Energía Renovable

Los combustibles fósiles (petróleo, carbón mineral y gas natural) son recursos finitos que inexorablemente van a agotarse; de ahí su denominación de "recursos no renovables". Por fortuna, existen también las energías renovables, que se definen como formas de energía que tienen una fuente prácticamente inagotable con respecto al tiempo de vida de un ser humano en el planeta, y cuyo aprovechamiento es técnicamente viable. Dentro de estos tipos de energía se encuentran: la solar, la eólica (viento), la minihidráulica (ríos y pequeñas caídas de agua), la biomasa (materia orgánica), la geotermia (calor de las capas internas de la Tierra) y la océanica, principalmente.

Las energías renovables ofrecen la oportunidad de obtener energía útil para diversas aplicaciones, su aprovechamiento tiene menores impactos ambientales que el de las fuentes convencionales y poseen el potencial para satisfacer todas nuestras necesidades de energía presentes y futuras. Además, su utilización contribuye a conservar los recursos energéticos no renovables y propicia el desarrollo regional.

a) Energía Solar¹: es la energía que se produce en el Sol debido a la continua reacción termonuclear que en su interior se lleva a cabo a temperaturas de varios millones de grados. La reacción básica en el interior del Sol es la fusión nuclear en la cual cuatro protones (de Hidrógeno) se combinan para formar un átomo de Helio; como consecuencia de ello, la masa “perdida” se convierte en energía en forma de radiación (energía electromagnética), de acuerdo a la bien conocida ley de Einstein.
Este proceso tienen lugar en el núcleo de la esfera solar para luego ser transferida a la superficie a través de una sucesión de procesos radiacionales y convectivos, incluidos los fenómenos de emisión, absorción y “re-radiación”; de tal manera que la energía solar que nos llega a la Tierra es radiada por el Sol, desde la parte más externa de la esfera solar llamada la fotosfera, a una razón de 66 MW/m².
Esta energía puede ser aprovechada por el ser humano por medios de dos formas de tecnologías de conversión: fotovoltaicas y fototérmicas.
a.1) Sistemas Fotovoltaicos:funcionan por medio del Efecto Fotoeléctrico (también conocido como efecto fotovoltaico) a través del cual la luz solar se convierte en electricidad sin usar ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a cabo la transformación de luz solar en electricidad se llaman Generadores Fotovoltaicos y a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto Celdas Solares, que al conectarse en serie y/o paralelo se forman los paneles fotovoltaicos.
a.2) Sistemas Fototérmicos: funcionan por medio de la conversión de la luz solar en calor sobre superficies que transfieren dicha energía a fluidos de trabajo para producción de calor de proceso. Esto se puede conseguir por medio de dispositivos planos con superficies selectivas o por medio de dispositivos de concentración de radiación con superficies especulares y selectivas.

b) Energía Eólica: es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de zonas de alta presión atmosférica hacia otras adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales (gradiente de presión).
La tecnología de conversión es por “molinos de viento”.

c) Biomasa: es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. Para poder hacer distinción entre las formas de uso de esta materia se propone una forma de división en biocombustibles y bioenergéticos.
c.1) Biocombustibles: Son aquellos combustibles que se derivan de la biomasa tratada por un proceso químico y físico, como por ejemplo una reacción de esterificación y una mezcla con aditivos, para obtener un producto que pueda sustituir a un hidrocarburo convencional.

- Biohidrógeno
- Biodiesel: se fabrica a partir de una reacción de esterificación utilizando materia prima como aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar canola, soya o jatropha, los cuales son cultivados para este propósito. La preparación final requiere de una reacción con al alcohol absoluto.
- Biogás: es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos (bacterias metanogénicas, etc.), y otros factores como es la ausencia de aire (ambiente anaeróbico). El gas resultante está formado por metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO) y otros gases en mucha menos medida que los anteriores.
- Bioetanol: también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de una reacción de fermentación con levaduras utilizando materia prima como maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada. Para su purificación al 99.9% se requiere romper el azeótropo que se forma mediante procesos de destilación con una sustancia extra que se recupera al final del proceso como el éter.
- Carbón de madera

c.2) Bioenergía: Se plantea este concepto para la biomasa que se usa directamente como combustible sin ningún cambio químico, solamente físico
     - Leña
     - Bagazo de caña
     - Residuos Industriales
     - Residuos Forestal

d) Energía Mareomotriz: es la energía que se manifiesta en el mar por medio de olas, mareas, corrientes y gradientes térmicos, cuyo origen es por factores varios.
- Olas: también conocida como energía undimotriz , es aquella que se manifiesta por el movimiento de las olas y que puede ser aprovechado por medio de dispositivos expuestos a ellas.
- Mareas: también conocida como energía mareomotriz, es aquella que se debe a las fuerzas gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, manifestándose en el cambio de altura media de los mares según la posición relativa entre estos tres astros. Esta diferencia de alturas puede aprovecharse en lugares estratégicos como golfos, bahías o estuarios utilizando turbinas hidráulicas que se interponen en el movimiento natural de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable

Sistema: Calentador Solar

Es la energía más económica (la energía gratuita del sol) . La inversión inicial – que depende del tamaño del equipo – le ofrecerá agua caliente gratuita durante más del 90% del año, durante más de 20 años sin problemas. Todos los días soleados o semisoleados del año usted aprovechará la energía del sol para tener agua caliente en casa.
Los días practicamente nublados, y tras haber agotado la reserva de agua caliente en el depósito cuidadosamente aislado, usted dispondrá del servicio de agua caliente gracias al sistema energético auxiliar incorporado.

• Es una energía segura tanto en garantía de suministro energético durante todo el año como por falta de peligrosidad para el usuario.
• Sin ruidos, escapes u olores y - a diferencia de otros sistemas- es ecológica y limpia, lo que redunda en beneficio de todos.
• Es un sistema de una comodidad sin igual. El proceso se efectúa automáticamente sin necesidad de su intervención y ahorrándose las molestias de otros sistemas.
• Instalación sencilla y de fácil integración dentro de la estética de su vivienda.
• Soporta cualquier tipo de agua, por muy calcárea que sea y está protegido contra las heladas.
• Sin apenas mantenimiento y - dada la sencilla tecnología, basada en principios físicos naturales y con mínima participación de elementos mecánicos- sin apenas anomalías en el funcionamiento de su calentador solar durante su vida útil superior a los 20 años.
• La Instalación del calentador solar térmico supone la automática revalorización de su vivienda, dado que a partir de entonces ofrecerá agua caliente sanitaria garantizada y gratuita a sus usuarios durante muchísimos años, pudiendo superar sin problemas los 20 años
  

¿CÓMO FUNCIONA UN CALENTADOR SOLAR DE AGUA?

En esencia, el calentador solar es una caja plana muy bien aislada y con un cristal en la parte frontal en cuyo interior lleva colocado un tubo en serpentín por el que circula el agua, empujada por la gravedad o por una bomba. El agua así calentada – que logra temperaturas superiores a los 100ºC – es enviada a un depósito muy bien aislado para su uso en el momento requerido. Básicamente, el calentador de agua aprovecha 3 principios físicos de gran sencillez: la propiedad del color negro de atraer el calor, el efecto invernadero que se crea dentro de una caja con un cristal en la parte frontal ( o capacidad de atrapar el calor) y la tendencia que tiene el agua más caliente a colocarse sobre el agua más fría.

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA

Instalación para producción de agua caliente sanitaria


Instalación para producción de agua caliente sanitaria con sistema de apoyo convencional
APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

• Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.)
  • Hoteles, Balnearios...
  • Viviendas
  • Polideportivos
  • Instalaciones Industriales
• Determinados casos de calefacción: en combinación con la arquitectura solar.
• Calentamiento de piscinas: para prolongar los meses de uso y aumentar el confort .

Sistema: Celda Solar

O celda fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo Bequerel, en 1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio.

El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también celda solar. Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta. Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo.

Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general, cúanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera.

Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o interfase para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una celda FV. En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea igual o mayor a la del espacio interbanda del material de la celda, pueden liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está limitada a la porción del espectro solar cuya energía esté por encima del espacio interbanda del material absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías más bajas no son utilizados. Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con más de un espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo de celdas son conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de cascada" o "tandem"). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque pueden convertir una fracción más grande del espectro luminoso en electricidad. Como se muestra abajo, un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas individuales de una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su espacio de banda (Eg). La celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con espacios de bandas más bajos.

Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas multijuntura están enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los componentes de las celdas. Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con cobre. Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo, utiliza una celda superior de fosfato de indio con galio, una juntura "de túnel" para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda inferior de arseniuro de galio.

 

Torre Solar

Un proyecto pionero en Europa prevé la instalación de una torre solar de 750 metros de altura en la localidad de Fuente el Fresno (Ciudad Real, España). Esta tecnología productora de energía se basa en la circulación de aire caliente.

La torre, la más alta de esta clase en Europa, se alzará en el centro de una estructura de vidrio de una superficie de 350 hectáreas, funcionando como un colector solar. El aire caliente al nivel de este colector se transferirá al interior de la torre, en donde pondrá en funcionamiento unas turbinas conectadas a generadores de electricidad. Según los cálculos realizados, la potencia generada por esta instalación alcanzará los 40 MW y cubrirá la demanda de electricidad de 120.000 personas. Proporcionará el equivalente en energía de 140.000 barriles de petróleo y evitará la emisión a la atmósfera de 78.000 toneladas de dióxido de carbono. El recolector podrá asimismo ser utilizado como invernadero. Una superficie de 250 hectáreas se destinará al cultivo de frutas y legumbres.

Se instalarán sistemas de telecomunicación y de vigilancia contra incendios en lo alto de la torre. También está previsto instalar un mirador y un acceso al público que convertirán a este edificio en un lugar turístico.

El presupuesto inicial de este proyecto asciende a 240 millones de euros. La construcción de la torre comenzará en 2007 y durará tres años. Deberían crearse 500 empleos directos. Las empresas españolas Campo 3 e Imasa en colaboración con la compañía alemana Schlaich Bergermann se encargarán de los trabajos. Estos grupos asegurarán luego la explotación del sitio en cooperación con la Universidad de Castilla la Mancha y del Ministerio de Medio Ambiente.

Esta tecnología solar ha realizado pruebas en España en 1982 con la edificación de una torre de 195 metros en Manzanares (Madrid); esta torre poseía un campo recolector de un diámetro de 240 metros y era capaz de producir una potencia de 50 kW. Por otra parte, una torre similar también está en fase de construcción en Australia con una altura de 1.000 metros y una capacidad de generar hasta 200 MW.

Links:
Enviro Mission
Solar Tower