Energías renovables. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 1 de 9

Transcripción

1 Energías renovables Desde la primera crisis del petróleo en 1973 y debido a la dependencia energética que suponía éste y los demás combustibles fósiles, en los países desarrollados y en vías de desarrollo se dio un gran impulso al desarrollo de nuevas tecnologías con el fin de aprovechar otros recursos con fines energéticos. Además de reducir la dependencia con el exterior, se vio la necesidad de que el impacto de estas nuevas tecnologías al medio ambiente fuese mínimo, debido a la fuerte degradación a que se estaba sometiendo el planeta. Se trata, en la mayoría de los casos, de energías que se conocían pero que habitualmente no se empleaban, sobre todo por su alto coste de aprovechamiento. Esto ha supuesto que se estén realizando grandes inversiones para conseguir una tecnología rentable en su aprovechamiento. Todas ellas se encuentran dentro de las energías renovables. Tienen como origen el Sol, y la fuente de energía en sí se puede considerar inagotable; se trata, por tanto, de crear una tecnología adecuada para su aprovechamiento en condiciones óptimas. Esto implica algunas limitaciones, pero se espera que en un futuro se consiga la misma rentabilidad, con estas energías, que con las usadas actualmente. Si esto es así, las dependencias energéticas desaparecerán y las consecuencias medio ambientales se reducirán a un mínimo hoy impensable. Las energías alternativas que se aprovechan y desarrollan en la actualidad son:? Energía solar. Aprovechar los rayos solares, transformándolos en una energía útil.? Energía eólica. El viento se ha utilizado desde los tiempos más remotos hasta la actualidad. En estos momentos hay proyectos, en experimentación, muy interesantes.? Biomasa. La materia orgánica se puede tratar con el fin de obtener una energía aprovechable. En la actualidad se está aprovechando en instalaciones agrarias para el autoabastecimiento energético.? Residuos Sólidos Urbanos (RSU). Como tales residuos están compuestos de muchos materiales que pueden reutilizarse con algún fin, como por ejemplo, materia prima, incineración con aprovechamiento energético, fabricación de abono, etc., con lo que se consigue evitar que, estos vertidos, pasen a los campos y, a través de filtraciones, contaminen las aguas.? Energía geotérmica. Es la energía procedente del interior de la Tierra. Normalmente se aprovecha el vapor de agua o agua caliente para fines como producción de energía eléctrica, calefacción, etc.? Energía mareomotriz. Las mareas, al ser un movimiento de aguas, pueden ser aprovechadas para producir electricidad, aunque los lugares de su aprovechamiento sean escasos debido a los problemas técnicos.? Energía de las olas. Esta energía, al igual que la anterior, puede ser utilizada para mover algún mecanismo y así producir energía eléctrica. En la actualidad está en proceso de estudio y ensayo su aprovechamiento. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 1 de 9

2 ? Otras energías aprovechables. Hay numerosos proyectos para utilizar otro tipo de energía, pero realmente tienen poca importancia. Entre ellos cabe resaltar máquinas para extraer del mar el calor solar. Se basa en el aprovechamiento de la energía entre las aguas superficiales y profundas. En el año 1990, las energías alternativas supusieron un 3 por 100 del abastecimiento energético de los países más desarrollados. En España se situó en el 2,7 por De todas las maneras, para que una nueva energía se pueda implantar es necesario que se den los siguientes factores:? Que exista y sea disponible esa fuente de energía en la zona.? Tecnología adecuada para su utilización.? En muchos casos, los costes sociales y económicos para la sustitución de una fuente de energía por otra, en este caso alternativa, supone un alto precio, por tanto el sector social debe de estar dispuesto a pagarlo. La energía solar El Sol es la principal fuente de energía de la Tierra. Esta energía se produce de las reacciones termonucleares que ocurren en esta estrella. El hidrógeno se transforma en helio, liberándose en esta reacción nuclear gran cantidad de energía, que se transporta en ondas electromagnéticas. Una pequeña parte llega a nuestro planeta, de la cual, parte se refleja por medio de la atmósfera, evitando que un porcentaje alto de radiaciones perjudiciales lleguen a nosotros. La cara iluminada de la Tierra recoge esta energía en forma de radiación, vital para la existencia de vida. De esta radiación recibida, aproximadamente el 42 por 100 corresponde a la radiación visible, el 53 por 100 a la infrarroja y el 5 por 100 restante a la ultravioleta; estas dos últimas invisibles. Esta energía que nos llega hace posible muchos procesos, como por ejemplo:? Junto con la atmósfera, mantiene una temperatura óptima para la vida de los seres vivos.? El proceso de fotosíntesis en los vegetales se produce gracias a la radiación visible (energía luminosa), produciéndose oxígeno y materia orgánica básica para la vida de los hombres y animales.? Ciclo del agua. Los rayos solares evaporan el agua de los mares, océanos, etc., que seguidamente se condensa en capas altas de la atmósfera en forma de nubes. Éstas se mueven por efecto del viento y cuando la condensación es grande caen en forma de lluvia, nieve o granizo a la tierra. Por efecto de la gravedad se mueve hasta los mares, donde se vuelve a repetir el ciclo. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 2 de 9

3 ? Movimiento de aguas en el mar (mareas) por medio de atracciones gravitatorias del Sol y la Luna.? Puede ser transformada en energía térmica o eléctrica.? Además, esta energía, aunque es constante su llegada a la Tierra, es bastante irregular en una zona en concreto. Generalmente varía por lo siguiente:? La hora del día, es decir, la situación del Sol.? Inclinación estacional de la Tierra con respecto al Sol.? Situación climática, sobre todo nubes.? Polución atmosférica. Antecedentes de la energía solar En todas las civilizaciones, desde las más remotas, aparecen alusiones al Sol como elemento imprescindible para la vida. En restos egipcios, griegos, romanos, culturas precolombinas, etc., aparecen alusiones al mismo. El filósofo Sócrates recomendaba, en el siglo v A.C., que las casas se construyeran con las fachadas al sur altas, para captar el Sol invernal, y con las fachadas al norte bajas, para evitar los vientos fríos (consejo seguido hoy por los arquitectos que emplean técnicas de aprovechamiento «pasivo» del Sol). Su aprovechamiento como fuente de energía, en un principio se basaba en conseguir fuego, concentrando los rayos solares en un punto. Hay escritos de la época griega que así lo demuestran. Por ejemplo, se narra que Arquímedes destruyó la flota de barcos enemigos en el puerto de Siracusa gracias a unos espejos. En el siglo XVIIII, el francés Lavoisier ideó la que hoy se podría denominar el primer horno solar en el que se podían fundir metales. La primera maquina que fue capaz de transformar energía solar en mecánica para una imprenta fue diseñada por el francés Pifre en él. De aquí hasta nuestro siglo, numerosos científicos han experimentado en base a Pero sobre todo, el aprovechamiento de esta energía para ser útil al hombre, es decir, transformarla en energía térmica o eléctrica, ha sido desarrollado en el siglo XX, consiguiéndose en los últimos años el avance más notable. Propiedades La energía solar se trata de una fuente de energía limpia, inagotable y gratuita y, en mayor o menor medida, disponible todos los días del año, con las limitaciones atmosféricas propias de la temporada o situación geográfica. Aparte de estas características, permite, mediante la concentración de las radiaciones solares, alcanzar temperaturas de hasta ºC. Con ellas se pueden realizar ciclos termodinámicos con rendimiento superior al de las centrales térmicas. No obstante, no todo son ventajas. También surgen inconvenientes, como:? Es un tanto aleatoria y dispersa, por lo que se necesitan cubrir grandes superficies de terreno para obtener una potencia significativa. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 3 de 9

4 ? El rendimiento, aún, es demasiado bajo (5 al 10 por 100, aproximadamente).? No es posible almacenaría. Hay que transformarla en el momento que nos llega.? El coste actual de las instalaciones para la transformación es alto. Esto hace que actualmente su uso esté bastante limitado, sobre todo debido a que la inversión inicial resulta elevada y desde el punto de vista tecnológico, el rendimiento es bajo, pues se trata de una tecnología en proceso de investigación y desarrollo. Todo esto hace que antes de aplicar esta energía, sea necesario, en la mayoría de los casos, un estudio profundo de las condiciones del lugar donde se va a aplicar, para obtener una eficacia considerable con respecto a otro tipo de energía. Utilización La energía solar tiene dos campos de aplicación: conversión en energía térmica o en energía eléctrica. Seguidamente vamos a tratar detalladamente los dos casos. 1º.- Conversión en energía térmica Todo cuerpo expuesto al sol absorbe una parte de los rayos solares que sobre él inciden. La otra parte es reflejada por el propio cuerpo. Esto da lugar a que el material se caliente y que adquiera un cierto calor. Si el material sobre el que incide la luz es negro, prácticamente todas las radiaciones serán absorbidas, mientras que si se trata de un color blanco todas serán reflejadas. Entre estos dos extremos tenemos cualquier color y tono, en la que habrá mayor absorción o reflexión. Habitualmente se pueden dividir los sistemas de aprovechamiento de energía solar por vía térmica en dos grupos. Uno de ellos utiliza o aprovecha la energía solar a baja y media temperatura, y el otro, la energía solar a alta temperatura.? Baja y media temperatura 1. Sistemas basados en colectores. Es una de las posibilidades más interesantes a corto plazo, de cara a servicios como producción de agua caliente (doméstica y sanitaria), calefacción, climatización de piscinas, invernaderos, secaderos, etc. En este tipo de instalaciones es necesario, además de la energía solar, un apoyo en base a otra energía para garantizar en todo momento un servicio en cualquier condición. Un colector o captador es un instrumento que absorbe el calor del Sol, con un mínimo de pérdidas y lo transmite a un fluido (generalmente agua). Pueden ser de 2 tipos: a) Colectores planos. Son los más difundidos. La forma y materiales dependen de la temperatura de funcionamiento del mismo. Podemos distinguir los siguientes:? Hasta 120 ºC, se utiliza el vacío como medio aislante.? Hasta 60 ºC.? Hasta 35 ºC, se emplea para climatización de piscinas, calefacción de invernaderos; los elementos metálicos se sustituyen por plásticos o corcho haciendo más rentable el producto. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 4 de 9

5 Consta de una caja metálica en cuyo interior hay una lámina, igualmente metálica (pintada de color negro mate), capaz de absorber eficientemente las radiaciones solares. Sobre dicha lámina se apoyan las canalizaciones (por cuyo interior circula agua) a las que se transmite el calor. La parte superior está cubierta por un cristal o plástico transparente que hace las funciones de invernadero, reduciendo las pérdidas de calor Las aplicaciones más usuales de estos elementos suelen ser:? Calefacción de viviendas y otros locales. En las figuras anteriores, se puede ver un esquema sencillo de una instalación de este tipo. Normalmente es necesaria la ayuda de otro sistema adicional que complemente esta energía, sobre todo durante algunas horas del día y especialmente por la noche.? Agua caliente. La instalación constará básicamente de los mismos elementos que en el caso anterior.? Otras aplicaciones similares. Destacamos la calefacción de invernaderos, secaderos y climatización de piscinas. b) Sistemas de colectores de concentración. Se utilizan para instalaciones que trabajan a media temperatura. Estas instalaciones están en la actualidad en experimentación y no hay nada comercializado. Estos colectores concentran la radiación solar en un elemento receptor de superficie muy reducida. Por ello pueden proporcionar temperaturas de hasta 300 ºC con buenos rendimientos. Las centrales de colectores de concentración se utilizan para generar vapor a alta temperatura con destino a procesos industriales, a la producción de energía eléctrica, etc. Los más difundidos son los colectores de concentración cilíndrico-parabólicos. Todos llevan un sistema para girar y mantenerse orientados al Sol. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 5 de 9

6 Los colectores de concentración (forma cilíndrico-parabólica) recogen la energía solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico), en forma de calor El fluido se calienta y transporta dicha energía calorífica por medio de un primer circuito hasta una caldera, donde es transferido el calor a otro fluido que circula por un segundo circuito. El segundo fluido (generalmente agua) se convierte en vapor a gran temperatura y es enviado a un grupo turbina-alternador para generar energía eléctrica merced a un ciclo termodinámico convencional semejante al de las centrales térmicas. Las instalaciones de este tipo aprovechan la energía solar a temperaturas (comprendidas entre los 100 y 300 ºC. 2. Desalamiento del agua marina y destilación de la misma. El agua dulce es un elemento fundamental para la vida y en algunos casos hay que obtenerla del agua salada, debido a su escasez. El método es muy simple. Consta básicamente de un recipiente de color oscuro y aislado exteriormente, cubierto por un cristal inclinado 45 ºC con respecto a la horizontal. En el recipiente se echa agua salada y por el efecto invernadero los rayos solares evaporan el agua, la cual seguidamente se condensa en el cristal y se recoge en la parte inferior del mismo. En España hay una planta potabilizadora en Gran Canaria. 3. Obtención de sal. A lo largo de toda la historia, el hombre ha obtenido sal del agua del mar. Para ello inunda unas superficies adecuadamente acondicionadas para tal fin, denominadas salinas, con agua salada. Con el paso del tiempo el agua se va evaporando por efecto de los rayos solares, quedando la sal y otras sustancias. Después se recoge la sal y se purifica para su consumo. En España hay salinas en numerosos puntos de la costa mediterránea.? Alta temperatura La producción de alta temperatura mediante energía solar tiene las aplicaciones siguientes: IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 6 de 9

7 1. Producción de energía eléctrica. Los principios de producción de electricidad son análogos a una central térmica. El tipo más extendido es la central solar termoeléctrica de receptor o torre central, cuyo esquema se muestra en la figura inferior Está formada por un campo de heliostatos o espejos direccionales de grandes dimensiones que reflejan la luz del sol hacia la torre, concentrándose los rayos en la caldera. El aporte térmico es absorbido por el flujo del fluido (agua, sodio, aire,..., depende de la instalación). Dicho fluido se conduce a presión hacia un generador de vapor donde se transmite la energía a un segundo circuito. El fluido de este circuito se convierte en vapor; se dirige hacia el grupo turbina-alternador; al cual hace girar; para generar energía eléctrica. El fluido es posteriormente condensado en un aerocondensador para repetir el ciclo. La central tiene habitualmente un dispositivo de almacenamiento térmico, que puede ser de aceite y rocas, agua a presión u otro. En tales circunstancias, el fluido primario transmite a este dispositivo parte de la energía, estabilizando y aumentando la producción en el tiempo. Por otra parte, los heliostatos poseen movimiento según dos ejes de giro. Unos servosistemas accionados gracias a un módulo electrónico les permite orientarse adecuadamente en todo momento. La energía producida después de ser transformada, es transportada mediante líneas (8) a la red general. 2. Horno solar. Consiste en concentrar en una pequeña zona o punto los rayos solares que inciden en una superficie muy grande en comparación con la zona anterior. Para ello se utiliza un espejo de forma parabólica. Las temperaturas que se pueden obtener son muy elevadas (incluso ºC) y principalmente se utilizan en investigación, como por ejemplo para el estudio del punto de fusión de materiales. Su explotación comercial no es viable en la actualidad debido a su alto coste. El horno solar más grande del mundo se encuentra en Odeillo (Francia) con una potencia de un megawatio. 2º.- Aprovechamiento pasivo de la energía solar Consiste en aprovechar el efecto térmico del Sol para el calentamiento de un recinto. Esto se consigue gracias a la suma de dos efectos: IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 7 de 9

8 ? Mediante cristales que aíslan el recinto del exterior; dejando pasar los rayos solares.? Mediante acumuladores térmicos, que retienen ese calor y lo van disipando poco a poco, por lo que se asegura calor durante más tiempo, por ejemplo durante la noche. En la figura de la derecha se puede ver un esquema de una posible distribución de estos elementos. La orientación del recinto con respecto al Sol y el diseño son los factores que hay que tener en cuenta en su construcción. 3º.- Conversión en energía eléctrica Para esta aplicación se utilizan las células solares o fotovoltaicas. Están constituidas básicamente de un material semiconductor; generalmente silicio. La luz solar; como toda onda electromagnética, se compone de un flujo de fotones. Cuando incide sobre la célula, bajo ciertas condiciones, producen corriente eléctrica. A este fenómeno se le denomina efecto fotovoltaico. El rendimiento que se obtiene de esta aplicación es pequeño y en las mejores condiciones y con la tecnología más avanzada se obtiene un 25 por 100 de conversión de la energía luminosa en eléctrica. El rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura. La tensión máxima entre los bornes de la célula es de unos 0,58 voltios. Esta tensión no es usual en la práctica, por lo cual se conectan varias de ellas en serie para tener una tensión aceptable a la salida. Comercialmente se construyen los llamados módulos o paneles fotovoltaicos compuestos de 36 células conectadas en serie, que producen una tensión máxima de 18 voltios. El problema actual de estas células es su elevado coste. en: Actualmente estas células se aplican? Centrales solares de células fotovoltaicas. Se encuentran en plan de experimentación y desarrollo debido a que actualmente no son rentables, pues el coste de la energía originada por este método es más cara, debido a las inversiones que son necesarias.? Pequeñas instalaciones alejadas de redes de distribución, como faros, balizas, etc.? Satélites lanzados al espacio. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 8 de 9

9 ? Automóviles. Los fabricantes están desarrollando prototipos para, en un futuro, sustituir los modelos actuales que funcionan con derivados del petróleo por modelos que utilicen las células solares como fuente de energía.? Viviendas. En zonas donde la radiación solar sea alta se puede conseguir el autoabastecimiento energético mediante células y acumuladores de energía. IES. Cristóbal de Monroy, Dpto. de Tecnología página 9 de 9