Fuentes renovables de energa y aplicaciones.6.1 Conceptos
generales de energa SolarLa energa solar es una energa garantizada
para los prximos 6000 millones de aos.El Sol, fuente de vida y
origen de las dems formas de energa que el ser humano ha utilizado
desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras
necesidades si aprendemos cmo aprovechar de forma racional la luz
que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo
desde hace unos cinco mil millones de aos, y se calcula que todava
no ha llegado ni a la mitad de su existencia.Durante el presente
ao, el Sol arrojar sobre la Tierra cuatro mil veces ms energa que
la que vamos a consumir.Espaa, por su privilegiada situacin y
climatologa, se ve particularmente favorecida respecto al resto de
los pases de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo
inciden al ao unos 1.500 kilovatios-hora de energa, cifra similar a
la de muchas regiones de Amrica Central y del Sur. Esta energa
puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras
formas tiles como, por ejemplo, en electricidad.Espaa es tambin el
pas con ms experiencia en tecnologa solar. Ha sido lder mundial en
desarrollo e implantacin de centrales fotovoltaicas (una compaa
espaola construir la mayor planta fotovoltaica del mundo), y ocupa
tambin el primer puesto en sistemas solares de concentracin,
exportando su tecnologa a muchos pases. Por mencionar otro ejemplo,
la capacidad total en captadores solares para calentamiento de agua
operativos supera a la de los Estados Unidos de Amrica.Sera poco
racional no intentar aprovechar, por todos los medios tcnicamente
posibles, esta fuente energtica gratuita, limpia e inagotable, que
puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petrleo o de
otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente,
agotables.Es preciso, no obstante, sealar que existen algunos
problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las
dificultades que una poltica energtica solar avanzada conllevara
por s misma, hay que tener en cuenta que esta energa est sometida a
continuas fluctuaciones y a variaciones ms o menos bruscas. As, por
ejemplo, la radiacin solar es menor en invierno, precisamente
cuando ms la solemos necesitar.Es de vital importancia proseguir
con el desarrollo y perfeccionamiento de la todava incipiente
tecnologa de captacin, acumulacin y distribucin de la energa solar,
para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente
competitiva, a escala planetaria.Qu se puede obtener con la energa
solar?Bsicamente, recogiendo de forma adecuada la radiacin solar,
podemos obtener calor y electricidad.El calor se logra mediante los
captadores o colectores trmicos, y la electricidad, a travs de los
denominados mdulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que
ver entre s, ni en cuanto a su tecnologa ni en su aplicacin.
Hablemos primero de los sistemas de aprovechamiento trmico. El
calor recogido en los captadores puede destinarse a satisfacer
numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente
para consumo domstico o industrial, o bien para dar calefaccin a
nuestros hogares, hoteles, colegios, fbricas, etc. Incluso podemos
climatizar las piscinas y permitir el bao durante gran parte del
ao.Tambin, y aunque pueda parecer extrao, otra de las ms
prometedoras aplicaciones del calor solar es la refrigeracin
durante las pocas clidas, precisamente cuando ms soleamiento hay.
En efecto, para obtener fro hace falta disponer de una fuente
clida, la cual puede perfectamente tener su origen en unos
captadores solares instalados en el tejado o azotea. En los pases
rabes ya funcionan a pleno rendimiento muchos acondicionadores de
aire que utilizan eficazmente la energa solar. Las aplicaciones
agrcolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse
mayores y ms tempranas cosechas; los secaderos agrcolas consumen
mucha menos energa si se combinan con un sistema solar, y, por
citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificacin o
desalinizacin de aguas sin consumir ningn tipo de combustible.Las
clulas solares fotovoltaicas, dispuestas en paneles solares, ya
producan electricidad en los primeros satlites espaciales.
Actualmente se perfilan como la solucin definitiva al problema de
la electrificacin rural, con clara ventaja sobre otras
alternativas, pues, al carecer los paneles de partes mviles,
resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan
ni producen ningn ruido en absoluto, no consumen combustible y no
necesitan mantenimiento. Adems, y aunque con menos rendimiento,
funcionan tambin en das nublados, puesto que captan la luz que se
filtra a travs de las nubes.La electricidad que as se obtiene puede
usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o
para regar, mediante un motor elctrico), o bien ser almacenada en
acumuladores para usarse en las horas nocturnas. La electricidad
fotovoltaica generada tambin se puede inyectar en la red general,
obteniendo una buena rentabilidad econmica, bien sea por medio de
su autoconsumo o mediante su venta, ya que cada vez ms pases priman
tanto a los pequeos como a los grandes productores de electricidad
fotovoltaica, dado el beneficio que aporta para el medio
ambiente.Si se consigue que el precio de los mdulos solares siga
disminuyendo, potencindose su fabricacin a gran escala, es muy
probable que, para la tercera dcada del siglo, una buena parte de
la electricidad consumida en los pases ricos en sol tenga su origen
en la conversin fotovoltaica.La energa solar trmica puede ser
perfectamente complementada con otras energas convencionales, para
evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulacin.
As, un edificio bien aislado puede disponer de agua caliente y
calefaccin solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o
elctrico que nicamente funcionara en los periodos sin sol. El coste
de la energa convencional sera slo una fraccin del que alcanzara
sin la existencia de la instalacin solar.
De qu manera convertimos la energa solar en energa til para su
uso cotidiano?Esta energa renovable se usa principalmente para dos
cosas, aunque no son las nicas, primero para calentar cosas como
comida o agua, conocida como energa solar trmica, y la segunda para
generar electricidad, conocida como energa solar fotovoltaica.Los
principales aparatos que se usan en la energa solar trmica son los
calentadores de agua y las estufas solares.Para generar la
electricidad se usan las clulas solares, las cuales son el alma de
lo que se conoce como paneles solares, las cuales son las
encargadas de transformarla energa elctrica.Sus usos no se limitan
a los mencionados aqu, pero estas dos utilidades son las ms
importantes. Otros usos de la energa solar son: Potabilizar agua
Estufas Solares Secado Evaporacin Destilacin RefrigeracinComo podrs
ver los usos que se le pueden dar son muy amplios, y cada da se
estn descubriendo nuevas tecnologas para poder aprovecharla
mejor.6.2 Celdas fotovoltaicasLas Celdas Fotovoltaicas, son
sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz
solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad
conocida como efecto fotoelctrico en su forma ms simple, estos
mariales se compone de un nodo y un ctodo recubierto de un material
fotosensible. La luz que incide sobre el ctodo libera electrones
que son atrados hacia el nodo, de carga positiva, originando un
flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiacin, que
hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos
electrones libres son capturados, el resultado es una corriente
elctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas
fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio (el segundo
elemento ms abundante en la corteza terrestre). Actualmente,
existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en nuestras calculadoras
solares as como en los cohetes espaciales.Principio de
FuncionamientoLa conversin directa de luz en electricidad a nivel
atmico se llama generacin fotovoltaica. Algunos materiales
presentan una propiedad conocida como efecto fotoelctrico, que hace
que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura
a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente
elctrica que puede ser utilizada como energa para alimentar
circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas tambin celdas
solares, estn compuestas de la misma clase de materiales
semiconductores que se usan en la industria microelectrnica, como
por ejemplo el silicio. Figura 6.2.1Una delgada lmina
semiconductora, especialmente tratada, forma un campo elctrico,
positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energa
luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extrados de los
tomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores
elctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del
semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente
elctrica que aporta energa. Cuando la luz solar pega en una celda
sola resta puede ser: reflejada, absorbida o pasar limpiamente a
travs de esta. No obstante, solo aquella luz absorbida es la que va
a generar electricidad. La energa de la luz es transferida a
electrones en los tomos de la celda foto voltaica. Con su nueva
energa, estos escapan de sus posiciones normales en los tomos del
material semiconductor fotovoltaico y se convierten en parte del
flujo elctrico. Figura 6.2.2Para inducir el campo elctrico
construido dentro de una clula foto voltaica, se ponen dos capas de
materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre
s. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia
de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es
del tipo con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva.
Aunque ambos materiales son elctricamente neutros, la silicona del
tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a
su vez agujeros de sobra. Colocando estos como sndwich se crea
entonces un punto de salida p/n en su fase intermedia crendose
entonces ah y por esta razn un campo de fuerza elctrico. Cuando n -
y silicn del p-tipo entra en el contacto, los electrones del exceso
mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El resultado es un
aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la
interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del
p-tipo.
Figura 6.2.3 Esquema Elctrico del Efecto FotoelctricoDebido al
flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se
comportan como una batera, creando un campo elctrico en la
superficie dnde ellos se juntan en la unin o juntura p/n. El campo
elctrico obliga a los electrones a trasladarse desde el
semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan
disponibles para ser ocupados por algn circuito elctrico o
acumulacin. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en direccin
contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los
electrones que vienen en direccin contraria.
Efecto de AbsorcinFigura 6.2.4Tipos Figura 6.2.5Clulas de
Silicio monocristalinas. Silicio dopado BFigura 6.2.6Clulas de
Silicio policristalinas. Clulas de Silicio amorfo poseen mayor
capacidad absorcin de luz, y son mucho ms finas.Figura 6.2.7Celda
MulticapasConstruccin de las Clulas SolaresDebido a que una clula
solar genera corrientes y tensiones pequeas, stas no son los
elementos que se utilizan en las aplicaciones prcticas, sino que,
con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en
paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo
que se denomina mdulo fotovoltaico, que es el elemento que se
comercializa. A la vez, estos mdulos se conectan en serie o en
paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la
potencia deseada. Mdulos en serie aumentan el voltaje y conservan
la misma corriente, mientras que mdulos en paralelo aumentan la
corriente, conservando el mismo voltaje. Los mdulos generalmente se
fabrican para tener una salida de 12 VCD.Figura 6.2.8El proceso de
fabricacin de las clulas solares de silicio lo podemos dividir en
tres grandes etapas:a) Obtencin del Si de alta pureza. Este se
obtiene a partir del xido de silicio, SiO2, bsicamente cuarzo, cuya
abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento.
Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que
se utiliza en la industria electrnica. Actualmente se est
trabajando con silicio de menor pureza, pero til para la fabricacin
de clulas solares y a un menor costo.
b) Obtencin de obleas. Utilizando como materia prima polvo de
silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener
una pieza cilndrica de dimetro variable entre 2 y 20 cm y longitud
de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para
purificar el material y para la creacin de una estructura perfecta,
gracias a la cual la futura oblea gozar de propiedades
semiconductoras.La barra de silicio se corta mediante sierras
especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 m. En
esta etapa hay una prdida de material de aproximadamente el 60% en
forma de serrn. Actualmente existen otras formas ms eficientes de
cortado de la barra.
c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la clula
solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los
siguientes pasos:
lapeado y pulido, formacin de unin p-n, decapado y limpieza,
capa antirreflectante, fotoligrafa para formacin de contactos,
formacin de contactos o electrodos, material para soldadura de
electrodos, limpieza del decapante y comprobacin de las
caractersticas de la celda.La formacin de la unin p- n es la etapa
ms crtica de todo el proceso de fabricacin, debido a que el buen
funcionamiento de la clula solar depende en gran medida de una
buena unin p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante
tambin es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede
llegar a reflejar hasta el 34% de la radiacin de onda larga y un
54% si la radiacin es de onda corta. Figura 6.2.9 Horno de Fusin de
SilicioSistema de AcondicionamientoEn la actualidad resulta
imprescindible hacer una gestin correcta de la energa, intentando
obtener el mximo rendimiento posible desde la generacin hasta la
carga, utilizando todos los recursos que se tienen al alcance. La
finalidad de esta energa que obtenemos del sol es utilizarla de la
manera ms correcta, pero como se sabe es necesario convertir la
energa que nos proporciona el sol, en este caso en forma de
radiacin electromagntica en electricidad. Las instalaciones
fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de
cuatro subsistemas principales los cuales sirven de
acondicionamiento: Subsistema de captacin: cuya finalidad es la
captacin de la energa solar. Subsistema de almacenamiento: cuya
finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energa y la
demanda, acumulndola cuando est disponible, para poderla ofrecer en
cualquier momento en que se solicite, en bateras. Subsistema de
regulacin: cuya finalidad es proporcionar la regulacin de carga y
descarga de la batera y el control necesario en instalaciones
fotovoltaicas. Subsistema de distribucin y consumo: cuya finalidad
es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida,
adaptndola a las necesidades cuando sea necesario.Figura 6.2.10Un
ejemplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un
convertidor que transforma la energa proveniente del sol en energa
elctrica en forma corriente continua. El objetivo del convertidor
es adecuar los niveles de tensin y corriente proporcionados por el
panel, a los niveles de tensin y corriente demandados. No se debes
olvidar que el convertidor es un intermediario necesario de la
energa, que permitir hacer un uso correcto de la misma. Pero por su
calidad de intermediario debe tener el mayor rendimiento posible ya
que el objetivo es utilizar toda la energa que proporciona el
panel.
Figura 6.2.11 Circuito de acondicionamientoLos convertidores de
potencia se utilizan de manera genrica para adecuar el tipo de
corriente que necesitamos, existen convertidores de alterna a
continua, de continua a alterna, etc. Este circuito permite la unin
entre dos corrientes continuas con niveles de tensin y corrientes
diferentes.Aplicaciones Industrialesa) Electrificacin rural y de
viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas
aisladas donde llevar energa elctrica por medio de la red general
sera demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio.
En este caso, la instalacin de un generador fotovoltaico es
ampliamente rentable. A menudo se requiere iluminacin en lugares
remotos donde el costo de emplear energa de la red es demasiado
alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminacin de seguridad,
ayudas a la navegacin (ej. boyas y faros), seales iluminadas en los
caminos, seales en cruces ferroviarios y la iluminacin de aldeas.
Las clulas solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se
requerir de una batera de almacenaje. Estos sistemas generalmente
consisten de un panel fotovoltaico ms una batera de almacenaje, un
acondicionador de energa y una lmpara fluorescente de C.C. de baja
tensin y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en reas
remotas, especialmente en pases en vas de desarrollo y es uno de
los usos principales de clulas solares.Figura 6.2.12b)
Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente
solucin cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de seal o
informacin desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de
seales de TV, plataformas de telemetra, radioenlaces, estaciones
meteorolgicas.Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una
solucin rentable a este problema con el desarrollo de estaciones
repetidoras de telecomunicaciones en rea remotas. Estas estaciones
tpicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema
basado en una fuente de alimentacin fotovoltaica. Existen miles de
estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una
excelente reputacin por su confiabilidad y costos relativamente
bajos de operacin y mantenimiento.Principios similares se aplican a
radios y televisiones accionadas por energa solar, los telfonos de
emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo
remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra
informacin sobre el medio ambiente y transmitirla automticamente va
radio a una central.
c) Ayudas a la navegacin. Aqu la aplicacin puede ser relativa a
la navegacin misma o a sus sealizaciones, como alimentar
elctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y
embarcaciones.
d) Transporte terrestre. Iluminacin de cruces de carretera
peligrosos y tneles largos. Alimentacin de radiotelfonos de
emergencia o puestos de socorro lejos de lneas elctricas.
Sealizaciones de pasos a desnivel o cambio de vas en los
ferrocarriles.
e) Agricultura y ganadera. Se est teniendo una atencin muy
espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos
podemos obtener la energa elctrica necesaria para granjas que
conviene que estn aisladas de las zonas urbanas por motivos de
higiene. Sin embargo, la aplicacin ms importante y de futuro es el
bombeo de agua para riego y alimentacin de ganado que normalmente
se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la
vigilancia forestal para prevencin de incendios.
f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales
aplicaciones en este campo es la obtencin de metales como cobre,
aluminio y plata, por electrlisis y la fabricacin de acumuladores
electroqumicos.
g) Difusin de la cultura. Televisin escolar para zonas aisladas.
Difusin de informacin mediante medios audiovisuales alimentados
elctricamente mediante generadores fotovoltaicos.
h) Sistemas De Tratamiento De aguas. en reas alejadas la energa
elctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para
consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar
una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua.
Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con
energa solar. La desalinizacin del agua salobre se puede alcanzar
mediante sistemas fotovoltaicos de smosis inversa.
i) Sistemas de proteccin Catdicos. La proteccin catdica es un
mtodo de proteger las estructuras de metal contra la corrosin. Es
aplicable a puentes, tuberas, edificios, estanques, perforaciones y
lneas ferroviarias. Para alcanzar la proteccin catdica se aplica un
pequeo voltaje negativo a la estructura de metal y ste evita que se
oxide o aherrumbre. El terminal positivo de la fuente es conectado
a un nodo galvnico o de sacrificio que es generalmente un pedazo
del metal de desecho, que es corrodo en vez de la estructura que se
desea proteger. Las celdas solares fotovoltaicas se a menudo
utilizan en lugares remotos para proporcionar este voltaje.j) Tejas
Fotovoltaicas. Los paneles para tejas tienen solamente 4 mm de
grosor y las clulas de Silicio policristalino estn montadas sobre
una superficie de acero inoxidable que soporta hasta una curvatura
de 10mm por el lado ms largo y 5 mm / 8 mm respectivamente por el
lado corto. Diodos de corriente inversa estn incluidos, otros
tamaos y potencias disponibles bajo demanda. Los tejados solares se
orientan siempre hacia el sur y su inclinacin debe ser
aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en
15.Problema Prctico IndustrialFigura 6.2.13La Fotocatlisis, es un
proceso cataltico promovido por energa de determinada longitud de
onda, capaz de excitar a un semiconductor (catalizador) al grado de
hacer que se comporte como un material conductor, en la superficie
del cual se desarrollarn reacciones de xido-reduccin, las cuales
generan radicales libre muy reactivos, mismos que reaccionarn con
las especies a su alrededor, rompiendo algunos enlaces moleculares
y reduciendo u oxidndolas hasta convertirlas en especies menos
complejas. Esta reduccin en la complejidad molecular generalmente
se traduce en una reduccin del grado de contaminacin o peligrosidad
de la especie que se est tratando. Como es conocido en muchas reas
aledaas no existen plantas de tratamiento de agua capaces de
eliminar los microorganismos y/o bacterias que se reproducen, para
lo cual se hace necesario la implementacin d energa alternativa
como el empleo de la energa solar a travs del uso de las celdas
fotovoltaicas.La tecnologa Fotocataltica es relativamente nueva
(70s). En la reaccin fotocatalitica interviene: un catalizador, un
semiconductor (generalmente xido metlico), radiacin con la
suficiente energa (de origen natural como la radiacin solar, o de
origen artificial como lmparas de luz) y el medio en que se lleva a
cabo puede ser gas, lquido o slido.Esta tecnologa tiene muchas
aplicaciones, la mayora de ellas enfocadas a procesos amigables con
el medio ambiente, como lo es la degradacin fotocataltica de
contaminantes, siendo estos de diversos tipos, como plaguicidas,
detergentes, explosivos, metales pesados, residuos txicos,
peligrosos y en ocasiones biolgicos infecciosos.6.3 Aplicaciones de
la energa solar trmicaLa energa solar trmica consiste en el
aprovechamiento de la energa procedente del Sol para transferirla a
un medio portador de calor, generalmente agua o aire. La tecnologa
actual permite tambin calentar agua con el calor solar hasta
producir vapor y posteriormente obtener energa elctrica.Segn su
forma de trabajar los sistemas de energa solar trmica se clasifican
como colectores de baja, media y alta temperatura: Colectores de
baja temperatura. Proveen calor til a temperaturas menores de 65 C.
Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que
concentran la radiacin solar para entregar calor til a mayor
temperatura, usualmente entre los 100 y 300 C. Colectores de alta
temperatura. Trabajan a temperaturas superiores a los 500C. Se usan
para la generacin de energa elctrica.Sistemas que forman una
instalacin solar trmicaEl esquema bsico de una instalacin solar
trmica es el siguiente:Figura 6.3.1Una instalacin solar trmica est
formada por varios sistemas:I. Sistema de captacin de radiacin
solarEl sistema de captacin de radiacin solar est formado por
captadores solares conectados entre s. Su misin es captar la energa
solar para transformarla en energa trmica, aumentando la
temperatura de fluido que circula por la instalacin. El tipo de
captador ms extendido es el captador solar plano que consigue
aumentos de temperatura de 60 C a un coste reducido. Estos
captadores estn indicados para la produccin de agua caliente para
diversas aplicaciones: agua caliente sanitaria, calefaccin por
suelo radiante, etc.El captador plano est formado por una placa
metlica que se calienta con su exposicin al Sol (absorbedor); esta
placa es de color negro de forma que no refleja los rayos del Sol.
Normalmente la placa est colocada en una caja con cubierta de
vidrio. Por el interior de la caja se hace circular agua a travs de
un serpentn o un circuito de tubos de forma que el calor se
trasmite al fluido. El efecto que se produce es similar al de un
invernadero, la luz del Sol atraviesa la placa de vidrio y calienta
la placa ennegrecida. El vidrio es una trampa solar, pues deja
pasar la radiacin del Sol (onda corta) pero no deja salir la
radiacin trmica que emite la placa ennegrecida (onda larga) y como
consecuencia, esta placa se calienta y trasmite el calor al lquido
que circula por los tubos.Para las aplicaciones de calentamiento de
agua de piscinas se pueden emplear los captadores no vidriados.
Estos estn formados simplemente por una gran cantidad de diminutos
tubos de metal o de plstico dispuestos en serpentn por los que
circula el agua. No necesitan caja ni cubierta de cristal, por esta
razn el aumento de temperatura es bajo, en torno a 30 C. Las
prdidas de calor son grandes lo que limita su aplicacin a otro tipo
de instalaciones. Los tubos flexibles toleran bien el paso de aguas
agresivas, como el agua de piscina clorada, pero aguantan mal las
tensiones mecnicas que se producen al congelarse el agua y los
rasguos superficiales. Son ms econmicos que los captadores solares
planos.Existen tambin en el mercado los captadores solares de vaco.
Consisten en tubos de metal que recubren el tubo metlico que
contiene el fluido de trabajo dejando entre ambos una cmara que
acta como aislante. Tienen un rendimiento muy elevado, pero su
costo tambin es elevado.Para aplicaciones de media y alta
temperatura existen otros elementos de captacin, provistos de
sistemas concentradores de la radiacin, sistemas de seguimiento de
la posicin del Sol a lo largo de da, etc.II. Sistema de
acumulacinConsiste en almacenar la energa trmica en un depsito de
acumulacin para su posterior utilizacin. El agua caliente obtenida
mediante el sistema de captacin, es conducida hasta donde se va a
utilizar. Puede ser directamente, como es el caso del calentamiento
del agua de una piscina. En aplicaciones de ACS o calefaccin la
demanda no siempre coincide con el momento en el que hay suficiente
radiacin, por tanto si se quiere aprovechar al mximo las horas de
Sol ser necesario acumular la energa en aquellos momentos del da en
que esto sea posible y utilizarla cuando se produzca la demanda.El
sistema de acumulacin est formado por uno o ms depsitos de agua
caliente. La dimensin de los depsitos de almacenamiento deber ser
proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua
caliente de uno o dos das.III. Sistema de distribucinEn este
sistema se engloban todos los elementos destinados a la distribucin
y acondicionamiento a consumo: control, tuberas y conducciones,
vasos de expansin, bombas, purgadores, vlvulas, etc. Tambin forma
parte de este sistema el sistema de apoyo basado en energas
convencionales (elctricos, caldera de gas o gasleo), necesarios
para prevenir las posibles faltas derivadas de la ausencia de
insolacin y hacer frente a los picos de demanda.IV. Sistemas
convencionales de apoyoLas instalaciones de energa solar trmica
necesitan sistemas de apoyo convencional en previsin a la falta de
radiacin o a un consumo superior al dimensionado (gasleo, gas o
electricidad). En la mayora de los casos tanto en instalaciones en
viviendas unifamiliares, como en edificios de viviendas, las
instalaciones solares se disean para proporcionar a las viviendas
entre el 60-80 % del agua caliente demandada, aunque en zonas con
gran insolacin a lo largo del ao, el porcentaje de aporte suele ser
superior.Se puede apreciar como en los meses de ms baja radiacin
(enero, febrero, noviembre y diciembre) no se llega a cubrir el 60
% de las necesidades de energa, mientras que en los meses de verano
se alcanza prcticamente el 100 % de las mismas. As, el objetivo con
el que se disean las instalaciones trmicas es cubrir un mnimo de un
60 % de las necesidades energticas anuales dependiendo de la zona
geogrfica.Pretender cubrir por encima de un 60 % o 70 % anual
requerira colocar un campo solar muy grande, por lo que resultara
un costo sumamente elevado que no se llegara a amortizar nunca,
adems de provocar en los meses de mayor radiacin, como son los de
verano, un excedente de produccin que no se podra utilizar y que
provocara problemas de sobrecalentamiento en toda la instalacin.Por
este motivo las instalaciones que mejor funcionan y antes se
rentabilizan son las que necesitan ACS para todo el ao, calefaccin
(mejor por suelo radiante) para invierno y cuentan con piscina para
verano o incluso todo el ao.Aspectos econmicos y socialesLa
inversin inicial de un sistema solar trmico ser mayor frente al
sistema convencional, si bien su coste de funcionamiento durante
los ms de 25 de aos de vida de la instalacin ser irrelevante
comparado con el de compra de combustible o energa elctrica,
reparaciones, mantenimiento, etc., asociado al sistema
convencional. As, la instalacin de energa solar resulta
econmicamente ms ventajosa, ya que toda la energa que obtengamos
del Sol con los captadores solares trmicos, nos la ahorraremos de
producirla (quemando combustible en una caldera) o consumirla (de
la red elctrica de distribucin). De esta forma, una instalacin de
energa solar acaba rentabilizndose a lo largo de los aos, ya que el
ahorro energtico que produce se materializa en ahorro econmico, el
cual permite acabar amortizando el coste de la instalacin. Esta
amortizacin puede oscilar entre los 5 y 12 aos dependiendo del
tamao de la instalacin, de las ayudas obtenidas a fondo perdido,
del lugar donde se instale (mayor o menor radiacin) y de las
necesidades mayores o menores del usuario.En el caso de colocar
estas instalaciones en viviendas de nueva construccin o
rehabilitacin, la amortizacin se puede considerar instantnea, ya
que el incremento que representa en el precio total de la vivienda
es muy pequeo; el importe que se paga por ese mayor costo en un
prstamo hipotecario cada ao es inferior al importe en euros que
supone el menor gasto de gas o gasleo.Se pueden enumerar toda una
serie de ventajas que nos aporta un sistema solar trmico, empezando
por las econmicas, pues para unas mismas necesidades el sistema
convencional precisar consumir menos combustible, lo que
representar para el usuario un menor gasto anual. Podemos continuar
resaltando las ventajas medioambientales, puesto que la generacin
de energa con sistemas convencionales posee unos costes ambientales
muy importantes (emisiones de CO2, cambio climtico, vertidos,
residuos nucleares, lluvia cida, etc.) en relacin con los sistemas
solares. Adems, la energa solar es independiente del combustible
convencional y su abastecimiento, dado que es compatible con
cualquier sistema convencional e independiente de la variacin del
precio de compra del combustible.Como trmino medio, un m2 de
captador solar trmico es capaz de evitar cada ao la emisin a la
atmsfera de una tonelada de CO2. Y por ltimo, la larga vida til de
las instalaciones solares, superiores a 25 aos, con un
mantenimiento que, si bien es necesario hacer, es de mucha menor
entidad que en el caso de los sistemas convencionales.La instalacin
de sistemas trmicos presenta un inconveniente: se precisa la
instalacin del mismo sistema convencional que el que resultara si
no se instalasen los captadores solares, y a veces resulta
problemtico su montaje en edificios existentes como consecuencia de
su falta de previsin a nivel de proyecto.Por otro lado, como
consecuencia de la adaptacin a los edificios ya construidos, existe
la posibilidad de una imagen esttica negativa, si bien ste es un
aspecto subjetivo y cultural, ya que existen otras instalaciones
(antenas parablicas, de telefona mvil, equipos de aire
acondicionado, etc.) posiblemente ms feas y sin embargo con mayor
aceptacin social. De todas formas, con voluntad y buen criterio,
siempre existe la posibilidad de integrar arquitectnicamente
cualquier instalacin.En cualquier caso, siempre se necesitar de un
instalador que ejecute su trabajo adecuadamente, pues hay que ser
conscientes de la existencia de instalaciones que no han dado los
resultados esperados debido a que han sido realizadas por
profesionales sin la experiencia y conocimientos suficientes.Para
edificios de viviendas se suelen instalar de media entre 1,5 y 2 m2
por vivienda dependiendo de parmetros tales como la superficie
disponible, la zona geogrfica, etc. La inversin necesaria por cada
metro cuadrado de superficie de captacin est entre los 600 y los
900 , siendo los costes de operacin y mantenimiento muy bajos. El
periodo de amortizacin depende del tipo de energa convencional que
sustituya: 10-12 aos en el caso del gas, y 5-6 aos en el caso de
energa elctrica.Situacin actual de desarrollo de la energa solar
trmicaActualmente los sistemas solares trmicos de baja temperatura
(inferior a 100 C) han alcanzado la madurez tecnolgica y comercial
en Espaa, existiendo ms de 700.000 m2 instalados a finales de 2004.
Estos sistemas son suficientes para suplir aproximadamente dos
tercios del consumo energtico para agua caliente, tanto sanitaria
como industrial. Son sistemas tecnolgicamente sencillos, fciles de
instalar y que se amortizan en pocos aos.La aplicacin ms
generalizada de los sistemas solares es la generacin de Agua
Caliente Sanitaria (ACS), tanto en servicios de hoteles como en
viviendas, residencias, hospitales, campings, instalaciones
deportivas y otros tipos de dependencias municipales. Sin embargo,
no es todava una aplicacin extendida en nuestro pas el uso de
energa solar para calefaccin, debido a que cuando las necesidades
son mximas es cuando las condiciones meteorolgicas resultan ms
adversas. De cara al futuro se estn introduciendo mejoras tcnicas
mediante captadores solares especiales y avanzando en aspectos de
diseo en la instalacin de calefaccin por suelo radiante.La evolucin
previsible del mercado es positiva y se ve favorecida por factores
tales como el potencial disponible, la capacidad de acogida del
mercado existente, la experiencia de los fabricantes espaoles, la
madurez tecnolgica alcanzada y las tendencias en pases semejantes
al espaol y en los de la Unin Europea. Teniendo en cuenta que
nuestro potencial solar es el ms elevado de Europa y que, sin
embargo, el ratio de superficie de captacin de energa solar trmica
por cada 1.000 habitantes est por debajo de la media europea (8,7
frente a 19,9 m2/1.000 habitantes de la Europa de los 15), es
previsible que con las medidas propuestas y las dems condiciones de
entorno descritas anteriormente se alcancen ratios, al menos,
similares a los de pases como Austria o Grecia.
6.4 Almacenamiento y transporte de la energa trmicaLa energa
solar es la energa producida en el Sol como resultado de reacciones
nucleares de fusin; Llega a la Tierra a travs del espacio en
cuantos de energa llamados fotones, que interactan con la atmsfera
y la superficie terrestres. La intensidad de la radiacin solar en
el borde exterior de la atmsfera, si se considera que la Tierra est
a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su
valor medio es 1,37 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin
embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que vara
un 0,2% en un periodo de 30 aos. La intensidad de energa real
disponible en la superficie terrestre es menor que la constante
solar debido a la absorcin y a la dispersin de la radiacin que
origina la interaccin de los fotones con la atmsfera.La intensidad
de energa solar disponible en un punto determinado de la Tierra
depende, de forma complicada pero predecible, del da del ao, de la
hora y de la latitud. Adems, la cantidad de energa solar que puede
recogerse depende de la orientacin del dispositivo
receptor.Sistemas Pasivos:Los sistemas pasivos se usan generalmente
en el acondicionamiento calorfico de edificios y tanto lo que sirve
de colector como el sistema de almacenamiento se encuentran
incorporados en los distintos componentes de mismo edificio, como:
pisos, paredes, recipientes con agua y techos. El tipo de
almacenamiento de energa utilizado en estos sistemas es
generalmente por calor sensible (cambios de temperatura de los
distintos componentes del edificio), que explicaremos ms delante.
Debido a que en estos sistemas las temperaturas de almacenamiento
son bajas, usualmente menores de 40 C, se requiere de grandes
volmenes del material que sirve como almacn. Por ejemplo, los
distintos componentes de un edificio que representan un gran
volumen, pueden absorber energa durante las horas de sol y
posteriormente cederla durante la tarde o noche. Para poder
calcular la capacidad de almacenamiento de un material determinado,
necesitamos conocer sus propiedades como la densidad y el calor
especfico.La ventaja del agua sobre el concreto o ladrillo es que
tiene una gran capacidad calorfica, y por lo tanto tiene ms
capacidad de almacenamiento por unidad de volumen, que los
materiales mencionados.Sistemas Activos:La caracterstica principal
de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido de trabajo
en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o algn otro fluido.
Los principales componentes que intervienen en estos sistemas son:
el colector solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de
conversin y control y el lugar donde se hace la descarga de
energa.Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el
colector se hace circular un lquido. Similarmente, si en el
colector circula aire, el medio de almacenamiento sern rocas o
piedras. Las temperaturas alcanzan con este tipo de sistemas entre
los 50 y 100 C. En este caso el almacenamiento de energa se puede
dar por cualquiera de los mecanismos siguientes, calor sensible,
cambio de fase, reacciones qumicas y estanques solares.
Figura 6.4.1 Esquema de la distribucin de la energa
solarRecogida directa de energa Solar:La recogida directa de energa
solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores
solares, diseados para recoger energa, a veces despus de concentrar
los rayos del Sol. La energa, una vez recogida, se emplea en
procesos trmicos o fotoelctricos, o fotovoltaicos. En los procesos
trmicos, la energa solar se utiliza para calentar un gas o un
lquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos
fotovoltaicos, la energa solar se convierte en energa elctrica sin
ningn dispositivo mecnico intermedio. Los colectores solares pueden
ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de
concentracin.Almacenamiento de energa por calor sensible o
capacidad calorficaDiversos tipos de materiales lquidos, slidos y
combinaciones de lquidos y slidos, pueden almacenar energa por
cambios de temperatura. Esta energa almacenada es igual al cambio
de energa interna (U) que sufre el material al cambiar su
temperatura y viene a ser igual al calor sensible (Qs). Una regla
de tipo prctico para determinar si un material es apropiado para
utilizarse como medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz
de almacenar entre 300 y 600 kJ/C-m2 de rea de colector, como
mnimo. Tambin encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que
pueda alcanzar el medio de almacenamiento, tanto menor ser el tamao
del sistema, aunque las prdidas se hacen ms evidentes. Por ejemplo,
1000 litros de agua pueden almacenar aproximadamente 84 MJ de
energa cuando su temperatura aumenta de 30 a 50 C y 168 MJ cuando
la temperatura vara de 30 a 70 C. Ntese que se requieren
aproximadamente 2.5 m3 de rocas para almacenar la misma cantidad de
energa con los mismos incrementos de temperatura.El calor especfico
o capacidad calorfica especfica de una sustancia es de manera
formal, la energa necesaria para incrementar en una unidad de
temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad
de julios de energa necesaria para elevar en un 1 K la temperatura
de 1 Kg de masa.Especificaciones de aceitesLa transferencia trmica
es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energa de un
medio. Se plantea el uso de aceite como medio de almacenamiento de
energa para la calefaccin de una vivienda rural, la razn principal
es que los aceites presentan una mayor estabilidad de fase (lquido)
a altas temperaturas, por lo que el sistema de transmisin del
aceite no es sometido a esfuerzos ni complicaciones producidos por
posibles cambios de fase, como por ejemplo en el caso de usar agua.
Los aceites para transferencia trmica como su nombre lo indica son
fluidos basados en aceites minerales parafnicos, altamente
refinados y cuidadosamente seleccionados para proporcionar un
performance superior en sistemas de transferencia trmica.Los
aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites con base
sinttica. Por ejemplo, Shell dispone de aceites con base mineral,
conocidos con el nombre de THERMIA OILS, en diferentes grados de
viscosidad.Propiedades de los Aceites Trmicos:a) Elevada
Estabilidad Trmica b) Buena Resistencia a la Oxidacin c) Poseer un
Alto Coeficiente de Transferencia de Calord) Poseer una Prolongada
Vida tilPara una adecuada seleccin de Aceites Trmicos se debe
considerar el rango de temperaturas entre los cuales va a trabajar.
Para este proyecto se usar un aceite de mquina usado y filtrado
adecuadamente, cuyos valores estn por debajo que los aceites
trmicos pero que puede servir perfectamente para nuestros
requerimientos de temperatura y trabajo. Sus caractersticas de
trabajo son estables a temperaturas menores de 200C y su Ce es
aproximadamente 1.67 KJ/Kg.K.6.5 BiocombustiblesLos biocombustibles
ayudan a reducir las emisiones de gases de efecto invernaderoLos
biocombustibles contienen componentes derivados a partir de
biomasa, es decir, organismos recientemente vivos o sus desechos
metablicos. Los biocomponentes actuales proceden habitualmente del
azcar, trigo, maz o semillas oleaginosas.Todos ellos reducen el
volumen total de CO2 que se emite en la atmsfera, ya que lo
absorben a medida que crecen y emiten prcticamente la misma
cantidad que los combustibles convencionales cuando se
queman.Debido a la actual aplicacin simultnea de tecnologas de
componentes en los motores de los vehculos que se fabrican en la
mayora de los pases, los biocomponentes son a menudo mezclados con
los carburantes en pequeas proporciones, 5 o 10%, proporcionando
una reduccin til pero limitada de gases de efecto invernadero. En
Europa y Estados Unidos, se ha implantado una legislacin que exige
a los proveedores mezclar biocombustibles hasta unos niveles
determinados.Los biocombustibles son combustibles de origen
biolgico obtenido de manera renovable a partir de restos orgnicos.
Estos restos orgnicos proceden habitualmente del azcar, trigo, maz
o semillas oleaginosas.Todos ellos reducen el volumen total de CO2
que se emite en la atmsfera, ya que lo absorben a medida que crecen
y emiten prcticamente la misma cantidad que los combustibles
convencionales cuando se queman, por lo que se produce un proceso
de ciclo cerrado.Los biocombustibles son a menudo mezclados con
otros combustibles en pequeas proporciones, 5 o 10%, proporcionando
una reduccin til pero limitada de gases de efecto invernadero. En
Europa y Estados Unidos, se ha implantado una legislacin que exige
a los proveedores mezclar biocombustibles hasta unos niveles
determinados. Esta legislacin ha sido copiada luego por muchos
otros pases que creen que estos combustibles ayudarn al
mejoramiento del planeta a travs de la reduccin de gases que
producen el denominado Efecto Invernadero.Biodiesel: Qu es el
biodiesel?El biodiesel es un biocarburante lquido producido a
partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza,
el girasol y la soja las materias primas ms utilizadas en la
actualidad para este fin. Las propiedades del biodiesel son
prcticamente las mismas que las del gasleo (gasoil) de automocin en
cuanto a densidad y nmero de cetano. Adems, presenta un punto de
inflamacin superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse
con el gasleo para su uso en motores e incluso sustituirlo
totalmente si se adaptan stos convenientemente.La definicin de
biodiesel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society
for Testing and Material Standard, asociacin internacional de
normativa de calidad) lo describe como steres monoalqulicos de
cidos grasos de cadena larga derivados de lpidos renovables tales
como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en
motores de ignicin de compresin. Sin embargo, los steres ms
utilizados, como veremos ms adelante, son los de metanol y etanol
(obtenidos a partir de la transesterificacin de cualquier tipo de
aceites vegetales o grasas animales o de la esterificacin de los
cidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas qumicas y
fsicas.A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes o
biocombustibles presentan la particularidad de utilizar productos
vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso
tener en cuenta las caractersticas de los mercados agrcolas, junto
a la complejidad que ya de por s presentan los mercados energticos.
En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria
de los biocombustibles no depende principalmente de la
disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una
demanda suficiente. Al asegurar la existencia de una demanda de
biocombustibles, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse
para potenciar otras polticas como la agrcola, favoreciendo la
creacin de empleo en el sector primario, la fijacin de poblacin en
el mbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrcolas,
y reduciendo a la vez los efectos de la desertizacin gracias a la
plantacin de cultivos energticos.En cuanto a la utilizacin del
biodiesel como combustible de automocin, ha de sealarse que las
caractersticas de los steres son ms parecidas a las del gasoil que
las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del ster es dos
veces superior a la del gasoil frente a diez veces o ms de la del
aceite crudo; adems el ndice de cetano de los steres es superior,
siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha
especificado distintas pruebas que se deben realizar a los
combustibles para asegurar su correcto funcionamiento.Qu es el
Bioetanol?El bioetanol, tambin llamado etanol de biomasa, es un
alcohol que se obtiene a partir de maz, sorgo, caa de azcar o
remolacha. Permite sustituir las gasolinas o naftas en cualquier
proporcin y que generan contaminacin ambiental. Brasil es el
principal productor de bioetanol, 45% de la produccin mundial,
Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la Unin Europea el
3%, India el 1% y otros pases el restante 1%.El bioetanol puede
proceder del maz como en los EEUU o de la caa de azcar como el que
se fabrica en Brasil. En este ltimo pas se ha venido utilizando el
alcohol como combustible de automocin desde los aos 60
aproximadamente.La caa de azcar, la remolacha o el maz no son la
nica fuente de azcar. Puede ser utilizada la celulosa para obtener
azcar. La celulosa es una larga cadena formada por eslabones de
glucosa. De este modo, casi todo residuo vegetal ser susceptible de
ser transformado en azcar y luego gracias a la fermentacin por
levaduras obtener el alcohol destilando el producto obtenido.Qu es
el Biogs?El biogs, resulta de la fermentacin de los desechos
orgnicos. Este combustible es una alternativa ms en la matriz
energtica del pas.Qu es la Biomasa?Esta fue la primera fuente de
energa que conoci la humanidad. La madera o incluso los excrementos
secos son biocombustibles. Si se administra bien la madera de los
bosques puede ser un recurso renovable y mal administrado puede
convertirse en un desastre ecolgico. De este modo se propuso la
biomasa como fuente de energa. Biomasas pueden ser virutas o aserrn
de madera, producto de la limpieza de bosques o incluso de su
explotacin racional.Cmo funcionan?El avanzado proceso de produccin
de biocombustibles: del cultivo al vehculoLos biocombustibles
convencionales como el etanol y el biodiesel proceden habitualmente
del maz, la caa de azcar, la remolacha, el trigo o semillas
oleaginosas.Trabajando con investigadores, agricultores y otros
asociados, BP y DuPont tienen como objetivo identificar y
desarrollar cultivos especficamente mejorados para biocombustibles,
incluidos cultivos no comestibles y hierba de crecimiento rpido,
cultivadas especialmente para combustibles y labradas de forma
sostenible. Posteriormente los cultivos son recogidos y procesados
para convertirlos en biocombustibles.Los investigadores de BP y
DuPont estn desarrollando nuevos procesos tecnolgicos para utilizar
nuevas materias primas y producir molculas mejoradas para la
creacin de biocombustibles.Ventajas de los biocombustibles Pueden
ser mezclados en grandes cantidades con carburantes convencionales,
los cuales pueden ser usados en vehculos sin modificar. Tienen un
mayor contenido energtico (ms kms por litro). Facilidad de
introduccin dentro del proceso de suministro de carburantes.
Reduccin del volumen total de emisiones de CO2 a la atmsfera.En la
actualidadLos biocombustibles suponen el 3% de la produccin de
combustibles para transportes, aunque se espera que la cifra
aumente hasta el 30% en mercados clave. Los biocombustibles
avanzados proporcionan una opcin viable para el aprovisionamiento
de energa y una aceleracin del cambio a carburantes de transporte
renovables con un bajo ndice de emisiones de gases de efecto
invernadero.Un mejor ambiente?Uno de los argumentos que se ofrecen
para promover los biocombustibles es que su impacto ambiental sera
menor que el de los combustibles fsiles. En un estudio realizado
por Jorn Scharlemann y William Laurence, del Instituto Smithsoniano
de Investigaciones Tropicales, se midi la influencia de los
biocombustibles en las emisiones de CO2. Los autores del estudio
concluyen que 80% de los biocombustibles reducen las emisiones de
CO2 en un 30%. El etanol reducira las emisiones en 13% y el
biodiesel en 79%, comparados con el disel petrolero. Adems, segn
este estudio, se producen menos partculas suspendidas y holln, que
son nocivos para el sistema respiratorio. Scharlemann y Laurence
sealan tambin que la relacin entre la energa invertida y la
obtenida (balance energtico) del biodiesel es positiva; por cada
unidad de energa fsil invertida en producirlo el biodiesel da 3.2
unidades de energa. En el etanol obtenido a partir de la
fermentacin del azcar, el rendimiento energtico es de 1.98
unidades; es decir, se obtiene casi el doble de la energa
invertida.Sin embargo, otros autores no dan cuentas tan alegres;
ellos afirman que los cultivos de los que se extraen
biocombustibles presentan balances energticos negativos: para
producirlos se necesita invertir ms energa de la que se obtiene.
Por ejemplo, se ha calculado que, en el caso del etanol de maz, por
cada unidad de energa fsil gastada en su produccin se recuperan
0.78 unidades; y que en el peor de los casos (el del biodiesel
producido a partir de la soya) se recuperan 0.53 unidades, la mitad
de lo invertido!Y si se contabiliza la deforestacin, el costo
ambiental total de los biocombustibles puede resultar mayor que el
de usar combustibles fsiles. Producir biocombustibles requiere
superficies muy extensas para cultivar maz, caa de azcar, soya o
palma de aceite. Convertir ecosistemas en superficies de cultivo
contribuira a aumentar el calentamiento global. Los bosques y
muchos otros ecosistemas naturales se consideran sumideros de
carbono porque los tejidos vegetales fijan el dixido de carbono por
medio de la fotosntesis. Con la deforestacin, estos sumideros o
depsitos se perderan y se afectara la biodiversidad. Hasta la fecha
se observa que los cultivos de palma aceitera y soya que se emplean
para producir biodiesel ya han hecho desaparecer selvas tropicales,
pantanos y pastizales en Indonesia, as como importantes extensiones
de la selva amaznica, ecosistemas que almacenan una gran cantidad
de carbono. Al convertirlos en tierras de cultivo se libera a la
atmsfera casi 420 veces ms CO2 del que se ahorr al usar los
biocombustibles.Estos clculos permiten concluir que los balances
energticos del biodiesel y del bioetanol dependen en gran medida de
la materia prima que se elija, la eficiencia tecnolgica, el proceso
utilizado y el lugar donde se producen los cultivos; es decir, si
se usan campos ya abiertos al cultivo o se eliminan ecosistemas
naturales para establecerlos. En nuestro pas se ha comenzado a
fomentar el cultivo de la palma aceitera, el pino pionero y
diversas especies del gnero Jatropha como materias primas de
biocombustibles, aunque todava se debate la conveniencia de
producir biocombustibles. Rafael Elvira Quesada, secretario del
Medio Ambiente y Recursos Naturales, ha opinado que el etanol
producido a partir del maz no es una buena opcin para Mxico.La
crisis alimentariaDesde hace algunos aos el mundo atraviesa una
crisis alimentaria por el aumento de precios de alimentos bsicos
como el maz, el arroz y el trigo. Entre las causas de esta crisis
se encuentra la demanda de tierras y productos para la produccin de
biocombustibles. Segn la Organizacin de las Naciones Unidas (ONU),
la oferta alimentaria de granos se ha reducido y los precios de los
alimentos han aumentado debido en parte a que pases como Brasil y
Estados Unidos usan grandes extensiones para cultivar la materia
prima de los biocombustibles en lugar de alimentos. Este fenmeno
afecta a los grupos humanos ms vulnerables del planeta.Segn
predicciones de la Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo
Econmico (OCDE), si se utilizara etanol para producir el 10% de los
combustibles empleados en el transporte en Estados Unidos, se
requerira que el 30% de la superficie agrcola de ese pas se
dedicara al cultivo de materias primas; un porcentaje que en el
caso de la Unin Europea ascendera al 72% de la superficie arable; a
nivel mundial esta cifra sera del 9%. Es probable que los pases
desarrollados promuevan cultivos para biocombustibles fuera de sus
territorios para despus comprarlos, y no enfrentar as las
consecuencias ambientales ni sociales de su produccin.Finalmente,
debe hacerse notar que el uso de biocombustibles est asociado con
los intereses de grandes empresas que tienen una enorme oportunidad
de crecer y enriquecerse con su produccin y comercializacin. La
organizacin Grain un organismo no gubernamental que promueve el uso
sustentable de la diversidad agrcola, sostiene que estas empresas
pretenden reemplazar millones de hectreas de sistemas agrcolas
locales y a las comunidades rurales que trabajan en ellos,
erradicando los sistemas indgenas de cultivo y pastoreo para
sustituirlos con grandes plantaciones de monocultivo e ingeniera
gentica, en las que las empresas multinacionales tengan el
control.La alternativa parece ser entonces no producir
biocombustibles a partir de alimentos, sino con desechos de
industrias como la forestal, la agrcola y la papelera. Estos
biocombustibles, que se hacen con celulosa, madera de desecho o
algas cultivadas, llamados de segunda generacin, pueden ser una
mejor opcin porque no requieren grandes superficies de cultivo. Su
uso permitira adems manejar los desechos de manera adecuada y no
competir con la industria alimentaria. En Mxico ya se desarrollan
proyectos para producir biocombustibles a partir de desechos
orgnicos, como cscaras de frutas o aceite quemado.Las
alternativasUsar formas alternativas de produccin de energa puede
ser una opcin ms limpia y eficiente (vase Un rayo de Sol, un soplo
de viento, Cmo ves?, No.121). Una de estas fuentes es el viento. La
energa elica es renovable, gratuita y limpia. Tiene algunos
inconvenientes, por ejemplo, que los molinos de viento alteran el
paisaje con su tamao y su nmero, pues tienen que ser cuantiosos
para producir suficiente energa y pueden afectar a las poblaciones
de aves migratorias. Sin embargo, los beneficios tecnolgicos,
sociales, y econmicos asociados con su uso, adems de la reduccin de
las emisiones de carbono, hacen de la energa elica una buena opcin
para sustituir a los combustibles fsiles.Otra fuente de energa
alternativa es la solar. Hay diversas tecnologas que permiten
aprovecharla, en especial las celdas de semiconductores que se
activan con la radiacin solar (celdas fotoelctricas) y producen
electricidad. Al igual que la energa elica, la solar es autnoma y
descentralizada, pues proviene de una fuente gratuita e inagotable
y puede obtenerse en prcticamente cualquier sitio, aunque es ms
eficiente en zonas calurosas con baja nubosidad, como los
desiertos. En conjunto estas energas verdes y los biocombustibles
pueden disminuir en gran medida nuestra dependencia de los
combustibles fsiles.Los biocombustibles podran ser una buena
alternativa si se lograra producirlos sin emplear combustibles
fsiles. Hasta ahora, debido a que se producen a partir de cultivos
agrcolas, lejos de representar una alternativa sustentable, son una
fuente de problemas ambientales, sociales, polticos y econmicos ms
graves que los que resultan de usar combustibles fsiles.6.6
HidrgenoEl fin de la era del petrleo ya se vislumbra y un candidato
cada vez ms firme para obtener energa es el hidrgeno. Los tomos de
este elemento qumico se componen de tan slo un protn y un electrn,
y son los ms abundantes: cerca del 90% de todos los tomos que
existen en el Universo son de hidrgeno.En nuestro planeta este
elemento no es tan abundante: aproximadamente el 15% de todos los
tomos son de hidrgeno y juntos constituyen apenas el 0.9% de la
masa total del planeta. La mayora de los tomos de hidrgeno que
existen en la Tierra estn en las molculas de agua. Pese a su
relativa escasez en este planeta, el hidrgeno forma parte de un
mayor nmero de compuestos qumicos que ningn otro elemento.En estado
elemental, el hidrgeno es un gas formado por molculas diatmicas,
que slo alcanzan a ser una millonsima parte de la atmsfera; por ser
tan ligeras, la gravedad de la Tierra no alcanza a retenerlas.
La reaccin entre el hidrgeno (H2) y el oxgeno elementales (O2)
produce molculas de agua y desprende una importante cantidad de
energa. Esto sucede porque los enlaces de la molcula de agua son ms
fuertes que los enlaces en las molculas de H2 y O2.2H2 + O2 2H2Osta
es la reaccin que se us, por ejemplo, en los cohetes Saturno V (uno
de los cuales puso en el espacio al Apolo 11, la primera misin
tripulada a la Luna) y los transbordadores espaciales, que utilizan
hidrgeno elemental como combustible.La sombra del HindenburgLa
reaccin del hidrgeno con el oxgeno es peligrosa por explosiva, pero
el peligro se ha exagerado desde la explosin del dirigible
Hindenburg, en 1937. El esqueleto del Hindenburg estaba armado con
varas de madera, cuerdas de seda y laca. Para la cubierta se us
tela de algodn, recubierta primero con una capa de acetato de
celulosa, uno de los componentes de la plvora, y despus con
aluminio metlico en polvo. La violenta reaccin del aluminio metlico
pulverizado con el oxgeno se utiliza tambin en los combustibles de
los cohetes espaciales y es el principal responsable de la gran
luminosidad de la llama de stos. El incendio del Hindenburg fue
provocado por una chispa de electricidad esttica del aire, que caus
que el aluminio de la cubierta se incendiara y con l el resto de
los materiales, todos inflamables, con los que estaba hecho el
globo; y desde luego, tambin el hidrgeno. El hidrgeno arde con una
flama casi invisible y por su extrema ligereza, tiende a
dispersarse hacia arriba. En el caso del Hindenburg, se tiene
registro de que todo el hidrgeno que contena se consumi en tan solo
37 segundos. El fuego que se ve en las fotos no puede atribuirse a
la combustin del hidrgeno, sino a la de los materiales del globo y
al combustible disel que alimentaba sus motores.De los 97 pasajeros
y tripulantes del dirigible, 36 perdieron la vida, 33 de ellos por
haber cado o saltado intencionalmente al vaco. Slo tres de las
vctimas ms murieron por quemaduras, seguramente causadas no por la
combustin del hidrgeno, sino por la del disel usado como
combustible del dirigible, ya que la cabina de los pasajeros se
ubicaba bajo el globo. El disel y el resto de los materiales
inflamables tardaron 10 horas en consumirse.Adis a la gasolina?Hoy
en da existen varios prototipos de automviles impulsados por la
energa mecnica generada por la reaccin del hidrgeno con el oxgeno.
Los fabrican compaas como BMW de Alemania y Mazda de Japn, asociada
con la estadounidense Ford. Para hacer automviles de combustin
interna impulsados por hidrgeno elemental se requiere una tecnologa
parecida a la que se usa para producir motores movidos por gas
natural, que ya abundan en nuestros das. La combustin del hidrgeno
en estos motores an no es perfecta. Su fuente de oxgeno es el aire,
por lo que inevitablemente una pequea fraccin de nitrgeno
interviene en la combustin y forma xidos de nitrgeno, NOx, que
producen el esmog fotoqumico y el ozono "malo".Comparado con la
gasolina, el hidrgeno como combustible extiende la vida del motor y
reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbn en la cmara de
combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan limpios
que casi no se necesita cambiar el aceite del motor, solo hay que
restituirlo peridicamente. Sin embargo, los inconvenientes siguen
siendo mayores que las ventajas. Como las molculas de hidrgeno son
tan pequeas, se requiere mucha energa para comprimirlo o licuarlo.
Por la misma razn, el gas se fuga con mucha facilidad de los
recipientes que lo contienen; incluso en el mejor tanque, el H2 se
evapora a una tasa de 3% diario.Del hidrgeno a la electricidadOtra
posibilidad es aprovechar la energa qumica liberada cuando el
hidrgeno reacciona con el oxgeno, no como energa mecnica o trmica,
sino almacenndola como energa elctrica. Esta alternativa se va
haciendo cada vez ms viable. Los dispositivos que producen
electricidad a partir de esta reaccin se conocen como celdas de
combustible (vase recuadro).En las celdas de combustible la energa
qumica se convierte en electricidad sin necesidad de combustin. Se
hace reaccionar el hidrgeno con el oxgeno en dos electrodos (los
"polos", o "bornes", de una pila) separados por una membrana de
plstico delgada. En uno de los electrodos las molculas de hidrgeno
se despojan de sus electrones. stos se suministran al circuito
externo al que la celda alimenta para realizar trabajo. Los
protones de las molculas de hidrgeno atraviesan la membrana y van
al otro electrodo, donde se mezclan con el oxgeno y los electrones
en circulacin para dar agua. Es decir, las celdas de combustible
permiten obtener energa elctrica totalmente limpia a partir de la
reaccin qumica entre el hidrgeno y el oxgeno.Uno de los reactivos
necesarios, el oxgeno, se obtiene directamente del aire y es
virtualmente inagotable. Cmo obtener el hidrgeno es otra
historia.Las fuentesEl hidrgeno se encuentra combinado en forma de
agua o de compuestos orgnicos. Por lo tanto, se puede obtener de
esas fuentes, pero para separarlo de sus compuestos es preciso
suministrar energa. Hoy en da el hidrgeno se obtiene principalmente
de sustancias extradas del petrleo: hidrocarburos gaseosos como el
metano y el propano, o alcoholes como el metanol o el etanol, que
son lquidos.Obtener hidrgeno del metano, por ejemplo, tiene dos
inconvenientes. El primero es que el metano del que se parte se
obtiene principalmente del petrleo, que se est agotando. Este
inconveniente podra evitarse porque se puede extraer metano de
biomasa (mediante fermentaciones llevadas a cabo por
microorganismos sobre materia orgnica de desecho) y este proceso
podra volverse la principal fuente de metano. El segundo
inconveniente es que el proceso genera dixido de carbono, igual que
cuando se quema el gas natural, lo que contribuye al calentamiento
global.La obtencin de hidrgeno a partir de metanol, CH3OH, tiene
las mismas desventajas que a partir de metano. La ventaja que
ofrece el metanol sobre el metano es que mientras que ste es un
gas, aqul es un lquido, que podra transportarse y almacenarse de
manera semejante a la gasolina. El inconveniente es que la materia
prima para obtener metanol, es justamente el metano. El etanol
tambin puede utilizarse para obtener hidrgeno, con la ventaja de
que es un alcohol ms fcil de obtener biotecnolgicamente, mediante
la fermentacin de azcares.Desde luego, tambin es posible obtener el
hidrgeno elemental a partir del agua, que en tanta abundancia
tenemos. Sin embargo, la manera ms simple y directa de separar el
agua en sus componentes, la electrlisis, no representa ninguna
ganancia en cuanto al balance total de energa: para efectuarla hay
que proporcionar la misma cantidad de energa elctrica que la que se
obtiene al realizar la reaccin inversa. Si esa energa elctrica se
obtuvo a partir de la principal fuente actual en nuestro planeta,
una planta termoelctrica, estaremos slo dando la vuelta al problema
y seguiremos quemando combustibles fsiles.Pero existen otras
posibilidades. Si para hidrolizar el agua usamos electricidad
proveniente de una planta nuclear, hidroelctrica o elica, las pilas
de combustible se convierten en una buena manera de almacenar y
transportar esa energa. La energa del Sol tambin puede ser la
solucin, ya sea porque la electricidad requerida para hidrolizar el
agua puede provenir de celdas solares, o porque la luz solar por s
misma es capaz de separar el agua en sus componentes mediante el
uso de catalizadores adecuados.Los coches elctricos hoyLos primeros
automviles elctricos se desarrollaron en la primera mitad del siglo
XIX y llegaron a tener cierto auge durante la primera dcada del
siglo XX. Sin embargo, la poca durabilidad de las bateras
disponibles en aquel entonces y el advenimiento del automvil con
motor de combustin, as como el incremento en las exploraciones
petroleras, hicieron que los autos elctricos se convirtieran en una
curiosidad. En 1912 un automvil elctrico costaba 1 750 dlares,
mientras que uno con motor de gasolina se adquira por 650. El
inters en los coches elctricos resurgi a partir de los aos 70 con
las crisis energticas provocadas por los embargos petroleros de los
pases rabes.En la actualidad, los vehculos elctricos ms populares
no son solamente elctricos, sino hbridos. Se llama hbrido a
cualquier vehculo que utilice dos fuentes de energa, pero
actualmente el trmino se ha vuelto casi exclusivo para designar
autos impulsados por energa elctrica y energa proveniente de la
combustin de gasolina. Esta combinacin logra rendimientos de
gasolina del orden de 20 kilmetros por litro, con una potencia
comparable a la de los autos con motores tradicionales a base de
gasolina. En realidad esta tecnologa es solamente un paso en la
transicin de los vehculos altamente contaminantes con motor de
combustin interna hacia vehculos impulsados por fuentes de energa
limpia, como podran ser las celdas de combustible.La mayora de las
compaas fabricantes de automviles llevan a cabo hoy en da intensos
programas de investigacin y desarrollo encaminados a producir autos
movidos por celdas de combustible. Por ejemplo, Ford tiene ya un
modelo de automvil de este tipo, del cual ha distribuido, a manera
de prueba, varias decenas en los Estados Unidos, Canad y Alemania.
La produccin de estos vehculos a nivel comercial est a la espera de
un sistema de distribucin de hidrgeno que permita a los
consumidores reabastecer sus autos. Ford, en colaboracin con su
socio Mazda, ha promovido la instalacin de estaciones de hidrgeno
en Hiroshima, Detroit y Berln. Honda no slo tiene planes de
producir comercialmente su vehculo de celdas de combustible para el
ao 2010, sino que tambin participa en el desarrollo de una estacin
casera de energa, capaz de producir hidrgeno a partir de gas
natural en una escala domstica.El petrleo empieza a escasear y el
hidrgeno abunda; la transicin no ser fcil, pero es inexorable. Nos
dirigimos hacia una nueva tecnologa energtica, que traer profundos
cambios en el mbito econmico y social.