Energía

Fuentes energéticas alternativas y las no renovables: fósil, geotérmica, nuclear, biomasa, eólica, solar, maremotriz

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  • País: España España
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INDICE

PROLOGO

ENERGIA Y Civilización

FUENTES DE ENERGIA NO RENOVABLE

1. ENERGIA FOSIL.

2. ENERGIA GEOTERMICA.

PROBLEMAS AMBIENTALES

  • EMISION DE ACIDO SULFURICO

  • EMISION DE DIOXIDO DE CARBONO

  • VENENOS CONTENIDOS EN EL AGUA

  • VENENOS CONTENIDOS EN EL AIRE

  • CONTAMINACION POR CALOR

  • OTROS PROBLEMAS AMBIENTALES

  • 3. ENERGIA NUCLEAR

    4. FUSION NUCLEAR

    5. FISION NUCLEAR

    FUENTES DE ENERGIA RENOVABLE

  • ENERGIA RENOVABLE

  • ¿POR QUÉ OTRAS ENERGIAS?

  • SITUACION ACTUAL

  • ENERGIAS RENOVABLES

  • ENERGIA DE LA BIOMASA (FOTOSINTESIS)

    ENERGIA EOLICA

  • IMPACTO EN EL MEDIO AMBIENTE

  • INTERFERENCIA ELECTROMAGNETICA

    UTILIZACION DE TIERRAS

    ASPECTOS ESTETICOS

    RUIDO

    BIOFISICA

    ENERGIA HIDRAULICA

    ENERGIA DE LAS MAREAS.

    ENERGIA TERMICA DE LOS OCEANOS

    ENERGIA DE LAS OLAS

    ENERGIA DE LAS MAREAS (MAREMOTRIZ)

    ENERGIA SOLAR

  • CONSTANTE SOLAR

  • DISTRIBUCION ESPECTRAL DE LA RADIACION SOLAR

  • VARIACION DE LA ENERGIA SOLAR CON LA DISTANCIA

  • ENERGIA SOLAR

  • ¿CÓMO SE PUEDE APROVECHAR LA ENERGIA SOLAR?

  • SISTEMAS PASIVOS DE ALMACENAMIENTO

  • SISTEMAS ACTIVOS DE ALMACENAMIENTO

  • ALMACENAMIENTO POR CALOR SENSIBLE O CAPACIDAD CALORIFICA.

  • ALMACENAMIENTO EN AGUA

  • ALMACENAMIENTO EN PIEDRAS O ROCAS.

  • ALMACENTAMIENTO POR CALOR LATENTE O CAMBIO DE FASE.

  • ALMACENAMIENTO EN ESTANTES SOLARES

  • REACCIONES QUIMICAS.

  • COLECTORES FOTOVOLTAICOS

  • `PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y CARACTERISTICAS

  • EFECTO FOTOVOLTAICO

  • LA CELDA FOTOVOLTAICA

  • RESPUESTA ESPECTRAL DE LA CELULA DE SILICIO

  • RENDIMIENTO DEL PROCESO FOTOVOLTAICO

    TECNOLOGIA DE FABRICACION DE CELULAS Y

    MODULOS FOTOVOTAICOS

    ESTRUCTURA DE UN GENERADOR FOTOVOLTAICO

    APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

  • CALEFACCION DE AGUA DOMESTICA

  • LPS: ENERGIA SOLAR DESDE LA LUNA

  • FILOSOFIA DEL AHORRO DE ENERGIA

    LPS: ENERGIA SOLAR DESDE LA LUNA

    Prácticamente todas las preocupaciones por el medio ambiente que se plantean en el mundo, tienen alguna relación significativa con la energía, con su disponibilidad generalizada, su conversión a formas aprovechables, su distribución, o la eficiencia y los costes de su uso.

    El LPS podría aportar beneficios en casi todos los sectores significativos de las preocupaciones actuales por la energía global y el medio ambiente.

    El concepto de energía solar, obtenida en la superficie lunar y emitida por rayos microondas a disposición de antenas terrestres, es radical pero también realista si se piensa que ofrece la perspectiva de crear una enorme fuente de energía limpia y sostenible.

    El LPS concebido por Criswell y Waldron va mas allá de estos conceptos iniciales y considera la Luna como un satélite que ya ha sido puesto en órbita, y que podría servir de plataforma estable para el montaje de dispositivos de recolectores fotovoltaicos de energía solar, de convertidores de microondas y de los segmentos más grandes de las antenas que requeriría la emisión de rayos de energía a la Tierra.

    Esta idea, una vez madura, podría canalizar decenas de tetrawatts de energía no contaminante, utilizando tecnología básica ya experimentada, con equipos pasivos y de masa reducida. Esta energía podría ser radiada a grandes distancia y a la velocidad de la luz, para ser utilizada donde y cuando se la necesitase, al mismo tiempo que minimizaría las conexiones físicas. Sobre la Tierra, el sistema podría empalmar con redes y tendidos de distribución de energía, como nuevos generadores no contaminantes que canalizarían la energía de un reactor nuclear que ya es operativo, el Sol.

    Los primeros cálculos de un LPS pronosticaban que su impacto económico a largo plazo sería sobradamente lucrativo, comparable con los costes actuales de energía, y ni siquiera consideraban la influencia positiva sobre el medio ambiente.

    La idea de un LPS comparte muchas ventajas con concepciones para aprovechar la energía solar en la Tierra, aunque presenta además ventajas únicas. La intensidad de la luz del Sol es mayor en la Luna; no hay nubes que interfieran; la construcción se puede aligeraren condiciones de baja gravedad y en ausencia de vientos, lluvias, granizadas, volumen significativo de polvo, terremotos, etc.; no existirían problemas de limpieza y podría evitarse los problemas de almacenamiento de energía durante horas de oscuridad en la Tierra.

    La aplicación del concepto LPS produciría, por supuesto, una neta importación de energía por encima del volumen de energía solar natural que penetra a través de la atmósfera terrestre (casi 90.000 tetrawatts), pero en un breve lapso de tiempo podría satisfacer la misma demanda que cubre la energía obtenida de combustibles fósiles, aunque sin provocar como esta el efecto invernadero.

    El LPS también se puede comparar favorablemente con los satélites de energía solar y con la fusión nuclear basada en el futuro en el deuterio y el Helio3.

    El sistema de energía solar por satélite no requerirá un despliegue que llegue a interferir con los estudios astronómicos. Funcionará aprovechando las características propias de la Luna, como su ligera variación orbital, y permitirá el despliegue de grandes antenas de transmisión y, por lo tanto, la emisión de microondas con un enfoque muy preciso gracias a las grandes aperturas que no es posible obtener con los satélites fabricados por el hombre.

    La tecnología de fusión, necesita nuevos avances tecnológicos y deja al menos algunos residuos radiactivos. Las ideas para extraer Helio3, tal como éste es implantado en el suelo lunar por los vientos solares, para logra la fusión D/He3, presentan en su desarrollo algunos aspectos comunes con el aprovechamiento de la energía solar desde la Luna, como por ejemplo la recuperación de He3 durante los trabajos sobre la superficie lunar para la instalación de recolectores y antenas.

    Hoy la NASA planea volver a la luna con nuevos objetivos...

    El Helio3 se crea a partir de la reacción de fusión que se produce en el sol y el viento solar, se encarga de escamparlo a lo largo del cosmos. La atmósfera impide que el viento solar llegue a la tierra. Pero llega a la luna donde ha ido depositando Helio3 durante mas de mil millones de años.

    Los estudios indican que los residuos radiactivos que generaría una central eléctrica que utiliza Helio3 como materia prima, seria un millón de veces inferior a las que generan las centrales nucleares actualmente. Así mismo la utilización de helio3 minimizaría la emisión de gases responsables del efecto invernadero de la atmósfera. El sistema inminente que se pretende implantar a la luna será respetuoso en el entorno de la Luna. Una vez extraído el Helio3 del interior de las rocas lunares los agujeros que queden, se llenaran con las rocas y sedimentos ya procesados. Y la superficie luna quedara intacta.

    Durante el proceso de extracción del helio3 también saldrán otros productos, como el agua, que se aprovechara para las colonias que se instalen en la luna.

    Las Minas de helio3 son una manera de utilizar los recursos lunares para satisfacer las necesidades energéticas de la tierra

    FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA

    La figura corresponde al esquema de una central al pie de una presa. Su funcionamiento es el siguiente;

    La presa (2) retiene el agua del río provocando un embalse y un aumento del nivel de agua (1). Al pie de la presa esta la sala de máquinas con los grupos turboalternadores (5). El agua arriba en las turbinas (6) a través de una tubería forzada (4) alimentada desde el embalse para las presas de agua, equipadas con compuertas y rejas (3).

    La energía potencia del agua embalsada se convierte en energía cinética al abrir las compuertas de las tuberías y se comunica al rodillo de la turbina, que se pone a girar, y el agua sale de nuevo al río por los canales de desagües. El diseño del conjunto formado por la tubería, la turbina y los desagües esta muy estudiado para que el agua comunique la máxima energía al rodillo de la turbina.

    Solidario al eje de la turbina (7) esta el rotor del alternador y un generador de corriente continua (8) que genera un campo magnético en las bobinas del rotor, con lo cual produce en el bobinaje del estator una corriente alterna de tensión media y elevada intensidad.

    Con los transformadores (10) se eleva la tensión y a través del parque de distribución o directamente se alimentan las líneas de la red de transporte (9).

    CONCLUSION

    Esta claro que en el futuro será necesaria una combinación viable de varios tipos de energía, porque con la excepción del LPS, ninguna fuente individual de energía parece contar con el potencial de convertirse en fuente de energía global en un futuro cercano o distante, tal como lo han sido y siguen siendo los combustibles fósiles.

    La energía derivada de la biomasa, y el clásico atractivo ejercido por esta fuente, puede comprometer las necesidades alimentarias y causar el empobrecimiento del suelo. La energía térmica de los océanos, y su potencial en áreas geográficas específicas, como islas oceánica y algunas regiones costeras, no puede distribuirse en regiones continentales interiores, y se modificaría la temperatura de los océanos si se utilizaran durante siglos como fuente de energía global. Los vientos capaces de producir una energía estable solo soplan en ciertas regiones del mundo. Los recursos geotérmicos, que para ciertas áreas pueden demostrarse suficientes, se distribuyen en cambio con una gran irregularidad, y lo mismo puede decirse de su accesibilidad e intensidad. Incluso la extracción de energía solar en grandes cantidades, en algunas regiones vulnerables de la Tierra, puede crear cambios climáticos locales que podrían inducir a la formación de capas adicionales de nubes. Incluso los mas pesimistas creen que el LPS podría producir un recalentamiento del planeta

    Un sistema de energía global ideal tendría que enriquecer en vez de consumir los recursos de la Tierra, y no produciría una nueva contaminación. Tendría que estar organizado de modo que crecería a un ritmo rápido, a fin de mejorarlos niveles de vida en las naciones desarrolladas. La energía solar recolectada sobre la Luna y radiada a la Tierra ofrece estas perspectivas, y podría representar la ultima frontera para resolver las necesidades energéticas mundiales.

    APLICACIONES REALES Y POTENCIALES DE LA ENERGIA SOLAR

    CALEFACCION DE AGUA DOMESTICA

    INTRODUCCION.

    Una de las aplicaciones de la energía solar que ha tenido mayor uso y divulgación es la calefacción de agua para consumo doméstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX.

    En los lugares con buen clima y buena insolación, los calentadores solares pueden ahorrar una fracción considerable del combustible para uso doméstico. En las condiciones de Guadalajara, es posible que más de la mitad del consumo de gas LP doméstico se deba al calentamiento de agua para baños. El resto se usa para cocina. Por otro lado, en lugares con clima extremoso, no basta el calentador solar para tener un ahorro tan significativo, dado que el principal consumo de energía se debe al aire acondicionado en verano, y a la calefacción en invierno.

    PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.

    La mayoría de las aplicaciones de la energía solar, particularmente las que proporcionan un servicio que se requiere en forma continua, es decir, no sólo cuando hay insolación, requieren al menos dos elementos que ya se han descrito en capítulos anteriores: un colector, en donde se transforme la luz solar en el efecto deseado, y un almacén, en donde se pueda tener una "reserva" del efecto deseado, para cuando no hay insolación. La decisión de qué colector emplear en un diseño depende de las temperaturas que se requiera obtener. En el caso de los calentadores solares domésticos, las temperaturas requeridas son del orden de 40 a 60 °C. Esto implica que los colectores más adecuados, independientemente de otras ventajas que puedan tener, son los de placa plana. Dependiendo del diseño particular del calentador, puede requerir una o dos cubiertas transparentes.

    Como se mencionó en el capítulo de colectores planos, una de las virtudes de este tipo de colector es que no sólo capta la radiación directa, sino también la difusa. Esto significa que un calentador solar bien dimensionado puede trabajar satisfactoriamente no sólo en días soleados, sino en días medio nublados, siempre que la irradiación total no caiga por debajo de ciertos límites y los usuarios no desperdicien el agua caliente.

    Debido a que muchos usuarios prefieren el baño diario matutino, después de unas horas en las que no ha habido insolación, es necesario y práctico tener una reserva de agua caliente, considerando además que, en días muy nublados puede haber una baja significativa de la irradiancia solar. Con el uso de una reserva de agua caliente se logra satisfacer la demanda de agua cliente en más del 95% de los días del año.

    TIPOS BASICOS DE CALENTADORES SOLARES.

    A. CALENTADOR SOLAR AUTOCONTENIDO

    Este es uno de los calentadores solares más simples que se pueden concebir (descartando, por supuesto, un garrafón o tina con agua directamente expuestos al Sol).

    El calentador autocontenido es simplemente un recipiente (una caja, un tambo, varios tambos pequeños, etc.) dispuesto de tal manera que presente su mayor área hacia la posición promedio del Sol. Esta cara se pinta de negro y hace las veces de colector solar. El recipiente se llena con agua, que se calienta directamente por contacto con la cara expuesta al Sol. Por los lados y el fondo se aísla térmicamente para evitar las fugas de calor.

    El nombre de "autocontenido" viene de que en el mismo elemento físico del sistema se conjugan las funciones de colector y de termo almacén. Como puede verse, esto es algo así como exigir funciones contrarias en un mismo elemento del sistema. Por un lado, la parte superior del recipiente debe hacer las veces de colector, es decir, funcionar como un elemento para la transferencia de calor, del Sol al agua. Por otro lado, como en el mismo recipiente se mantiene almacenada el agua caliente, debe hacer las veces de termo, que es la función opuesta a un colector. Por esto en este tipo de calentadores solares se utilizan dos capas de vidrio (o del material transparente de la cubierta). Esta es una forma de lograr que durante el día entre la radiación solar hasta la placa negra, pero durante la noche pierda relativamente poco calor. Diversos estudios han demostrado que si se utiliza sólo una capa de vidrio (o ninguna), las pérdidas nocturnas son tan altas, que al amanecer casi se ha perdido la energía colectada el día anterior. Por otro lado, tres o más capas de vidrio dan como resultado demasiadas reflexiones y absorciones en los vidrios, de manera

    que, aunque la pérdida se ve efectivamente disminuida, lo que sufre más son las ganancias térmicas durante el día.

    Un parámetro importante en el diseño de los calentadores solares autocontenidos es su espesor promedio. Definimos éste como el cociente entre el volumen(m3) del recipiente y el área (m2) expuesta al Sol a mediodía. Un calentador autocontenido deberá tener un espesor promedio menor que 0.4 m, con el objeto de tener una buena relación de área de colección solar a volumen de agua por calentar. Quizá el óptimo se encuentre alrededor de 0.2 m. Con espesores promedio menores, también hay un aumento significativo de pérdidas nocturnas, por lo que no es deseable reducir mucho este parámetro.

    Las temperaturas dentro del colector pueden llegar a 70 grados centígrados. La eficiencia térmica de este tipo de calentadores es relativamente alta, del orden de 45%, si se evalúa únicamente para el período diurno. Esta eficiencia cae bastante si se toma en cuenta la pérdida nocturna. Las características de funcionamiento de este calentador lo hacen idóneo para usar el agua caliente durante el mismo día, a partir del mediodía, hacia la tarde o al comenzar la noche.

    Un tamaño muy común en este tipo de calentadores es de 200 litros de capacidad. Esto es suficiente para dos o tres personas. Una ventaja característica de este tipo de calentador es que fácilmente se pueden instalar más unidades en paralelo. En otras palabras, es muy fácil tener un crecimiento modular para un mayor número de usuarios. En general, este tipo de calentadores sólo pueden soportar presiones moderadas entre 1 y 2 m. de columna de agua. En ocasiones se requiere un "rompepresión", es decir, un elemento que permita trabajar al calentador con muy poca columna de agua sobre él, independientemente de la altura a la que se encuentre el tinaco de alimentación.

    B. CALENTADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL.

    Un siguiente paso en la "evolución" de los calentadores solares consiste en separar físicamente el colector solar del tanque de almacenamiento. Con esto, cada elemento del sistema puede ser diseñado y construido para realizar eficientemente su función. En este esquema, entonces, se calienta el agua dentro de los tubos o placas de un colector plano, para luego transferirla al termo de almacenamiento. Existen básicamente dos técnicas para transferir el agua caliente del colector al termo: la convección natural y la convección forzada.

    En el calentador por convección natural, también llamado termosifón, la fuerza impulsora que mueve el agua desde el colector hacia el termo es de tipo hidrostático, un empuje asociado con el principio de Arquímedes. El agua contenida en el colector, a medida que se calienta, disminuye su densidad. Si existe un circuito cerrado y adecuadamente construido entre el colector y el termo, es posible aprovechar esta disminución de densidad para que el agua caliente fluya espontáneamente de la parte más alta del colector hacia la parte alta del termo. Al mismo tiempo, el agua de la parte baja del termo, que se encuentra a menor temperatura, fluye hacia la parte más baja del colector. El termo, pues, siempre debe encontrarse, en este esquema, a mayor altura que el colector.

    Este sistema de convección natural tiene ventajas y desventajas. La primera ventaja, respecto del calentador autocontenido, consiste en que, al llegar la noche o disminuir significativamente la irradiancia solar, el proceso de convección natural se detiene. Por tanto, la energía térmica almacenada en el termo no tiende a perderse a través del colector, sino únicamente a través de su propio aislante que, suponemos, es un buen aislante. Así, la pérdida de temperatura durante la noche es mucho menor que en el calentador autocontenido.

    Una ventaja, respecto del calentador por convección forzada que veremos después, es que el de convección natural no requiere energía extra para mover el agua.

    Puede decirse que el mismo Sol proporciona la energía para ello. La desventaja principal de este tipo de sistemas se encuentra, quizá, en los lugares con clima muy extremoso, en donde las temperaturas ambientales puedan llegar a las temperaturas de congelación. En estos lugares no es recomendable el uso de calentadores por convección natural, porque la congelación nocturna del agua dentro de los colectores puede dar lugar a que se revienten sus tuberías, quedando dañado permanentemente. Por último, otra posible desventaja consiste en algo que ya señalamos: el termo debe estar a una altura mayor que la del colector. La fuente de alimentación, generalmente un tinaco, debe estar a mayor altura que el termo. En muchas azoteas no planeadas para la instalación de un calentador por convección natural, es necesario construir torres para reubicar el tinaco. Esto puede tener efectos arquitectónicos indeseables.

    Las dimensiones características de un calentador por convección natural están dadas por el número de usuarios. Como regla general, y sin ninguna deducción científica de por medio, se recomienda tener un metro cuadrado de colector por cada usuario, así como alrededor de cien litros de capacidad en el termo, también por cada usuario. En lugares con buen clima y buena insolación, estas proporciones permiten suministrar agua caliente a más de 40 grados centígrados (indispensable mezclarla con agua fría), durante el 95% del año. Nótese que los datos aquí mencionados equivalen a un espesor promedio de 0.1 metro, según se definió en los calentadores autocontenidos.

    Algunos fabricantes, con el objetivo de ahorrar costos, proporcionan una menor área de colección o volumen de termo por usuario. Esto puede funcionar adecuadamente en los días muy soleados, pero ciertamente se verá en desventaja ante la presencia de nublados o de un aumento en la demanda de agua caliente.

    C. CALENTADOR SOLAR DE CONVECCIÓN FORZADA.

    Para los lugares donde los inconvenientes del calentador solar por convección natural son importantes, existe otra alternativa: utilizar convección forzada, es decir, emplear una pequeña bomba para hacer circular el agua entre el colector y el termo. Con esto se evita completamente la necesidad de que el termo esté a mayor altura que el colector. Podría incluso estar el colector en la azotea y el termo en un sótano. La otra desventaja, la congelación del agua en las tuberías, también puede eliminarse mediante un sistema de convección forzada, pero en este caso se requiere algún otro fluido de trabajo, o al menos agua con anticongelante, al igual que en los radiadores de automóvil. Debido a esto, no es posible utilizar la misma agua que se utiliza en el colector, y se requiere un intercambiador de calor, para transferir el calor del fluido de trabajo al agua.

    Otro elemento importante en un calentador por convección forzada, es un termostato diferencial o control diferencial de temperatura (CDT) para encender o apagar la bomba, según se requiera. Este termostato debe tener un sensor a la salida del colector y otro en el termo, para mandar la señal de encender la bomba sólo cuando el colector se encuentre a una temperatura suficientemente mayor que la del termo. De otro modo, el colector podría funcionar como enfriador. Cabe aclarar que, para esta función no basta un "timer" o controlador de tiempo (que podría funcionar en el caso de calentadores de alberca) sino que se requiere un tipo de control que sea sensible a las variaciones diurnas de la irradiancia solar, o sombreos que puedan existir sobre el colector.