Ecología. Energía renovable

Autor: Jorge A. DelaVega L.

Sostenibilidad y gestión ambiental

06-2006

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Los recursos de energía renovable, son de fácil acceso, se reaprovisionan constantemente y no afectan negativamente el medio ambiente ni la vida. Por el contrario, la energía del petróleo, carbón y gas natural, proviene de recursos combustibles fósiles no renovables, finitos. El acceso a recursos fósiles para obtener energía no renovable es difícil y costoso. Además, el uso de combustibles fósiles ocasiona daño al medioambiente y a la vida. 

Introducción
 
Gran parte de la energía renovable proviene directa ó indirectamente de la luz y el calor solar: 1. El sol influye en la dirección de los vientos que son capturados para generar energía eólica. 2. El calor solar propicia la evaporación del agua en el planeta cuyo vapor se transforma en lluvia que fluye hacia ríos y lagos donde puede ser capturada en presas para generar energía hidroeléctrica. 3. La luz solar y la lluvia favorecen el desarrollo de los vegetales que contienen materia orgánica conocida como biomasa que puede ser utilizada para generar energía. 4. El calor de la luz solar calienta las aguas superficiales en los océanos, y la diferencia de temperaturas entre aguas superficiales y profundas en los océanos puede ser utilizada como recurso de energía renovable.
 
Sin embargo, no todos los recursos de energía renovable provienen del sol. La energía geotérmica proviene del calor interno en el planeta, y puede utilizarse para generar electricidad y calefacción.

Las mareas en los océanos generan energía renovable debido al efecto gravitacional de la luna sobre la Tierra. La energía en los océanos se genera también por movimiento de las olas y mareas.
 
El hidrógeno es el elemento más abundante en el planeta Tierra, y es también fuente importante de energía renovable, presente en toda el agua y aire del planeta, así como en muchos compuestos orgánicos. El hidrógeno no se presenta naturalmente como un gas en si mismo, sino combinado siempre con otros elementos como el oxígeno que se encuentra en el agua (H2O). Una vez separado el hidrógeno de otro elemento, puede ser utilizado como recurso de energía renovable. A continuación, tecnologías fundamentales para aprovechar nuestros recursos de energía renovable.

Energía Eólica
 
La energía eólica (viento) fue utilizada en la antigüedad para moler granos y bombear agua mediante molinos de viento. Hoy el equivalente a los molinos de viento son las turbinas de viento que se utilizan para generar electricidad. Así como los molinos de viento, las turbinas de viento son montadas en torres para capturar energía eólica. A treinta metros del suelo o más, las turbinas de viento reciben los vientos más rápidos y menos turbulentos para generar energía eléctrica. Las turbinas captan la energía del viento que hace girar sus dos ó tres aspas montadas de tal manera para formar un rotor que activa el generador para producir electricidad.

Las turbinas de viento pueden ser utilizadas ya sea en conjunto interconectadas para generar gran cantidad de electricidad; combinadas con sistemas de celdas solares; ó por si mismas en regiones rurales para bombear agua y proporcionar electricidad. Así mismo son utilizadas para mejorar el aprovisionamiento en los sistemas de distribución de energía eléctrica.

Medidor de viento:
Mide la velocidad del viento y transmite los datos al controlador.

Freno:
El freno de disco puede operar de forma mecánica, eléctrica ó hidráulica para detener el rotor en caso de emergencia.

Controlador:
El controlador enciende el equipo cuando la velocidad del viento es entre 13 y 25 kilómetros por hora, y apaga el equipo cuando los vientos son mayores a 100 Kilómetros por hora. Las turbinas de viento no deben operar con vientos mayores a 100 kilómetros por hora porquesobrecalientan los generadores.

Caja de Engranes:
la caja de engranes conecta la Barra de Baja Velocidad con la Barra de Alta Velocidad e incrementa la velocidad rotacional desde alrededor de 30 ó 60 revoluciones por minuto (RPM) hasta 1200 y 1500 revoluciones por minuto que es la velocidad requerida por la mayoría de los generadores que producen electricidad. La caja de engranes es costosa y pesada, por esto los ingenieros exploran la posibilidad de transmisión directa que no requiere caja de engranes.

Barra de Alta Velocidad:
La barra de alta velocidad hace funcionar el generador.

Barra de Baja Velocidad:
El rotor hace girar la barra de baja velocidad entre 30 y 60 revoluciones por minuto.

La turbina gira mediante tres aspas de frente al viento. Turbinas de viento con dos aspas captan menos viento. Las turbinas de viento producen de 50 a 750 kilowatts. Turbinas pequeñas (menos de 50 kilowatts) se utilizan en ranchos, casas, para bombear agua, etc.

Energía Solar

1. Concentración de Energía Solar

Las plantas de energía eléctrica convencionales utilizan combustibles fósiles como recurso de calor para hervir agua cuyo vapor hace girar una turbina para activar el generador que produce la electricidad. Sin embargo, las plantas de energía eléctrica de nueva generación, están utilizando la concentración del calor solar en lugar de combustibles fósiles para obtener vapor de agua. Existen por ahora principalmente tres tipos de sistemas para concentrar el calor solar: Parabólico, Plano y Torre.

El Sistema Plano utiliza espejos en forma de plato que concentran calor solar dentro de un receptáculo. El calor se transfiere al fluido que se encuentra en la máquina. El calor solar hace que el fluido se expanda contra un pistón o turbina que produce energía mecánica, la cual es utilizada para activar un generador o alternador que produce electricidad.

Los Sistemas Parabólicos

concentran calor solar mediante espejos rectangulares largos y curvos. Estos espejos concentran la luz y el calor solar en la tubería que se encuentra al centro de los espejos. El calor de los rayos solares calienta el aceite que fluye dentro de la tubería, el cual es utilizado para hace hervir el agua cuyo vapor activa un generador convencional de vapor para producir electricidad.

El Sistema de Torre

utiliza grandes espejos para concentrar calor solar dentro de un receptáculo que contiene sal, instalado en la cima de una torre. El calor solar funde la sal que fluye dentro del receptáculo. El calor de la sal fundida es utilizado para generar vapor y obtener electricidad mediante un generador convencional de vapor. La sal fundida retiene calor tan efectivamente que es posible almacenarlo durante días antes de ser convertido en electricidad. Esto significa que la electricidad mediante este sistema, puede ser producida en días nublados o por las noches.

2. Energía Solar Pasiva

Algunas construcciones se diseñan para aprovechar al máximo las ventajas de la energía solar, en lo que concierne a iluminación y calor. El lado sur de las construcciones recibe siempre buena parte de calor y luz solar. Por esta razón, se construyen ventanales en el lado sur de los edificios e instalaciones. Así mismo, se instalan en pisos y muros materiales que absorben energía solar. Estos pisos y muros se calientan durante el día, y dejan escapar el calor durante la noche cuando es más necesario.

En el lado sur de algunos edificios, se construyen "espacios de sol", que son en realidad como los invernaderos, fabricados de materiales transparentes, a través de los cuales pasa la luz solar que calienta el espacio interior. En un diseño apropiado de "espacios de sol", se instalan ventiladores y ductos para trasladar y distribuir el calor que se encuentra en el interior de los "espacios de sol" hacia el interior de los edificios. Estos sistemas durante la época de calor son "clausurados" mediante cortinas que disminuyen el ingreso de luz solar.

3. Energía Solar Fotovoltaica Se utiliza para producir electricidad directamente de la luz solar. Celdas solares, denominadas fotovoltaicas, convierten la luz solar directamente en electricidad. Este tipo de celdas son utilizadas también para proporcionar energía a calculadoras y relojes. Están fabricadas de materiales semiconductores, similares a los que se usan en los "chips" de las computadoras. Cuando la luz del sol es absorbida por estos materiales, la energía solar golpea los electrones sueltos en sus átomos, lo cual les permite fluir a través de los materiales semiconductores para producir electricidad. A este proceso de convertir luz solar (fotones) en electricidad (voltaje) se le denomina Efecto Fotovoltaico La combinación de celdas solares consiste normalmente en diez módulos planos conteniendo alrededor de 40 celdas solares cada uno. Estos módulos pueden medir varios metros por cada lado, y son instalados, ya sea fijos en ángulo hacia el sol, o sobre dispositivos móviles giratorios que persiguen la luz solar durante todo el día. Varios módulos interconectados pueden ser utilizados cuando se requiere gran cantidad de electricidad.

En las películas delgadas de celdas solares, se utilizan capas de materiales semiconductores con espesor de sólo algunas micras. La tecnología de película delgada ha hecho posible duplicar la cantidad de celdas solares en un mismo espacio. Las celdas pueden ser utilizadas en la construcción de techos. Algunas celdas solares son diseñadas para operar mediante concentraciones altas de luz solar. Estas celdas solares son construidas en colectores concentradores que usan lentes para enfocar y capturar más luz del sol en las celdas. Este sistema que consiste en aprovechar tanta luz solar como sea posible, tiene ventajas y desventajas. La ventaja del sistema, es que usa poco material semiconductor que es costoso. La desventaja es que los lentes sólo funcionan bien en regiones con mucho sol.

El desempeño de las celdas solares es medido en términos de eficiencia para transformar la luz solar en electricidad. Únicamente una parte de la luz solar puede transformarse en electricidad, la otra parte es reflejada o absorbida por el material del que están fabricadas las celdas solares. Debido a esto, una típica celda solar comercial tiene una eficiencia del 15% aproximadamente. Es decir, una sexta parte de la luz solar que llega a la celda genera electricidad. De tal manera la baja eficiencia hace necesaria una mayor cantidad de celdas solares, lo cual incrementa el costo de la electricidad. Gran parte de las investigaciones han estado centradas en mejorar la eficiencia de las celdas solares. Cabe señalar que, las primeras celdas solares fueron construidas en 1950, y tenían una eficiencia menor al 4%.

4. Energía Solar para Calentamiento de Agua

Sabemos que el calor por ley física tiende a elevarse, y que las aguas poco profundas son más cálidas que las profundas. La luz solar calienta el fondo de las zonas acuáticas poco profundas. El fondo caliente transmite calor al agua. Esta es la forma natural en la que el sol calienta el agua.

En algunos sistemas, se instalan generalmente colectores solares planos en el lado sur de los techos. La mayoría de los sistemas para calentamiento de agua en construcciones, tienen dos partes principales que son: un colector y un tanque de almacenamiento. El colector plano comúnmente utilizado, es instalado en los techos, y consiste en una caja delgada rectangular con una cubierta transparente de frente al sol. Tubos interconectados dentro de la caja contienen el fluido, que puede ser agua u otra substancia, que será calentada. Los tubos a su vez son instalados a una placa de absorción solar pintada de negro, para captar el calor de la luz solar. De este modo, el calor acumulado en el colector, calienta el fluido que pasa a través de los tubos, y a su vez el agua que se desea calentar.

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Jorge A. DelaVega L.

Consultor Privado. México

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