Energías renovables

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Energías renovables

Tecnología Industrial
Desde la primera crisis del petróleo en 1973 y debido a la dependencia
energética que suponía éste y los demás combustibles fósiles, en los países
desarrollados y en vías de desarrollo se dio un gran impulso al desarrollo de nuevas
tecnologías con el fin de aprovechar otros recursos con fines energéticos.
Además de reducir la dependencia con el exterior, se vio la necesidad de que el
impacto de estas nuevas tecnologías al medio ambiente fuese mínimo, debido a la
fuerte degradación a que se estaba sometiendo el planeta.
Se trata, en la mayoría de los casos, de energías que se conocían pero que
habitualmente no se empleaban, sobre todo por su alto coste de aprovecha miento. Esto
ha supuesto que se estén realizando grandes inversiones para conseguir una
tecnología rentable en su aprovechamiento.
Todas ellas se encuentran dentro de las energías renovables. Tienen como
origen el Sol, y la fuente de energía en sí se puede considerar inagotable; se trata, por
tanto, de crear una tecnología adecuada para su aprovechamiento en condiciones
óptimas. Esto implica algunas limitaciones, pero se espera que en un futuro se consiga
la misma rentabilidad, con estas energías, que con las usadas actualmente. Si esto es
así, las dependencias energéticas desaparecerán y las consecuencias medio
ambientales se reducirán a un mínimo hoy impensable.
Las energías alternativas que se aprovechan y desarrollan en la actualidad son:
? Energía solar. Aprovechar los rayos solares, transformándolos en una
energía útil.
? Energía eólica. El viento se ha utilizado desde los tiempos más remotos
hasta la actualidad. En estos momentos hay proyectos, en experimentación, muy
interesantes.
? Biomasa. La materia orgánica se puede tratar con el fin de obtener una
energía aprovechable. En la actualidad se está aprovechando en instalaciones
agrarias para el autoabastecimiento energético.
? Residuos Sólidos Urbanos (RSU). Como tales residuos están compuestos de muchos materiales que pueden reutilizarse con algún fin, como por
ejemplo, materia prima, incineración con aprovechamiento energético, fabricación
de abono, etc., con lo que se consigue evitar que, estos vertidos, pasen a los
campos y, a través de filtraciones, contaminen las aguas.
? Energía geotérmica. Es la energía procedente del interior de la Tierra.
Normalmente se aprovecha el vapor de agua o agua caliente para fines como
producción de energía eléctrica, calefacción, etc.
? Energía mareomotriz. Las mareas, al ser un movimiento de aguas,
pueden ser aprovechadas para producir electricidad, aunque los lugares de su
aprovechamiento sean escasos debido a los problemas técnicos.
? Energía de las olas. Esta energía, al igual que la anterior, puede ser
utilizada para mover algún mecanismo y así producir energía eléctrica. En la
actualidad está en proceso de estudio y ensayo su aprove chamiento.
IES. “Cristóbal de Monroy”, Dpto. de Tecnología
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? Otras energías aprovechables. Hay numerosos proyectos para utilizar
otro tipo de energía, pero realmente tienen poca importancia. Entre ellos cabe
resaltar máquinas para extraer del mar el calor solar.
Se basa en el aprovechamiento de la energía entre las aguas superficiales y
profundas.
En el año 1990, las energías alternativas supusieron un 3 por 100 del
abastecimiento energético de los países más desarrollados. En España se situó en el
2,7 por 1 00.
De todas las maneras, para que una nueva energía se pueda implantar es
necesario que se den los siguientes factores:
? Que exista y sea disponible esa fuente de energía en la zona.
? Tecnología adecuada para su utiliza ción.
? En muchos casos, los costes sociales y económicos para la sustitución
de una fuente de energía por otra, en este caso alternativa, supone un alto precio,
por tanto el sector social debe de estar dispuesto a pagarlo.
La energía solar
El Sol es la principal fuente de energía de la Tierra. Esta energía se produce de
las reacciones termonucleares que ocurren en esta estrella. El hidrógeno se transforma
en helio, liberándose en esta reacción nuclear gran cantidad de energía, que se
transporta en ondas electromagnéticas. Una pequeña parte llega a nuestro planeta, de
la cual, parte se refleja por medio de la atmósfera, evitando que un porcentaje alto de
radiaciones perjudiciales lleguen a nosotros. La cara iluminada de la Tierra recoge esta
energía en forma de radiación, vital para la existencia de vida.
De esta radiación recibida, aproximadamente el 42 por
100 corresponde a la radiación visible, el 53 por 100 a la
infrarroja y el 5 por 100 restante a la ultravioleta; estas dos
últimas invisibles.
Esta energía que nos llega hace posible muchos
procesos, como por ejemplo:
? Junto con la atmósfera, mantiene una temperatura
óptima para la vida de los seres vivos.
? El proceso de fotosíntesis en los vegetales se produce
gracias a la radiación visible (energía luminosa),
produciéndose oxígeno y materia orgánica básica para
la vida de los hombres y animales.
? Ciclo del agua. Los rayos solares evaporan el agua de
los mares, océanos, etc., que seguidamente se
condensa en capas altas de la atmósfera en forma de
nubes. Éstas se mueven por efecto del viento y cuando la condensación es
grande caen en forma de lluvia, nieve o granizo a la tierra. Por efecto de la
gravedad se mueve hasta los mares, donde se vuelve a repetir el ciclo.
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? Movimiento de aguas en el mar (mareas) por medio de atracciones gravitatorias
del Sol y la Luna.
? Puede ser transformada en energía térmica o eléctrica.
? Además, esta energía, aunque es constante su llegada a la Tierra, es bastante
irregular en una zona en concreto. Generalmente varía por lo siguiente:
? La hora del día, es decir, la situación del Sol.
? Inclinación estacional de la Tierra con respecto al Sol.
? Situación climática, sobre todo nubes.
? Polución atmosférica.
Antecedentes de la energía solar
En todas las civilizaciones, desde las más remotas, aparecen alusiones al Sol
como elemento imprescindible para la vida. En restos egipcios, griegos, romanos,
culturas precolombinas, etc., aparecen alusiones al mismo.
El filósofo Sócrates recomendaba, en el siglo v A.C., que las casas se
construyeran con las fachadas al sur altas, para captar el Sol invernal, y con las
fachadas al norte bajas, para evitar los vientos fríos (consejo seguido hoy por los
arquitectos que emplean técnicas de aprovecha miento «pasivo» del Sol).
Su aprovechamiento como fuente de energía, en un principio se basaba en
conseguir fuego, concentrando los rayos solares en un punto.
Hay escritos de la época griega que así lo demuestran. Por ejemplo, se narra
que Arquímedes destruyó la flota de barcos enemigos en el puerto de Siracusa gracias
a unos espejos.
En el siglo XVIIII, el francés Lavoisier ideó la que hoy se podría denominar el
primer horno solar en el que se podían fundir metales.
La primera maquina que fue capaz de transformar energía solar en mecánica
para una imprenta fue diseñada por el francés Pifre en 1 882.
De aquí hasta nuestro siglo, numerosos científicos han experimentado en base a
él.
Pero sobre todo, el aprovechamiento de esta energía para ser útil al hombre, es
decir, transformarla en energía térmica o eléctrica, ha sido desarrolla do en el siglo XX,
consiguiéndose en los últimos años el avance más notable.
Propiedades
La energía solar se trata de una fuente de energía limpia, inagotable y gratuita y,
en mayor o menor medida, disponible todos los día s del año, con las limi taciones
atmosféricas propias de la temporada o situación geográfica.
Aparte de estas características, permite, mediante la concentración de las
radiaciones solares, alcanzar temperaturas de hasta 3.000 ºC. Con ellas se pueden
realizar ciclos termodinámicos con rendimiento superior al de las centrales térmicas.
No obstante, no todo son ventajas. También surgen inconvenientes, como:
? Es un tanto aleatoria y dispersa, por lo que se necesitan cubrir grandes superficies
de terreno para obtener una potencia significativa.
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? El rendimiento, aún, es demasiado bajo (5 al 10 por 100, aproximadamente).
? No es posible almacenaría. Hay que transformarla en el momento que nos llega.
? El coste actual de las instalaciones para la transformación es alto. Esto hace que
actualmente su uso esté bastante limitado, sobre todo debido a que la inversión
inicial resulta elevada y desde el punto de vista tecnológico, el rendimiento es
bajo, pues se trata de una tecnología en proceso de investigación y desarrollo.
Todo esto hace que antes de aplicar esta energía, sea necesario, en la mayoría
de los casos, un estudio profundo de las condiciones del lugar donde se va a aplicar,
para obtener una eficacia considerable con respecto a otro tipo de energía.
Utilización
La energía solar tiene dos campos de aplicación: conversión en energía térmica
o en energía eléctrica. Seguidamente vamos a tratar detalladamente los dos casos.
1º.- Conversión en energía térmica
Todo cuerpo expuesto al sol absorbe una parte de los rayos solares que sobre él
inciden. La otra parte es reflejada por el propio cuerpo. Esto da lugar a que el material
se caliente y que adquiera un cierto calor. Si el material sobre el que incide la luz es
negro, prácticamente todas las radiaciones serán absorbidas, mientras que si se trata
de un color blanco todas serán reflejadas.
Entre estos dos extremos tenemos cualquier color y tono, en la que habrá mayor
absorción o reflexión.
Habitualmente se pueden dividir los sistemas de aprovechamiento de energía
solar por vía térmica en dos grupos. Uno de ellos utiliza o aprovecha la energía solar a
baja y media temperatura, y el otro, la energía solar a alta temperatura.
? Baja y media temperatura
1. Sistemas basados en colectores.
Es una de las posibilidades más inte resantes a corto plazo, de cara a servicios
como producción de agua caliente (doméstica y sanitaria), calefacción, climatización de
piscinas, invernaderos, secaderos, etc. En este tipo de instalaciones es necesario,
además de la energía solar, un apoyo en base a otra energía para garantizar en todo
momento un servicio en cualquier condición.
Un colector o captador es un instrumento que absorbe el calor del Sol, con un
mínimo de pérdidas y lo transmite a un fluido (generalmente agua).
Pueden ser de 2 tipos:
a)
Colectores planos. Son los más difundidos. La forma y materiales
dependen de la temperatura de funcionamiento del mismo. Podemos distinguir los
siguientes:
? Hasta 120 ºC, se utiliza el vacío como medio aislante.
? Hasta 60 ºC.
? Hasta 35 ºC, se emplea para climatización de piscinas, calefacción de
invernaderos; los elementos metálicos se sustituyen por plásticos o corcho haciendo
más rentable el producto.
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Consta
de
una
caja
metálica en cuyo interior hay una
lámina,
igualmente
metálica
(pintada de color negro mate),
capaz de absorber eficientemente
las radiaciones solares. Sobre
dicha lámina se apoyan las
canalizaciones (por cuyo interior
circula agua) a las que se
transmite el calor.
La parte superior está
cubierta por un cristal o plástico
transparente
que
hace
las
funciones
de
invernadero,
reduciendo las pérdidas de calor
Las aplicaciones más usuales de estos
elementos suelen ser:
? Calefacción de viviendas y otros locales. En las
figuras anteriores, se puede ver un esquema
sencillo de una instalación de este tipo.
Normalmente es necesaria la ayuda de otro sistema
adicional que complemente esta energía, sobre todo
durante algunas horas del día y especialmente por
la noche.
? Agua caliente. La instalación constará
básicamente de los mismos elementos que en el
caso anterior.
? Otras aplicaciones similares. Destacamos la
calefacción de invernaderos,
secaderos
y
climatización de piscinas.
b) Sistemas de colectores de concentración. Se utilizan para instalaciones que
trabajan a media temperatura. Estas instalaciones están en la actualidad en
experimentación y no hay nada comercializado.
Estos colectores concentran la radiación solar en un elemento receptor de
superficie muy reducida. Por ello pueden proporcionar temperaturas de hasta 300 ºC
con buenos rendimientos. Las centrales de colectores de concentración se utilizan para
generar vapor a alta temperatura con destino a procesos industriales, a la producción
de energía eléctrica, etc.
Los más difundidos son los colectores de concentración cilíndrico-parabólicos.
Todos llevan un sistema para girar y mantenerse orientados al Sol.
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Los colectores de concentración (forma cilíndrico-parabólica) recogen la energía
solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico), en forma de calor El fluido se calienta y
transporta dicha energía calorífica por medio de un pri mer circuito hasta una caldera,
donde es transferido el calor a otro fluido que circula por un segundo circuito. El
segundo fluido (generalmente agua) se convierte en vapor a gran temperatura y es
enviado a un grupo turbina -alternador para generar energía eléctrica merced a un ciclo
termodinámico convencional semejante al de las centrales térmicas.
Las instalaciones de este tipo aprovechan la energía solar a temperaturas
(comprendidas entre los 100 y 300 ºC.
2. Desalamiento del agua marina y destilación de la misma.
El agua dulce es un elemento fundamental
para la vida y en algunos casos hay que obte nerla del
agua salada, debido a su escasez. El método es muy
simple. Consta básicamente de un recipiente de color
oscuro y aislado exteriormente, cubierto por un cristal
inclinado 45 ºC con respecto a la horizontal. En el
recipiente se echa agua salada y por el efecto
invernadero los rayos solares evaporan el agua, la
cual seguidamente se condensa en el cristal y se
recoge en la parte inferior del mismo.
En España hay una planta potabilizadora en
Gran Canaria.
3. Obtención de sal.
A lo largo de toda la historia, el hombre ha obtenido sal del agua del mar. Para
ello inunda unas superficies adecuadamente acondicionadas para tal fin, denominadas
salinas, con agua salada. Con el paso del tiempo el agua se va evaporando por efecto
de los rayos solares, quedando la sal y otras sustancias. Después se recoge la sal y se
purifica para su consumo. En España hay salinas en numerosos puntos de la costa
mediterránea.
? Alta temperatura
La producción de alta temperatura mediante energía solar tiene las aplicaciones
siguientes:
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1. Producción de energía eléctrica.
Los principios de producción de
electricidad son análogos a una central
térmica. El tipo más extendido es la
central solar termoeléctrica de receptor
o torre central, cuyo esquema se
muestra en la figura inferior Está
formada por un campo de heliostatos o
espejos direccionales de grandes
dimensiones que reflejan la luz del sol
hacia la torre, concentrándose los rayos
en la caldera. El aporte térmico es
absorbido por el flujo del fluido (agua,
sodio, aire,..., depende de la instalación). Dicho fluido se conduce a presión
hacia un generador de vapor donde se
transmite la energía a un segundo
circuito. El fluido de este circuito se
convierte en vapor; se dirige hacia el
grupo turbina-alternador; al cual hace
girar; para generar energía eléctrica. El
fluido es posteriormente condensado en
un aerocondensador para repetir el ciclo.
La central tiene habitualmente un dispositivo de almacenamiento térmico, que
puede ser de aceite y rocas, agua a presión u otro. En tales circunstancias, el fluido
primario transmite a este dispositivo parte de la energía, estabilizando y aumentando la
producción en el tiempo. Por otra parte, los heliostatos poseen movimiento según dos
ejes de giro. Unos servosistemas accionados gracias a un módulo electrónico les
permite orientarse adecuadamente en todo momento.
La energía producida después de ser transformada, es transportada mediante
líneas (8) a la red general.
2. Horno solar.
Consiste en concentrar en una pequeña zona o
punto los rayos solares que inciden en una superficie
muy grande en comparación con la zona anterior. Para
ello se utiliza un espejo de forma parabólica. Las
temperaturas que se pueden obtener son muy elevadas
(incluso 4.000 ºC) y principalmente se utilizan en
investigación, como por ejemplo para el estudio del
punto de fusión de materiales. Su explotación comercial
no es viable en la actualidad debido a su alto coste. El horno solar más grande del
mundo se encuentra en Odeillo (Francia) con una potencia de un megawatio.
2º.- Aprovechamiento pasivo de la energía solar
Consiste en aprovechar el efecto térmico del Sol para el calentamiento de un
recinto. Esto se consigue gracias a la suma de dos efectos:
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? Mediante cristales que aíslan el
recinto del exterior; dejando pasar los
rayos solares.
? Mediante acumuladores térmicos,
que retiene n ese calor y lo van disipando
poco a poco, por lo que se asegura calor
durante más tiempo, por ejemplo durante la
noche.
En la figura de la derecha se puede
ver un esquema de una posible distribución
de estos elementos. La orientación del
recinto con respecto al Sol y el diseño son los factores que hay que tener en cuenta en
su construcción.
3º.- Conversión en energía eléctrica
Para esta aplicación se utilizan las células solares o
fotovoltaicas. Están constituidas básicamente de un mate rial
semiconduc tor; generalmente silicio. La luz solar; como toda
onda electromagnética, se compone de un flujo de fotones.
Cuando incide sobre la célula, bajo ciertas condiciones,
producen corriente eléctrica. A este fenómeno se le denomina
efecto fotovoltaico. El rendimiento que se obtiene de esta
aplicación es pequeño y en las mejores condiciones y con la
tecnología más avanzada se obtiene un 25 por 100 de conversión de la energía
luminosa en eléctrica. El rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
La tensión máxima entre los bornes de la célula es de unos 0,58 voltios. Esta
tensión no es usual en la práctica, por lo cual se conectan varias de ellas en serie para
tener una tensión aceptable a la salida. Comercialmente se construyen los llamados
módulos o paneles fotovoltaicos compuestos de 36 células conectadas en serie, que
producen una tensión máxima de 18 voltios.
El problema actual de estas células
es su elevado coste.
Actualmente estas células se aplican
en:
?
Centrales solares de células
fotovoltaicas. Se encuentran en
plan de experimentación y
desarrollo
debido
a
que
actualmente no son renta bles,
pues el coste de la energía
originada por este método es más cara, debido a las
inversiones que son necesarias.
? Pequeñas instalaciones alejadas de redes de distribución,
como faros, balizas, etc.
? Satélites lanzados al espacio.
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? Automóviles. Los fabricantes están desarrollando prototipos para, en un futuro,
sustituir los modelos actuales que funcionan con derivados del petróleo por
modelos que utilicen las células solares como fuente de energía.
? Viviendas. En zonas donde la radiación solar sea alta se puede conseguir el
autoabastecimiento energético mediante células y acumuladores de
energía.
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