Modulo Fuentes Alternativas de Energía
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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
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FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA
Por:
Natalia Correa HincapiéIngeniero Agroindustrial
Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
MEDELLÍN – 2007
COMITÉ DIRECTIVO
Jaime Alberto Leal AfanadorRector.
Gloria Herrera SánchezVicerrector Académico y de Investigación.
Roberto SalazarVicerrector de Medios y Mediaciones Pedagógicas
Maribel Córdoba GuerreroSecretaria General.
Maria Priscila Rey VásquezDecana Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente.
MÓDULOFUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA
PRIMERA EDICIÓN
© CopyrigthUniversidad Nacional Abierta y a Distancia
ISBN
2007Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
TABLA DE CONTENIDO.
PRESENTACIÓN 1
UNIDAD 1. Energías enovables, energía fotovoltaica 2 y energía solar.
Capítulo 1. Introducción a las energías renovables. 2
Lección 1. Energía – Introducción. 2Lección 2. Demanda y producción de energía 5Lección 3. Fuentes de energía 11Lección 4. Usos actuales de cada tipo de energía. 26Lección 5. Adelantos en materia de energías alternativas 51
Capítulo 2. Energía fotovoltaica. 54
Lección 6. Introducción. 54Lección 7. Radiación solar. 58Lección 8. Conversión fotovoltaica y celúlas solares. 65Lección 9. Generador fotovoltaico. 71Lección 10. Elementos del sistema fotovoltaico. 73
Capítulo 3. Energía solar térmica. 77
Lección 11. Introducción. 77Lección 12. Área solar térmica. 79Lección 13. Energía solar pasiva. 82Lección 14. Área solar termoeléctrica. 85Lección 15. Investigaciones recientes que impliquen el uso de energía solar. 91
UNIDAD 2. Energía eólica, por biomas, del mar, geotérmica. 92
Capítulo 4. Energía eólica. 92
Lección 16. Introducción. 93Lección 17. Implicaciones teóricas sobre la energía del viento. 95Lección 18. Aerogeneradores, tipos y funciones. 98Lección 19. Parques eólicos. 101Lección 20. Energía eólica y medio ambiente. 104
Capítulo 5. Energía por biomasa. 109
Lección 21. Introducción 109Lección 22. Fuentes de biomasa. 111Lección 23. Tratamientos para la biomasa 114
Lección 24. Biocombustibles. 116Lección 25. Ventajas y desventajas del uso de biomasa. 127
Capítulo 6. Energía del mar, geotérmica. 129
Lección 26. Introducción. 129Lección 27. Energía de origen marino. 130Lección 28. Energía geotérmica. 135Lección 29. Implicaciones de estas energías sobre el medio ambiente. 138Lección 30. Investigaciones recientes que impliquen el uso de estas energías. 140
UNIDAD 3. ENERGÍA HIDRÁULICA, PILAS DE COMBUSTIBLE, FUSIÓN NUCLEAR.
Capítulo 7. Energía hidráulica. 141
Lección 31. Introducción. 141Lección 32. Centrales hidroeléctricas. 144Lección 33. Clasificación de las centrales hidroeléctricas. 147Lección 34. Ventajas y desventajas de la energía hidráulica. 152Lección 35. Nuevos desarrollos para la evolución de la energía hidráulica. 154
Capítulo 8. Pilas de combustible. 155
Lección 36. Conceptos básicos. 155Lección 37. Principio de funcionamiento de una celda combustible. 159Lección 38. Tipos de pilas combustibles. 160Lección 39. Utilidades para las pilas combustibles. 171Lección 40. Investigaciones recientes que impliquen el uso de pilas 177combustibles.
Capítulo 9. Fusión nuclear. 178
Lección 41. Introducción. 178Lección 42. La fusión fría. 180Lección 43. Fusión por confinamiento inercial. 182Lección 44. Fusión por confinamiento magnético. 186Lección 45. Investigaciones recientes que impliquen el uso de energía nuclear. 189
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Celda fotovoltaica. 32Figura 2. Recurso solar en Colombia. 33Figura 3. Recurso eólico en Colombia. 37Figura 4: Central mareomotriz 38Figura 5. Poder de las olas. 39Figura 6. Mapa geotérmico de Colombia. 42Figura 7. Mapa de energía hidráulica en Colombia. 44Figura 8. Piranómetros. 61Figura 9. Pirheliómetro de cavidad Absoluta, serie PMO-6. 62Figura 10. Actinógrafo Fuess. 63Figura 11. Célula fotovoltaica. 69Figura 12. Célula fotovoltaica. 70Figura 13. Generador fotovoltaico. 71Figura 14: Tipos de Inversores. 72Figura 15: sistemas conectados en red. 74Figura 16: Sistemas aislados. 75Figura 17. Energía solar térmica y fotovoltaica 82Figura 18. Sistemas termoeléctricos. 86Figura 19. Sistemas termoeléctricos. 87Figura 20. Sistema solar de discos parabòlicos. 88Figura 21. Planta solar de 10MW en California. 88Figura 22. Colectores solares de disco. 89Figura 23: Parque eólico San Jorge 99Figura 24. Parque eólico marítimo 104Figura 25. Generación de biomasa. 110Figura 26. Mapa de biomasa de Colombia 113Figura 27: Diagrama de flujo de bioetanol. 119Figura 28: Esquema productivo de biodisel. 122Figura 29: Proceso de producción de biogas. 126Figura 30: Central mareomotriz. 131Figura 31: Turbina mareomotriz. 132Figura 32: Turbina de Olas. 134Figura 33. Esquema idealizado de un sistema geotérmico. 136Figura 34. Canal de riego en Alloz. 142Figura 35. Presa de bóveda de Alloz. 143Figura 36: centrales del Urumea 145Figura 37: Rueda Pelton. 146Figura 38. Presa de agua fluente en el río Urumea. 148Figura 39. Compuerta del embalse de Alloz. 151Figura 40. Canal para regadío en las proximidades de Alloz. 152Figura 41. Presa de Alloz. 153Figura 42. Esquema de una Pila combustible. 156
Figura 43. Pila de combustible PEM. 162Figura 44. Pila de combustible PAFC. 163Figura 45. Pila de combustible AFC. 166Figura 46. Pila de combustible MCFC. 168Figura 47. Pila de combustible SOFC. 170Figura 48: Modos de confinamiento. 188
LISTA DE TABLAS.
abla 1. Producción de etanol durante 2004 a nivel mundial. 27Tabla 2. Unidades de medición de la radiación. 59Tabla 3. Instrumentos meteorológicos para la medida de la radiación 60Tabla 4. Superficie total instalada de colectores solares térmicos en 80el mundo 2003Tabla 5. Comparativo de niveles de ruido generados por diferentes 105fuentesTabla 6: Poderes caloríficos de de diferentes tipos de biomasa. 116
Lista de gráficas
Gráfica 1. Intesiddad energética final por subregiones 7Gráfica 2. Intensidad energética final. Países con reformas 8energéticas parciales o nulas.Gráfica 3. Proyección de demanda. Panorama base. 10Grafica 4. Potencia fotovoltaica instalada en el mundo para 2004. 30Gráfica 5. Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo, 2001. 34Gráfica 6. Capacidad instalada acumulada global de energía eólica 361995-2005Gráfica 7. Capacidades de energías renovables a nivel mundial. 52Gráfica 8. Producción mundial de energía solar fotovoltaica 1995-2003 57Grafica 9: Potencia solar térmica en funcionamiento en el mundo Año 772004.
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. Consultado el 28 de Septiembre de 2006. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa
• 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 otros4, 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.
0
50000
100000
150000
200000
2005 2010 2015 2020 2025 2030
Petroleo Hidraulica CarbonGas Natural Viento Biomasa
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. 19999 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 2CO + 4H2O
CH4 + 2O2 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.14 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.
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 de Septiembre de 2007. Disponible en: http://www.jmarcano.com/glosario/glosario_e.html17 Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea.
18 RICO, Javier. Biocarburantes en el transporte. Institución para la diversificación y ahorro de la energía. IDEA. Madrid. Septiembre de 2006
- 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.20 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.
- 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 Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea.
24 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%20FOTOVOLTAICA).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.26 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-pas27 Ibid.
- 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.33 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/8d566806de23cd580525705f00432e6d?OpenDocument
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 uti-
liza para cubrir pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar donde se produ-
ce la demanda. Es el caso de aplicaciones como la electrificación de:
• servicios y alumbrado público: iluminación pública mediante farolas autóno-
mas de parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de
montaña, alumbrado de vallas publicitarias, etc. Con la alimentación foto-
voltaica de luminarias se evita la realización de zanjas, canalizaciones, ne-
cesidad de adquirir derechos de paso, conexión a red eléctrica, etc.
• viviendas alejadas de la red eléctrica convencional, básicamente electrifica-
ción rural.
• aplicaciones agrícolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego, ilu-
minación de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeño, refri-
geración, depuración de aguas, etc.;
• señalización y comunicaciones: navegación aérea (señales de altura, señali-
zación de pistas) y marítima (faros, boyas), señalización de carreteras, vías
de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y televisión y telefonía, ca-
binas telefónicas aisladas con recepción a través de satélite o de repetido-
res, sistemas remotos de control y medida, estaciones de tomas de datos,
equipos sismológicos, estaciones metereológicas, dispositivos de señaliza-
ción 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 ac-
ceso 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.
37Lopez 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:
38Perspectivas 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 1995-
2005
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
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 eléctri-
ca.
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 departamen-
teo del Cauca, Nevado del Huila, Nevado del Tolima y el Nevado del Ruiz en el de-
partamento de Caldas. Son muchas las zonas en Colombia que reúnen las condi-
ciones geológicas, ambientales y estructurales para la explotación de energía geo-
térmica, principalmente a lo largo de la cordillera central.44
El mapa geotérmico de Colombia se presenta a continuación.
43 Ibid.44 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.
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 expan-
sión 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 dificulta-
des 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 ca-
ras. En Estados Unidos, los tres mayores fabricantes de automóviles desarrollan
en cooperación con compañías especializadas, sus propios automóviles con siste-
ma de pila de combustible.48
Las principales aplicaciones de las pilas de combustible están centradas en el sec-
tor 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 Octubre de 2007. disponible en: http://www.fedebiocombustibles.com/tiposcombustibles.htm49Guillén 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 me-
dicina 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 sue-
ro, 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 pro-
ceso. Luego se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión radiacti-
va, 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/a0ac3ff70becda4505256def0070bd0f?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 Energía para el futuro. Fuentes de energías renovables. Libro blanco. Comisión Europea.52 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.55 Escenarios y estrategias. Minería y Energía. Unidad de Planeación Minero Energética. Edición 12. Julio de 2007. Bogotá D.C.
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%20FOTOVOLTAICA).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 Equivalencia1 vatio (W) 1Joule/segundo
(J/s)1 W*h 3.600 J1 KW*h 3,6 MJ1 W*h 3,412 Btu1 Caloría 0.001163 W*h1 Caloría 4,187 Joule1 cal/cm2 11,63 W*h/m2 1 MJ/m2 0,27778 kW*h/m2 1 MJ/m2 277,78 W*h/m2 1 MJ/m2 23,88 cal/cm2
1BTU 252 calorías1BTU 1,05506 KJ1 cal/(cm2*min) 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 Parámetro de MedidaPiranómetro i) Radiación Global, ii)Radiación directa,
iii)Radiación difusa iv) Radiación solar
reflejada. (usado como patrón nacional)Piranómetro Espectral Radiación Global en intervalos
espectrales de banda anchaPirheliómetro Absoluto Radiación Directa (usado como patrón
nacional)Pirheliómetro de incidencia
normal
Radiación Directa (usado como patrón
secundario)Pirheliómetro (con filtros) Radiación Directa en bandas espectrales
anchasActinógrafo Radiación Global Pirgeómetro Radiación DifusaRadiómetro neto ó
piranómetro diferencial
Radiación Neta
Heliógrafo 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
Eppley (BWP)
B. Piranómetro espectral de
precisión (PSP)
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 ti-
pos de instrumentos que la OMM clasifica como patrones primarios y se-
cundarios.
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 vi-
drio. Está conformado por un arreglo bimetálico de dos superficies, una pin-
tada de color negro para que absorba las ondas electromagnéticas de la ra-
diación solar y la otra de blanco para que las refleje y así ocasionar diferen-
cia 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 ascen-
dente 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 indi-
cador 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 ra-
diación 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 ra-
diación solar directa, se quema formando líneas, cuya longitud determina el nú-
mero 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 Ibid.62 Ibid.63 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
direcciones de alineación van cambiando cada cierto tiempo durante 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-Si:H No existe estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha
depositado sobre un soporte transparente en forma de una capa 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
fabricación más simple y barata, aunque con eficiencia del 6-8%. Su
principal campo de aplicación en la actualidad se encuentra en la
alimentación de relojes, calculadoras, etc. Son muy adecuadas para
confección de módulos semitransparentes empleados en algunas
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%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 paralelo para obtener el voltaje deseado (12V, 14V, etc.).
Estas células interconectadas y montadas entre dos láminas de vidrio que las
protegen de la intemperie constituyen lo que se denomina un módulo
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
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 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
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
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.
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
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 significativo es un dispositivo estático (Inversor), que transforma 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,
67Boletín idea. Eficiencia Energética y Energías Renovables. IDAE. Madrid. Octubre de 200668Ibid.
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.
69Situación 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 20-
40% 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.
70Ibid.71Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.
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 72Ibid.
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.
73Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el Ahorro de
la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.74Arquitectura 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 50-
70%)
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
75Área solar térmica. Plan de fomento de las energías renovable.76Arquitectura bioclimática. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.miliarium.com/monografias/Construccion_Verde/Arquitectura_Bioclimatica.asp
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 instalaciones 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 la presión generada, se acciona una turbina que impulsa el generador
eléctrico.
77fuente: Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. Instituto para la Diversificación y el
Ahorro de la Energía. IDAE. Madrid, Octubre de 2006.
Figura 18. Sistemas termoeléctricos.
fuente: Lopez Cozar. Jose Manuel. Energía solar térmica. 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
78Ibid.79Energía 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
Figura 19. Torre solar de Manzanares (España)
Fuente: La torre solar. Consultado el 28 de Octubre de 2007. Disponible en:
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.espacioblog.com/myfiles/forestman/dic0
6torresola01.jpg&imgrefurl=http://www.espacioblog.com/forestman/categoria/energias-
renovables&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 a lo largo de la línea focal del espejo. El colector consiste en un 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. Plan de fomento de las energías renovables. Consultado el 26 de Octubre de 2007. Disponible en: 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=oWM-
hqfs6XjScM:&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/Manuel-
Romero/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.83Energía 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
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 84Ibid.85 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
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 - 88Energía eólica. Consultado el 1 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://redenergiaalternativa.org/viento.html89Ibid.
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
90Bernal 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
91Ibid.92Ibid.93Álvarez Clemente. Energía Eólica. Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. IDAE. Madrid, septiembre de 2006.
− 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
94Bernal 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.pdf95Álvarez 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.96Aerogenerador. Rincón eólico. Consultado el 29 de Octubre de 2007. Disponible en: http://www.apecyl.com/index_00.php?op=rinGloDet&idGlo=Isj6OKbYmTkRia62JLXo97Álvarez 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 ne-
cesita 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 estu-
dios 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 estabili-
dad.
− 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.
99Álvarez 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 guberna-
mentales y de la empresa promotora, polìticas urbanìsticas y ambientales. Te-
niendo 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 propie-
dad 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 per-
pendicular a la dirección predominante de los vientos, con esto se genera mauyor
100Consejería de medio ambiente, ordenación del territorio e infraestructuras. Consultado el 30 de Octubre de 2007. Disponible en: http://ftp.etsimo.uniovi.es/bopa/2004/06/08250_01.htm101 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 grú-
as.
Infraestructura eléctrica.
La infraestructura eléctrica es necesaria para recoger la energía eléctrica produci-
da por los aerogeneradores, llevándola a una linea de distribución de una compa-
ñía eléctrica.
Infraestructura de control
Paro parques eólicos de gran magnitud, se requiere un centro de control, que re-
cibe y analiza todos los datos de funcionamiento y ambientales registrados por los
aerogeneradores. De esta forma se optimiza el proceso, puesto que los datos es-
tán 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 que están dispuestos en mar abierto y que tienen grandes 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 rugosidad del mar es menor que la terrestre, por tanto no hay obstácu-
los que puedan reducir la velocidad del viento.
- El recurso eólico es mayor y menos turbulento, esto disminuye la fatiga de
los aerogeneradores y aumenta la vida útil de los mismos.
- Las áreas marítimas son más grandes, ofreciendo la posibilidad de instalar
parques eólicos más grandes que en tierra.
- La lejanía con los núcleos de población, minimiza el impacto visual sobre el
paisaje y el ruido que 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 aerodinámi-
co. El dispositivo que mayor emisión de ruido produce es el generador. Todos es-
tos sonidos son producidos cuando la turbina esta funcionando. Según la siguien-
te 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 tre-
nes.
Tabla 5. Comparativo de niveles de ruido generados por diferentes fuen-
tes
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 di-
seños 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 em-
bargo, comparando con otras causas de mortalidad entre las aves, la energía eóli-
ca 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 emplazamien-
tos.
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 Ibid.106 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.
108Rico, 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.
109Biomasa. Consultado el 1 de Noviembre de 2007. Disponible en: http://redenergiaalternativa.org/biomasa.html110Ibid.111Rico, 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: fs03eja1.cormagdalena.com.co/nuevaweb/Ener-
gia/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 112Botero Botero, Sergio. Biomasa como Alternativa Energética. Universidad Nacional de Colombia. Medellín Junio de 2006. Disponible en: fs03eja1.cormagdalena.com.co/nuevaweb/Energia/Foro%20Energetico/Presentación%20Unal_medellin.pdf 113Rico, 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.
115Bioetanol. Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.biocombustibles.cl/bioetanol.htm
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.
116Biodisel. Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.biocombustibles.cl/biodiesel.htm
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=2120 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
122La 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.
123La energía de las olas. Consultado el 8 de noviembre de 2007. Disponible en: http://www.e-renovables.cl/energias_renovables/mareomotriz/mareomotriz_olas.html
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.e-renovables.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_energetico_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
125Bernal 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.pdf126 Ibid.127 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 Ibid.129 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: Rueda 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 COMBUS-
TIBLE.
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 y
funcionamiento de una pila 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. Depen-
diendo 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 in-137 Ibid.138 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 tem-
peraturas, (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 plati-
no/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO.
La pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e ins-
talaciones 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 pesa-
dos, 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 eléctri-
ca (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, es-
tas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son mas caras. Análoga-
mente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incre-
menta 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 densi-
dad 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 com-
bustible.
• Alcalina
Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de com-
bustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el pro-
grama espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo
de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidró-
xido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de me-
tales 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 combusti-
ble tendrán que hacerse más rentables. Las pilas AFC han demostrado ser sufi-
cientemente 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 sig-
nificativo 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 elec-
trolito 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 pue-
den utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizado-
res, lo que reduce los costos.
Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfóri-
co. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, consi-
derablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtie-
nen 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 electroli-
to 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 pro-
pia 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 monóxi-
do o dióxido de carbono (pueden incluso usar óxidos de carbono como combusti-
ble), 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 resis-
tente 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 dura-
ción 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 compo-
nente de cerámica duro y no poroso. Al ser el electrolito sólido, las pilas no se tie-
nen 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 combus-
tible 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 di-
ferentes combustibles y reduce el costo asociado que supone añadir un converti-
dor 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 combusti-
ble. 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 perso-
nal que trabaja con ellas, lo que puede ser aceptable para algún tipo de aplicacio-
nes, pero no para el transporte y para algunos aparatos portátiles. Las altas tem-
peraturas afectan también a la duración de los materiales que se utilizan. El desa-
rrollo 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 desarro-
llado 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, pe-
queños 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 trans-
porte vería reducida drásticamente la necesidad de combustible necesario durante
las maniobras. Los vehículos serían capaces de recorrer grandes distancias o tra-
bajar en áreas remotas durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo,
personal y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse. Des-
de 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en embar-
caciones 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 mem-
brana 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 dificul-
tad 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 simplifi-
can en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comer-
cializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de
50 kW de energía eléctrica). Existe un potencial significativo para unidades meno-
res 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 fos-
fórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponi-
bles. 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 fabri-
cación 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 hi-
drógeno.
• Misiones espaciales
La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza
y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tri-
puladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayu-
da 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 sig-
nificativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua pota-
ble, 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 pri-
mera 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. Pe-
sando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado
y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misio-
nes espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo.
International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha se-
guido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su em-
pleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80.
Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de com-
bustible 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 transborda-
dores 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 pre-
sente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen re-
ducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles
tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva op-
ción 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 aplica-
ciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel co-
mercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de
ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de ofici-
nas 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 com-
bustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contami-
nada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Ade-
más, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional me-
diante 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 proceden-
te 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 com-
bustible y ofrecer unas prestaciones aceptables.
Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir es-
tos 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 consi-
gue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el
Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combusti-
ble 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 ges-
tión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el enve-
nenamiento 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 desa-
rrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos,
autobuses y camiones) contarán con mas vehículos con motor eléctrico alimenta-
do 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 po-
tenciales 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 de-
sechos radiactivos. Por esta razón, existe la tendencia, entre las personas inclina-
das 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 am-
plio 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 ha-
bría 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 tecnológica-
mente 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 ele-
vado
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 gené-
ricamente se les llama nucleones. La fuerza nuclear tiene la particularidad de ser
muy intensa pero de muy corto alcance, es decir, solamente cuando dos nucleo-
nes 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 quisiéra-
mos arrancar este componente del núcleo necesitaríamos darle una energía sufi-
ciente 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 núme-
ro de nucleones) la energía de enlace va creciendo debido a que hay más nucleo-
nes ejerciendo atracción, pero debido al corto alcance de la fuerza sólo los nucle-
ones más cercanos contribuirán de manera significativa. Por esta razón, el au-
mento en la energía de enlace es muy pronunciado cuando se empieza a aumen-
tar de tamaño un núcleo pequeño y, a medida que se siguen agregando partícu-
las, 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 va-
riante 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 mi-
llones 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 confi-
nar el plasma (por confinamiento magnético o por confinamiento inercial), se ha
estado investigando la fusión fría, que logra crear energía sin necesidad de calen-
tamiento.
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 investigacio-
nes realizadas por dos químicos norteamericanos de la Universidad de Utah (Mar-
tin Fleischmann y Stanley Pons) quienes aseguraron en una conferencia haber lo-
grado 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 oxí-
geno 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 reac-
ción 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 tita-
nio. 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 resul-
tados 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 produc-
ción.
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 canti-
dad 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 median-
te el uso de varios haces de rayos láser (192 en el NIF), de rayos X, o bien de io-
nespesados acelerados, enfocados en un pequeño blanco esférico (10 miligramos)
donde se encuentra el combustible de deuterio - tritio También se utiliza el enfo-
que 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 com-
bustible. 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 electromag-
néticas 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 ~5-
10 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.
143 Introducción a la fusión por confinamiento magnético. Consultado el 10 de noviembre de 2007. Disponible en: http://bacterio.uc3m.es/investigacion/fusion/intro/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.
F:\Fuentes alternativas de energía\Fusión nuclear\ijes0706.pdf
