajo los 1000 metros de elevación. Se dice que el total de la energía cinética en esas bajas alturas, puede satisfacer más de 3 veces la demanda de energía de los Estados Unidos. La energía del viento no es contaminante y es una energía gratuita.
- Energía geotérmica29 La energía geotérmica se produce en las profundidades de nuestro planeta, para obtenerla es necesario extraerla por medio de pozos que llegan hasta una profundidad de 2000 metros y temperaturas en el fondo, cercanas a 310 grados centígrados. Es un recurso parcialmente renovable y de alta disponibilidad. Existen tres tipos de campos geotérmicos que dependen de la temperatura a la que sale el agua:
•
Energía geotérmica de alta temperatura: Se encuentra en zonas activas de
la corteza. Su temperatura está entre 150 y 400 grados centígrados. El vapor generado en la superficie, es enviado a turbinas que generan electricidad. •
Energía geotérmica de temperatura media: Aquí los fluidos de los acuíferos
están a temperaturas menos elevadas, entre 70 y 150 grados centígrados, por lo tanto la conversión de vapor a electricidad se realiza con un menor rendimiento.
•
Energía geotérmica de baja temperatura: Los fluidos se calientan entre
temperaturas de 20 y 60 grados centígrados. Está es utilizada en necesidades domésticas, urbanas o agrícolas. Ya que se disponen de pozos de explotación, se procede a la extracción del fluido geotérmico, que consiste en una combinación de vapor, agua y otros materiales, y se conduce hacia la planta dónde será tratado. En primer lugar, pasa por un separador dónde se elimina el vapor, y la combinación de agua y materiales que contiene, esto último se enviará a un pozo de reinyección con el fin de que el yacimiento no se agote.
29
Ibid.
- Energìa oceànica.30 Las investigaciones y los proyectos para obtener energía de los mares y los océanos todavía se encuentran en una fase preliminar; sin embargo, su potencial es muy alto ya que cualquier país con costa puede desarrollarla. Los ámbitos marinos de los cuales se puede puede obtener dicha energía son: La energía de las mareas o energía mareomotriz: resulta de aprovechar las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa de La Tierra y La Luna, y que resulta de la atracción gravitatoria de esta última y del sol sobre las masas de agua de los mares. La energía de las olas, o energía undimotriz, ha sido acogida como la más prometedora fuente de energía renovable para los países marítimos. Las olas se forman en cualquier punto del mar por la acción del viento; cuando el viento sopla con violencia, las olas alcanzan tamaño gigantesco y por el impulso de aquél corren sobre la superficie marina a gran velocidad y descargan toda su potencia sobre los obstáculos que encuentran en su camino. Los efectos de estos choques son enormes y la cantidad de energía disipada en ellos es considerable. La conversión de energía térmica oceánica o energía del gradiente térmico es un método de convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua que se encuentra a 100 m de profundidad. En las zonas tropicales esta diferencia varía entre 20 y 24º C. La diferencia de salinidad entre el agua de los océanos y el agua de los ríos se mantiene esencialmente por evaporación del agua de los océanos y por lluvia recibida por los ríos. En estas zonas puede obtenerse energía debido a las diferencias de presión osmótica lo que se denomina energía del gradiente salino. La energía de las corrientes marinas, necesita para su producción una velocidad superior a 5 nudos, equivalentes a 12 m/s en aire que movieran las turbinas. 30
Energía oceánica. Consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: C:\Documents and Settings\JONATHAN\Mis documentos\NATALIA\usb\Fuentes alternativas de energía\Energia del mar\oceanica.htm
- Energìa nuclear.31
Energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares. Cuando se fisionan ciertos núcleos como los del isótopo 235 del uranio, aparecen otros neutrones libres. Si en las proximidades del núcleo hay más núcleos de uranio, estos neutrones libres producirán a su vez más fisiones. Así en poco tiempo, el número de fisiones puede aumentar mucho, dando lugar a lo que se llama una reacción en cadena.
En cada una de las fisiones se produce una pequeña cantidad de energía en forma de calor; al producirse la reacción en cadena se suman las energías producidas en cada fisión y se puede obtener con este proceso una cantidad de energía considerable. Este es el origen de la energía nuclear. Ciertos núcleos pertenecientes sobre todo a isótopos no muy abundantes o creados artificialmente son inestables, y para alcanzar su estabilidad emiten radiaciones. Las centrales nucleoeléctricas son rentables, ya que necesitan muy poca cantidad de combustible, debido al elevado contenido energético del uranio enriquecido. Las centrales nucleoeléctricas funcionan con el mismo principio que las centrales térmicas convencionales: se utiliza calor para producir vapor. En las térmicas convencionales el calor se obtiene de la combustión de carbón o hidrocarburos como, combustóleo y gas. En las nucleoeléctricas el calor se obtiene de la fisión del uranio. En todos los casos, el combustible debe ser trasladado desde las minas, refinerías o centros de elaboración hasta la central.
31
Ravelo Mariana y Otros. Fuentes alternativas de energía. ¿Cuál será la energía que sustituirá el petróleo?. Revista de estadísticas, econometría y finanzas aplicadas. Vol 4 Nº 5 Ene-Jun de 2006.
En las centrales nucleoeléctricas, el combustible utilizado se envía a lugares donde se reprocesa para extraer los productos útiles; los productos radiactivos se separan para almacenarse en forma de productos químicos insolubles. También pueden almacenarse indefinidamente mediante un encapsulado o en albercas. En las centrales convencionales a base de carbón, las cenizas deben enterrarse y en las de combustóleo o gas, los productos de combustión van a la atmósfera. La energía de las fisiones que ocurren en el interior de un reactor nuclear hace que se caliente el agua en una vasija. Ésta agua, al igual que en otras centrales térmicas de carbón o combustóleo, se convierte en vapor para mover una turbina e impulsar al generador para producir electricidad. Para aprovechar y controlar la reacción en cadena se emplea un reactor nuclear, que contiene el combustible nuclear, capaz de producir la reacción en cadena. En el combustible se pueden introducir barras de control que disminuyen el número de fisiones que se producen, pues están fabricadas de boro, material capaz de absorber los neutrones libres.
LECCIÓN 04. USOS ACTUALES DE CADA TIPO DE ENERGÍA. A continuación se mostrará cuales son los usos actuales de las energías alternativas en el ámbio mundial. - Biocarburantes. Brasil es el principal productor de bioetanol a nivel muncial con 15.1 millardos de litros de producción anual y 14.5 millardos de litros de consumo interno. El bioetanol en Brasil es producido principalmente a partir de cañan de zucar. Por otro lado, Estados Unidos es el mayor consumidor de bioetanol y segundo productor a nivel mundial. Paises como Tailandia, Canadá, India y China, son los paises que le siguen a EEUU y Brazil en producción de bioetanol. Sólo en Japón durante el 2004, se importaron cerca de 150 millones de litros de bioetanol brasileño. Se espera que este país, establezca una mezcla del 3% de este producto con gasolina, lo que incrementaría la importación del producto. Además, a nivel mundial, se han establecido estrategias gubernamentales para la disposición de la combinación de Bioetanol con gasolina. A continuación se presenta una tabla de producción de etanol durante el 2004, en los principales productores de esta energía a nivel mundial.
Tabla 1. Producción de etanol durante 2004 a nivel mundial.
Fuente. RICO, Javier. Biocarburantes en el transporte. Institución para la diversificación y ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Septiembre de 2006
Por otro lado Malasia es el segundo productor mundial de aceite de palma, considerando doblar su área de cultivo hasta llegar a los 10 millones de hectáreas duante los próximos 30 años. Principalmente el uso de los biocarburantes se ha concentrado en el sector del transporte a nivel mundial.
En la actualidad, los biocombustibles líquidos son el producto menos competitivo de la biomasa en el mercado a causa de los bajos precios del petróleo. No obstante, es importante garantizar una presencia constante y en aumento de estos combustibles en el mercado puesto que los precios a corto y medio plazo del petróleo son imprevisibles, y a más largo plazo serán necesarias alternativas a las reservas finitas de petróleo. Se espera que la demanda de energía en el sector del transporte aumente fuertemente en el futuro, y por tanto también los problemas de emisiones asociados y la dependencia exterior del petróleo si no hay alternativas posibles. Los biocombustibles tienen una balanza energética global positiva, aunque variable según el cultivo, y depende asimismo del cultivo sustituido. El aumento del consumo de dichos combustibles dependerá de forma crucial de la reducción del diferencial entre los costes de producción de los biocombustibles y los productos competidores. 32 En Colombia, el programa de biocombustibles busca la implementación de estos con criterios de:33
•
Sostenibilidad ambiental,
•
Mantenimiento y desarrollo del empleo agrícola,
•
Autosuficiencia energética
•
Desarrollo agroindustrial.
•
Mejoramiento de la calidad de los combustibles del país, como resultado de la mezcla entre los biocombustibles y el combustible de orígen fósil.
El marco legal bajo el cual esta soportado el uso de biocarburantes en Colombia es la ley 693 del 19 de Septiembre de 2001.
32
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea. Los biocombustibles en Colombia. Ministerio de Minas y Energía. Cosultado el 20 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/2a84e89f4d73f130052567be0052c75a/8d566806de23cd580525705f00 432e6d?OpenDocument 33
La ley reglamente la mezcla en un 10% de gasolina con biocombustibles. - Biomasa. Según la agencia internacinal de la energía, el 10% de la energía primaria mundial procede de los recursos asociados a la fuente de energía de biomasa, incluidos los relacionados con combustibles líquidos y biogás. Gran parte de este porcentaje corresponde a los países pobres y en desarrollo, donde resulta ser la materia prima más usada para la producción de energía. En estos países se prevé un aumento en la demanda energética de esta fuente de energía.34 En África, Ásia y Latinoamérica, representa la tercera parte del consumo energético, principalmente utlizada para el consumo doméstico.35 Se espera que para el 2100 la cuota de participación de la biomasa en la producción energética mundial este entre el 25 y el 46%. Las aplicaciones más comunes de la energía por biomasa es para la producción de calor y agua claiente. En un nivel menor de desarrollo se sitúa la producción de electricidad. Las mateias más utilizadas para las aplicaciones térmicas de la biomasa son los residuos de las industrias agrícolas y forestales y los residuos de las actividades silvícolas. El bajo poder calorífico de la biomasa, su alto porcentaje de humedad y el contenido de volátiles, exigen de sistemas complejos para la producción de electricidad.
34
Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007. 35 Ibid.
El marco legal bajo para el uso de biomasa en Colombia al igual que los biocombustibles es la ley 693 del 19 de Septiembre de 2001. - Energía fotovoltaica. La potencia instalada en el mundo mediante sistemas solares fotovoltaicos ascendía, a finales de 2004, a 2.595 MWp. El mercado está liderado por Japón, con 1.132 MWp instalados, seguido de la Unión Europea, que ha multiplicado prácticamente por 8 la capacidad instalada en 1999, alcanzando en estos momentos una capacidad total de 1.004 Mwp. Gráfica 4. Potencia fotovoltaica instalada en el mundo para 2004.
Figura ___ . Fuente: Eficiencia energética y energías renovables Nº7. Instituto para la eficiencia y el ahorro de la energia. IDEA. Madrid. Septiembre de 2005
Las instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos36: •
Instalaciones aisladas de la red eléctrica.
•
Instalaciones conectadas a la red eléctrica.
En el primer tipo, la energía generada a partir de la conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda. Es el caso de aplicaciones como la electrificación de:
•
servicios y alumbrado público: iluminación pública mediante farolas autónomas de parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de montaña, alumbrado de vallas publicitarias, etc. Con la alimentación fotovoltaica de luminarias se evita la realización de zanjas, canalizaciones, necesidad de adquirir derechos de paso, conexión a red eléctrica, etc.
•
viviendas alejadas de la red eléctrica convencional, básicamente electrificación rural.
•
aplicaciones agrícolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego, iluminación de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeño, refrigeración, depuración de aguas, etc.;
•
señalización y comunicaciones: navegación aérea (señales de altura, señalización de pistas) y marítima (faros, boyas), señalización de carreteras, vías de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y televisión y telefonía, cabinas telefónicas aisladas con recepción a través de satélite o de repetidores, sistemas remotos de control y medida, estaciones de tomas de datos, equipos sismológicos, estaciones metereológicas, dispositivos de señalización y alarma, etc. El balizamiento es una de las aplicaciones más extendi-
36
Energía solar fotovoltaica. Consultado el 25 de septiembre de 2007. Disponible en: http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/energia-solar-fotovoltaica.html
da, lo que demuestra la alta fiabilidad de estos equipos. Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su ubicación generalmente en zonas de difícil acceso obligaban a frecuentes visitas para hacer el cambio de acumuladores y la vida media de éstos se veía limitada al trabajar con ciclos de descarga muy acentuados. En cuanto a las instalaciones conectadas a la red se pueden encontrar dos casos: centrales fotovoltaicas, (en las que la energía eléctrica generada se entrega directamente a la red eléctrica, como en otra central convencional de generación eléctrica) y sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red eléctrica, en los que una parte de la energía generada se invierte en el mismo autoconsumo del edificio, mientras que la energía excedente se entrega a la red eléctrica. También es posible entregar toda la energía a la red; el usuario recibirá entonces la energía eléctrica de la red, de la misma manera que cualquier otro abonado al suministro. Figura 1. Celda Fotovoltaica.
Fuente: Energía solar fotovoltaia. Luz verde. Consultado el 25 de septiembre de 2007. disponible en: http://www.luzverde.org/main2.html
Según la UPME, el recurso solar en Colombia en Kwh/m2/año, en cada una de las zonas geográficas esta distribuido como se muestra en la siguiente gráfica: Figura 2. Recurso solar en Colombia.
fuente: Evaluación convocatoria 2006. Orden al mérito URE. Unidad de Planeación Minero Energética.
- Energía solar térmica37 La energía solar térmica es la que representa mayor capacidad instalada de todas las energías renovables en el mundo. La potencia instalada para el 2004 fue de 98,4 GW térmicos. La energía solar térmica se emplea para calefacción de viviendas y agua caliente principalemente.
37
Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.
La mayor parte de los captadores solares instalados en el mundo, estan destinados para la producción de agua caliente de uso doméstico. Otra de las aplicaciones importantes de la energía solar en el mundo es para la climatización del agua para piscinas. El mercado solar térmico lo domina China con un porcentaje del 40% de los captadores solares colocados en el mundo, seguido por Japón, Turquía, Alemania e Israles, con altos índices de crecimiento. A continuación se presenta una tabla con la potencia solar térmica instalada para el 2001 a nivel mundial. Gráfica 5. Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo, 2001.
Figura ___ . Fuente: Eficiencia energética y energías renovables Nº7. Instituto para la eficiencia y el ahorro de la energia. IDEA. Madrid. Septiembre de 2005
−
Energía Eólioca
Para el año 2004, la potencia eólica instalada superó los 47 GW, con el 73% de estos concentrados en Europa. El diseño de aerogeneradores y materiales propios de la energía eólica han progresado en todos los aspectos técnicos, esto permitirá mejorar la calidad de la energía eléctrica producida por estos. La energía eólica está establecida como fuente de energía, en más de 50 países. Los países con la mayor capacidad instalada total en el 2005 fueron: Alemania (18.428 MW), España (10.027 MW), los EE.UU. (9.149 MW), la India (4.430 MW) y Dinamarca (3.122 MW). Países como Italia, el Reino Unido, los Países Bajos, China, Japón y Portugal, ya han alcanzado el umbral de 1.000 MW.38 La capacidad instalada global, se comporta con gran incremento los últimos 10 años.Según Greenpace la capacidad instalada global desde 1995-2005 tiene el siguiente comportamiento:
38
Perspectivas globales de la energía eólica 2006, Greenpace. Septiembre de 2006. consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/perspectivas-globales-de-la-en.pdf
Gráfica 6. Capacidad instalada acumulada global de energía eólica 19952005
Fuente. Perspectivas globales de la energía eólica 2006, Greenpace. Septiembre de 2006. consultado
el
25
de
Septiembre
de
2007.
Disponible
en:
http://www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/perspectivas-globalesde-la-en.pdf El principal uso a nivel mundial de la energía eólica es para la transformación en energía eléctirca. La estracción de agua del subsuelo a partir de molinos multipala de bombeo son otras aplicaciones de los generadores de energía eólica. 39 Un proceso que se esta estudiando es la ultilización de la energía eólica para generar electricidad y por medio de los aerogeneradores, extraer hidrógeno del agua mediante un proceso de electrólisis. De esta forma se podría obtener hidrógeno que no esta libre en el ambiente, se almacena y se utilizaría como otra fuente de energía.40
39
Clemente Álvarez. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y ahorro de la energía. IDAE. Madrid. Septiembre de 2006. 40 Ibid.
En Colombia, el recurso eólico presenta las siguientes características: Figura 3. Recurso eólico en Colombia.
fuente: Evaluación convocatoria 2006. Orden al mérito URE. Unidad de Planeación Minero Energética.
- Energía del mar.41 Energía de las mareas: La energía estimada que se disipa por las mareas es del orden de 22000 TWh. De esta energía se considera recuperable unos TWh. El obstáculo principal para la explotación de esta fuente es el económico. Los costos de inversión tienden a ser altos con respecto al rendimiento, debido a las bajas y variadas cargas hidráulicas disponibles. Estas bajas cargas exigen la 41
Energía Mareomotriz. Consultado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: http://luigidanycompany.iespana.es/energia_mareomotriz_y_geotermica.htm
utilización de grandes equipos para manejar las enormes cantidades de agua puestas en movimiento. Por ello, esta fuente de energía es sólo aprovechable en caso de mareas altas y en lugares en los que el cierre no suponga construcciones demasiado costosas. La limitación para la construcción de estas centrales, no solamente se centra en el mayor costo de la energía producida, si no, en el impacto ambiental que generan. La mayor central mareomotriz se encuentra en el estuario del Rance (Francia). Los primeros molinos de marea aparecieron en Francia, en las costas bretonas, a partir del siglo XII. El molino se instalaba en el centro de un dique que cerraba una ensenada. Se creaba así un embalse que se llenaba durante el flujo a través de unas compuertas, y que se vaciaba en el reflujo, durante el cual, la salida del agua accionaba la rueda de paletas. La energía sólo se obtenía una vez por marea. Si se ha tardado tanto tiempo en pasar de los sistemas rudimentarios a los que hoy en día conocemos, es porque, la construcción de una central mareomotriz plantea problemas importantes, requiriendo sistemas tecnológicos avanzados. Figura 4: Central mareomotriz.
Fuente: Energía Mareomotriz. Consultado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: http://luigidanycompany.iespana.es/energia_mareomotriz_y_geotermica.htm
Energía de las olas
Las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento, y el viento genera las olas. Únicamente el 0.01% del flujo de la energía solar se transforma en energía de las olas. Una de las propiedades características de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin apenas pérdida de energía. Por ello, la energía generada en cualquier parte del océano acaba en el borde continental. De este modo la energía de las olas se concentra en las costas, que totalizan 336000 km de longitud. La densidad de energía de las olas es, en un orden de magnitud mayor que la de la energía solar. Las distribuciones geográficas y temporales de los recursos energéticos de las olas están controladas por los sistemas de viento que las generan (tormentas, alisios, monzones). Figura 5. Poder de las olas.
Fuente: Energía Mareomotriz. Consultado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: http://luigidanycompany.iespana.es/energia_mareomotriz_y_geotermica.htm
Energía térmica oceánica
La explotación de las diferencias de temperatura de los océanos ha sido propuesta multitud de veces, desde que d’Arsonval lo insinuara en el año 1881, pero el más conocido pionero de esta técnica fue el científico francés George Claudi, que invirtió toda su fortuna, obtenida por la invención del tubo de neón, en una central de conversión térmica. La conversión de energía térmica oceánica es un método de convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua que se encuentra a 100 m de profundidad. En las zonas tropicales esta diferencia varía entre 20 y 24 ºC. Para el aprovechamiento es suficiente una diferencia de 20ºC. Las ventajas de esta fuente de energía se asocian a que es un salto térmico permanente y benigno desde el punto de vista medioambiental. Puede tener ventajas secundarias, tales como alimentos y agua potable, debido a que el agua fría profunda es rica en sustancias nutritivas y sin agentes patógenos. Las posibilidades de esta técnica se han potenciado debido a la transferencia de tecnología asociada a las explotaciones petrolíferas fuera de costa. El desarrollo tecnológico de instalación de plataformas profundas, la utilización de materiales compuestos y nuevas técnicas de unión harán posible el diseño de una plataforma, pero el máximo inconveniente es el económico. El principal uso de la energía mareomotriz a nivel mundial esta en la producción de energía eléctrica para viviendas y sector empresarial. Un primer inventario en el Pacífico colombiano arrojó un potencial de energía mareomotriz de 500 MW.42 El potencial estimado para los 3 000 km de costas colombianas respecto a la 42
Energías Renovable: Descripción, tecnologías y usos finales. Unidad de Planeación minero energética. UPME
energía de las olas es de 30 GW.43
- Energía geotérrmica El principal uso de la energía geotérmica es para la producción de energía eléctrica. Las áreas de posibilidad para la producción de energía geotérmica se presentan principalmente en zonas volcánicas activas como el volcán Galeras y Doña Juana en el departamento de Nariño, Sotará, Puracé y Pan de Azúcar en el departamenteo del Cauca, Nevado del Huila, Nevado del Tolima y el Nevado del Ruiz en el departamento de Caldas. Son muchas las zonas en Colombia que reúnen las condiciones geológicas, ambientales y estructurales para la explotación de energía geotérmica, principalmente a lo largo de la cordillera central.44 El mapa geotérmico de Colombia se presenta a continuación.
43
Ibid. Mora Navarro, Diego Camilo y Hurtado Liévano, Jorge Mauricio. Guía para el estudio de prefactibilidad de pequeñas centrales hidroeléctricas como parte de sistemas híbridos. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá 2004. 44
Figura 6. Mapa geotérmico de Colombia.
Fuente: Energías Renovable: Descripción, tecnologías y usos finales. Unidad de Planeación minero energética. UPME
- Energía Hidráulica La producción media anual de energía hidroeléctrica a nivel mundial es de 2600 TWh, representando el 16% del total de la energía eléctrica producida.45 La energía hidráulica es el segundo recurso renovable más utilizado en el mundo. Colombia, debido a su situación privilegiada desde el punto de vista hidrológico, tiene
un
gran
potencial
para
desarrollar
proyectos
que
impliquen
aprovechamientos hidráulicos. Como una primera aproximación para establecer el potencial físico hidroenergético se han tomado como base las características del territorio, en este caso, el agua y las posibilidades del terreno para aprovecharla, a partir de dos variables:46 1. La escorrentía, caudal (Q) o cantidad de agua que el río transporta en un tiempo determinado. 2. La pendiente del terreno, cabeza hidráulica o altura disponible entre el nivel de la superficie del fluido y el lugar inferior de la caída. El mapa hiidráulico de Colombia se presenta a continuación.
45
Adriana Castro. Minicentrales Hidroelectricas. Insituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid. Octubre de 2006. 46 Energías Renovable: Descripción, tecnologías y usos finales. Unidad de Planeación minero energética. UPME
Figura 7. Mapa de energía hidráulica en Colombia.
Fuente: Energías Renovable: Descripción, tecnologías y usos finales. Unidad de Planeación minero energética. UPME
Para producciones a gran escala esta fuente de energía tiene un campo de expansión limitado, ya que en países desarrollados la mayoría de los ríos cuentan con varias centrales y en países en vía de desarrollo los proyectos presentan dificultades desde lo financiero, ambiental y social. La fuente de crecimiento para este tipo de energía son las minicentrales hidroeléctricas, debido a la diversidad de caudales que se pueden aprovechar con nuevas tecnologías. 47
47
Adriana Castro. Minicentrales Hidroelectricas. Insituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid. Octubre de 2006.
- Pilas de combustibles. La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o como fuente de energía alternativa. No obstante, estos prototipos todavía son demasiado pesados y costosos, porque las pilas de combustible resultan voluminosas, pesadas y caras. En Estados Unidos, los tres mayores fabricantes de automóviles desarrollan en cooperación con compañías especializadas, sus propios automóviles con sistema de pila de combustible.48 Las principales aplicaciones de las pilas de combustible están centradas en el sector automotriz a nivel mundial. En Colombia el avance en investigaciones que manejen este sistema es modesto. - Energía nuclear
Los principales usos de la energía nuclear se pueden clasificar según las siguientes áreas.49 1. Agricultura Y Alimentación •
Control de Plagas.
Con la tecnología nuclear es posible aplicar la llamada "Técnica de los Insectos Estériles (TIE)", que consiste en suministrar altas emisiones de radiación ionizante a un cierto grupo de insectos machos mantenidos en laboratorio. Luego los machos estériles se dejan en libertad para facilitar su apareamiento con los 48
Diferentes tipos de combustible. Federación nacional de biocombustibles. Consultado el 24 de O ctubre de 2007. disponible en: http://www.fedebiocombustibles.com/tiposcombustibles.htm 49 Guillén Bustamante, Giovanny. Energía Nuclear. Consultado el 24 de octubre de 2007. disponible en: http://www.chemedia.com/cgi/smartframe/v2/smartframe.cgi?http://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtml
insectos hembra. Con este proceso, es posible controlar y disminuir su población en una determinada región geográfica. •
Mutaciones.
La irradiación aplicada a semillas, después de importantes y rigurosos estudios, permite cambiar la información genética de ciertas variedades de plantas y vegetales de consumo humano. El objetivo de la técnica, es la obtención de nuevas variedades de especies con características particulares que permitan el aumento de su resistencia y productividad.
•
Conservación de Alimentos.
Las radiaciones son utilizadas en muchos países para aumentar el período de conservación de muchos alimentos. Es importante señalar, que la técnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud humana, siendo capaz de reducir en forma considerable el número de organismos y microorganismos patógenos presentes en variados alimentos de consumo masivo.
2. Hidrología
Gracias al uso de las técnicas nucleares es posible desarrollar diversos estudios relacionados con recursos hídricos. En estudios de aguas superficiales es posible caracterizar y medir las corrientes de aguas lluvias y de nieve; caudales de ríos, fugas en embalses, lagos y canales y la dinámica de lagos y depósitos. En estudios de aguas subterráneas es posible medir los caudales de las napas, identificar el origen de las aguas subterráneas, su edad, velocidad, dirección, flujo, relación con aguas superficiales, conexiones entre acuíferos, porosidad y dispersión de acuíferos.
3. Medicina
•
Vacunas
Se han elaborado radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado y que afectan la producción pecuaria en general. Los animales sometidos al tratamiento soportan durante un período más prolongado el peligro de reinfección siempre latente en su medio natural.
•
Medicina Nuclear
Se ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico. En el diagnóstico se utilizan radiofármacos para diversos estudios de: Tiroides, Hígado, Riñón, Metabolismo, Circulación sanguínea, Corazón, Pulmón, Trato gastrointestinales. En terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilizan tratamientos en base a irradiaciones con rayos gamma provenientes de fuentes de Cobalto-60, así como también, esferas internas radiactivas, agujas e hilos de Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con una adecuada y prematura detección del cáncer, se obtienen terapias con exitosos resultados.
•
Radioinmunoanálisis
Se trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para realizar mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas del suero, fármacos y variadas sustancias.
El procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente, donde con posterioridad se añadirá algún radioisótopo específico, el cual permite obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y otras sustancias de interés.
•
Radiofarmacos
Se administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo humano. De este modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el pulmón, el hígado y el riñón, así como el volumen y circulación sanguíneos. También, se utilizan radiofármacos como el Cromo - 51 para la exploración del bazo, el Selenio - 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto - 57 para el diagnóstico de la anemia.
4. Medio Ambiente En esta área se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de diversos contaminantes del medio ambiente. La técnica más conocida recibe el nombre de Análisis por Activación Neutrónica, basado en los trabajos desarrollados en 1936 por el científico húngaro J.G. Hevesy, Premio Nobel de Química en 1944. La técnica consiste en irradiar una muestra, de tal forma, de obtener a posteriori los espectros gamma que ella emite, para finalmente procesar la información con ayuda computacional. La información espectral identifica los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los mismos. Una serie de estudios se han podido aplicar a diversos problemas de contaminación como las causadas por el bióxido de azufre, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en derrames de petróleo, en desechos agrícolas, en contaminación de aguas y en el smog generado por las ciudades.
5. Industria e Investigación
•
Trazadores
Se elaboran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Luego se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión radiactiva, lo que permite investigar diversas variables propias del proceso. Entre otras variables, se puede determinar caudales de fluidos, filtraciones, velocidades en tuberías, dinámica del transporte de materiales, cambios de fase de líquido a gas, velocidad de desgaste de materiales, etc..
•
Instrumentación
Son instrumentos radioisótopicos que permiten realizar mediciones sin contacto físico directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o bien de densidad.
•
Imágenes
Es posible obtener imágenes de piezas con su estructura interna utilizando radiografías en base a rayos gamma o bien con un flujo de neutrones. Estas imágenes reciben el nombre de Gammagrafía y Neutrografía respectivamente, y son de gran utilidad en la industria como método no destructivo de control de calidad. Con estos métodos se puede comprobar la calidad en soldaduras estructurales, en piezas metálicas fundidas, en piezas cerámicas, para análisis de humedad en materiales de construcción, etc..
•
Datación
Se emplean técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas y arqueológicas. Una de las técnicas utiliza el Carbono-14, que consiste en determinar la cantidad de dicho isótopo contenida en un cuerpo
orgánico. La radiactividad existente, debida a la presencia de Carbono-14, disminuye a la mitad cada 5730 años, por lo tanto, al medir con precisión su actividad se puede inferir la edad de la muestra.
•
Investigación
Utilizando haces de neutrones generados por reactores, es posible llevar a cabo diversas investigaciones en el campo de las ciencias de los materiales. Por ejemplo, se puede obtener información respecto de estructuras cristalinas, defectos en sólidos, estudios de monocristales, distribuciones y concentraciones de elementos livianos en función de la profundidad en sólidos, etc.. En el ámbito de la biología, la introducción de compuestos radiactivos marcados ha permitido observar las actividades biológicas hasta en sus más mínimos detalles, dando un gran impulso a los trabajos de carácter genético.
En Colombia, el Gobierno Nacional, mediante el Decreto No. 70 de 2001, le asignó al Ministerio de Minas y Energía la competencia de adoptar la política nacional en materia de energía nuclear y gestión de materiales radiactivos. Así mismo le otorgó la dirección y coordinación de lo relacionado con la reglamentación, el licenciamiento y el control de materiales nucleares y radiactivos en el país, y la vigilancia de su cumplimiento de conformidad con las disposiciones vigentes sobre la materia.50
50
Usos pacíficos de la energía nuclear. Consultado el 24 de octubre de 2007. disponible en: http://www.minminas.gov.co/minminas/sectores.nsf/2a84e89f4d73f130052567be0052c75a/a0ac3ff70becda4505256def0070 bd0f?OpenDocument
LECCIÓN 05. ADELANTOS EN MATERIA DE ENERGÍAS RENOVABLES.
El cambio climático es uno de los principales impulsadores de las investigaciones en materia de emisiones de CO2 a la atmósfera y todo lo relacionado con el cuidado del medio ambiente. Países a nivel mundial reconcen la urgente necesidad de abordar el problema del cambio climático, y las principales acciones desarrolladas por los países entan orientadas hacia alcanzar el objetivo de la reducción de emisiones causantes del efecto infernadero. En el caso de los países industrializados, se acordo como objetivo la reducción del 15% de las emisiones de gases para el año 2010, tomando como referencia el nivel de 1990.51 Las tendencias de los últimos años demuestran progresos tecnológicos relacionados con las tecnologías de energía renovable. Los costos para la implementación de energías renovables se reducen con la evoluación de las tecnologías, acercandose a la viabilidad económica. También están apareciendo los primeros signos de aplicación a gran escala de energía eólica y colectores térmicos solares. Algunas tecnologías, en especial las de los biocombustibles y las minicentrales
hidráulicas
y
eólicas,
son
actualmente
competitivas
y
económicamente viables, especialmente comparadas con otras aplicaciones no centralizadas. Los generadores fotovoltaicos, aunque se caracterizan por una rápida disminución de costos, continúan siendo más dependientes de condiciones climáticas favorables. Los calentadores solares de agua son actualmente competitivos en muchas regiones de la Unión Europea. 52 En la siguiente gráfica se presenta las capacidades de energías renovables a nivel mundial.
51 52
Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea. Ibid.
Gráfica 7. Capacidades de energías renovables a nivel mundial.
Fuente: Revista Nuetro Planeta, Torno 16 Nº a, revista del programa de las Naciones Unidas para el Medio ambiente. Reseña. Energías Renovables.
El principal obstáculo para dar mayor uso a las energías renovables, equivale a los costos iniciales de ejecuón e implantación de cada proyecto. Otro obstáculo es que las tecnologías de energía renovable, como ocurre con otras muchas tecnologías innovadoras, sufren de una falta de confianza inicial por parte de los inversores, los Gobiernos y los usuarios, causada por la falta de familiaridad con su potencial técnico y económico, así como por la resistencia general al cambio y las nuevas ideas.53 A escala mundial, Europa está en la vanguardia en diversas tecnologías de energía renovable. 53
Ibid
Para las nuevas tecnologías de energía renovable (a excepción de centrales hidroeléctricas y el uso tradicional de la biomasa), se calcula que la cifra de negocios anual a nivel internacional supera los 5.000 millones de euros, de los que a Europa le corresponde más de una tercera parte.54 En Colombia se adelantan grandes esfuerzos en el uso de energías renovables para brindar un uso racional y eficiente a la energía. Según la UPME (Unidad de Planeaciòn Minero Energètica), el 22 de Mayo de 2007 el Ministerio de la Industria Básica de la República de Cuba y el Ministerio de Minas y Energía de la República de Colombia, firmaron un convenio marco binacional sobre cooperación en materia de uso racional de energía URE y uso de energías renovables UER. El objetivo de la alianza es incrementar los recursos humanos, científicos y técnicos para fortalecer la URE y el UER en los dos países, además de estimular un marco regulatorio e institucionales en beneficio social y ambiental55 El marco legal bajo el cual estan reglamentadas el uso de las energías renovables en Colombia y sus aplicaciones, esta fundamentado en la ley 693. Para dar un conocimiento mám amplio sobre los principales avances a nivel mundial en el uso y generación de energías renovables en el mundo se invita al estudiante a ingresar a la revista Nuetro Planeta, Torno 16 Nº 4, revista del programa de las Naciones Unidas para el Medio ambiente y leer los artículos Potencial Abundante, La energía es una lotería y Lo pequeño es poderoso. Revista Ourtplanet
54
Ibid. Escenarios y estrategias. Minería y Energía. Unidad de Planeación Minero Energética. Edición 12. Julio de 2007. Bogotá D.C. 55
CAPÍTULO 2. ENERGÍA FOTOVOLTAICA
FUENTE: Energía solar fotovoltaica. Disponible en: http://www.luzverde.org/main2.html
LECCIÓN 06. INTRODUCCIÓN. La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, (en la conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica). Para esta conversión se utilizan dispositivos denominados células solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. El material más utilizado es el Silicio Estas células conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensión y la corriente que se ajuste a la demanda.56 56
Energia solar fotovoltaica. Consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.iter.es/I18NLayer.areasiter/es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20SOLAR%20FOTO VOLTAICA).pdf
Se considera que el proceso de transformación de la energía solar en energía eléctrica por el efecto fotovoltaico tiene sus orígenes teóricos y conceptuales a principios del siglo XX, con la publicación de un artículo de Albert Einstein sobre el efecto fotolumínico.57
A mediados del siglo XX se produce el primer avance técnico significativo, con la creación de la primera célula de silicio, desarrollada por investigadores de la Universidad de New Jersey (EE.UU.) Desde entonces, las innovaciones tecnológicas en este campo han ido en aumento se puede decir que la energía solar fotovoltaica posee la base suficiente como para ser económicamente viable y rentable. Las principales ventajas de la energía fotovoltaica son:
•
Posee instalaciones sin partes móviles susceptibles de sufrir roturas
•
Tiene un bajo costo de mantenimiento
•
No produce combustión, por tanto no se generan contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc.
•
El principal elemento para la fabricación de células fotovoltaicas, es abundante en la naturaleza, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.
57
Situación de la energía solar fotovoltaica en el mundo, Europa y España. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: C:\Documents and Settings\JONATHAN\Mis documentos\NATALIA\usb\Fuentes alternativas de energía\Fuentes alternativas de energía\fotovoltaica\index.htm
•
Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto visual es reducido .Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2).
•
Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.
•
No precisa ningún suministro exterior (combustible) ni presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).
Inconvenientes
•
Impacto en el proceso de fabricación de las placas:Extracción del Silicio, fabricación de las células
•
Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno Impacto visual
Barreras para su desarrollo
•
De carácter administrativo y legislativo:Falta de normativa sobre la conexión a la red
•
De carácter inversor: Inversiones iniciales elevadas
•
De carácter tecnológico: Necesidad de nuevos desarrollos tecnológicos
•
De carácter social: Falta de información.
El comportamiento en la producción de la energía solar fotovoltaica se presenta en la siguiente gráfica. Es de destacar que Estados Unidos, Japón y Europa son los principales productores de esta fuente de energía a nivel mundial.
Gráfica 8. Producción mundial de energía solar fotovoltaica 1995-2003
Fuente: Situación de la energía solar fotovoltaica en el mundo, Europa y España. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.energiasrenovables.ciemat.es/especiales/solar_fotovoltaica/1.htm
La energía solar fotovoltaica es una de las energías renovables que presenta mayor despliegue y modernización a nivel mundial. El cuadro anterior demuestra la significativa evoluación en las instalaciones y aprovechamiento de esta fuente de energía en la última década.
LECCIÓN 07. RADIACIÓN SOLAR.58 La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía procedente del sol es radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el núcleo del sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar. Para el caso de la enrgía fotovoltaica, la radiación solar es importante pues a partir de ella se diseñan instrumentos para la captura de la energía del sol en energía calórica y energía eléctrica. El sol emite energía en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusión, reflexión en las nubes y de absorción por las moléculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partículas en suspensión, la radiación solar alcanza la superficie terrestre oceánica y continental que la refleja o la absorbe. La cantidad de radiación absorbida por la superficie es devuelta en dirección al espacio exterior en forma de radiación de onda larga, con lo cual se transmite calor a la atmósfera. La energía solar llega en forma de radiación electromagnética o luz. La radiación electromagnética, son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse, por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Las principales unidades de radiación se representan en la siguiente tabla. 58
Radiación solar. IDEAM. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#_UNIDADES_de_Medida
Tabla 2. Unidades de medición de la radiación. Unidad 1 vatio (W)
Equivalencia 1Joule/segundo
1 W*h 1 KW*h 1 W*h 1 Caloría 1 Caloría 1 cal/cm2 1 MJ/m2 1 MJ/m2 1 MJ/m2 1BTU 1BTU 1 cal/(cm2*min)
(J/s) 3.600 J 3,6 MJ 3,412 Btu 0.001163 W*h 4,187 Joule 11,63 W*h/m2 0,27778 kW*h/m2 277,78 W*h/m2 23,88 cal/cm2 252 calorías 1,05506 KJ 60,29 MJ/m2 por día
La radiación solar se mide en forma directa utilizando instrumentos que reciben el nombre de radiómetros y en forma indirecta mediante modelos matemáticos de estimación que correlacionan la radiación con el brillo solar. Los radiómetros solares como los piranómetros o solarímetros y los pirheliómetros, según sus características, pueden servir para medir la radiación solar incidente
global
(directa más difusa), la directa (procedente del rayo solar), la difusa, la neta y el brillo solar. Los radiómetros se pueden clasificar según diversos criterios: el tipo de variable que se pretende medir, el campo de visión, la respuesta espectral, el empleo principal a que se destina, etc.
Tabla 3. Instrumentos meteorológicos para la medida de la radiación
Tipo de Instrumento
Piranómetro
Parámetro de Medida i) Radiación Global, ii)Radiación directa, iii)Radiación difusa iv) Radiación solar
Piranómetro Espectral
reflejada. (usado como patrón nacional) Radiación Global en intervalos
Pirheliómetro Absoluto
espectrales de banda ancha Radiación Directa (usado como patrón
nacional) Pirheliómetro de incidencia Radiación Directa (usado como patrón normal Pirheliómetro (con filtros) Actinógrafo Pirgeómetro Radiómetro
neto
piranómetro diferencial Heliógrafo
secundario) Radiación Directa en bandas espectrales anchas Radiación Global Radiación Difusa ó Radiación Neta Brillo Solar
1. Piranómetro: es el instrumento más usado en la medición de la radiación.
Mide la radiación semiesférica directa y difusa (global) que se mide sobre una superficie horizontal en un ángulo de 180 grados, obtenida a través de la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequeño disco plano. Cuando el aparato es expuesto a la radiación solar, los sectores negros se vuelven más cálidos que los blancos. Esta diferencia de temperatura se puede detectar electrónicamente generándose un voltaje eléctrico proporcional a la radiación solar incidente. En la variación de la temperatura puede intervenir el viento, la lluvia y las pérdidas térmicas de la radiación al ambiente. Por lo tanto, el piranómetro tiene instalado una cúpula de vidrio óptico transparente que protege el detector, permite la transmisión isotrópica del componente solar y sirve para filtrar la radiación entre las longitudes de onda que oscilan
aproximadamente entre 280 y 2.800 nm. Un piranómetro acondicionado con una banda o disco parasol, que suprime la radiación directa, puede medir la radiación difusa. Figura 8. Piranómetros.
A. Piranómetro Blanco y Negro B. Piranómetro espectral de precisión (PSP) Eppley (BWP)
Fuente: Radiación solar. IDEAM. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#_UNIDADES_de_Medida
2. Pirheliómetros: son instrumentos usados para la medición de la radiación
solar directa. Esto se consigue colocando el sensor normalmente en el foco solar, bien manualmente o bien sobre un montaje ecuatorial. Hay varios tipos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y secundarios.
Figura 9. Pirheliómetro de cavidad Absoluta, serie PMO-6.
Fuente: Radiación solar. IDEAM. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#_UNIDADES_de_Medida
3. Actinógrafo: es un instrumento para registrar la radiación global que fun-
ciona mediante un sensor termomecánico, protegido por una cúpula en vidrio. Está conformado por un arreglo bimetálico de dos superficies, una pintada de color negro para que absorba las ondas electromagnéticas de la radiación solar y la otra de blanco para que las refleje y así ocasionar diferencia de temperatura que permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una gráfica que registra los valores de radiación global. La precisión de los valores de la radiación global que se obtienen con este instrumento es del orden de ± 8%. Estos instrumentos requieren de una calibración con un patrón secundario una vez por año. El actinógrafo se diferencia de un piranómetro por que el sensor es una lámina bimetálica y el del piranómetro es una termopila
Figura 10. Actinógrafo Fuess.
Fuente: Radiación solar. IDEAM. Consultado el 24 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.ideam.gov.co/radiacion.htm#_UNIDADES_de_Medida
4. Radiómetro neto: diseñado para medir la diferencia entre la radiación ascendente y la descendente, a través de una superficie horizontal. La aplicación básica de un radiómetro neto es determinar la radiación diurna y nocturna como un indicador de la estabilidad. Las categorías de estabilidad nocturnas generalmente usadas en los estudios de contaminación del aire se basan en la velocidad del viento, la radiación neta y el aspecto del cielo. 5. Heliógrafo: es un instrumento registrador que proporciona las horas de sol efectivo en el día (insolación o brillo solar). Registra los periodos de tiempo de radiación solar directa que superan un valor mínimo. Opera focalizando la radiación solar mediante una esfera de vidrio a manera de lente convergente, en una cinta con escala de horas (ver figura 10), que, como resultado de la exposición a la radiación solar directa, se quema formando líneas, cuya longitud determina el número de horas de brillo del Sol.
6. Medición de la radiación solar difusa: Las mediciones de la radiación difusa se realizan con Piranómetros cuyo sensor es sombreado por una banda o disco, de manera que no deja pasar radiación solar directa. El más tradicional utiliza la banda de sombra en forma de aro o semiaro, puesto de acuerdo con la declinación del sol y la latitud del lugar. De esta manera, el sensor se protegerá de la radiación directa durante el día. La figura 11 ilustra uno de ellos.
LECCIÓN 08. CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA Y CÉLULAS SOLARES La energía solar es la fuente principal de vida en la Tierra: dirige los ciclos biofísicos y geofísicos y químicos que mantienen la vida en el planeta, los ciclos del oxígeno, del agua, del carbono y del clima. El Sol apoya el proceso de suministro de alimentos mediante la fotosíntesis, y como es la energía del sol la que induce el movimiento del viento y del agua y el crecimiento de las plantas, la energía solar es el origen de la mayoría de fuentes de energía renovables, tanto de la energía eólica, la hidroeléctrica, la biomasa, y la de las olas y corrientes marinas, como de la energía solar propiamente dicha.59 59
Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en: C:\Documents and Settings\JONATHAN\Mis documentos\NATALIA\usb\Fuentes alternativas de energía\Fuentes alternativas de energía\fotovoltaica\energia solar fotovoltaica.htm
La enrgía solar se puede aprovechar en forma pasiva (energía solar pasiva), sin la utilización de dispositivos o aparatos intermedio, mediante la adecuada ubicación, diseño y orientación de los edificios, empleando correctamente las propiedades fisicoquímicas de los materiales y los elementos arquitectónicos de los mismos: aislamientos, tipo de cubiertas, protecciones, etc. El aprovechamiento de la energía solar en forma activa (energía solar activa), captando energía térmica (calor) o generando electricidad. El aprovechamiento térmico de la energía solar para calentar agua (incluso para calefacción) es posible gracias a los captadores solares de agua; una instalación de 4 m2. de captadores y 300 litros de acumulación da agua caliente para toda una familia (en función de la localidad, consumo, hábitos, etc.), ahorra más de media tonelada de CO2 al año y cuesta alrededor de 2.400 euros (400.000 ptas). Incluso, ampliando la superficie de colectores solares, se puede obtener energía para calefacción, distribuyéndola por suelo radiante.
60
Existen además, captadores solares de aire (para calefacción), cocinas solares, plantas desalinizadoras solares, y otras aplicaciones térmicas. Por otro lado, se puede generar electricidad a partir de la energía solar térmica, mediante las llamadas centrales de torre o mediante colectores cilindro-parabólicos; en estas instalaciones. se calienta un fluido, que transporta el calor y genera electricidad mediante una turbina y un alternador La electricidad solar fotovoltaica se genera mediante células fotovoltaicas, la radiación solar se transforma directamente en electricidad, aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores. El material base para la fabricación de las células fotovoltaicas es el silicio, que se obtiene a partir de la arena. Las células fotovoltaicas, por lo general de color negro o azul oscuro, se
60
Ibid.
asocian en grupos y se protegen de la intemperie formando módulos fotovoltaicos.61 La energía producida por los módulos fotovoltaicos se mide en kWh siendo 1kWh la energía que produciría 1kWp en condiciones de máxima potencia durante 1 hora. Varios módulos fotovoltaicos, junto con los cables eléctricos que los unen y con los elementos de soporte y fijación propios de esta instalación, constituyen lo que se conoce como un generador fotovoltaico. La electricidad producida por un generador fotovoltaico es en corriente continua, y sus características instantáneas (intensidad y tensión) varían con la irradiancia (intensidad energética) de la radiación solar que ilumina las células, y con la temperatura ambiente. Mediante diferentes equipos electrónicos, la electricidad generada con fuente solar o energía solar se puede transformar en corriente alterna, con las mismas características que la electricidad de la red convencional. 62
- Células solares63
Las células solares o células fotovoltaicas son un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semi-conductor, muy a menudo de silicio. Fabricación A partir de las rocas ricas en cuarzo, por ejemplo cuarcita se obtiene silicio de alta pureza (de alrededor del 99%) y se funde. Una vez fundido se inicia la cristalización, resultando, si el tiempo es suficiente, lingotes de silicio cristalino. El 61 62
63
Ibid. Ibid.
Energía fotovoltaica. Consutada el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/celulas-solares.html
proceso de corte es muy importante ya que puede suponer pérdidas de hasta el 50% de material. Tras el proceso de corte se procede al decapado, que consiste en eliminar las irregularidades y defectos debidos al corte, así como los restos de polvo o virutas que pudiera haber. Una vez limpia se le realiza un tratamiento antirreflectante para obtener una superficie
que
absorba
más
eficientemente
la
radiación
solar.
Formación de la unión mediante la deposición de varios materiales (boro y fósforo generalmente), y su integración en la estructura de silicio cristalino.
Finalmente
provee
a
la
célula
de
contactos
eléctricos
adecuados.
Tipos •
Silicio Monocristalino: material de silicio caracterizado por una disposición ordenada y periódica de átomo, de forma que solo tiene una orientación cristalina, es decir, todos los átomos están dispuestos simétricamente. sc-Si (single crystal).Presentan un color azulado oscuro y con un cierto brillo metálico. Alcanzan rendimientos de hasta el 17%.
•
Silicio policristalino: silicio depositado sobre otro sustrato, como una capa de10-30 micrómetros y tamaño de grano entre 1 micrómtero y 1 mm. Las direcc direccion iones es de alineac alineación ión va van n cambia cambiando ndo cada cada cierto cierto tiempo tiempo durant durantee el proceso de deposición. Alcanzan rendimientos de hasta el 12%.
•
Silicio amorfo: compuesto hidrogenado de silicio, no cristalino, depositado sobre otra sustancia con un espesor del orden de 1 micrometro. am-Si, o am-S am-Si: i:H H No ex exis iste te estr estruc uctu turra cris crista talilina na orde ordena nada da,, y el sili silici cio o se ha depo deposi sita tado do sobr sobree un sopo soport rtee tran transp spar aren ente te en form formaa de una una capa capa fina fina.. Presentan un color marrón y gris oscuro.Las células de silicio amorfo (no cristalino) parecen tener unas perspectivas de futuro muy esperanzadoras. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor y fabr fabric icac ació ión n más más simp simple le y bara barata ta,, aunq aunque ue con con efic eficie ienc ncia ia del del 6-8%. 6-8%. Su prin princi cipa pall camp campo o de apli aplica caci ción ón en la actua ctuali lida dad d se encue ncuent ntrra en la alim alimen enta taci ción ón de relo reloje jes, s, calcu calculad lador oras as,, etc. etc. Son Son muy muy adec adecua uada dass para para conf confec ecci ción ón
de
módu módulo loss
semi semittransp anspar aren ente tess
emple mplead ados os
en
algu alguna nass
instalaciones integradas en edificios.
Figura 11. Célula fotovoltaica.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en: www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica /fv/solten/(ENERG_315A %20SOLAR %20 %20FO
TOVOLTAICA ).pdf
−
Módulos fotovoltaicos64
Conjunto completo, medioambientalmente protegido, de células interconectadas. En general las células tienen potencias nominales próximas a 1Wp, lo que quiere decir que con una radiación de 1000W/m2 proporcionan valores de tensión de unos 0,5 V y una corriente de unos dos amperios. Para obtener potencias utilizables para aparatos de mediana potencia, hay que unir un cierto número de células con la finalidad de obtener la tensión y la corriente requeridas. Para tener más tensión hay que conectar varias células en serie. Conectando 36 (dimensiones normales, 7.6 cm de diámetro) se obtienen 18 V, tensión suficiente para hacer funcionar equipos a 12V, incluso con iluminaciones mucho menores de 1kW/m2. La unidad básica de las instalaciones fotovoltaicas es, pues, la placa fotovoltaica, que contiene entre 20 y 40 células solares; estas placas se conectan entre sí en serie y/o paralel lelo para obtener ner el voltaje deseado (12V 12V, 14V, etc.). Estas células interconectadas y montadas entre dos láminas de vidrio que las pro protege tegen n de la inte intemp mpeerie rie const onstit ituy uyeen lo que se den denomin ominaa un módu módulo lo fotovoltaico. Figura 12. Célula fotovoltaica.
64
Ibid.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S www.iter .es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
LECCIÓN 09. GENERADOR FOTOVOLTAICO.65
Los módulos fotovoltaicos ensamblados mecánicamente entre ellos forman el panel, mientras que un conjunto de módulos o paneles conectados eléctricamente en serie, forman la rama. Más ramas conectadas en paralelo, para obtener la potencia deseada, constituyen el generador fotovoltaico. Así el sistema eléctrico 65
Ener Energí gíaa solar solar foto fotovo volt ltaic aica. a. Cons Consul ultad tado o el 24 de Septi Septiem embre bre de 2007 2007.. Dispo Disponi nible ble en: en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S www.iter .es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
puede proporcionar las características de tensión y de potencia necesarias para las diferentes aplicaciones. Figura 13. Generador fotovoltaico.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S www.iter .es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
Los módulos fotovoltaicos que forman el generador, están montados sobre una estructura mecánica capaz de sujetarlos y orientada para optimizar la radiación solar. La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico varía en función de la insolación y de la latitud del lugar. lugar. La producción de energía eléctrica fotovoltaica, al depender de la luz del sol, no es constante, sino que está condicionada por la alternancia del día y de la noche, por los ciclos de las estaciones y por la variación de las condiciones eteorológicas. Además, el generador fotovoltaico proporciona corriente eléctrica continua. Figura 14: Tipos de Inversores.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S www.iter .es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
A menudo estas características no se adaptan a las necesidades de los usuarios que, normalmente, necesitan corriente eléctrica alterna, con valores constantes de tensión. Por lo tanto, el envío de la energía del sistema fotovoltaico al usuario se realiza a través de otros dispositivos necesarios para transformar y adaptar la corriente continua producida por los módulos a las exigencias de utilización: el más más sign signifi ifica cati tivo vo es un disp dispos osit itiv ivo o estát estátic ico o ( Inversor ), que tran transf sfor orma ma la corriente continua en corriente alterna. LECCIÓN 10. ELEMENTOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO.66 El sistema fotovoltaico se define como un conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren a captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas, independientemente de su utilización y del tamaño de potencia, se pueden dividir en dos categorías: 66
Ibid.
•
sistemas conectados a la red (grid connected )
•
sistemas aislados (stand alone )
Sistemas conectados a la red (grid connected) Los sistemas conectados a la red están permanentemente conectados a la red eléctrica nacional. En las horas de irradiación solar escasa o nula, cuando el generador fotovoltaico no produce energía suficiente para cubrir la demanda de electricidad, es la red que proporciona la energía necesaria. Viceversa, si durante las horas de irradiación solar el sistema fotovoltaico produce más energía eléctrica de la que se gasta, el exceso se transfiere a la red. Por decisión administrativa se permite a los operadores que gestionan sistemas fotovoltaicos conectarse a la red eléctrica nacional. Gracias a las mediciones realizadas por un contador y a los precios establecidos por la Autoridad misma, se puede vender a la red eléctrica la energía producida en exceso y coger energía de la red cuando la cantidad de energía auto producida es insuficiente.
Figura 15: sistemas conectados en red.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf Sistemas aislados (stand alone) Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajos para los cuales no compensa pagar el coste de la conexión a la red, y para los que sería muy difícil conectarlos debido a su posición poco accesibles: ya a partir de distancia de más de 3 Km de la red eléctrica, podría resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para alimentar una vivienda. En los sistemas fotovoltaicos aislados es necesario almacenar la energía eléctrica para garantizar la continuidad de la erogación incluso en los momentos en los que no es producida por el generador fotovoltaico. La energía se acumula en una serie de acumuladores recargables (baterías), dimensionados de la manera que garanticen una suficiente autonomía para los periodos en los que el sistema fotovoltaico no produce electricidad. La tecnología actual permite usar baterías de
plomo ácido de larga duración (más de 6 años), con exigencias de mantenimiento casi nulas. En los sistemas aislados hace falta instalar también un regulador de carga , que fundamentalmente sirve para preservar las baterías de un exceso de carga del generador fotovoltaico y de un exceso de descarga debido a la utilización. Ambas condiciones son nocivas para la correcta funcionalidad y la duración de los acumuladores. En los sistemas aislados es necesario que el generador fotovoltaico esté dimensionado de la manera que permita, durante las horas de irradiación solar, tanto la alimentación de la cantidad de energía necesaria, como la recarga de las baterías de acumulación. Figura 16: Sistemas aislados.
Fuente: Energía solar fotovoltaica. Consultado el 24 de Septiembre de 2007. Disponible en:
www.iter.es/.../es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20S OLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
Cuánta energía produce un sistema fotovoltaico La cantidad de energía eléctrica producida da un sistema fotovoltaico depende básicamente de la eficiencia de los módulos y de la irradiación solar, o de la radiación solar incidente. La radiación solar incidente en la tierra tiene un valor variable en función de la distancia entre la Tierra y el Sol, o de la latitud de la localidad donde están instalados los módulos fotovoltaicos. También es importante la inclinación de los módulos: una correcta inclinación influye mucho en la cantidad de energía solar captada y por lo tanto en la cantidad de energía eléctrica producida. La presencia de la atmósfera, finalmente, implica una serie de fenómenos sobre la radiación incidente, entre los cuales el efecto de filtro que reduce considerablemente la intensidad de la radiación en el suelo y la fragmentación de la luz. Se calcula aproximadamente que un metro cuadrado de módulos fotovoltaicos de buena calidad, puede producir de media 180 KWh al año (0,35 KWh al día en periodo invernal, y 0,65 KWh. al día en periodo estival.
CAPÍTULO 3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA LECCIÓN 11. INTRODUCCIÓN La capacidad instalada de energía solar térmica a nivel mundial supera las de otras fuentes de energía como la eólica, y fotovoltaica. Grafica 9: Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo Año 2004.
Fuente. Boletín idea. Eficiencia Energética y Energías Renovables. IDAE. Madrid. Octubre de 2006.
Son varias las aplicaciones para las cuales se esta destinando la energía solar. En países como Canadá y Estados Unidos se usa principalmente para la calefacción de pisicinas mediante colectores no vidriados. Los usos a partir de colectores vidriados y de vacío se emplean principalmente para la producción de agua caliente sanitaria y calefacción. El uso de los sistemas vidriados es abanderado por China, Taiwán, Europa y Japón. Son muchas las exigencias a las que se enfrenta el sector solar térmico, se requiere abanzar en tecnologías para colectores solares, máquinas de absorción para la producción de frío a partir de energía solar, energía solar aplicada a
procesos de desalinización, y una mayor integración de esta energia en el entorno urbano. La tecnología solar termoeléctrica se basa en la generación de energía eléctrica a partir de la concentración de la radiación solar directa a temperaturas superiores a los 400°C. La energía térmica captada se utiliza para activar un ciclo termodinámico convencional, el cual tambien permite almacenarse en sistemas líquidos, sólidos o de cambio de fase, para una utilización posterior en el ciclo térmico durante la noche.67 Existen tres tipos de tecnologías para el aprovechamiento solar termoeléctrico: centrales de torre, colectores de cilindro-parabólicos, sistemas de discos parabólicos. En el ámbito mundial, los países con mayores posibilidades de desarrollo en la aplicación y aprovechamiento de energía solar térmica son Estados Unidos, México, Australia, Sudáfrica y España. A nivel industrial, la energía solar térmica se emplea principalmente para procesos como: tintado y lavado de tejidos en la insdustria textil, procesos de obtención de pastas químicas en la insdustria papelera, baños líquidos de pintura para la limpieza y desengrasado de automóviles, limpieza y desinfección de botellas y envases, secado de productos agrícolas, tratamiento de alimentos, suelo radiante para granjas o invernaderos, entre otros. De los usos antes mensionados los más utilizados con fines industriales son los secadores solares y el precalentamiento de fluidos.68 La energía solar térmica, ha elevado el ingenio de miles de personas a nivel mundial. Otros aplicaciones se han desarrollado como son las cocinas solares, 67
Boletín idea. Eficiencia Energética y Energías Renovables. IDAE. Madrid. Octubre de 2006
68
Ibid.
estas evitan el consumo de cantidades altas de leña y reducen riesgo de enfermedades por mal estado del agua en zonas pobres, principalmente, Asia, África y América del sur. LECCIÓN 12. ÁREA SOLAR TÉRMICA
fuente: Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.
El panorama de la energía solar térmica en el ámbito mundial presenta a China como la principal país en la instalación de colectores de este tipo de energía en el 2004 con el 78% de la capacidad global instalada para el 2004. El crecimiento en Europa demarca el 9% del crecimiento a nivel mundial, seguido por Turquía e Israel con un 8% y el resto del mundo con el 5%.69 Los líderes mundiales en la capacidad instalada percápita son Israel, Grecia y Austria. 69
Situación de la energía solar térmica en el mundo, Europa y España. CIEMAT. Portal de las
energías renovables. Especial febrero de 2006. Consultado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.energiasrenovables.ciemat.es/especiales/solar_termica/9.htm#2
En China, y al menos 18 países más, se promueven ayudas para las instalaciones de aprovechamiento de energía solar que se representan en subvenciones del 2040% del costo total de la instalación. Entre estos países se encuentran: Australia, Austria, Bélgica, algunas regiones de Canadá, Chipre, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Japón, Holanda, Nueva Zelanda, Portugal, España, Suecia, Reino Unido y muchos estados de EEUU. Israel es el único país con una política, a nivel nacional, que obliga a las nuevas edificaciones a disponer de agua caliente obtenida de la energía solar. Barcelona, Oxford, Pórtland y Oregon son algunas de las ciudades del mundo que han desarrollado ordenanzas que obligan a las nuevas edificaciones que dispongan de agua cliente procedente de la energía solar. La superficie total instalada de colectores solares térmicos en el mundo se muestra en la siguiente tabla: Tabla 4. Superficie total instalada de colectores solares térmicos en el mundo 2003
fuente. Situación de la energía solar térmica en el mundo, Europa y España. CIEMAT. Portal de las energías renovables. Especial febrero de 2006. Consultado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.energiasrenovables.ciemat.es/especiales/solar_termica/9.htm#2
Se considera a la energía solar térmica de baja temperatura como una de las tecnologías energéticas más respetuosas con el medio ambiente. Dentro de sus ventajas se destaca que su aplicación física suele ser el entorno humano, en donde las emisiones contaminantes de combustibles fósiles son importantes, consiguiéndose así una disminución de las emisiones gaseosas originadas por los sistemas convencionales de generación de agua caliente.70, no produce efectos perjudiciales sobre la flora y la fauna (a escepción de instalaciones de alta temperatura que ocupan grandes extensiones de terreno), las instalaciones no dejan huella ecológica cuando finaliza el periodo de explotación, es una energía que no se agota en el tiempo, no requiere de costos de extracción, transporte o almacenamiento.71
El impacto más importante físico, equivale al impacto visual, ya que este tipo de energía es respetuosa con el entorno.
El sector hotelero e industrial, son ampliamente beneficiados por este sistema de energía, ya que proporciona una imagen de respeto con el medio ambiente y les da un valor añadido frente a los clientes.
Los costos de la implementación de la energía solar térmica son variables, esto dependiará de si la instalación es colectiva o individual. En promedio el costo de una instalación de placa plana oscila entre los 600 y 800 euros por metro cuadrado. 70
Ibid. Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006. 71
Las instaciones solares, para el proceso de mantenimiento, tienen un costo similar al del mantenimiento de otro tipo de sistemas de calefacción o de agua caliente sanitaria. En promedio estos gastos oscilan entre los 30-60 euros/año.72 LECCIÓN 13. ENERGÍA SOLAR PASIVA Figura 17. Energía solar térmica y fotovoltaica
Fuente: Guía del usuario. Junta de Castilla y León. Consulatado el 25 de Octubre de 2007. Disponible en: www.gesolpac.es/docs/estf_junta_cl.pdf
La denominación de energía solar pasiva se agribulle a tecnologías que usan en el diseño de edificios consumos energéticos específicos, aprovechando la captación solar y la energía mediambiental. Este aprovechamiento también es ampliamente conocido como arquitectura bioclimática.
El principio de la arquitectura bioclimática, esta fundamentado en la construcción de elementos arquitectónicos para el aprovechamiento del sol y la ventilación 72
Ibid.
natural. La orientación y la envolvente del edifico hacen parte de los principios. El color de muros y tejados es un punto importante y relevante para garantizar la eficiencia energética en los edificios.73
Los principales objetivos de la arquitectura bioclimática podrian resumirse en:74
Lograr la calidad del ambiente interior, (condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento y calidad del aire).
Tener en cuenta los efectos de los edificios sobre el entorno en función de: Las sustancias que desprendan: sólidas: residuos urbanos líquidas: aguas sucias gaseosas: gases de combustión vinculados al acondicionamiento de los edificios.
El impacto que produzca el asentamiento: teniendo en cuenta aspectos como el exceso de población, las vías de acceso, aparcamientos, destrucción del tejido vegetal.
Los consumos que afectan al desarrollo sostenible del lugar: el consumo de agua o de otras materias primas por encima de su capacidad de renovación.
73
Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de
la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006. 74
Arquitectura bioclimática. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.miliarium.com/monografias/Construccion_Verde/Arquitectura_Bioclimatica.asp
Contribuir a la disminución del consumo de combustibles, (entre un 50-70% de reducción sobre el consumo normal).
Disminuir la emisión de gases contaminantes a la atmósfera (entre un 5070%)
Disminuir el gasto de agua e iluminación (entre un 30%-20% respectivamente)
Los sistemas para el aprovechamiento de la energía pasiva pueden ser de varios tipos; sistemas de ganancia y amortiguación de tipo directo (orientación, invernaderos, lucernarios, reflectores, sombreamiento, etc.), indirecto (elementos estructurales de inercia, ventilación cruzada, atrios, técnicas evaporativas, vegetación, etc.) y sistemas mixtos, con el fin de gestionar adecuadamente el conjunto de entradas/salidas y lograr un balance energético óptimo en el edificio.
El uso de esta tecnología para los sistemas de calefacción de edificios genera diversos cambios, específicamente en el mejoramiento de la calidad de vida de los seres humanos al permitir un mantenimiento de los niveles de confort contribuyendo a una disminución de los impactos en el uso de la energía.
Se estima que la aplicación de esta energía puede contribuir a las necesidades energéticas brindando una capacidad del orden de los 0,8 Mtep475
Las ventajas del uso de energía solar pasiva radican en:76 75
Área solar térmica. Plan de fomento de las energías renovable. Arquitectura bioclimática. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.miliarium.com/monografias/Construccion_Verde/Arquitectura_Bioclimatica.asp 76
Potenciación de la luz natural en el interior de un edificio generando un ahorro económico y un menor impacto ambiental, debido al menor consumo de electricidad (un importante porcentaje de producción de electricidad se realiza a partir de la quema de combustibles fósiles con la consiguiente liberación de gases contaminantes de efecto invernadero, especialmente CO2).
Ahorro monetario en las facturas de electricidad y gas.
Lograr una mayor armonía entre el hombre y la naturaleza.
LECCIÓN 14. ÁREA SOLAR TERMOELECTRICA
Las
instalacion iones
solares
de
alta
temperatura
reciben
el
nombre
de
termoeléctricas, poseen una mayor capacidad para concentrar los rayos del sol y alcanzan temperaturas más elevadas superando los 2000°C.77 la energía solar termoeléctrica, forma parte del conjunto de tecnologías de energías renovables cuya principal aplicación es la producción de energía eléctrica.
Las centrales termoeléctricas se construyen a partir de espejos enfocados hacia un mismo punto, con el propósito de calentar un fluido para convertirlo en vapor. Con Con la pres presió ión n gener generad ada, a, se accio acciona na una una turb turbin inaa que que impu impuls lsaa el gene genera rado dorr eléctrico.
77
fuente: Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el
Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Madr id, Octubre de 2006.
Figura 18. Sistemas termoeléctricos.
fuente: Lopez Cozar. Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. térmic a. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.
La tecnología de mayor desarrollo para la captación de este tipo de energía son las Centrales de torres, las cuales estan formadas por un campo de espejos que realizan un seguimiento del sol en cualquier dirección, refljando luego la radiación sobre una caldera.78
Concentrando luz solar hasta 600 veces, la tecnología de torre solar tiene la
ventaja potencial de suministrar calor solar a alta temperatura en cantidades a escala comercial desde 500°C para los ciclos de vapor y más allá de los 1.000°C para las turbinas de gas y las centrales eléctricas de ciclo combinado.79
78
Ibid. Energía solar termoeléctrica. termoeléctrica. 2020. Pasos firmes contra el cambio climático. Greenpace. Consultado el 24 de septiembre de 2007. Disponible en: www.greenpeace.org/espana/reports/solar-termoelectrica-2020-pas 79
Figura 19. Torre solar de Manzanares (España)
Fuente: La torre solar. solar. Consultado el 28 de Octubre de 2007. Disponible Dis ponible en: http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.espacioblog.com/myfiles/forestman/dic0 6torresola01.jpg&imgrefurl=http://www.espacioblog.com/forestman/categoria/energiasrenovables&h=260&w=410&sz=23&hl=es&start=6&tbnid=yN5syzxnhMIfsM:&tbnh=79&tbnw=125 &prev=/images%3Fq%3Dplanta%2Bsolar%2Bcentral%2Bde%2Btorres%26gbv%3D2%26svnum %3D10%26hl%3Des
Los sistemas de cilindro-parabólicos, reflejan la energía del sol en un tubo que circula circula a lo largo de la línea focal focal del espejo. espejo. El colector colector consiste consiste en un espejo espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto a lo largo de la línea focal del espejo, en cuyo interior se encuentra la superficie absorbente en contacto con el fluido caloportador. Esta disposición del absorbedor y del fluido caloportador tiene por objetivo reducir las pérdidas por convección. La razón de concentración en este caso se suele situar entre 15 y 50.80
80
Area Solar Termoeléctrica. Termoeléctrica. Plan de fomento de las energías renovables. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: www.inega.es/Capitulo4_4.pdf www.inega.es/Capitulo4_4.pdf
Este fluido es calentado hasta 400ºC aproximadamente y bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado que alimenta una turbina convencional que genera electricidad81. Ver figura. Figura 20. Sistema solar de discos parabòlicos.
Fuente: Nuevas Centrales solares termoeléctricas II. Consultado el 27 de octubre de 2007. Disponible
en:
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://renewableenergyaccess.com/assets/images/st ory/2005/11/1/2126_Schott_pic.jpg&imgrefurl=http://ecoenergia.blogspot.com/2005_11_01_arc hive.html&h=432&w=576&sz=25&hl=es&start=12&tbnid=oWMhqfs6XjScM:&tbnh=101&tbnw=134&prev=/images%3Fq%3Dplanta%2Bsolar%2Bcilindro%2Bpara bolicos%26gbv%3D2%26svnum%3D10%26hl%3Des
Figura 21. Planta solar de 10MW en California.
81
Ibid.
Fuente: Romero, Alvarez. Manuel. Energía Solar Termoeléctrica. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: www.uib.es/facultat/ciencies/prof/victor.martinez/recerca/jornadesI/ManuelRomero/CSP_Termoelectrica.pdf
El sistema de discos parábólicos, funcionan a partir de un conjunto de espejos que forman una figura disco-parabólica en cuyo foco se dispone el receptor solar en el que se calienta un fluido hasta termperaturas de 150ºC para la generación de electricidad.82 Figura 22. Colectores solares de disco.
Fuente: La central Solar. Disponible: http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/archivos_var ios/Colector_solar01.jpg&imgrefurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/central_solar.htm&h= 243&w=394&sz=10&hl=es&start=20&tbnid=lshnPha81CEwaM:&tbnh=76&tbnw=124&prev=/imag es%3Fq%3Dplanta%2Bsolar%2Bdiscos%2Bparab%25C3%25B2licos%26gbv%3D2%26svnum%3 D10%26hl%3Des
Otra tecnología potencial en investigación es el concepto de un foco lineal parabólico con espejos segmentados, usando el principio de Fresnel. Este nuevo sistema tiene la dificultad de que reduce la eficiencia, con un gran potencial de redyccuón de costos por la disposición más cercana de los espejos reduce el terreno necesario y proporciona debajo un espacio útil parcialmente sombreado. 83 82
Ibid. Energía solar termoeléctrica. 2020. Pasos firmes contra el cambio climático. Greenpace. Consultado el 24 de septiembre de 2007. Disponible en: www.greenpeace.org/espana/reports/solar-termoelectrica-2020-pas 83
En Australia se está desarrollando una alternativa a los rastreadores mecánicos conocida como concentrador solar flotante Yeoman. Están diseñados como una solución de tecnología inferior y de bajo costo, los cuales usan módulos de flotación de cemento de 5 m y espejos de tiras de cristal bajo en hierro en la superfie superior de una estructura parabólica de Fresnel. Para protección de impactos, un simple bomba de riego de alto flujo puede inundar la parte alta de los módulos en minutos, sumergiéndolos en medio metro de agua. Se puede producir vapor a alta temperatura y presión con un 60% de eficiencia.84
Las principales repercusiones del uso de la energía termoeléctrica son el impacto visual y la ocupación de terrenos, que según la tecnología utilizada pueden ser de gran tamaño, lo cual puede tener incidencia en la flora y fauna propias del ecosistema en el cual se este implementando este sistema.
Como marco de las ventajas de esta tecnología se tienen los siguientes aspectos:85
—
Al no producir emisiones, es positiva con el medio ambiente.
— Fuente energética inagotable, autóctona y segura; — Genera empleo cualificado, convirtiendose en una fuente de empleo regional. — La aceptación de los consumidores frente a este tipo de energía es alta. — Es un sistema de alta eficiencia. — Posibilita el almacenamiento eficiente de la energía. —
Existe la posibilidad de hacer plantas híbridas ó mixtas con tecnologías convencionales basadas en la combustión de combustibles fósiles, lo que permite unir las ventajas de ambas fuentes energéticas. La parte solar aporta
84
Ibid. Area Solar Termoeléctrica. Plan de fomento de las energías renovables. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: www.inega.es/Capitulo4_4.pdf 85
sus ventajas medioambientales y sus costos de producción previsibles a largo plazo, y la tecnología convencional proporciona bajos costes a corto plazo y respuesta a los requerimientos de la demanda.
LECCIÓN 15. INVESTIGACIONES RECIENTES QUE IMPLIQUEN EL USO DE ENERGÍA SOLAR.
Son muchas las investigaciones generadas en materia de energía solar térmica, estas incluyen nuevas tecnologías para un mejor aprovechamiento del sistema, diseño costo beneficio de una planta solar, sitios a nivel mundial que presenten las mejores características para la construcción de plantas solares.
A continuación se presenta un artículo escrito por Juan Henrique Huerta Wong, en el cual se expresa el alto potencial del sol para construirlo en una fuente de energía alternativa. La energìa alternativa, el combustible del mañana.
UNIDAD 2. ENERGÍA EÓLICA, POR BIOMASA, DEL MAR, GEOTÉRMICA. CAPÍTULO 4. ENERGÍA EÓLICA.
Fuente: Perspectivas globales de la energía eólica 2006, Greenpace. Septiembre de 2006. consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.green peace.org/raw/content/espana/reports/perspectivas-globales-de-la-en.pdf
LECCIÓN 16. INTRODUCCIÓN.86
El viento es una herramienta usada por el hombre para la evolución y el desarrollo de cada una de sus civilizaciones.
El viento, como uso de energía, tiene una buena representación en el proceso de navegación, el cual permitión desarrollar medios de transporte para evolucionar el comercio, el transporte y las relaciones internacionales. Todo esto fue permitido a partir de los barcos de vela, implementados en la Edad clásica.
En el desarrollo agrícola, intervienen los molinos de viento en la Edad Media, los cuales se aplicaron para el proceso de molino de granos. Posteriormente, estos molinos se emplearon para el bombeo de agua.
Los molinos de viento han evolucionado encuatro etapas específicas, todo esto a partir de un momento histórico espécifico, incluyendo adelantos de tipo técnico. A continuación se describen cada una de las etapas:
Etapa 1. “Etapa de la edad antigua del molino de viento”. La principal fuente de energía motriz era de origen animal. Esta etapa comprende las primeras aplicaciones del molino de viento hasta el siglo XV, periodo histórico de bajo desarrollo técnico.
Etapa 2. “Época Artesanal”. Inicia con la revolución intelectual del Renacimieto y termina con la Revolución Industrial. 86
Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energetico_2002.pdf www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/ recurso_energetico_2002.pdf
Etapa 3. “Renovación científica”. Comprende desde mediados del siglo XIX hasta mediados del siglo XX. En esta etapa se desarrolla la teoría aerodinámica y otras ciencias de carácter técnico, lo que permite una transformación completa de los molinos de viento desde el referente conceptual.
Etapa 4. “Era tecnológica de las turbinas eólicas”. Desarrollada en la década de los 90. Se diseñan métodos de cálculo que permiten el empleo de materiales ligereos y resistentes , introduciendo sistemas electrónicos para la regulación y el control de los molinos de viento.
Todos estos desarrollos han permitido revivir la enrgía eólica como fuente de generación de energía eléctrica y diseñar nuevas aplicaciones.
Según Greenpeace, la energía eólica a partir del 2000 ha evolucionado a una tasa del 30% anual. Son ejemplo a nivel mundial del uso de energía eólica para la producción de energía países como Alemania, España, Dinamarca, Estados Unidos e India.87 El régimen del viento en Colombia está entre los mejores de Suramérica. Las regiones costeras de la parte norte de Colombia se han clasificado con vientos de clase 7 que alcanzan los 10 metros por segundo (m/s).88 Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21.000 MW en la región de la Guajira – suficiente para abastecer la demanda nacional de energía dos veces (Pérez y Osorio 2002). El país tiene una capacidad instalada de 19.5 MW de energía eólica (proyecto Jepírachi) y de varios proyectos bajo consideración, incluyendo uno de 200 MW en Ipapure. 89 87
Viento. Fuerza 12. Greenpeace, EWEA, Asociación de productores de energías renovables.www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/resumen-el-informe-viento-fuer.pdf 88 Energía eólica. Consultado el 1 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://redenergiaalternativa.org/viento.html 89 Ibid.
LECCIÓN 17. IMPLICACIONES TEÓRICAS SOBRE LA ENERGÍA DEL VIENTO
El viento es uno de los productos que se genera a partir de la radiación solar. Las diferencias de insolación entre distintos puntos del planeta generan diferentes áreas térmicas, estos desequilibrios de temperatura producen variaciones de presión. El aire por tanto, se mueve desde las zonas de alta presión a las de baja presión.90
Un litro de aire pesa 1,225 gramos. La composición de este producto es a partir de:
78,08% de Nitrógeno. 20,95% de Oxígeno 0,93% de Argón 0,03% de Dióxido de Carbono. 0,01% de Neón, Helio, Metano, Kriptón, Hidrógeno, Dióxido de nitrógeno, Xeón, Ozono.
El agua de los ocenos en horas diurnas, es más fría que la superficie terrestre. Parte de la radiación solar que incide sobre la superficie del agua se emplea para calentamiento, otra se destina para evaporación.
La radiación que recae sobre la tierra, incrementa el nivel de temperatura, tanto de la corteza como del aire circundante. El aire caliente se dilata, pierde presión y
90
Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energetico_2002.pdf
es reemplezado por el aire fresco que viene del mar. En la noche, el ciclo se invierte. 91
Teniendo en cuenta todas estas variables, la energía eóica parte del principio de aprovechar el contenido energético del viento.
La ley del cubo, es la energía cinética de una masa de aire que se desplaza. Se determina a partir de la siguiente ecuación:
E = A.p.V
Donde:
E = Energía por unidad de tiempo (w, vatios) A = Área interceptada (m2) p = densidad del aire (Kg/m3) V = velocidad del viento (m/s)
Interpretando la ecuación, el contenido energético del viento depende de la densidad del aire y de su velocidad. El viento tiene el comportamiento de un gas, por tanto su densidad varía con la temperatura y la presión, y la presión, varía con la altura sobre el nivel del mar.92
Cada tipo de terreno, interviene en la velocidad del viento. A continuación se denotan las principales características que intervienen en el aprovechamiento de la velocidad del aire.93 91
Ibid. Ibid. 93 Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006. 92
−
Superficie Rugosa. Dentro de esta categoría se pueden citar los bosques y aglomeraciones de casas. En estas condiciones, se producirán turbulencias que frenan el viento.
−
Superficie lisa. El mar, las pistas de aeropuerto son ejemplos de este tipo de superficies. En estas condiciones se favorece el desplazamiento del aire.
−
Altura. Si el terreno es rugoso se necesitan aerogeneradores de mayor altura para alcanzar las velocidades del viento obtenidas en terrenos lisos.
Teniendo en cuenta el comportamiento físico del viento, la energía eólica se transforma en energía mecánica, la energía mecánica en energía eléctica, y todo este proceso se logra con el uso del Aerogenerador.
El aprovechamiento energético del viento, depende directamente del área de barrido de las aspas o élices del aerogenerador, además, de las características de velocidad, densidad y flujo másico del aire.94
No todos los vientos sirven para generar energía. Es preciso contar con vientos por encima de los 4m/s y por debajo de los 25, para que las palas de un aerogenerador giren. Cada aerogenerador esta diseñado para una determinada velocidad de viento, que producirá su máxima potencia.95
94
Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energetico_2002.pdf 95 Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
LECCIÓN 18. AEROGENERADORES. TIPOS Y FUNCIONES. Un aerogenerador es un generador de electricidad que se activa por la acción del viento. Los procedentes de estos generadores de energía son los molinos de viento que se utilizaban para la moler y obtener harina, entre otras cosas. En este caso, el viento mueve la hélice y a través de un sistema mecánico de engranajes hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce la corriente eléctrica.
96
Un aerogenerador contiene varios elementos: 97
- La torre: Soporta la góndola y el rotor. −
Rotor.
Conjunto formado por las palas y el buje que las une. Sirve para
transformar la energía cinética en energía mecánica. A mayor tamaño del rotor, mayor producción. −
Palas.
−
Nacelle o góndola. Contiene en su interior los dispositivos para transformar la energía mecánica del rotor en energía eléctrica. En su exterior cuenta con un anemómetro y una veleta que facilitan información continua a todo el sistema para su control.
−
Multiplicador. Multiplica la velocidad de giro que llega del rotor para adaptarla a las necesidades del generador.
−
Generador. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
−
Controlador
electrónico.
Controla
continuamente
las
condiciones
de
funcionamiento del aerogenerador mediante las señales captadas por sensores que miden temperaturas, presiones, velocidad y dirección del viento, tensiones e intensidades eléctricas, vibraciones. 96
Aerogenerador. Rincón eólico. Consultado el 29 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.apecyl.com/index_00.php?op=rinGloDet&idGlo=Isj6OKbYmTkRia62JLXo 97 Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
−
Sistemas hidráulicos. Elementos auxiliares que permiten el accionamiento del giro de las palas sobre su eje, además del frenado del rotor o el giro y frenado de la góndola.
−
Sistema de orientación. Coloca el rotor de manera perpendicular al viento, a partir de los datos recogidos por la veleta.
Todo ello elevado sobre una torre de acero de unos 55 metros, formada por dos o tres cuerpos y con un diámetro de 5 metros en la base, y sobre una cimentación de 2 metros y medio de profundidad y 144 de superficie.98
Figura 23: Parque eólico San Jorge
fuente: Muñoz, Maria. Parque eólico San Jorge. Consultado el 29 de octubre de 2007. Disponible en:
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.unav.es/dpp/tecnologia/ 2006/72/imagen/aerogeneradores.jpg&imgrefurl=http://www.unav.es/dpp/tecnol ogia/2006/72/&h=356&w=535&sz=35&hl=es&start=2&um=1&tbnid=6JllDhtLKdS CM:&tbnh=88&tbnw=132&prev=/images%3Fq%3D%2Baerogeneradores%26svn um%3D10%26um%3D1%26hl%3Des%26sa%3DN 98
Aerogenerador. Rincón eólico. Consultado el 29 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.apecyl.com/index_00.php?op=rinGloDet&idGlo=Isj6OKbYmTkRia62JLXo
TIPOS DE AEROGENERADORES.
Son varios los criterios bajo los cuales se diferencia un aerogenerador, dentro de ellos están la posición del aerogenerador, la posición respecto al viento, el número de palas, el tipo de orientación, la regulación de la velocidad.
A continuación se describen algunas clasificaciones.99
−
Aerogenerador Darrieus. Aerogenerador que gira sobre el eje vertical. No necesita sistema de orientación para direccionarlo al viento. Es menos eficiente que un aerogenerador de eje horizontal. Fue diseñado por George Darrieus en 1931.
−
Aerogenerador monopala, bipala, tripala o multipala. Después de varios estudios y ensayos, se determinó que el número de palas menor que proporciona mayor estabilidad es de tres. Además, permite ahorrar más material y peso, sin complicar el sistema. Los sistemas que usan modelos monopala y bipala, tienen ahorro en material, pero requieren de sistemas de control mas precisos para mejorar la estabilidad.
−
Aerogenerador con rotor de solvento. En este sistema las palas se encuentran en la parte trasera de la góndola. Este tipo, direcciona el aerogenerador en la dirección del viento sin emplear otro dispositivo.
99
Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
LECCIÓN 19. PARQUES EÓLICOS
Un parque Eólico es un conjunto de instalaciones utilizadas para generar energía eléctrica mediante el viento, constituidos por un aerogenerador o una agrupación de éstos.100
La decisión del montaje de un parque eólico depende de varias condiciones, entre ellas se pueden nombrar el viento, la tecnología empleada, condiciones gubernamentales y de la empresa promotora, polìticas urbanìsticas y ambientales. Teniendo claro esto, los elementos fundamentales a tener en cuenta para el monta je de un parque eólico son:101
Terreno.
Los terrenos sobre los cuales se asientan parques eólicos pueden ser de propiedad del estado o personas jurídicas. Los terrenos en estos casos son alquilados. Es importante resaltar, que los terrenos en los cuales se instalan parques eólicos, no impiden el aprovechamiento de terrenos para otros usos, específicamente de tipo agropecuario, por el contrario promociona y genera empleo en la localidad donde se situe.
Aerogeneradores
Para un mayor rendimiento, los aerogeneradores deben alinearse de forma perpendicular a la dirección predominante de los vientos, con esto se genera mauyor 100
Consejería de medio ambiente, ordenación del territorio e infraestructuras. Consultado el 30 de O ctubre de 2007. Disponible en: http://ftp.etsimo.uniovi.es/ http://ftp.etsimo.uniovi.es/bopa/2004/06/08250_01.htm bopa/2004/06/08250_01.htm 101 Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
energía eléctrica. El diámetro de los rotores fundamenta la distancia entre cada màquina, incluyendo además la disponibilidad de terreno y la dirección de los vientos dominantes. En la distribución del área del parque eólico, deben tenerse en cuenta el tamaño de las aeroturbinas y los accesos para los remolques y grúas.
Infraestructura eléctrica.
La infraestructura eléctrica es necesaria para recoger la energía eléctrica producida por los aerogeneradores, llevándola a una linea de distribución de una compañía eléctrica.
Infraestructura de control
Paro parques eólicos de gran magnitud, se requiere un centro de control, que recibe y analiza todos los datos de funcionamiento y ambientales registrados por los aerogeneradores. De esta forma forma se optimiza el el proceso, puesto puesto que los datos están continuamente analizándose por un operador. Además, esto genera una base de datos histórica del funcionamiento del parque.
Almacén
Este lugar, sirve para el almacenamiento de repuestos, herramientas, aceite para los aerogeneradores, entre otros.
Otra versión importante de los parques eólicos son los parques eólicos marinos, aquellos aquellos que están dispuestos dispuestos en mar abierto y que tienen grandes crecimientos crecimientos en los últimos años.
Las grandes ventajas de implementar en este tipo de superficie parques eólicos para el aprovechamiento de energía radican en:
- La rugosi rugosidad dad del del mar es menor menor que que la terre terrestr stre, e, por tant tanto o no hay hay obstácuobstáculos que puedan reducir la velocidad del viento. - El recurs recurso o eólico eólico es mayor mayor y menos menos turbu turbulen lento to,, esto dism disminu inuye ye la fatiga fatiga de los aerogeneradores y aumenta la vida útil de los mismos. - Las áreas áreas marítim marítimas as son más grand grandes, es, ofreci ofreciend endo o la posibilid posibilidad ad de instala instalarr parques eólicos más grandes que en tierra. - La lejanía lejanía con con los núcleo núcleoss de població población, n, minimi minimiza za el impact impacto o visual visual sobre sobre el paisaje y el ruido que q ue generan los parques eólicos.
Figura 24. Parque eólico marítimo
Fuente: Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
LECCIÓN 20. ENERGÍA EÓLICA Y MEDIO AMBIENTE.
Para abordar esta lección, discutiremos aspectos tales como el impacto visual, el ruido y efectos en la fauna. Estos son los temas de mayor discusión en el montaje de parques eólicos a nivel mundial.
Impacto visual.102
Una aerogenerador, es una estructura alta, dotada para alcanzar el mejor uso del viento y este se encuentra en grandes alturas. Por tanto, los aerogeneradores pueden ser visibles en un área amplia. Son muchas las contradicciones generadas en torno a si el impacto visual es una problemática, ya que por parte de muchos los parques eólicos embellecen el paisaje, mientras que para otros es fuente de gran preocupación.
El ruido.103
El ruido producido por los aerogeneradores es de origen mecánico y aerodinámico. El dispositivo que mayor emisión de ruido produce es el generador. Todos estos sonidos son producidos cuando la turbina esta funcionando. Según la siguiente tabla, se demuestra que el sonido producido por los aerogeneradores es más 102
Perspectivas globales de la energía eólica 2006, Greenpace. Septiembre de 2006. consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/perspectivas-globales-de-la-en.pdf 103
Ibid.
bajo que el producido por fuente industriales, actividades de construcción y trenes.
Tabla 5. Comparativo de niveles de ruido generados por diferentes fuentes
Fuente: Perspectivas globales de la energía eólica 2006, Greenpace. Septiembre de 2006. consultado el 25 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.greenpeace.org/raw/content/espana/reports/perspectivas-globales-de-la-en.pdf
La tecnología de construcción de turbinas eólicas, se ha ocupado de construir diseños con mejor aislamiento, produciendo menos ruidos que los de fabricación anterior. En el momento de la distribución y localización de los parques eólicos, se realizan previamente estudios de ruido, que permitan mayor tranquilidad y evitan disturbios entre las casas aledañas.
Fauna silvestre y aves.104
Las aves pueden ser afectadas por el desarrollo de la energía eólica, debido a pérdidas en el hábitat, perturbaciones en las áreas de alimentación y crianza y 104
Ibid.
por lesiones o muertes causadas por las palas del rotor en movimiento. Sin embargo, comparando con otras causas de mortalidad entre las aves, la energía eólica tiene un efecto relativamente menor. Los pájaros, notan que hay nuevas estructuras en su área y aprenden a evitarlas, especialmente a las palas que giran y pueden continuar alimentándose y criando en el mismo sitio. Los problemas son más probables, cuando la localización está en una ruta de migración, con multitudes de aves, atravesando el área o porque es particularmente atractiva como tierra de alimentación o crianza. Esto se puede evitar utilizando procedimientos cuidadosos de localización de los emplazamientos. Fauna silvestre y murciélagos105
Estudios han demostrado que los aerogeneradores no son una amenaza signicativa para estas poblaciones. Una revisión de la evidencia disponible, por parte de la consultoría ecológica WEST les permitió concluir que: „la mortalidad por colisión del murciélago, durante el período de cría es virtualmente inexistente, a pesar que un numero relativamente grande de especies, han sido registradas en las proximidades de los parques eólicos. Estos datos confirman que actualmente en los lugares estudiados de los EE.UU., los aerogeneradores no afectan a estas poblaciones residentes y que están en período de cría.“ Los impactos de los parques eólicos marítimos incluyen.106
Campos electromagnéticos: Los campos magnéticos que emanan de los cables de transmisión de energía, pueden afectar a los animales marinos. Para evitar este
105 106
Ibid. Ibid.
fenómeno, las conexiones para los parques eólicos marinos, están basados en sistemas de cables multiconductores. Ruido: La fauna marina puede ser perturbada por las operaciones de construcción, especialmente por las operaciones de apisonamiento, para los cimientos de las turbinas en el lecho del mar. Sin embargo, por ejemplo en el sitio de Horns Rev en el Mar del Norte de Dinamarca, la supervisión ha mostrado que ni las focas ni las marsopas del puerto, ambas especies activas en el área, han sido forzadas a realizar cualquier cambio substancial en su comportamiento. En los hechos, tanto los peces como las comunidades bentónicas, más bien han sido atraídos por los cimientos de las turbinas eólicas después de su construcción, dándoles un uso de vivero o terreno de criaderos. Sobre el ruido producido por el funcionamiento de las turbinas eólicas marinas, la información actualmente disponible indica, que está en la misma gama de frecuencia, que la generada por fuentes tales como los navíos de carga, los buques de pesca, el viento y las olas.
Beneficios ambientales107 Es la fuente màs benigna para la producción de energía eléctrica. Minimizando la contaminación ambiental y disminuyendo el cambio climático que afecta la fauna y flora de todo el mundo. La energía eólica, no genra residuos peligrosos, no vierte dióxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno u otros gases contaminantes a la atmósfera. 107
Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
El sistema de generación de energía eléctrica a partir de energía eólica, sólo requiere de un recurso gratuito e inagotable EL VIENTO, por tanto, no requiere de grandes explotaciones mineras, no genera enfermedades profesionales, delicados
procesos de transformación,
mareas negras,
construcción de
gaseoductos, problemas de transporte, accidentes radioactivos, etc.
CAPÍTULO 5. ENERGÍA POR BIOMASA LECCIÓN 21. INTRODUCCIÓN108 La biomasa es toda materia orgánica susceptible de aprovechamiento energético. Es una fuente de energía llegará a producir en el corto plazo avances en materia energética y ambienta, así como el desarrollo de las zonas rurales si es aprovechada en condiciones óptimas.
108
Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007.
Todos los productos orgánicos, son considerados energías renovables, dado que pueden producir energía, entre ellos podemos destacar los residuos de aprovechamiento forestal y cultivos agrícolas, los residuos de podas de jardines, residuos de industrias agroforestales, cultivos con fines energéticos, combustibles líquidos derivados de productos agrícolas (biocarburantes), residuos de origen animal o humano, entre otros. Los materiales producto de formaciones geológicas que sufren un proceso de mineralización tales como el carbón, el petróleo y el gas no son considerados fuente de biomasa. La combustión de biomasa livera el tipo de carbono que es producido continuamente por las plantas durante su crecimiento, el carbono liberado hace parte de la atmósfera actual. La energía de la biomasa, es energía solar almacenada a través del proceso de fotosíntesis, aprovechando la energía solar para convertir los compuestos inorgánicos que asimilan, en compuestos orgánicos. Como ejemplo esta el CO2
Figura 25. Generación de biomasa.
Fuente: Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007.
Las empresas productoras de energía a partir de biomasa, utilizan gran variedad de biocombustibles, desde cascarillas, astillas, huesos, etc. La energía por biomasa se emplea para calefacción y producción de agua caliente para uso doméstico, en procesos industriales y para generación de electricidad. Las ventajas medioambientales del uso de biomasa se calculan en disminución de las emisiones de azufre, partículas contaminantes y partículas; se produce un ciclo neutro del CO2 sin contribución al efecto invernadero, reducción de incendios forestales y de riesgos de plagas de insectos, aprovechamiento de residuos agrícolas y forestales, mejora socioeconómica de las áreas rurales por incremento en la tasa de empleo y la producción de combustibles para la región sin depender de las fluctuaciones del petróleo, entre otros. Según la Agencia Internacional de Energía, el 10% de la energía primaria a nivel mundial procede de recursos asociados a la biomasa, entre ellos se incluyen los biocombustibles líquidos y el biogás. Además, este tipo de energía es usado con mayor frecuencia en países tercermundistas o en vía de desarrollo.
Colombia tiene un gran potencial de biomasa a partir del plátano, de la pulpa del café, y de los residuos animales. Se el biogas se puede obtener del tratamiento anaeróbico en las zonas productoras de plátano. La región del Urabá en el norte del departamento de Antioquia tiene aproximadamente 19.000 hectáreas de plantaciones de plátano, produciendo más de 1 millón de toneladas anualmente. El potencial del café viene de los residuos, que alcanza cerca del 40 por ciento del peso total húmedo. Se ha estimado que aproximadamente 85.000 TOE/año se podrían producir de los 190 millones de m3/año del biogass generado a partir de las plantaciones del café, equivalentes a 995.000 MWh (Pérez y Osorio 2002).109
Se estima que el potencial anual de energía de biomasa en Colombia debe ser de aproximadamente 16.260 MWh (TOE 1.398), distribuido así: 658 MWh/año de biodiesel, 2.640 MWh/ año de bioetanol, 11.828 MWh/ año de residuos de la agricultura, 442 MWh/ año de residuos de bosques plantados, y 698 MWh/ año de los residuos de bosques naturales (ISAGEN S.A. 2005). Se estima que los depósitos de basura de las cuatro principales ciudades en Colombia (Bogotá, Medellín, Cali y Barranquilla) tienen el potencial de proveer una capacidad instalada de 47 MW (ISAGEN S.A. 2005). Usando los residuos de los depósitos y de los procesos agrícolas se puede reducir el desecho de basuras.110
LECCIÓN 22. FUENTES DE BIOMASA.111
Son varias las fuentes de energía por biomasa, según se citó en la lección anterior. Para mayor claridad en cada una, se describiran sus caraterísticas y el potencial de aprovechamiento para la producción de energía.
109
Biomasa. Consultado el 1 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://redenergiaalternativa.org/biomasa.html Ibid.
110
111
Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007.
−
Residuos forestales.
Los residuos forestales se originan de los tratamientos y aprovechamientos de masas vegetales. Recursos procedentes de la poda, limpieza y corte de montes tienen alto potencial energético y se pueden emplear como biocombustibles. Una de las grandes dificultades de la biomasa, es el transporte de la misma, todo debido al volumen que ella ocupa, por tanto puede ser astillada o empacada para el proceso de transporte, además de lograr un producto más manejable y homogéneo.
−
Residuos agrícolas leñosos
La principal fuente de suministro de esos son las podas de viñedos y árboles frutales. Por el tamaño de las partículas, se requiere realizar el proceso de astillado y empacado al igual que en los residuos forestales.
−
Residuos agrícolas herbáceos.
Son obtenidos de las cosechas de cultivos como cereales y maíz. Este recurso depende de la época de recolección de la producción agrícola.
−
Residuos de industrias forestales agrícolas.
Astillas, cortezas, aserrin, huesos, cáscaras, entre otros residuos de la industria agroalimentaria, son biocombustibles sólidos industriales.
−
Cultivos energéticos.
En este caso se sitúan cultivos de especies destinadas especialmente a la producción de biomasa con fines energéticos. En Colombia se estan sembrando grandes hectáreas en la producción de caña con fines para biocombustible líquido.
A continuación se presenta el mapa de Colombia con la ubicación de las principales fuentes de biomasa en el país.
Figura 26. Mapa de biomasa de Colombia
Fuente: Botero Botero, Sergio. Biomasa como Alternativa Energética. Universidad Nacional de Colombia. Medellín Junio de 2006. Disponible en: f s03eja1.cormagdalena.com.co/nuevaweb/Energia/Foro%20Energetico/Presentación%20Unal_medellin.pdf
Los lugares más oscuros hacen relación a alta densidad de materia de biomasa, y los más claros, se refieren a los de menor densidad de materia de biomasa. Los potenciales se distribuyen para la biomasa primaria, en las áreas rurales con considerable actividad agrícola y bosques, para los residuos sólidos municipales se cuenta con los centros urbanos. 112
LECCIÓN 23. TRATAMIENTOS PARA LA BIOMASA113
Los tratamientos de la biomasa están directamente relacionados con el tipo de energía que se producirá.
Para la recolección adecuada de residuos de derivados de actividades forestales y agrícolas, se inicia con el proceso de extracción de las zonas donde se encuentran los residuos, seguidamente se realiza el astillado y/o empacado, para continuar con el transporte a las plantas de transformación. En dichas plantas, la biomasa se somete a un proceso de secado, eliminando al máximo el porcentaje de humedad. Se procede con la adecuación de la biomasa para el consumo a partir de un nuevo proceso de astillado, una peletización, etc.
Los residuos de industrias forestales utilizados como biomasa son los procedentes de la primera transformación de la madera, como ejemplo se ecuentran los aserríos. Las industrias de segunda transformación (tableros, muebles), utilizan sus propios residuos como combustible para abastecer de calor y en algunos casos de energía eléctrica la planta. Los residuos que no sean utilizados se venden como biocombustibles y se comercializan por empresas destinadas al 112
Botero Botero, Sergio. Biomasa como Alternativa Energética. Universidad Nacional de Colombia. Medellín Junio de 2006. Disponible en: f s03eja1.cormagdalena.com.co/nuevaweb/Energia/Foro%20Energetico/Presentación%20Unal_ medellin.pdf 113
Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007.
almacenamiento y distribución de biomasa. Un punto importante par no perder las carcterísticas de la biomasa es evitar la fermentación y autocombustión en el almacenamiento, para esto se emplean sistemas de secado astillado, peletizado, etc, al igual que en el almacenamiento de los residuos forestales.
Cuando se obtiene la biomasa lista para biocombustible, se pasa a un proceso de caracterización de esta, que permita establecer sus propiedades como combustible y de esta forma establecer el precio en el mercado.
Una de las carcterísticas a determinar es el poder calorífico (superior e inferior). El poder calorífico superior permite conocer la energía contenida en la biomasa, incluyendo la consumida en por el fenómeno de evaporación como de combustión. El poder calorífico inferior es la energía realmente aprovechable,que se obtiene una vez evaporada el agua consumida en la combustión.
La humedad es otra propiedad importante a determinar en la biomasa, pues esta influye en la disminución del poder calorífico y en el aumento del consumo de combustible.
Caracterizado el combustible, se dispone a usarlo en diferentes procesos. Uno de ellos es la producción de energía. La energía por biomasa se emplea comunmente en la generación de calor y agua caliente sanitaria, energía eléctrica, etc.
A continuación se presenta una tabla en la cual se presentan diferentes poderes caloríficos de biomasa.
Tabla 6: Poderes caloríficos de de diferentes tipos de biomasa.
Fuente: Rico, Javier. Energía de la biomasa. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Enero de 2007.
LECCIÓN 24. BIOCOMBUSTIBLES.114
Se entiende por Biocombustibles, al Biodiesel, Bioetanol y Biogás que se produzcan a partir de materias primas de origen agropecuario, agroindustrial o desechos orgánicos. Los Biocombustibles usan la biomasa vegetal sirviendo de fuente de energía 114
Biocombustibles. Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.biocombustibles.cl/biocombustibles.htm
renovable para los motores empleados. Su uso genera una menor contaminación ambiental y son una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas y el petróleo, donde ya se observa incremento sostenible en sus precios. Es importante destacar que los Biocombustibles son una alternativa más, en vistas a buscar fuentes de energías sustitutivas, que sirvan de transición hacia una nueva tecnología (ej. Hidrógeno). Los Biocombustibles derivan de un sin número de productos agropecuarios, como también de los productos forestales.
Los Biocombustibles desarrollados a partir de estos productos, pueden ser utilizados en los motores convencionales sin cambios de consideración, ya que solamente, y debido a su poder diluyente, solo requieren –de ser necesario- el reemplazo de las mangueras de conducción del combustible por elementos no fabricados sobre la base de caucho o espuma de poliuretano.
La produccion de Biocombustibles traera consigo:
•
“La creación de nuevos puestos de trabajo, el incremento de la actividad económica, la reducción de la dependencia del petróleo, proveer al desarrollo de energías alternativas y fundamentalmente el cuidado del medio ambiente”.
•
Una potencial solución al problema energético del País, y el futuro del sector agrícola no exportador, al darle un nuevo impulso a una gran superficie de hectáreas.
•
Los Biocombustibles emiten casi la misma cantidad de Dióxido de Carbono que los combustibles fósiles, pero a diferencia de estos últimos, el mismo es vuelto
a fijar por la masa vegetal a través del proceso de la fotosíntesis. De esta forma se produce un "ciclo de carbono", que hace que el CO2 quemado y liberado a la atmósfera, vuelva a ser fijado y el ciclo tenga como resultado un balance cero, en lo que a emisiones se refiere, no habiendo acumulación de gases. El ciclo descrito contrasta notoriamente con lo que sucede con la emisión de CO2 producido por la quema de los combustibles fósiles en el cual el carbono liberado, fijado hace miles de millones de años, es quemado y vuelto a liberar, causando la acumulación de los mismos en la atmósfera, el efecto invernadero y el calentamiento global.
•
También
cabe
destacar,
para
su
conocimiento,
la
producción
de
Biocombustibles puede originar nuevos productos y un crecimiento potencial de Negocios.
A continuación se describen los biocombustibles más usados que son el bioetanol, biodisel y gas natural.
Bioetanol.115
El bioetanol es un alcohol, elaborado mediante un proceso similar al de la cerveza, donde el almidón de los cultivos ricos en él, (especialmente el maíz), son convertidos en azucares y estos a su vez, fermentados y convertidos en etanol. Por ultimo el etanol es destilado, adquiriendo su forma final. En ocasiones, es transformado en un eter, llamado etil terciario-butil eter (ETBE), con propiedades oxigenativas de los combustibles. Es utilizado para incrementar el octanaje y mejorar la calidad de las emisiones de la gasolina, al convertirla en un combustible oxigenado. 115
Bioetanol. Consultado el 2 de http://www.biocombustibles.cl/bioetanol.htm
noviembre
de
2007.
Disponible
en:
El Bioetanol se puede extraer de cereales (Maíz, Trigo, Avena, Cebada), Papa, Remolacha, Caña de Azúcar, Biomasa Forestal, Residuos Pecuarios, y Residuos de las Cosechas y las agroindustrias.
El diagrama de flujo de la producción de bioetanol se presenta a continuación:
Figura 27: Diagrama de flujo de bioetanol.
Figura. Esquema proceso de producción de bioetanol. Fuente: Bioetanol. Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.biocombustibles.cl/bioetanol.htm
Las ventajas del uso de bioetanol son:
•
Reducción neta de la emisión de carbono, lo cual tiene una incidencia muy positiva en la problemática de cambio climático causado por los gases del efecto de invernadero.
•
Genera empleos directos e indirectos, correspondientes a los empleos del agro, operación de biorefinerías y empleos temporales para la construcción y montaje de las mismas durante los primeros años. Lo anterior contribuiría a la ampliación y optimización de la frontera agrícola, llevándola incluso a las zonas de cultivos ilícitos, desarrollando las obras de infraestructura necesarias, lo cual tiene un efecto positivo y sinergistico en el desarrollo de las regiones.
•
El alcohol y sus derivados serían muy importantes, no solamente para sustituir importaciones, sino también porque crearían nuevas exportaciones con un mayor valor agregado. Este aspecto podría ser un atractivo para la inversión extranjera y para proyectos de industrialización en el país.
EL Bioetanol ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de Biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades: E5: El Biocombustible E5 significa una mezcla del 5% de Bioetanol y el 95% de Gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima autorizada en la actualidad por la regulación europea, sin embargo, es previsible una modificación de la normativa europea que aumentará este limite al 10% (E10) ya que diferentes estudios constatan que los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10% de Bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos.
E10: El Biocombustible E10 significa una mezcla del 10% de Bioetanol y el 90% de Gasolina normal. Esta mezcla es la más utilizada en EEUU, ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación y e incluso produce la elevación del octano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notable reducción en la emisión de gases contaminantes. E85: Mezcla de 85% de Bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehículos con motores especiales. En EEUU las marcas más conocidas ofrecen vehículos adaptados a estas mezclas.
También se comercializan, en algunos países (EEUU, Brasil, Suecia) los llamados vehículos FFV (Flexible Fuel Vehicles) o Vehículos de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas. E95 y E100: Mezclas hasta el 95% y 100% de Bioetanol son utilizados en algunos países como Brasil con motores especiales.
Biodisel116
El biodisel es un combustible elaborado a partir de aceites vegetales o grasas animales, apto como sustituyente parcial o total del Petróleo en motores Diesel, sin que resulten necesarias conversiones, ajustes o regulaciones especiales del motor. Su concepto nace en 1895, cuando el Doctor Rudolf Diesel, desarrolla el primer
motor
Diesel
usando
aceite
de
maní,
como
combustible.
A partir de 1980, se comienza a estudiar la utilización de los esteres de ácidos grasos (Biodiesel), como combustible propulsor. 116
Biodisel.
Consultado
el
2
de
noviembre
http://www.biocombustibles.cl/biodiesel.htm
de
2007.
Disponible
en:
Esta compuesto por el ester (metilico o etílico), de un acido graso propio de los aceites vegetales. Surge de una reacción química llamada “Transesterificación” (alcoholisis), de un aceite vegetal con un alcohol inferior en presencia de un catalizador alcalino. Los procesos de Producción se realizan a través de plantas de Pequeña, media o gran escala. El biodiesel se puede extraer del Raps, Maravilla, Ricino, Joroba, Cardo, Colza, Soya, Algodón, Palma y otras oleaginosas, como también Aceites Usados y de la Grasa Animal.
El esquema productivo del biodisel se presenta a continuación:
Figura 28: Esquema productivo de biodisel.
fuente: Biodisel. Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.biocombustibles.cl/biodiesel.htm
Las principales ventajas del uso de biodisel son:
•
Es una fuente de Energía Renovable.
•
Para usar Biodiesel no se requieren ninguna modificación y adaptación -especial de motor. Se puede usar en cualquier momento y en cualquier proporción con el Petróleo. Si se utiliza puro (B100), solo se debe tener la precaución de contar con mangueras de buena calidad y combinado con el Petróleo, ejemplo B20 (20 % biodiesel y 80 % Petróleo).
•
Reduce el desgaste del Motor, extendiendo la vida útil.
•
Se pueden utilizar los mismos sistemas de distribución y tanques.
•
Reduce las emisiones en alrededor del 90 %.
•
En cuanto a la seguridad: El punto de inflamación del Biodiesel (>00º C), es mayor que el petróleo (50º C); lo que brinda un manejo mas seguro y menor riesgo de presencia de llamas, tanto puro como mezclas. La tensión de vapor es menor a 5 mm. Hg., lo que permite una manipulación y almacenaje en condiciones más seguras por la total ausencia de vapores. La toxicidad es baja y no representa riesgos para la salud ya que se haya dentro de la categoría de “PRODUCTO NO TOXICO”. Si se compara, la sal de cocina (cloruro de sodio) es 10 veces más toxica.
Se debe tener en cuenta que se conviene revisar con frecuencia los filtros de combustibles y cambiarlos cuando sea necesario. En algunos casos y con el tiempo el uso del Petróleo deja un depósito en las mangueras de alimentación, tanques y retornos, y el uso del Biodiesel puede disolver este sedimento, debiéndose cambiar más frecuentemente el filtro de combustible (por usar Biodiesel), hasta que el sistema entero se haya limpiado completamente de los depósitos causados por el Petróleo.
EL Biodiesel ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de Biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades:
B20: El biocombustible B20 significa una mezcla del 20% de Biodiesel y el 80% de diesel normal. El B20 es la mezcla de biocombustible de Biodiesel más utilizada en EEUU y en otros países se comercializa con amplia aceptación tanto el B20 como el B100. B100: El biocombustible B100 significa, Biodiesel al 100% sin mezcla alguna con diesel normal. Es un producto 100% ecológico con altas reducciones de emisiones nocivas a la atmósfera. Su única tarea es que en los motores de vehículos antiguos (al parecer anteriores a 1994) es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por otros de materiales, debido a que el Biodiesel ataca a la goma, aunque hay varios estudios que indican que no es necesaria ninguna modificación en los motores. Otras Mezclas: Por dar un ejemplo en España en la actualidad existen diversas marcas y distribuidores que ofrecen Biodiesel con mezclas que se acercan a los estándares internacionales de B20 y B100. En el corto plazo se espera una nueva regulación que marque la proporción de las mezclas y que se supone se adapte a los estándares internacionales de B20 y B100 para que el consumidor conozca exactamente que Biodiesel esta utilizando en su motor.
Biogas117
El biogas corresponde a una mezcla gaseosa producida por la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y cuyos principales componentes son el Metano (CH4) y el Dióxido de carbono (CO2) que se producen como 117
Biogas. Consultado el 2 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://www.biocombustibles.cl/biogas.htm
resultado de la fermentación de la materia orgánica en ausencia de aire por la acción de un microorganismo. El metano al no contar con una alternativa de uso es arrojado a la atmósfera contribuyendo al incremento en la concentración de gases de efecto de invernadero, no obstante si se cuenta con un sistema apropiado de recolección y acondicionamiento puede ser usado como combustible, convirtiéndose por combustión en CO2 y vapor de agua, el cual es asimilado por los cultivos y retornado en su mayoría al suelo, disminuyendo así su concentración en la atmósfera. Los procesos de producción de biogás dependen de varios parámetros, por ejemplo cambios en la temperatura del medio ambiente que puede tener un efecto negativo en la actividad bacterial. El Biogás es una mezcla de gases que esta compuesta básicamente por: •
Metano (CH4 ): 40 - 70 % vol.
•
Dióxido de carbono (CO2 ): 30 - 60 % vol.
•
Otros gases : 1 - 5 % vol.
•
Hidrógeno (H2 ): 0 - 1% vol.
•
Sulfuro de hidrógeno (H2S): 0 - 3 % vo l.
Así como cualquier gas puro las propiedades características del Biogás dependen de la presión y la temperatura. El valor calorífico del biogás es de aprox. 6 kWh/m3 que corresponde aprox. a la mitad de un litro de combustible diesel; el valor calorífico neto depende de la eficiencia de los quemadores o de su aplicación.
La utilización de biogás en equipos comerciales requiere de adaptaciones sencillas para quemarlo eficientemente. Otros usos del biogás son las estufas de gas, en iluminación con lámparas de gas, en refrigeradores de gas y como combustible en motores de explosión.
El proceso de producción de biogas se esquematiza a continuación:
Figura 29: Proceso de producción de biogas.
Fuente: Biogas. Consutado el 2 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.biocombustibles.cl/biogas.htm Las principales ventajas del uso de biogas son:
•
La fermentación anaeróbica de la materia orgánica produce un residuo de excelentes propiedades fertilizantes y esto le trae beneficios al suelo similares a los que se alcanzan con cualquier materia orgánica. Es decir, actúa como mejorador de las características físicas, facilitando la aireación, aumentando la capacidad de retención de humedad, la capacidad de infiltración del agua y la capacidad de intercambio catiónico.
•
Actúa como fuente de energía y nutrientes para el desarrollo de núcleos microbianos que mejoran la solubilidad de los compuestos minerales del suelo. En este sentido presenta ventajas sobre el uso directo de la materia orgánica.
•
Depuración ambiental y ecológica
•
Fertilizantes de gran calidad
LECCIÓN 25. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE BIOMASA118
La biomasa es la principal fuente energética para 2.400 millones de personas y suple cerca del 40% de la demanda energética de países en vía de desarrollo. Asia, África y Latinoamérica, son los continentes que mayor demanda de biomasa enfrentan. Este tipo de combustible es de uso doméstico y se utiliza principalmente por los pobres en forma tradicional.
El abastecimiento de la biomasa, al tener una concordancia con la tenencia de la tierra, depende de circunstacias polìticas y socioeconómicas tales como el dominio de la tierra, el mercado de la tierra y el trabajo, normas que regulan la propiedad y el uso de la tierra y reglas de herencia sobre ella. Esto implica que el abastecimiento de biomasa tenga varios factores para su optimizaciòn, que en algunos casos pasan a relaciones de género, clase y étnias.
La biomasa empleada bajo el uso tradicional puede acarrear consecuencias de tipo:
Social: los que mayor tiempo dedican a la obtenciòn de biomasa son mujeres y niños. La escases de los recursos, repercuten dierectamente con menor
118
Velo García Enric y otros. Energía participación y sostenibilidad. Tecnologìa para el desarrollo humano. Febrero de 2006.
dedicación a los cultivos, precaria alimentación, que equivale a una disminución de su calidad de vida.
Es preciso crear instituciones que se encarguen del manejo y obtención de estos recursos, lo que ofrecerá nuevos puestos de trabajo locales y el aseguramiento en el abastecimiento de biomasa en forma controlada.
Medioambientales. El uso tradicional de la biomasa puede conllevar a la deforestación, debido a la recolección de residuos maderables para la producción de carbon vegental, incluyendo un impacto en la biodiversidad de la zona.
La forma de contrarrestrar este problema es que la comunidad ejerza control sobre sus recursos forestales.
La combustión ineficiente de la madera, ocasiona un aumento en la presión sobre las fuentes energéticas y genera gases contaminantes. Para esto ser requiere mejorar el sistema tradicional de aprovechamiento de biomasa.
Otro factor importante para mejorar esta problemática es emplear residuos orgánicos (agrícolas, ganaderos, domésticos, industriales) como fuente de biomasa. Esto ayudara a evitar la descomposición incontrolada de este material, prevención de incendios, plagas y enfermedades vegetales.
Sanitarias: la concentración de gases en recintos cerrados por combustión ineficiente, repercute en enfermedades respiratorias para quienes usan este tipo de combustible en forma tradiconal, además de posibilidades de contraer cáncer y transtornos en el embarazo. Las emisiones de la combustión de la biomasa en poblaciones que usan este recurso en forma tradicional, son la principal causa de
morbilidad y mortalidad en niños menores de cinco años. Para acabar con este flagelo, se requiere mejorar la combuistión en los utencilios utilizados para cocinar.
Para potenciar las ventajas en países en desarrollo del uso de biomasa como fuente de combustible se pueden aplicar las siguiente recomendaciones:
1. Sólo utilizar biomasa que proceda de fuentes renovales. 2. Difundir ampliamente las tecnologías mejoradas para el uso de esta. 3. Promover tecnologìas modernas y ampliar el suministro de biomasa a
residuos agroindustriales, rurales y urbajos.
CAPÍTULO 6. ENERGÍA DEL MAR, GEOTÉRMICA.
LECCIÓN 26. INTRODUCCIÓN.
En capítulos anteriores se han revisado diferentes fuentes de energía renovable, todas con una amplia gama de aplicaciones y oportunidades actuales.
En este caplitulo estudiaremos la energía del mar y la energía geotérmica.
La energía mareomotríz es un campo poco explotado y en la actualidad no se ubica un mercado para el aprovechamiento de esta. Se espera que se aumenten los esfuerzos para la adecuación de tecnologías necesarias que permitan el aprovechamiento de este tipo de energía, lo que servirá de gran impacto en el futuro y para el crecimiento de las energías renovables.
Por otro lado, la energía geotérmica, constituye una pequeña porción de la producción de energías renovables en el mundo. Su principal dificultad han sido los riesgos asociados a la explotación. El sistema para la extracciòn de la energía geotèrmica es a partir de bombas de calor, que permite extraer el calor del vapor seco para la producción de energía eléctrica.
LECCIÓN 27. ENERGÍA DE ORIGEN MARINO
La energía mareomotriz, saca provecho de los movimientos de las mareas ocasionados por las diferentes posiciones de la Tierra y la Luna. La primera gran central mareomotriz para la producción de energía eléctrica comercial se construyó en 1967 en el Estuario de Rance, Francia; es la central mareomotriz más importante del mundo, con una potencia instalada de 240 MW, un caudal de 20.000 metros cúbicos por segundo, un salto de agua de 8 metros y un dique de más de 700 m, siendo la superficie de agua embalsada de 17 km2. 119
Una segunda forma de utilizar las corrientes marinas es el uso, bajo agua, de molinos similares a los que se usan para el aprovechamiento del viento. Como el agua es más densa que el aire, la velocidad necesaria para generar electricidad es menor. Con una velocidad de la corriente marina de 2 metros por segundo (m/s) se logra lo que en la superficie se obtiene con velocidades de viento de 12 m/s. 120 Por otro lado, hay otra tecnología basada en el aprovechamiento del gradiente térmico oceánico, es decir de diferencia de temperaturas entre las superficie y la 119
Fuente: Una mirada a la energía mareomotriz, poder sobre las mareas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.mardechile.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=1138&Itemid=2 120
Ibid.
profundidad
del
mar.
Es
la
que
tiene
menor
desarrollo
de
todas.
La energía de las olas es otra de las fuentes aprovechables. En este caso, en vez de aprovechar los movimientos ascendentes y descendentes del mar como el anterior, se procura utilizar el movimiento de ida y vuelta de las olas para mover un generador. Este es el caso de la tecnología Pelamis.121
Figura 30: Central mareomotriz.
Fuente: Una mirada a la energía mareomotriz, poder sobre las mareas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.mardechile.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=1138&Itemid=2
121
Ibid.
Energía mareomotriz122
Las mareas se producen por la atracción gravitatoria que ejerce la luna sobre los mares. En consecuencia durante el día se producen altos y bajos niveles de los mares en las distintas zonas costeras.
La energía mareomotriz aprovecha estas diferencias, para interponer elementos móviles, que el agua al pasar por ellos, pueden hacer girar aspas que se conectan a generadores y así producir energía eléctrica.
El esquema de una central mareomotriz se puede apreciar en la figura:
Figura 31: Turbina mareomotriz.
Fuente: La energía mareomotriz y de las olas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.e-
renovables.cl/energias_renovables/mareomotriz/mareomotriz.html
122
La energía mareomotriz y de las olas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.e-renovables.cl/energias_renovables/mareomotriz/mareomotriz.html
Como funciona:
1. Al subir la marea las compuertas se abren ingresando el agua de mar al
embalse. 2. En el momento que el agua llega al nivel máximo del embalse, se cierran
las compuertas. 3. Se produce la marea baja y el nivel al lado contrario del embalse desciende. 4. Al producirse la máxima diferencia entre el embalse y el nivel del mar, se
abren las compuertas de las turbinas para que el agua pase a través de ellas generando electricidad.
La desventaja de esta forma de obtener energía radica en el hecho de utilizar grandes ensenadas naturales para "aposar" el agua en momentos de marea alta o pleamar, de tal manera de generar electricidad al liberar el agua allí contenida.
De las energías renovables la energía mareomotriz es una de las menos conocidas y aprovechadas, a pesar de que estas poseen una cantidad enorme de energía cinética. Además, para generar la electricidad, se deben construir grandes infraestructuras que pueden alterar o impactar el medio que los rodea, con un costo no solo económico sino que ambiental importante.
Energía de las olas.123
Las olas son producidas por el viento que sopla sobre la superficie del mar, a medida que estas olas aumentan de tamaño, el viento empuja con mas fuerza sobre ellas, entregandoles mayor energía. http://www.erenovables.cl/energias_renovables/mareomotriz/mareomotriz_olas.html 123
La energía de las olas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
Esta "fuerza" que contienen las olas puede ser aprovechada para mover infraestructuras que son capaces de generar electricidad cada vez que una ola golpea el borde costero, o aprovechando las diferencias de nivel que ellas producen cuando avanzan a través del mar.
Figura 32: Turbina de Olas.
Fuente: La energía de las olas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.erenovables.cl/energias_renovables/mareomotriz/mareomotriz_olas.html El funcionamiento de la energía a partir de las olas, es el siguiente: 1. Las olas al chocar con el muro frontal ingresan a la camara de aire. 2. Al subir el nivel del agua, ejerce presión sobre el aire que esta encerrado en
la camara. 3. El aire a presión empuja las aspas de una hélice que esta conectada a una
turbina y genera la electricidad. 4. Al retirase la ola nuevamente la camara vuelve a llenarse de aire. 5. Se han hecho pruebas con turbinas que son capaces de aprovechar tanto el
aire que ingresa por la turbina, así como la que se devuelve producto del
vacío que se genera en la camara al retirarse la ola, aprovechando la circulación de aire en los dos sentidos para la producción de electricidad.
Visitar el siguiente enlace: http://eddy.uvigo.es/Videos/energiamar.swf
LECCIÓN 28. ENERGÍA GEOTÉRMICA124
La energìa geotérmica se genera a partir de una serie de reacciones quìmicas naturales que tienen lugar en el interior de la tierra y producen grandes cantidades de calor. Este tipo de energía se aprovecha a través de perforaciones en la tierra, extrayendo el calor generado por estas reacciones y transfiriéndolo a un fluido.
La energía de la tierra puede definirse como la energía almacenada bajo la superficie de la tierra en forma de calor.
Son varios los elementos que dan lugar a un campo geotérmico, estos son:
•
Fuente de calor magnètico
•
Zona de roca permeable o yacimiento en el cual se puede almacenar un fluido capaz de transportar la energìa que en ella se encuentra acumulada en forma de calor.
•
Capa sello o capa confinante que impide que los fluidos calientes suban hasta la superficie y disipen la energìa en la atmòsfera.
124
Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energetico_2002.pdf
Las disciplinas que se ocupan de encontrar los lugares aptos para la extracciòn de este tipo de energìas son la geologìa, geofìsica, geoquìmica y geohidrologìa.
Figura 33. Esquema idealizado de un sistema geotérmico.
Fuente: Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energ etico_2002.pdf
Para la generaciòn de energìa eléctrica, se especifican los tipos de energía geotèrmica existentes, estas dependen de los campos geotérmicos que se clasifican dependiendo de la temperatura a la que sale el agua.
Energía geotérmica de altas temperaturas. Existe en las zonas activas a la corteza terrestre. Su temperatura esta comprendida entre los 150 y 400ºC.
Para la exitencia de un campo geotèrmico de altas temperaturas se requiere de un techo compuste de una cobertura de rocas impermeables, un depósito o acuífero, de una permeabilidad elevada, entre 300 y 2000 metros de profundidad, rocas fracturadas que permitan la circulaciòn convectiva de fluidos, y la transferencia de calor de la fuenta a la superficie, una fuente de calor magnètico entre 3 y 10km de profundidad y 500 o 600ºC.
Para la explotación de un campo de altas temperaturas, se requiere de perforaciones con técnicas similares a la extracción del petróleo.
Energìa geotèrmica de temperaturas medias. En esta, la temperatura de los acuíferos esta entre 70 y 150 ºC. La conservación de vapor-electricidad se realiza a menor rendimiento y por tanto se emplea un fluido voláti.
Energia geotérmica de baja temperatura. Se debe al gradiente geotèrmico. Los fluidos están a temperaturas de 60 a 80ºC. Se emplea en la calefacción de viviendas.
Energía geotérmica de muy baja temperatura. Los fluidos se calientan a temperaturas entre 20 y 60ºC. Empleada en necesidades domésticas, urbanas o agrícolas.
La frontera entre la energìa geotérmica de alta temperatura y la energía geotérmica de baja temperatura es la temperatura por debajo d ela cual no es posible producir electricidad con rendimiento aceptable. (120-180 ºC).
Con la identificación del terreno óptimo para la extracción de energía geotérmica, se procede a completar el caudal del fluido requerido para mover la turbina. Las
turbinas se mueven a partir del vapor de agua, al cual se le debe eliminar la humedad y cualquier partìcula sólida. El fluido geotérmico producido en el reservorio debe pasarse por un separador ciclónico que aparta el vapor del agua caliente.
El vapor se hace circular por turbinas de paletas múltiples, que extraen la energía del vapor, y hace girar un generador síncron para la producción de energía eléctrica.
Las principales aplicaciones de la energía geotérmica que se estan llevando a nivel mundial, estan relacionadas con la generación de electricidad para:
•
Calentamiento de sitios públiocos urbanos
•
Calentamiento de piscinas y centros deportivos.
•
Procesos industriales.
•
Balnearios con aguas termales
•
Bombas de calor geotérmicas para calefacción.
•
Secado agrícola
LECCIÓN 29. IMPLICACIONES DE ESTAS ENERGÍAS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE.
La energía mareomotriz tiene la cualidad de renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y limpia, no contamina mediante residuos sólidos líquidos o gaseosos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental para su proceso han evitado un aumento de instalaciones.
Las instalaciones producen un impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, además de impactar la fauna y flora propias del lugar donde se desarrolla el montaje de la unidad. Se considera una contaminación auditiva por el montaje de turbinas para la transformación en energía eléctrica.
En lo que respecta a la energía geotérmica, esta representa una fuente de energía no contaminante, sin embargo, no se puede especificar con claridad que esta fuente de energía y las obras necesarias para su aprovechamiento modifiquen o afecten el medio ambiente. 125
Los principales factores de carácter ambiental reflejados en el uso de esta energía son:126
•
Afectación en el uso del suelo
•
Altos niveles de contaminación acústica.
•
Uso y contaminación de aguas.
•
Contaminación térmica y efectos climáticos.
En el suelo, se puede tener influencia sobre la estabilidad y afectación en las formaciones geológicas profundas. Además puede implicar procesos de erosión, hundimiento de terreno, inducción de actividad sísmica. Sobre estos tres aspectos, se estan desarrollando investigaciones que ayuden a prevenir dichos procesos.127 125
Bernal Barajas, Oscar Javier. Recurso energético y medio ambiente. “Fuentes de energía renovable”. Alternativas energéticas medioambientales. Universidad Industrial de Santander. www.lasalle.edu.co/pregrado/preg_ing_elect/Para%20Web/Extension/FORMACION/recurso_energetic o_2002.pdf 126 127
Ibid. Ibid.
La contaminación de aire por extracción de energía geotérmica se puede dar de dos formas: por salida directa de vapor geotérmico a lo largo de las etapas de explotación y por salida de gases incondensables durante la operación de la planta generadora de energía eléctrica. Para esto es necesario el desarrollo de técnicas de control, además de sistemas de eliminación. 128
La contaminación del agua esta ligada a posible eliminación de los fluidos geotérmicos que contienen sustancias nocivas en estas. Además, la extracción y eliminación a gran escala de los fluidos geotérmicos pueden alterar la hidrología superficial como la freática. 129
LECCIÓN 30. INVESTIGACIONES RECIENTES QUE IMPLIQUEN EL USO DE ESTAS ENERGÍAS.
Para abarcar esta lección, te invito a visitar los siguientes enlaces, en ellos encontraran algunas aplicaciones y puesta en marcha de la energía mareomotriz y geotérmica a nivel mundial. http://www.soloenergia.com.ar/news.php?cat.24 http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/1975/1975_julio_3123_04.pdf http://www.electrotecnia.net/profesionales/docs/cats/catwarmtec.pdf
128 129
Ibid. Ibid.
UNIDAD
3.
ENERGÍA
HIDRÁULICA,
PILAS
DE
COMBUSTIBLE Y FUSIÓN NUCLEAR. CAPÍTULO 7. ENERGÍA HIDRÁULICA
LECCIÓN 31. INTRODUCCIÓN.130
La energía hidráulica aprovecha la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente, se transforma en energía eléctrica por medio de generadores. La energía hidráulica es un recurso natural disponible en zonas que presentan suficiente cantidad de agua, para luego devolverla a su estado natural.
Para el desarrollo de este tipo de energía se requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Esto implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales y el bajo mantenimiento que precisan una vez estén en funcionamiento centran la atención en esta fuente de energía.
En el siglo XIX, entre en el auge el uso del agua para la producción de energía con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. El bajo caudal del verano y otoño, unido a los hielos del invierno hacían necesaria la construcción de 130
Energía hidráulica. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p2.htm
grandes presas de contención, por lo que las ruedas hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor con en cuanto se pudo disponer de carbón. La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
Figura 34. Canal de riego en Alloz. Fuente: Energía hidráulica. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p2.htm
En la década de los noventa, las primeras potencias productoras de energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, este tipo de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil
(96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6500 Mw y es una de las más grandes.
En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
En países donde los caudales son bajos, se estan empleando minicentrales hidroeléctricas. Figura 35. Presa de bóveda de Alloz.
Fuente: Energía hidráulica. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p2.htm
LECCIÓN 32. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.131
La energía hidroeléctrica, se considera rentable. Los costos iniciales para su montaje son altos, pero esto es compensado con el costo de mantenimiento que son relativamente bajos. Los principales condicionantes para su construcción son:
•
Las condiciones pluviométricas medias del año deben ser favorables
•
El lugar de emplazamiento está supeditado a las características y configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua.
El funcionamiento básico consiste en aprovechar la energía cinética del agua almacenada, de modo que accione las turbinas hidráulicas.
En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto para aprovechar mejor el agua llevada por los ríos, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.
Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río.
131
Centrales hidroeléctricas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p3.htm
Figura 36: centrales del Urumea
Fuente: Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p3.htm
El agua del canal o de la presa penetra en la tubería donde se efectua el salto. Su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas, que albergan a las turbinas hidráulicas y a los generadores eléctricos. El agua al llegar a la turbina la hace girar sobre su eje, que arrastra en su movimiento al generador eléctrico.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice. Las
centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.
Figura 37: R ueda Pelton.
Fuente: Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p3.htm
El agua es devuelta al río en las condiciones en que se tomó, de modo que se puede volver a utilizar por otra central situada aguas abajo o para consumo. La utilización de presas tiene varios inconvenientes. Muchas veces se inundan terrenos fértiles y en ocasiones poblaciones que es preciso evacuar. La fauna piscícola puede ser alterada si no se toman medidas que la protejan.
Las centrales hidroelectricas se diferencian de las minicentrales por varios aspectos, uno de ellos es la capacidad instalada. Las centrales proporcionan una
potencia mayor a los 10 MW , las minicentrales, una pontencia menor a los 10 MW. Las turbinas de las minicentrales tienen un diseño diferente. 132
LECCIÓN 33. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.133
Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.
Se distinguen aquellas que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denominan:
1. Centrales de Agua Fluente 2. Centrales de agua embalsada: •
Centrales de Regulación
•
Centrales de Bombeo.
Según la altura del salto de agua o desnivel existente: 1. Centrales de Alta Presión 2. Centrales de Media Presión. 3. Centrales de Baja Presión
132
Castro, Adriana. Minicentrales hidroeléctricas. Instituto para la diversificación y ahorro de la energía. IDAE. Madrid. Octubre de 2006. 133 Tipos de centrales hidroeléctricas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. disponible en: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p5.htm
Centrales de Agua Fluente:
Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.
No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente.
Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.
Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
Figura 38. Presa de agua fluente en el río Urumea.
Fuente: tipos de centrales hidroeléctricas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p5.htm
Centrales de Agua Embalsada:
Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.
Centrales de Regulación:
Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales.
Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.
Centrales de Bombeo:
Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.
No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.
Centrales de Alta Presión:
Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina.
Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan turbinas Pelton y Francis.
Centrales de Media Presión:
Aquellas
que
poseen
saltos
hidráulicos
de
entre
200-20
metros
aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.
En valles de media montaña, dependen de embalses.
Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes.
Figura 39. Compuerta del embalse de Alloz.
Fuente: tipos de centrales hidroeléctricas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p5.htm
Centrales de Baja Presión:
Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300m3/s.
Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan.
LECCIÓN 32. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Las siguientes son las ventajas más representativas de la energía hidráulica:
•
Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure.
•
"No contamina" (en la proporción que lo hacen el petróleo, carbón, etc.): No emite gases "invernadero" ni provoca lluvia ácida, no contamina la atmósfera, por lo que no hay que emplear costosos métodos que limpien las emisiones de gases.
•
Produce trabajo a temperatura ambiente: No hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan, por lo que es más rentable en este aspecto.
•
Almacenamiento de agua para regadíos
•
Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc)
Figura 40. Canal para regadío en las proximidades de Alloz.
Fuente: Ventajas e inconvenientes. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p6.htm
•
Evita inundaciones por regular el caudal.
•
Con esta fuente de energía se pueden producir grandes volúmenes de energía eléctrica para la demanda energética del mundo actual.
Los inconvenientes principales que presenta.
•
Las presas: obstáculos insalvables Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar.
Figura 41. Presa de Alloz.
Fuente: Ventajas e inconvenientes. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p6.htm
•
"Contaminación" del agua El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río.
•
Privación de sedimentos al curso bajo Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.
Inundación de tierras cultivables y ecosistemas vírgenes. •
Desplazamiento y desarraigo de los habitantes de la zona.
•
Alteración de los ecosistemas circundantes.
•
Modificación del nivel de las capas freáticas.
•
Colmatación de los embalses por sedimentos.
•
Descomposición de la masa forestal inundada, desencadenando la producción de gases y acidificación del agua.
LECCIÓN 35. NUEVOS DESARROLLOS PARA LA EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA.
En esta lección los invito a realizar las siguientes lecturas, en las cuales se pone de manifiesto avances de tipo tecnológico y científico en la obtención y transformación de este tipo de energía.
Se invita a leer la lectura El agua cae, la potencia aumenta.Ourplanet.pdf
CAPÍTULO 8. PILAS DE COMBUSTIBLE
LECCIÓN 36. CONCEPTOS BÁSICOS.134
Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidrazina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor.
Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases:
El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, 134
Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno.
Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua.
La eficiencia del sistema llega a niveles de 30-40% y se considera una energìa limplia ya que la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina.
Figura 42. Esquema de una Pila combustible.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o
electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el
oxígeno
del
aire,
al
cátodo.
Allí
los
reactivos
se
transforman
electroquímicamente, de acuerdo con las semirreacciones:
Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos.
El rendimiento de la reacción viene determinado por la ecuación de Nernst:
Donde Eo (1.229 V) es el potencial estándar, R la constante de los gases (8.31 J/Kmol), T la temperatura absoluta (K) y F la constante de Faraday (96.480 J/Vmol).
El rendimiento real de la pila puede calcularse considerando las siguientes pérdidas: −
polarización por concentración
−
polarización por activación
−
polarización óhmica
Dependiendo del tipo de pilas de combustible, se obtienen eficacias entre un 35% hasta un 60%. El problema actual reside en la duración de las pilas y en los costos de fabricación. Aunque las pilas de combustible se conocen hace más de 150 años, sólo en las últimas dos décadas han sido reconocidas como una de las tecnologías más prometedoras de producción de energía.
Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad . La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Considerando que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además reducidas.
Las pilas de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos energéticos. La eficacia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros sistemas energéticos. Este hecho permite su aplicación en sistemas de energía miniaturizados y portátiles. Su eficacia es potencialmente superior a cualquier otro sistema, haciendolas particularmente atractivas para aplicaciones estáticas de alta o baja energía. Además, las celdas de combustible suponen actualmente una esperanza real dentro del mercado del transporte.
LECCIÓN 37. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA COMBUSTIBLE.
En una celda de combustible, la energía química del "combustible" se convierte directamente en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica, sin mediar proceso alguno de "combustión", y la eficiencia llega a alcanzar valores de hasta un 70%. El dispositivo es consta de una celda de combustible individual formada por dos electrodos separados por un electrolito que permite el paso de iones pero no de electrones. En el electrodo negativo tiene lugar la oxidación del combustible (normalmente H2 aunque puede ser también metanol u otros) y en el positivo la reducción del oxígeno del aire. Las reacciones que tienen lugar son las que se indican a continuación. 135
Los iones (H+ en este caso) migran a través del electrolito mientras que los electrones (e- ) circulan a través del circuito externo (el motor eléctrico de un automovil). Una de estas celdas individuales genera un voltaje cercano a un voltio; para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas que forman la pila de combustible propiamente dicha. 136
135
Gomez Romero, Pedro. Pilas de Combustible. Energía sin humos. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.cienciateca.com/fuelcells.html 136
Ibid.
Esquema
de
la
estructura
funcionamiento
de
una
pila
y de
combustible. El hidrógeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino
facilita
su
conversión
en
electrones y protones (H+). Estos atraviesan la membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción catalizada también por el platino).
Los
electrones,
que
no
pueden atravesar la membrana de electrolito, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan nuestros dispositivos eléctricos. La figura muestra una sola celda electroquímica que produce aproximadamente 1 Voltio. Para aplicaciones de potencia se apilan muchas de estas celdas para formar la pila de combustible, cuyo voltaje aumenta en proporción al número de celdas apiladas. 137
LECCIÓN 38. TIPOS DE PILAS COMBUSTIBLE.138
Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está in137
138
Ibid.
Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
vestigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Entre las más prometedoras se encuentran:
•
Membrana polimérica (PEM)
Las pilas de membrana polimérica (PEM), también llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño pequeño, si se las compara con otras pilas. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Necesitan hidrógeno y oxígeno y agua, y no requieren el uso de fluidos corrosivos como otras pilas de combustible. Normalmente usan hidrógeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores incorporados.
Las pilas de membrana de electrolito polímero operan a relativamente bajas temperaturas, (80ºC). Esto permite que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento. Esto representa una ventaja, ya que supone menor desgaste entre los componentes del sistema, y por tanto aumenta la duración del mismo. Estas pilas operan con un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible. Este problema se agudiza cuando el hidrógeno empleado proviene de un combustible de alcohol o de hidrocarburo. Actualmente, se están estudiando reemplazar estos catalizadores por los de platino/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO.
La pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a
la orientación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas de combustible PEM son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasa jeros, como por ejemplo coches y autobuses. Figura 43. Pila de combustible PEM.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrógeno/introduccion.htm
•
Ácido Fosfórico
Estas pilas utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino.
La pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es considerada como la primera generación de pilas de combustible modernas. Es uno de los tipos de pilas de combustible más desarrollados y el más usado en la actualidad (existen mas de 200 unidades en uso actualmente). Este tipo de pila se usa normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también se ha usado en vehículos pesados, como los autobuses urbanos.
Las pilas PAFC son menos sensibles a la contaminación del CO que las pilas PEM. Presentan una eficacia del 85% cuando se utilizan como generadores de energía eléctrica y calórica, pero son menos eficaces cuando generan sólo energía eléctrica (entre el 37 y el 42%). La diferencia en su eficacia con las plantas energéticas de combustión (33 a 35%) es muy pequeña. Las pilas PAFC también producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son mas caras. Análogamente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incrementa su coste. Una pila de combustible de ácido fosfórico cuesta normalmente entre 3.500 y 4.000 € por kilovatio.
Figura 44. Pila de combustible PAFC.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
•
Conversión directa de metano
La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que se puede suministrar directamente en el sistema de la pila, o ser generado dentro de la propia pila convirtiendo combustibles ricos en hidrógeno (como por ejemplo el metano, etanol y los combustibles de hidrocarburos). Sin embargo, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC), funcionan con metanol puro mezclado con vapor de agua y suministrarlo directamente al ánodo de la pila.
Las pilas de combustible de metanol directo, no tienen muchos de los problemas de almacenamiento que tienen otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética que el hidrógeno (aunque menos que la gasolina). El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente. La tecnología de la pila de combustible de metanol directo es relativamente nueva si se compara con la de otras pilas de combustible que funcionan con hidrógeno, y su investigación y desarrollo va 3 ó 4 años por detrás de las otras pilas de combustible.
•
Alcalina
Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de combustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100ºC y 250ºC. No obstante, diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre 23ºC y 70ºC aproximadamente.
Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un 60% rendimiento en aplicaciones espaciales.
Su desventaja reside en su sensibilidad a la contaminación por dióxido de carbono (CO2). De hecho, incluso una pequeña cantidad de CO2 en el aire puede afectar el funcionamiento de la pila, haciendo necesario purificar tanto el hidrógeno como el oxígeno utilizados. Este proceso de purificación incrementa el coste de la pila, y además duran menos debido a la susceptibilidad que presentan a este tipo de contaminación.
En ambientes como el espacio o el fondo del mar, esta desventaja no tiene lugar. Sin embargo, para competir en mercados más generales, estas pilas de combustible tendrán que hacerse más rentables. Las pilas AFC han demostrado ser suficientemente estables durante más de 8.000 horas de funcionamiento. Para ser viables desde el punto de vista económico en aplicaciones útiles a gran escala, tienen que superar las 40.000 horas. Posiblemente, éste es el obstáculo más significativo para la comercialización de esta tecnología.
Figura 45. Pila de combustible AFC.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
•
Carbonato fundido
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Las pilas MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio. Dado que operan a temperaturas extremadamente altas de entre 600 y 650ºC, se pueden utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizadores, lo que reduce los costos.
Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfórico. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, considerablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtienen entre un 37 y un 42% de rendimiento. Cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede ser de hasta un 85%.
Al contrario que las pilas alcalinas, de ácido fosfórico y de membrana de electrolito polímero, las pilas MCFC no necesitan un reformador externo para convertir en hidrógeno combustibles de energía más densa. Debido a las altas temperaturas a las que operan, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila de combustible mediante un proceso que se denomina conversión interna, lo que también reduce costos.
Las pilas de carbonato fundido no son propensas a la contaminación por monóxido o dióxido de carbono (pueden incluso usar óxidos de carbono como combustible), permitiendo que se puedan usar en ellas como combustible gases fabricados del carbón. Aunque son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas, los científicos están buscando formas de hacer la pila MCFC suficientemente resistente a las impurezas procedentes del carbón, como pueden ser el sulfuro y las partículas.
La desventaja más importante de la tecnología existente de MCFC es la duración. Las altas temperaturas a las que operan estas pilas y el electrolito corrosivo que se utiliza en ellas, hacen que sus componentes se deterioren, reduciendo la duración de la pila. Los científicos están buscando materiales resistentes a la corrosión para fabricar los componentes, así como diseños que aumenten la duración de la pila sin hacer que disminuya su rendimiento.
Figura 46. Pila de combustible MCFC.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en:
http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
•
Óxido sólido
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso. Al ser el electrolito sólido, las pilas no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con las otras pilas. Se espera que las pilas SOFC tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%.
Las pilas de óxido sólido operan a temperaturas muy elevadas (alrededor de los 1000º C). Las levadas temperaturas hacen que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el costo. También permite a la pila SOFC convertir los combustibles internamente, lo que supone la posibilidad de usar diferentes combustibles y reduce el costo asociado que supone añadir un convertidor al sistema.
Estas pilas también son las más resistentes al sulfuro. Además, no se contaminan con monóxido de carbono (CO), que puede incluso ser utilizado como combustible. Esto permite el uso en estas pilas de gases procedentes del carbón.
Las elevadas temperaturas tienen desventajas: su arranque es lento y necesitan abundante protección para evitar que el calor se escape y para proteger al personal que trabaja con ellas, lo que puede ser aceptable para algún tipo de aplicaciones, pero no para el transporte y para algunos aparatos portátiles. Las altas temperaturas afectan también a la duración de los materiales que se utilizan. El desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración a las temperaturas a las que funciona la pila, es la clave del reto tecnológico al que se somete esta tecnología.
Los científicos están estudiando en la actualidad el potencial para desarrollar pilas SOFC que funcionen a 800 ºC o menos, que tengan menos problemas de duración y que cuesten menos. Las pilas SOFC a temperaturas más bajas producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas.
Figura 47. Pila de combustible SOFC.
Fuente: Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://www.-
tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
•
Pilas de combustible reversibles (regenerativas)
Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno y generan calor y agua como bioproductos, al igual que otras pilas de combustible. No obstante, las pilas de combustible regenerativas pueden usar también electricidad procedente de la energía solar o de otra fuente para dividir el exceso de agua en combustible de oxígeno e hidrógeno (este proceso se llama electrólisis). Este es un tipo de pila relativamente nuevo que está siendo desarrollado por la NASA y otros grupos de investigación.
Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (autos, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc.
LECCIÓN 39. UTILIDADES PARA LAS PILAS DE COMBUSTIBLE.139
A continuación se presentan las principales aplicaciones en las cuales se están empleando Pilas de Combustible.
•
Industria militar
Se espera que las aplicaciones militares supongan un mercado muy significativo para la tecnología de pilas de combustible. La eficacia, versatilidad, prolongado tiempo de funcionamiento y su operatividad sin ruidos, hacen de las celdas de combustible sean un sistema a la medida para las necesidades de los servicios militares. Las pilas de combustible podrían aportar una solución de generación energética válida para el equipamiento militar portátil terrestre o marítimo.
Las pilas de combustible en miniatura podrían ofrecer grandes ventajas sobre las pilas sólidas convencionales voluminosas y además se eliminaría el problema de su recarga.
Siguiendo la misma tónica, la eficacia de las pilas de combustible para el transporte vería reducida drásticamente la necesidad de combustible necesario durante las maniobras. Los vehículos serían capaces de recorrer grandes distancias o trabajar en áreas remotas durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo, personal y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse. Desde 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en embarcaciones para el estudio de profundidades marinas y en submarinos no tripulados. 139
Pilas de combustible. Consultado el 10 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://www.tecno-
ciencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm
•
Dispositivos portátiles
El desarrollo continuo de las pilas de combustibles ha contribuido al desarrollo de numerosos dispositivos electrónicos móviles. La miniaturización de las pilas de combustible ofrece serias ventajas respecto a las baterías convencionales, tales como el incremento del tiempo de operación, la reducción del peso y la facilidad de recarga.
Para este tipo de aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y videocámaras, será necesario considerar los siguientes parámetros que deben darse en las pilas:
Baja la temperatura de operación Disponibilidad de combustible Activación rápida.
En este punto, la investigación se centra en dos tipos de pilas: las pilas de membrana polimérica (PEM) y las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).
El uso de metanol en las DMFCs ofrece una gran ventaja sobre las baterías sólidas en cuanto a la recarga con el combustible en lugar de la utilización de una carga eléctrica externa durante largos periodos de tiempo. Las desventajas actuales son relativas al costo del catalizador de platino, necesario para convertir el metanol en dióxido de carbono y energía eléctrica a bajas temperaturas y baja densidad energética. Si se logran superar dichos inconvenientes, entonces no habrá dificultad para que se promuevan este tipo de pilas. Se han efectuado ensayos de DMFC
en Estados Unidos para el suministro energético a teléfonos móviles, mientras que los ensayos en ordenadores portátiles se han desarrollado en Alemania.
•
Abastecimiento energético en viviendas
Las dificultades técnicas a la hora de diseñar las pilas de combustibles se simplifican en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comercializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de 50 kW de energía eléctrica). Existe un potencial significativo para unidades menores para aplicaciones en viviendas (menores que 50 kW).
Todo el calor y los requerimientos energéticos de residencias privadas o pequeños negocios podrían servirse de pilas de membrana polimérica (PEM) ó de ácido fosfórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponibles. Sólo existen algunos casos en los Estados Unidos, Japón y Alemania de pilas de membrana polimérica (PEM). Este tipo de pilas ofrecen una mayor densidad energética respecto a las PAFC, pero éstas pueden ser más eficientes y su fabricación actualmente es más económica. Las unidades podrían abastecer a casas independientes o grupos de viviendas y podrían diseñarse para satisfacer todas las necesidades energéticas de los habitantes.
Para permitir un arranque inicial de esta tecnología, se pueden emplear redes de distribución de gas natural que será la fuente para obtener el combustible de hidrógeno.
•
Misiones espaciales
La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tripuladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayuda para el avance considerable de la industria de pilas de combustible.
La combinación de su peso ligero, el aporte de electricidad y calor sin ruidos significativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua potable, otorgaron a las pilas de combustibles ventajas considerables con respecto a otras fuentes de energía alternativas.
La pila de combustible Grubb-Niedrach producida por General Electric fue la primera usada por la NASA para suministrar energía al proyecto espacial Gemini. Este fue el primer uso comercial de las celdas de combustible.
La compañía aeroespacial Pratt & Whitney ganó el contrato para el suministro de pilas de combustible al programa Apolo desde principios de los 60. Las celdas de combustible de Pratt & Whitney se basaban en las modificaciones de las patentes de Bacon del modelo de pilas alcalinas. Estas pilas de combustible que operan a baja temperatura son las más eficientes. Con tres unidades capaces de producir 1.5 kW, o 2.2 kW durante cortos periodos de tiempo, operando en paralelo. Pesando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misiones espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo.
International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha seguido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su empleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80. Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de combustible de 12 kW. No existen baterías de seguridad. El desarrollo técnico que ha
continuado el IFC ha hecho que las pilas de combustible que usan los transbordadores espaciales puedan actualmente abastecer unas diez veces la energía que proporcionaban unidades similares usadas en la nave Apolo. Utilizando como combustible hidrógeno criogenizado y oxígeno, las celdas son 70% más eficientes y pueden completar 80.000 horas de funcionamiento en más de 100 misiones.
•
Generación de energía a gran escala
Actualmente, el mercado más desarrollado de las pilas de combustible está presente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen reducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva opción para los usuarios. Operando a temperaturas por debajo de los 80°C, las pilas de combustible pueden ser instaladas en cualquier vivienda privada además de poder satisfacer las necesidades energéticas de los procesos industriales.
Hasta ahora, los fabricantes de células de combustible se han centrado en aplicaciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel comercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de oficinas e instalaciones bancarias. En el futuro, las pilas de combustible que operan a altas temperaturas, como de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), podrían adaptarse a aplicaciones industriales y generar energía a gran escala (megawatios). Operando a temperaturas entre 600-1100 °C estas pilas de combustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Además, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional mediante turbinas de vapor.
•
Transporte
Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá), han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72 % cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interno de gasolina.
Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez, proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables.
Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80°C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60% comparada con el 25% que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible. Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado costo de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigación realizada en este ámbito, parece que ha
optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible.
Se estima que en unos 30 años, los parques automovilísticos de los países desarrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con mas vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna.
LECCIÓN 40. INVESTIGACIONES RECIENTES QUE IMPLIQUEN EL USO DE PILAS COMBUSTIBLES.
En la lección anterior se citaron las principales compañías y usos actuales y potenciales de las pilas de combustible.
Para dar un marco más globalizado del potencial de esta energía alternativa se invita a leer el artículo publicado en el siguiente portal: http://petra2.ciemat.es/actividad/programas/p_cg_pilascombust.html
CAPÍTULO 9. FUSIÓN NUCLEAR.
LECCIÓN 41. INTRODUCCIÓN.140
La energía nuclear más conocida es la producida por fisión nuclear, la cual ha dado origen a la construcción de reactores comerciales. Existen en el mundo más de 400 reactores nucleares en operación que, en algunos países producen más del 15% de la energía eléctrica total que consumen. Los riesgos de dispersión de la radiactividad que representan han impedido una mayor diseminación. Debido al peligro potencial que la fisión nuclear presenta, gran parte de la sociedad rechaza el uso de este recurso, tanto por la extrema seguridad que debe observarse a todo tiempo en una planta nuclear, como por el problema que representan los desechos radiactivos. Por esta razón, existe la tendencia, entre las personas inclinadas a conservar la ecología del planeta, a considerar que la energía nuclear no puede contemplarse como una fuente alternativa viable para el futuro.
Sin embargo, la energìa por fusión nuclear tiene un potencial energético más amplio que la fisión. La principal ventaja de la fusión sobre la fisión es seguramente que no da lugar a productos radiactivos como resultado de la reacción. Esto hace que se le designe comúnmente como energía nuclear limpia.
Otro factor importante en favor de la fusión es que el elemento básico que sirve como combustible es el hidrógeno, el cual se obtiene del agua, por lo que no habría problema para asegurar su abasto. Para fines prácticos podría decirse que la fuente de energía sería inagotable. 140
Fusión nuclear. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/106/htm/sec_3.htm
En contraste con las atractivas cualidades mencionadas hay que hacer notar que la utilización de la fusión como fuente de energía es todavía un sueño en la mente de los científicos y que, aunque pocos dudan que se llegue a producir, su uso práctico tendrá que esperar varios años hasta que se pueda hacer tecnológicamente aceptable. El problema radica en que, conforme las investigaciones han ido avanzando, se ha llegado a un grado de complejidad tal que la construcción de un reactor de fusión con las perspectivas actuales tendría un costo sumamente elevado
La fusión nuclear es un proceso de unión (fusión) de dos núcleos atómicos para formar uno solo.
Lo que hace peculiar la fusión de dos núcleos es la naturaleza de las fuerzas que mantienen unidos sus componentes, los protones y los neutrones, a los que genéricamente se les llama nucleones. La fuerza nuclear tiene la particularidad de ser muy intensa pero de muy corto alcance, es decir, solamente cuando dos nucleones se encuentran muy próximos sienten la atracción mutua, en cuyo caso esta fuerza domina completamente cualquier otra fuerza presente (como la repulsión eléctrica entre protones).
Cuando un nucleón está rodeado de otros nucleones siente una fuerza neta que es la suma de las fuerzas ejercidas por cada nucleón por separado y si quisiéramos arrancar este componente del núcleo necesitaríamos darle una energía suficiente para vencer esta fuerza neta. A la energía mínima necesaria para hacerlo se le llama energía de enlace. Al aumentar el tamaño del núcleo (o sea, el número de nucleones) la energía de enlace va creciendo debido a que hay más nucleones ejerciendo atracción, pero debido al corto alcance de la fuerza sólo los nucleones más cercanos contribuirán de manera significativa. Por esta razón, el au-
mento en la energía de enlace es muy pronunciado cuando se empieza a aumentar de tamaño un núcleo pequeño y, a medida que se siguen agregando partículas, su efecto es cada vez menor porque están más distantes, lo cual hace que la energía de enlace casi no aumente. Así se tiene que para todos los núcleos más pesados la energía de enlace de un nucleón es prácticamente la misma y son más difíciles de romper que los ligeros.
LECCIÓN 42. LA FUSIÓN FRÍA141
Frente a la energía de fisión, que es la actualmente utilizada en el mundo, una parte importante de los esfuerzos de los científicos se centra en investigar la gran alternativa, inagotable y limpia: la energía de fusión, y en concreto en una variante de la misma: la "fusión en frío". Actualmente la fusión nuclear más desarrollada e investigada es la que une los isotopos de hidrógeno (tritio y deuterio) a través de altas temperaturas (cien millones de grados). Es la llamada fusión en caliente. Este inmenso calor es necesario para vencer la fuerza de repulsión electrostática de los isotopos (al tener la misma carga eléctrica), excitándolos de tal forma que llegan a unirse, creando un nuevo estado de la materia: el plasma. Dadas las dificultades para conseguir esas temperaturas y, sobre todo, para confinar el plasma (por confinamiento magnético o por confinamiento inercial), se ha estado investigando la fusión fría, que logra crear energía sin necesidad de calentamiento.
141
Energía nuclar. La fusión en frío. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.arrakis.es/~lallave/nuclear/fu-fria.htm
El experimento de Fleischmann y Pons.-
Los primeros resultados se lograron el 23 de marzo de 1989 con las investigaciones realizadas por dos químicos norteamericanos de la Universidad de Utah (Martin Fleischmann y Stanley Pons) quienes aseguraron en una conferencia haber logrado la fusión fría mediante un sencillo ingenio y a través de la electrolisis, con una barra de paladio rodeada de hilo de platino, sumergida en agua pesada (rica en deuterio).
Con este sistema, aplicando una corriente eléctrica, el deuterio se separa del oxígeno del agua y se acumula en la barra de paladio. Llegado un punto, los núcleos del deuterio y del paladio se funden a temperatura ambiente, provocando la reacción nuclear, que libera energía, detectada por la emisión de neutrones.
Fleischmann y Pons, venían desarrollando el experimento desde 1984 con fondos del Departamento de Energía de EE.UU, aseguraron haber obtenido el equivalente a 1 watio de energía por centímetro cúbico de agua, lo que representaría 1 millón de veces más de lo que mostraron las emisiones de neutrones medidas y unas 50 veces más de la energía utilizada.
Al reproducir el experimento sin éxito alguno, las versiones de estos científicos fracasaron y se determino no ser posible la fusión en frío bajo este procedimientol
El experimento de Scaramuzzi.-
El Profesor italiano Scaramuzzi cambió algunos elementos del experimento citado anteriormente y, si bien no logró la energía "obtenida" por Fleischmann y Pons, sí demostró que la fusión en fría es posible.
Su experimento eliminó la electrolisis y sustituyó el paladio por un ovillo de titanio. Sumergiendo el titanio en deuterio gaseoso y logrado un equilibrio entre la presión del gas y la temperatura, se consiguió la fusión. El profesor Scaramuzzi midió 491 unidades de neutrones emitidas cuando sólo esperaba contabilizar 30.
Actualmente, las investigaciones de la fusión fría van encaminadas a lograr resultados prácticos y aprovechables a largo plazo, se está aplicando la técnica de la soluminiscencia, que consiste básicamente en la emisión de luz por los líquidos sometidos a ultrasonidos.
La energía de fusión fría, es una fuente que no contamina y es inagotable (como la de fusión en caliente), además de presentar costos menores para su producción.
LECCIÓN 43. LA FUSIÓN POR CONFINAMIENTO INERCIAL142.
142
Fusión por confinamiento inercial. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_inercial
El confinamiento inercial consiste en conseguir las condiciones necesaria para que se produzca la fusión nuclear dotando a las partículas del combustible de la cantidad de movimiento necesaria para que con el choque de las mismas se venza la barrera culombiana y así se pueda producir la reacción nuclear de fusión.
El confinamiento inercial de fusión que emplea láseres ha progresado velozmente en los años 1970 y comienzos de los años 1980 hasta el punto de disponer de unos cuantos pulsos para fusionar un objetivo con diez millones de kilojoules. En la ilustración se puede ver un laser 10 beam LLNL NOVA, mostrado en 1984. Esta instalación viene a suplir el viejo proyecto de su predecesor, el láser Shiva.
Según el método que se use para dotar del movimiento necesario a las partículas del combustible se puede distinguir los siguientes tipos de confinamiento inercial:
•
Confinamiento utilizando el láser o partículas
El método más empleado para el confinamiento inercial emplea láser sobre un blanco. La fusión nuclear por confinamiento inercial con láser se consigue mediante el uso de varios haces de rayos láser (192 en el NIF), de rayos X, o bien de ionespesados acelerados, enfocados en un pequeño blanco esférico (10 miligramos) donde se encuentra el combustible de deuterio - tritio También se utiliza el enfoque indirecto, en el que los haces se enfocan hacia un holraum de un metal muy denso que a su vez produce intensos rayos X que inciden sobre el blanco de combustible. Este último proceso es más efectivo.
•
Confinamiento por pinzamiento.
Recientemente se han presentado a la comunidad científica varios proyectos para lograr un confinamiento inercial mediante el uso de ondas de choque electromagnéticas sobre el combustible.
Proceso de obtención de fusión nuclear por confinamiento inercial.
Uno de los procesos de calentamiento de la materia es el de la compresión. En este caso lo que se pretende que mediante un aumento de la presión aumente la densidad y la temperatura. Para aumentar la presión en un punto, se necesita hacer incidir un número grande de partículas sobre él. Refiriéndonos en este caso al significado más amplio del concepto de partícula o corpúsculo, como del concepto de presión.
Esto quiere decir, que se debe considerar los fotones (en la frecuencia de la luz visible, o de los rayos X) como partículas, con lo cual llevarán asociado un momento, que a su vez conlleva una fuerza que dará lugar a una presión. Y lo mismo sucede con los iones pesados. Esa presión se transmitirá por las sucesivas capas del blanco durante un tiempo que vendrá dado por las leyes de la inercia, la termodinámica y la mecánica de fluidos. Realizando el cálculo, se puede comprobar que el tiempo que transcurre para propagar la presión en todo el volumen de un blanco de algunos milímetros de radio es de apenas unos cientos
de picosegundos.
Desarrollo del confinamiento inercial.
Una micro-cápsula empleada como combustible en el confinamiento inercial de fusión (a menudo denominada "microballon") del tipo de las que se usan en el NIFy que rellena con una mezcla de gas de deuterio y tritio en hielo. La cápsula es introducida en elholraumy es implosionada por el pulso de laser.
Depositando sobre el blanco, en ese corto periodo de tiempo, una energía de ~510 MJ se obtienen las condiciones necesarias para lograr la fusión. El blanco alcanzará una densidad de 600 a 1000 y la temperatura necesaria para comenzar la ignición. Ahora mismo se están depositando en los blancos energías de unos 1000 MJ.
Si además se consigue que el proceso se produzca con una frecuencia de 5 a 10 Hz, se tendrá una planta de una potencia de ~1000 MW. Para ello se necesita que los pulsos tengan una duración de ~10 ns con una potencia en el haz emisor de ~1000 TW y una luminosidad de ~1014 - 1015 W.cm-2.
Instituciones Investigadoras
En estos momentos la demostración de funcionamiento del reactor mediante confinamiento inercial se está llevando a cabo en el NIF (National Ignition Facility) en Estados Unidos y en el LMJ (Laser Mega Joule) en Francia, con la misma energía del NIF, pero 240 haces láser en lugar de 192, dando más flexibilidad (y complejidad) a la instalación. Ambas instalaciones utilizan el ataque indirecto del blanco (enfoque de los haces láser en un Holraum de alto Z que produce gran cantidad de rayos X que se enfocan en el blanco de deuterio-tritio) para conseguir la implosión. Existen además otras plantas que estudian la fusión inercial, como el Gekko XII en Osaka (Japón) o la Omega-upgrade en Rochester (Reino Unido) para estudiar el ataque directo (Direct drive).
LECCIÓN 44. FUSIÓN POR CONFINAMIENTO MAGNÉTICO.143
Definición.144
El confinamiento magnético consiste en contener material en estado de plasma dentro de una botella magnética, que es un campo magnético al que le hemos dado una forma determinada para que las partículas positivas o negativas que componen nuestro plasma se queden dentro de dicha botella.
Esto se consigue gracias a la ley de Lorentz, que nos dice que una partícula cargada que se mueve dentro de un campo magnético experimenta una fuerza perpendicular al vector del campo magnético y al vector desplazamiento, con lo que conseguimos que la partícula no abandone el campo. Introducción a la fusión por confinamiento magnético. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://bacterio.uc3m.es/investigacion/fusion/intro/ 143
144
Confinamiento magnético. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_magn%C3%A9tico
El estado de plasma es un estado de agregación de la materia en el que la agitación térmica es capaz de vencer la atracción eléctrica que sufren los electrones por los núcleos atómicos.
El confinamiento magnético es útil porque permite calentar materia a temperaturas donde ningún recipiente material se mantendría en estado sólido. Este fenómeno también se encuentra en la naturaleza en los llamados cinturones de Van Allen que brindan protección del viento solar.
Modos de confinamiento
Las temperaturas necesarias para que estos núcleos se acerquen lo suficiente son de millones de grados, con lo que el hidrógeno esta totalmente ionizado, es decir, los electrones y los núcleos están separados, formando lo que se conoce como un plasma. Es necesario contener este plasma por un tiempo suficientemente largo como para que se produzcan muchas reacciones de fusión, y a temperaturas tan altas, no hay muchas opciones de como hacerlo. El Sol utiliza la gravedad para contener el plasma de hidrógeno, pero en la Tierra no tenemos ni tanto plasma ni tanto sitio, por lo que hay que conformarse con soluciones más modestas. Dos líneas diferentes se han propuesto: 1) por confinamiento inercial, en la que el plasma se contiene por muy poco tiempo (microsegundos), pero a densidades muy altas (con lo que se producen muchas reacciones). Se consigue comprimiendo una pastilla de hidrógeno mediante láseres de gran potencia; 2) por confinamiento magnético: puesto que el plasma esta formado por partículas cargadas, estas están obligadas a moverse describiendo hélices a lo largo de las líneas magnéticas. Disponiendo estas líneas de manera que se cierren sobre sí
mismas, y estén contenidas en una región limitada del espacio, las partículas estarán
confinadas
a
densidades
más
modestas
durante
tiempos
lo
suficientemente largos como para conseguir muchas reacciones de fusión.
Figura 48: Modos de confinamiento.
Fuente: Introducción a la fusión por confinamiento magnético. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://bacterio.uc3m.es/investigacion/fusion/intro/
TOKAMAKS Y STELLARATORS La forma de estos campos magnéticos pueden entenderse del siguiente modo: es como si tuvieramos una familia de toros (recordad que un "toroide" es como un "donut" hueco) anidados, el uno dentro del otro. Al más interno, que no será ya
hueco, se le llama eje magnético. Cada línea magnética está necesariamente contenida en un solo toro, y lo rodea como si trataramos de cubrir la superficie de un chorizo con una cuerda. Sobre el toro se distinguen dos direcciones, una poloidal y otra toroidal: la primera sería la del el ángulo con la que recorremos una sección del toro equivalente a una rodaja del chorizo; la segunda, como si fueramos de un extremo del chorizo al otro, que en el caso del toro coinciden. Por lo tanto, el campo magnético, al estar tangente a cada punto del toro (ya que es tangente a las líneas magnéticas, que están contenidas en el toro), tendrá sólo dos componentes, una toroidal y otra poloidal. La componente toroidal se consigue mediante bobinas toroidales, que le dan un aspecto como de chorizo rodeado de aros circulares. Cuando una corriente recorre dichas bobinas estas producen un campo a lo largo de la dirección toroidal (como el producido por un solenoide a lo largo de su eje). La componente poloidal del campo puede producirse de dos maneras: 1) usando tambien bobinas exteriores, dando lugar a un tipo de reactor llamado stellarator o 2) haciendo que una corriente fluya dentro de los toros en la dirección toroidal. Esta corriente dará lugar a la componente poloidal (como el campo creado por un hilo recto de corriente). Esta corriente se consigue haciendo que el plasma sea el segundario de un transformador, como veremos en clase. Este tipo de reactores se llaman tokamaks, y son los que están con mucho más desarrollados.
LECCIÓN 45. INVESTIGACIONES RECIENTES QUE IMPLIQUEN EL USO DE ENERGÍA NUCLEAR.
En el artículo Renacer de la energía nuclear, encontrarás algunas de las aplicaciones y el futuro cercano de esta fuente energética.