FUENTES
DE ENERGÍA,
RENOVABLES Y NO RENOVABLES
APLICACIONES
Juan Carlos Vega de Kuyper
Santiago Ramírez Morales
FUENTES DE ENERGÍA,
RENOVABLES Y NO RENOVABLES.
APLICACIONES
JUAN CARLOS VEGA DE KUYPER
SANTIAGO RAMÍREZ MORALES
FUENTES DE ENERGÍA,
RENOVABLES Y NO RENOVABLES.
APLICACIONES
JUAN CARLOS VEGA DE KUYPER
SANTIAGO RAMÍREZ MORALES
Buenos Aires • Bogotá • México DF • Santiago de Chile
Datos catalográficos
Vega de Kuyper, Juan Carlos;
Ramírez Morales, Santiago
Fuentes de energía, renovables y no renovables.
Aplicaciones
1ª Edición
Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México
ISBN: 978-607-707-820-3
Formato: 17 x 23 cm
Páginas: 696
Fuentes de Energía, Renovables y No Renovables.
Aplicaciones
Juan Carlos Vega de Kuyper
Santiago Ramírez Morales
Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
1a Edición: Alfaomega Grupo Editor, México, enero 2014
Diseño: Iris Biaggini
© 2014 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.
Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F.
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ISBN: 978-607-707-820-3
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Roguemos a Dios que los dirigentes de las naciones tomen medidas para emplear todas las formas de energía, de manera eficiente y económica, para no
agudizar las consecuencias del calentamiento global que afectará a nuestros
descendientes, entre ellos nuestros nietos.
Los autores
LOS AUTORES
Juan Carlos Vega de Kuyper es Profesor Titular de la Facultad de Química
de la Pontificia Universidad Católica de Chile, donde imparte actualmente
los cursos de “Fuentes y Utilización de las Energías Renovables” y “Química
Ambiental”. Es autor de numerosos artículos científicos sobre síntesis y reactividad de compuestos orgánicos y patentes de invención para la concentración de minerales cupríferos, así como de los libros “Química Orgánica para
Estudiantes de Ingeniería”, “Manejo y Gestión de Residuos de la Industria
Química y Afín” y “Química del Medio Ambiente y de los Recursos Naturales”. Puesto que la energía es un componente inmaterial del medio ambiente,
ahora presentamos esta obra sobre el tema, escrita por él y el destacado profesor Santiago Ramírez.
Santiago Ramírez Morales, Ph.D., actualmente retirado, ha sido Profesor
Auxiliar de la Pontificia Universidad Católica de Chile en el área de química
orgánica y polímeros. Después de desempeñarse como investigador en el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (INTEC-CHILE) fue Profesor Titular
de la Universidad de La Frontera (UFRO) en el área de ingeniería química, impartiendo cursos de “Introducción a la Ingeniería”, “Fisicoquímica y
Termodinámica”, “Fenómenos de Transporte”, “Diseño y Evaluación de Proyectos”, “Estudios de Impacto Ambiental”, y “Desarrollo Emprendedor”. Fue
Director del Departamento de Ingeniería Química, Decano de la Facultad de
Ingeniería y Vicerrector Académico de la UFRO y uno de los fundadores del
Instituto de Agroindustrias y del Instituto del Medio Ambiente de dicha universidad. En su trayectoria ha publicado en las áreas de Química Orgánica,
Química de Polímeros y Tratamiento de Aguas Servidas.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
PREFACIO
Este libro constituye un gran aporte a la bibliografía de las materias referidas
al tema de las fuentes de energía, en carreras de ingeniería u otras. Se estudian en la obra las fuentes de energía renovable, con la esperanza de que sean
las energías de un futuro inmediato y las no renovables, cuyo empleo en el
mundo de hoy es tan grande que se hace imposible no considerarlas en un
tratamiento integral del tema.
El gran desafío que supone el cambio climático, requiere la reducción
urgente de las emisiones de gases de efecto invernadero producidos al utilizar combustibles fósiles para electricidad, transporte e industria. Por otra
parte, la demanda mundial de energía está creciendo a un ritmo acelerado.
En consecuencia, debe comenzar, a nivel mundial, un cambio profundo en
los patrones de producción y consumo de la energía.
El interés de la sociedad actual por los asuntos ambientales, tales como
los recursos naturales y las fuentes de energía, es cada vez más creciente, hecho que se manifiesta en las redes sociales; en éstas algunos grupos hablan,
discuten y critican acontecimientos ambientales o energéticos sin base consistente y, a veces, en forma dogmática. Tanto la generación como la aplicación de las energías renovables y no renovables y sus consecuencias ambientales, así como el desarrollo sustentable de las fuentes de energía son temas
complejos que no tienen respuestas simples. Raramente los hechos naturales
son tan simples como aparecen. Al intentar darles respuesta se debe tener
un entendimiento claro de cómo funciona el mundo material, de la interrelación entre medio ambiente y energía, de generar eficientemente energía
para aprovecharla al máximo dentro del marco del desarrollo sustentable.
Entonces, es evidente que el futuro ingeniero y estudiantes vinculados con
las energías deben adquirir el mejor conocimiento y comprensión sobre las
fuentes renovables y no renovables de energía y sus aplicaciones. Esta obra
pretende realizar un aporte a que ello sea posible.
Para lograr este objetivo superior, la obra se enfoca en el origen de la
fuente, generación y empleos actuales y potenciales de las energías no solo
renovables sino también de las no renovables, entre ellas la energía térmica,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
la que más se utiliza en el presente. Tanto unas como otras, son energías
primarias que dan origen a la secundaria, energía eléctrica, que se incluye en
esta obra por su gran importancia. La expresión común, energía renovable,
debe entenderse como que es su fuente la renovable pero no la propia energía puesto que ésta se degrada en un proceso irreversible. Con la base de las
energías no renovables y de la energía eléctrica se entrega, a continuación,
los fundamentos teóricos y prácticos sobre las fuentes de las energías renovables: solar, biomasa, eólica, hidráulica, marina, geotérmica, sus aplicaciones,
principalmente generación de electricidad, impactos ambientales, situación
actual y potencial de estas energías en México, Colombia, Argentina y Chile,
ejercicios y preguntas. Esta obra permitirá al estudiante tener las bases para
diseñar, gestionar, implementar y controlar actividades de instalaciones de
energías de fuentes renovables.
La obra, escrita con un estilo conciso y directo, se divide en cinco partes: la Parte I: “Introducción”, concierne a los conceptos básicos de energía
que se revisan en el capítulo 1, se continúa con una descripción de los recursos naturales con énfasis en los recursos energéticos, capítulo 2, luego se hace
otra revisión sobre la energía eléctrica, en el capítulo 3, para tener presente
el tema de las máquinas eléctricas, y, a continuación, una exposición sobre
le energía electroquímica para conocer cómo se almacena la electricidad en
bajos montos. La Parte II: “Fuentes no Renovables de Energía. Aplicaciones”,
contiene el capítulo 5 de Energía Térmica cuyo principal contenido son los
fundamentos, funcionamiento y eficiencia de las máquinas térmicas y de las
centrales termoeléctricas. El capítulo 6 de Energía Nuclear presenta principalmente los conceptos de la fisión nuclear y su aplicación en las centrales
nucleoeléctricas y su impacto ambiental. Luego de esta entrada, comienza
una extensa Parte III: “Fuentes Renovables de Energía. Aplicaciones”, en que
se tratan sucesivamente el capítulo 7 sobre La Tierra y la biósfera, los capítulos 8 a 11 tratan de Energía solar, Energía de la biomasa, La atmósfera y
la energía eólica, La hidrósfera y la energía hidráulica. En este conjunto de
energías de fuentes renovables se consideran los fundamentos y tecnologías
de la generación y de aprovechamiento de ellas, los impactos ambientales
asociados y ejemplos de diseño de instalaciones domésticas e industriales de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
estas energías, como así también la situación actual y potencial de cada una
de estas de energías en México, Colombia, Argentina y Chile. Sigue a estos
temas la Parte IV: “Otras Fuentes Renovables de Energía. Aplicaciones”, con
el capítulo 12 de Energía del mar, que tiene bajo desarrollo por la limitada
aplicación práctica de la energía de olas y mareas. Por su cuenta el capítulo
13 de energía geotérmica, explica el origen, distribución y tipos de recursos
geotérmicos, los usos de la energía geotérmica para producir electricidad,
climatización de viviendas y obtención de agua caliente sanitaria, el impacto ambiental de la explotación del recurso geotérmico y la situación de esta
energía en México, Colombia, Argentina y Chile. Finalmente, la Parte V: “Eficiencia y sustentabilidad energética” trata en su único capítulo 14 estas materias, específicamente sobre la motivación y mejoras en la eficiencia energética, un resumen de esta eficiencia en la generación de energía eléctrica y
una descripción de cómo mejorar dicha eficiencia en el transporte, vivienda,
artefactos domésticos, iluminación de interiores y exteriores y el desarrollo
sustentable de la energía.
Distinguidos profesores contribuyeron a mejorar el manuscrito original. Nuestro reconocimiento al Profesor Dr. Deodato Radic Foschino,
Facultad de Química, Pontificia Universidad Católica de Chile, por sus conversaciones enriquecedoras que nos dieron ideas para mejorar el tema sobre Energía Térmica. Nuestro agradecimiento al Profesor Dr. Juan Dixon
Rojas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, por
su dedicación en la revisión y corrección de aspectos del tema sobre Energía Eléctrica. En cualquier caso los posibles errores son de nuestra exclusiva
responsabilidad.
Los autores
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
SUMARIO
PARTE I. INTRODUCCIÓN .......................................... 1
CAPITULO 1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA ........................... 3
1.1
Concepto y definición de energía ......................................................... 3
1.2
Formas de la energía ............................................................................. 3
1.3
Calidad de la energía .............................................................................. 7
1.4
Unidades de medida de la energía ........................................................ 8
1.5
Leyes de conservación y disipación de la energía ................................. 9
1.6
Eficiencia de la energía, trabajo y potencia ......................................... 12
1.7
Principios de la termodinámica .......................................................... 13
1.7.1 Primer principio de la termodinámica ..................................... 15
1.7.2 Segundo principio de la termodinámica .................................. 18
CAPÍTULO 2. RECURSOS NATURALES................................................... 21
2.1
Tipos de recursos naturales ................................................................ 21
2.2
El Sol como fuente primaria ............................................................... 22
2.3
Recursos energéticos .......................................................................... 23
2.3.1 Petróleo .................................................................................... 24
2.3.2 Carbón ..................................................................................... 27
2.3.3 Gas natural ............................................................................... 29
2.4
Reservas y consumo de combustibles fósiles de algunos países latinoamericanos
2.5
...................................................................................... 30
Impactos ambientales de los hidrocarburos fósiles ........................... 31
CAPÍTULO 3. ENERGÍA ELÉCTRICA ....................................................... 37
3.1
Elementos de electrostática ................................................................ 37
3.2
Corriente eléctrica .............................................................................. 39
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XIV
3.3
SUMARIO
Magnetismo y electromagnetismo ..................................................... 47
3.3.1 Campo magnético .................................................................... 48
3.3.2 Fuerza electromotriz inducida ................................................. 55
3.4
Máquinas eléctricas ............................................................................ 57
3.4.1 Generador eléctrico ................................................................. 60
3.4.2 Motor eléctrico ......................................................................... 64
3.4.3 Transformadores ...................................................................... 69
3.5
Transmisión y distribución de la energía eléctrica ............................ 71
3.6
Situación de la energía eléctrica en algunos países latinoamericanos 75
3.6.1 México ..................................................................................... 76
3.6.2 Colombia .................................................................................. 77
3.6.3 Argentina ................................................................................. 79
3.6.4 Chile
..................................................................................... 81
Ejercicios y preguntas ................................................................................... 83
CAPÍTULO 4. ENERGÍA ELECTROQUÍMICA ............................................ 85
4.1
Reacciones de oxidación y reducción .................................................. 85
4.2
Celdas electroquímicas ........................................................................ 87
4.3
Potencial estándar de electrodos ......................................................... 90
4.3.1 Potencial estándar del electrodo de hidrógeno........................ 91
4.3.2 Potencial estándar de otros electrodos .................................... 92
4.4
Potenciales de electrodos en condiciones no estándar ...................... 96
4.5
Pilas, baterías y celda de combustión ................................................. 99
4.5.1 Baterías o pilas primarias ........................................................ 99
4.5.2 Baterías secundarias .............................................................. 101
4.5.3 Celda de combustible ............................................................. 106
4.6
Usos y características de las pilas y baterías .................................... 108
4.7
Impacto ambiental de las pilas y baterías usadas ............................. 110
Ejercicios y preguntas...................................................................................111
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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SUMARIO
XV
2ª PARTE. FUENTES DE ENERGÍAS NO RENOVABLES.
APLICACIONES ................................................. 113
CAPÍTULO 5. ENERGÍA TÉRMICA ..........................................................115
5.1
Calor latente y calor específico .......................................................... 115
5.1.1 Calor latente ............................................................................ 115
5.1.2 Calor específico ....................................................................... 117
5.2
Transferencia de calor ....................................................................... 118
5.2.1 Conducción del calor .............................................................. 119
5.2.2 Convección del calor .............................................................. 120
5.2.3 Radiación del calor ................................................................ 121
5.2.4 Transferencia general de calor .............................................. 122
5.3
Termoquímica .................................................................................... 122
5.4
Máquinas térmicas ........................................................................... 127
5.4.1 Fundamento de las máquinas térmicas ................................ 127
5.4.2 Eficiencia energética de la máquina de vapor ....................... 132
5.4.3 Eficiencia energética de los motores Otto y Diesel ............... 136
5.4.4 Eficiencia energética de refrigeradores, acondicionadores
de aire y bombas de calor ...................................................... 138
5.5
Centrales termoeléctricas ................................................................. 141
5.5.1 Centrales termoeléctricas de un ciclo ..................................... 142
5.5.1.1 Caldera de vapor ...................................................... 142
5.5.1.2 Turbina de vapor ....................................................... 145
5.5.1.3 Condensador ............................................................ 146
5.5.2 Centrales de ciclo combinado ................................................ 148
5.6
Impacto ambiental de las centrales termoeléctricas y tecnologías de
abatimiento de emisiones ............................................................... 149
Ejercicios y preguntas ................................................................................ 152
CAPÍTULO 6. ENERGÍA NUCLEAR .........................................................155
6.1
Estructura del átomo .......................................................................... 155
6.2
Isótopos .............................................................................................. 157
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XVI
SUMARIO
6.3
Radiactividad ..................................................................................... 158
6.4
Fisión nuclear ..................................................................................... 161
6.5
Reactores nucleares ............................................................................ 163
6.5.1 Reactor de agua a presión ....................................................... 163
6.5.2 Otros reactores de fisión nucleaR ............................................. 166
6.6
Enriquecimient0 del uranio-235 ........................................................ 167
6.7
Manejo de los productos de desintegración del uranio-235 .............. 168
6.8
Fusión nuclear .................................................................................... 172
6.9
Impacto ambiental de las centrales de fisión nuclear ....................... 174
6.9.1 Accidentes nucleares más significativos ................................. 175
6.9.2 Ventajas del combustible nuclear sobre los combustibles
fósiles .................................................................................... 177
6.10 Situación de la energía nuclear en algunos países
latinoamericanos ............................................................................... 178
6.10.1 México .................................................................................... 178
6.10.2 Argentina ................................................................................. 179
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 180
3ª PARTE.FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES.
APLICACIONES ..................................................181
CAPÍTULO 7. LA TIERRA Y LA BIÓSFERA .............................................183
7.1
Origen, dimensiones y movimientos de la Tierra .............................. 183
7.2
Líneas divisorias de la Tierra y posicionamiento geográfico............. 185
7.3
Componentes de la Tierra .................................................................. 188
7.4
Características de los ecosistemas ..................................................... 189
7.5
Factores bióticos y abióticos de los ecosistemas ............................... 190
7.5.1 Factores bióticos ...................................................................... 190
7.5.2 Factores abióticos .................................................................... 191
7.6
Flujo de energía en los ecosistemas ................................................... 192
7.7
Estructura trófica de los ecosistemas................................................. 192
7.8
Impacto ambiental por empleo de energía ........................................ 195
7.8.1 Impacto en la atmósfera .......................................................... 195
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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SUMARIO
XVII
7.8.2 Impacto en la hidrósfera ......................................................... 197
7.8.3 Impacto en el suelo .................................................................. 197
7.8.4 Impacto sobre la biósfera ........................................................ 198
7.9
Consumo de energía en la sociedad actual ........................................ 199
7.10 Huella ecológica ................................................................................. 201
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 203
CAPÍTULO 8. ENERGÍA SOLAR ..............................................................205
8.1
El Sol: principal fuente de energía de la Tierra ................................. 205
8.2
Características de la radiación solar .................................................. 206
8.3
Flujo y balance de energía en la Tierra .............................................. 211
8.4
Energía solar como regulador del clima y la biota ............................ 217
8.5
Radiación solar en algunos países latinoamericanos ........................ 223
8.5.1 México .................................................................................... 224
8.5.2 Colombia .................................................................................. 227
8.5.3 Argentina ................................................................................. 228
8.5.4 Chile ......................................................................................... 229
8.6
Estimación y medición de la radiación solar ..................................... 230
8.7
Captación de la energía solar térmica ................................................ 238
8.8
Utilización de la energía solar térmica............................................... 240
8.8.1 Fundamento de la utilización de la energía solar térmica en
colectores solares planos ......................................................... 241
8.8.2 Tecnologías de la energía solar térmica para calentar agua y
para calefacción ....................................................................... 243
8.8.3 Diseño de un sistema solar térmico con colectores planos para
obtener agua caliente sanitaria ............................................... 249
8.8.3.1 Características de la vivienda y cálculo de su consumo
energético .................................................................. 249
8.8.3.2 Dimensionamiento de la instalación ......................... 253
8.8.3.3 Componentes y características del sistema solar
térmico ....................................................................... 258
8.8.3.4 Viabilidad económica del proyecto............................ 264
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XVIII
SUMARIO
8.8.3.5 Beneficio ambiental del sistema solar térmico ......... 267
8.8.4 Tecnologías para la conversión de energía solar térmica en
energía eléctrica ....................................................................... 267
8.8.4.1 Concentradores Cilindros Parabólicos (CCP) ........... 268
8.8.4.2 Concentradores discos parabólicos ........................... 270
8.8.4.3 Concentradores de torre central con campo de
helióstatos ................................................................. 271
8.8.4.4 Almacenamiento de calor mediante sales fundidas . 273
8.9
Energía solar fotovoltaica................................................................... 276
8.9.1 Fundamento de la energía solar fotovoltaica .......................... 276
8.9.2 Tecnologías para la utilización de la energía solar
fotovoltaica .............................................................................. 281
8.9.3 Diseño de una planta de energía solar fotovoltaica aislada.... 286
8.9.3.1 Definición del tipo de planta...................................... 286
8.9.3.2 Determinación del consumo ..................................... 289
8.9.3.3 Caracterización de la localización .............................. 290
8.9.3.4 Caracterización y dimensionado de los
componentes .............................................................. 292
8.10 Impactos ambientales de la energía solar térmica y solar
fotovoltaica ........................................................................................ 301
8.11 Aprovechamiento de la energía solar en algunos países
latinoamericanos ............................................................................... 302
8.11.1 México .................................................................................... 303
8.11.2 Colombia .................................................................................. 303
8.11.3 Argentina ................................................................................. 304
8.11.4 Chile ......................................................................................... 305
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 306
CAPÍTULO 9. ENERGÍA DE LA BIOMASA ...............................................309
9.1
Ciclo biológico del carbono ................................................................ 309
9.2
Producción y productividad de biomasa............................................ 312
9.3
Clasificación de la biomasa ................................................................ 314
9.4
Características de la biomasa aprovechable ...................................... 316
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
SUMARIO
XIX
9.5
Composición y combustión de la madera .......................................... 318
9.6
Características de los biocombustibles líquidos ................................ 322
9.6.1 Biometanol............................................................................... 323
9.6.2 Bioetanol .................................................................................. 324
9.6.3 Biobutanol ............................................................................... 324
9.6.4 Biodiesel................................................................................... 325
9.7
Características de los biocombustibles gaseosos ............................... 326
9.7.1 Biogás ...................................................................................... 326
9.7.2 Biohidrógeno ........................................................................... 326
9.8
Tecnologías para el aprovechamiento de los biocombustibles ......... 327
9.8.1 Combustión directa ................................................................. 329
9.8.1.1 Combustión en hornos para secado .......................... 329
9.8.1.2 Combustión en calderas para generar electricidad ... 330
9.8.1.3 Combustión mixta ...................................................... 331
9.8.1.4 Combustión de residuos forestales para centrales
termoeléctricas .......................................................... 331
9.8.2 Procesos termoquímicos ......................................................... 333
9.8.2.1 Pirólisis ...................................................................... 334
9.8.2.2 Gasificación ................................................................ 334
9.8.2.2.1 Biometanol vía gas de síntesis .................................. 340
9.8.2.2.2 Biohidrógeno vía gas de síntesis ............................... 340
9.8.2.2.3 Biodiesel vía gas de síntesis ...................................... 341
9.8.3 Diseño de planta piloto para generar electricidad vía gas de
síntesis ..................................................................................... 341
9.8.3.1 Descripción del sistema ............................................. 342
9.8.3.2 Cálculo del gasificador de flujo descendente ............ 345
9.8.3.3 Dimensionamiento de los equipos principales ........ 351
9.8.3.4 Balances de materia y energía ................................... 353
9.8.4 Procesos bioquímicos ............................................................. 357
9.8.4.1 Bioetanol .................................................................... 358
9.8.4.2 Biobutanol .................................................................. 362
9.8.4.3 Biodiesel ..................................................................... 363
9.8.4.4 Biogás ......................................................................... 365
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XX
9.9
SUMARIO
Producción y aprovechamiento de biocombustibles en algunos países
latinoamericanos ............................................................................... 370
9.9.1 México...................................................................................... 370
9.9.2 Colombia .................................................................................. 371
9.9.3 Argentina ................................................................................. 372
9.9.4 Chile ......................................................................................... 374
9.10 Impacto ambiental de los biocombustibles ....................................... 375
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 376
CAPÍTULO 10. LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA ........................379
10.1 Atmósfera: estructura, composición y propiedades .......................... 379
10.1.1 Estructura ............................................................................... 380
10.1.2 Composición ............................................................................ 381
10.1.3 Propiedades ............................................................................ 383
10.2 Clima y tiempo atmosférico ............................................................... 385
10.2.1 Factores que determinan el clima y el tiempo atmosférico .... 385
10.2.2 Contaminación del aire .......................................................... 388
10.3 Cambio climático .............................................................................. 391
10.3.1 Gases de efecto invernadero ................................................... 393
10.3.2 Cambio climático producido por los GEI ............................... 399
10.3.3 Impactos globales producidos por el cambio climático ......... 400
10.3.4 Energía y cambio climático ..................................................... 401
10.4 Clasificación y distribución de los climas en algunos países
latinoamericanos ............................................................................... 403
10.4.1 México ..................................................................................... 403
10.4.2 Colombia ................................................................................. 404
10.4.3 Argentina ................................................................................. 406
10.4.4 Chile ......................................................................................... 408
10.5 Antecedentes históricos del uso del viento ........................................ 409
10.6 Circulación general de la atmósfera ................................................... 412
10.7 Dirección y velocidad del viento ........................................................ 418
10.8 Tipos de vientos inmediatos a la superficie ....................................... 422
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
SUMARIO
XXI
10.8.1 Vientos o brisas costeras ......................................................... 423
10.8.2 Vientos de montaña ................................................................ 424
10.8.3 Vientos originados por una barrera orográfica ...................... 425
10.8.4 Vientos en valles encajonados ................................................ 425
10.9 Principios de la conversión de energía eólica en eléctrica ................ 426
10.10 Características técnicas de los aerogeneradores ............................... 430
10.10.1 Aerogeneradores de eje horizontal ....................................... 431
10.10.2 Aerogeneradores de eje vertical ............................................ 438
10.10.3 Aerogeneradores de tracción directa .................................... 439
10.11 Parques eólicos ................................................................................... 439
10.12 Impactos ambientales de los parques eólicos .................................... 441
10.13 Potencial y estado actual de la energía eólica en países
latinoamericanos ............................................................................... 445
10.13.1 México ................................................................................... 445
10.13.2 Colombia................................................................................ 446
10.13.3 Argentina ............................................................................... 447
10.13.4 Chile ....................................................................................... 449
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 451
CAPÍTULO 11. LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA ..............453
11.1 La hidrósfera ...................................................................................... 453
11.1.1 Propiedades del agua y su importancia en la naturaleza........ 454
11.1.1.1 Estructura del agua .................................................... 454
11.1.1.2 Propiedades físicas del agua....................................... 457
11.1.2 Ciclo hidrológico y precipitaciones ......................................... 463
11.1.2.1 Ciclo hidrológico externo e interno ........................... 463
11.1.2.2 Fases del ciclo hidrológico.......................................... 464
11.1.2.3 Alteraciones del ciclo hidrológico .............................. 466
11.1.2.4 Precipitaciones ........................................................... 467
11.1.2.5 Balance hídrico ........................................................... 468
11.1.3 Distribución y calidad del agua en la hidrósfera .................... 470
11.2 Cuencas hidrográficas ........................................................................ 471
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XXII
SUMARIO
11.2.1 Aguas superficiales ................................................................. 472
11.2.1.1 Ríos ............................................................................. 472
11.2.1.2 Lagos ........................................................................... 474
11.2.1.3 Glaciares .................................................................... 477
11.2.2 Aguas subterráneas ................................................................. 478
11.3 Gestión integrada del recurso hídrico. Huella hídrica ...................... 481
11.3.1 Gestión integrada del agua ...................................................... 481
11.3.2 Huella hídrica ......................................................................... 485
11.4 Aprovechamiento del agua para generación de energía eléctrica ..... 491
11.4.1 Principios de la conversión de energía hidráulica en
eléctrica .................................................................................... 492
11.4.2 Centrales hidroeléctricas ......................................................... 493
11.4.2.1 Centrales hidroeléctricas de embalse ........................ 493
11.4.2.2 Impactos ambientales de las centrales hidroeléctricas
de embalse ................................................................. 498
11.4.2.3 Centrales hidroeléctricas de pasada .......................... 499
11.4.2.4 Bases para el diseño de una central
minihidroeléctrica ...................................................... 504
11.5 Potencial y estado actual de la energía hidroeléctrica en algunos países
latinoamericanos ............................................................................... 507
11.5.1 México...................................................................................... 507
11.5.2 Colombia .................................................................................. 508
11.5.3 Argentina ................................................................................. 510
11.5.4 Chile ......................................................................................... 511
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 512
4ª PARTE. OTRAS FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES.
APLICACIONES ..................................................515
CAPÍTULO 12. ENERGÍA DEL MAR ........................................................517
12.1 Distribución geográfica y características de las aguas oceánicas ...... 517
12.2 Movimientos de las aguas marinas .................................................... 519
12.3 Energía térmica oceánica ................................................................... 526
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
SUMARIO
XXIII
12.4 Energía de las mareas......................................................................... 527
12.4.1 Tipos y características de las mareas ...................................... 528
12.4.2 Aprovechamiento de la energía de las mareas para producir
electricidad ............................................................................. 530
12.5 Energía de las olas .............................................................................. 537
12.5.1 Tipos y características de las olas ............................................ 537
12.5.2 Aprovechamiento de la energía de las olas para producir
electricidad .............................................................................. 539
12.5.2.1 Convertidores instalados en la costa.......................... 541
12.5.2.2 Convertidores instalados en el mar ........................... 543
12.6 Potencial de la energía del mar en algunos países latinoamericanos 547
12.6.1 México...................................................................................... 548
12.6.2 Colombia .................................................................................. 548
12.6.3 Argentina ................................................................................. 549
12.6.4 Chile ......................................................................................... 549
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 550
CAPÍTULO 13. ENERGÍA GEOTÉRMICA .................................................551
13.1 Estructura interna de la Tierra .......................................................... 551
13.2 Origen y distribución de los recursos geotérmicos ............................ 556
13.3 Estructura de los recursos geotérmicos ............................................. 558
13.4 Tipos de recursos geotérmicos según su naturaleza y aplicación ..... 559
13.4.1 Recursos de alta temperatura ................................................. 561
13.4.2 Recursos de temperatura media ............................................. 562
13.4.3 Recursos de baja temperatura ................................................ 562
13.5 Usos de la energía geotérmica............................................................ 563
13.6 Exploración de reservorios geotérmicos para ejecutar un proyecto
eléctrico.............................................................................................. 564
13.6.1 Estudios previos a la perforación exploratoria ....................... 564
13.6.2 Perforaciones de pozos exploratorios ..................................... 566
13.7 Generación de electricidad mediante energía geotérmica ................ 567
13.8 Tipos de centrales geotermoeléctricas .............................................. 569
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
XXIV
SUMARIO
13.8.1 Centrales de flash simple ........................................................ 569
13.8.2 Centrales de flash doble .......................................................... 571
13.8.3 Centrales de ciclo binario ........................................................ 572
13.8.4 Centrales de rocas calientes secas........................................... 572
13.9 Uso directo del calor interno de la Tierra .......................................... 573
13.9.1 Funcionamiento y eficiencia de la bomba de calor
geotérmica ............................................................................... 574
13.9.2 Tecnología del sistema bomba de calor geotérmica ............... 578
13.9.2.1 Características de los captadores ............................... 579
13.9.2.2. Variables del intercambio de calor en los captadores.
Material de fabricación.............................................. 582
13.10 Diseño de un sistema de climatización geotérmico de una casa ....... 584
13.10.1 Características de la casa ....................................................... 584
13.10.2 Determinación de cargas térmicas para climatización ......... 585
13.10.2.1 Cálculo de la transmitancia térmica de los
cerramientos .............................................................. 587
13.10.2.2 Cálculo de la transmitancia térmica de fachadas.... 589
13.10.3 Determinación de cargas térmicas de refrigeración ............. 591
13.10.3.1 Cálculo de la carga térmica externa de
refrigeración ............................................................. 592
13.10.3.2 Cálculo de la carga térmica interna de
refrigeración .............................................................. 594
13.10.4 Determinación de cargas térmicas de calefacción ................ 595
13.10.5 Resultados del cálculo de climatización ............................... 598
13.10.6 Elección de la bomba de calor geotérmica y del sistema
interior de refrigeración y calefacción .................................... 601
13.11 Diseño de un sistema geotérmico de agua caliente sanitaria ........... 601
13.11.1 Cálculo para instalar un sistema geotérmico de agua caliente
sanitaria .................................................................................. 602
13.11.2 Diseño del intercambiador de calor enterrado de la bomba de
calor geotérmica ...................................................................... 603
13.12 Impacto ambiental de la explotación de la energía geotérmica ........ 605
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
SUMARIO
XXV
13.13 Situación de la energía geotérmica en algunos países
latinoamericanos ................................................................................ 608
13.13.1 México ................................................................................... 608
13.13.2 Colombia................................................................................ 610
13.13.3 Argentina ............................................................................... 611
13.13.4 Chile ....................................................................................... 612
Ejercicios y preguntas.................................................................................. 615
CAPÍTULO 14. EMPLEO EFICIENTE Y SUSTENTABLE DE LA ENERGÍA .619
14.1 Motivación para la eficiencia energética ............................................ 619
14.2 Mejoras en la eficiencia energética de la industria ............................ 621
14.3 Eficiencia en la generación y distribución de la energía eléctrica ..... 623
14.4 Eficiencia energética en el transporte ................................................ 625
14.5 Eficiencia energética en la vivienda ................................................... 626
14.6 Eficiencia energética en los artefactos domésticos ............................ 628
14.7 Eficiencia energética en la iluminación de interiores y exteriores .... 629
14.8 Origen del concepto de desarrollo sustentable .................................. 631
14.9 Desarrollo sustentable de la energía .................................................. 633
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
1ª PARTE
INTRODUCCIÓN
El tema de esta obra concierne a las fuentes de energía renovables y no renovables, cuyas aplicaciones la humanidad utiliza para sus múltiples necesidades: calor, vivienda, alimentos, transporte, comunicación, salud, educación,
entretención y otras.
La energía, en este mundo en desarrollo, es la base que sustenta e integra a todas las formas de vida que existen en el planeta Tierra y produce
el bienestar de su población. Por esta razón resulta muy importante conocer
previamente los recursos naturales, qué son las fuentes renovables y no renovables de la energía y comprender las leyes que gobiernan su uso. Estos temas
son el objetivo de los capítulos 1 y 2. El capítulo 3 trata sobre la energía eléctrica: energía secundaria porque su fuente son las energías primarias, tanto no
renovables como el petróleo, y renovables como el sol y el viento, motivo por
el cual sus principios y aplicaciones se revisan en esta primera parte. Como
la energía electroquímica es una manera de almacenar energía eléctrica en
pequeños montos, también se trata a continuación en el capítulo 4.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
01
CONCEPTOS BÁSICOS
SOBRE ENERGÍA
1.1 CONCEPTO Y DEFINICIÓN DE ENERGÍA
La energía es algo inmaterial y fundamental del universo. En la Tierra ilumina las ciudades, moviliza los automóviles, camiones, buses, trenes, buques y
aviones para el transporte de las personas y bienes; climatiza las viviendas,
proporciona calor para cocinar y agua caliente en los hogares; permite emplear los aparatos electrónicos de visión, audición y entretención; acciona máquinas en la industria y tractores en la agricultura. El sol irradia luz y calor y
hace crecer las plantas. Todo lo que ocurre está vinculado, de una u otra manera, con la energía. Cabe entonces preguntarse: ¿qué sucedería si en algún
momento se interrumpe la entrega de la energía durante 24 h en una ciudad?
Está claro que este ente, desprovisto de materia, es vital para la existencia de nuestra civilización. La palabra energía proviene del griego energeia,
que significa actividad o fuerza. La energía se define como “la capacidad de
efectuar un trabajo”. Las tareas de este trabajo pueden ser mecánicas, físicas,
químicas o eléctricas. Por su cuenta, el trabajo es el “producto de una fuerza
por la distancia”, lo que implica que esta última definición se está empleando
en un sentido físico. Cuando la gasolina se quema en un motor se realiza el
trabajo de impulsar un pistón y, a su vez, este combustible proporciona la
energía. En general, el trabajo significa acciones que producen movimiento,
calentamiento, iluminación y otras, todas ellas diferentes formas de trabajo.
1.2 FORMAS DE LA ENERGÍA
La energía se dispone de diferentes formas. En la mecánica se puede manifestar de dos maneras: energía cinética y energía potencial. La energía
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
4
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
cinética es una energía presente asociada con el movimiento y la segunda es
una energía en potencia asociada con la posición o con la forma. Un cuerpo
en movimiento posee energía cinética (Ec) que depende de su masa (m) y de
su velocidad (v):
Ec = ½ · m · v2
[1.1]
La energía potencial es la energía que adquiere un cuerpo cuando se
lleva a una determinada posición en contra de una fuerza. Normalmente, esta
fuerza es la atracción de la gravedad. Para elevar un cuerpo se debe realizar
un trabajo; este trabajo se almacena en el cuerpo en forma de energía potencial. Si después de elevarlo se deja caer, el cuerpo adquirirá energía cinética
y llegará al suelo con la capacidad de efectuar un trabajo: por ejemplo, desplazar una piedra que estaba en su camino. De acuerdo con esta definición,
la energía tiene las mismas dimensiones que el trabajo y se medirá en las
mismas unidades que éste.
En Física se estudia que la fuerza (F) es “toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo” y es el producto de
la masa (m) por la aceleración (a), donde F y a son magnitudes vectoriales
porque tienen dirección y sentido. Los vectores se representarán de aquí en
adelante mediante letra cursiva.
F=m·a
[1.2]
La expresión [1.2] corresponde a la segunda ley de Newton. La energía
potencial (Ep) es “el trabajo (W) realizado por una fuerza (F) mediante el cual
se eleva un cuerpo de masa (m) desde el suelo a una altura (h), venciendo la
gravedad (g), que es aceleración”. Puesto que la fuerza aplicada tiene la misma intensidad que el peso del cuerpo (F = m · g), entonces es directamente
proporcional a la fuerza, masa y gravedad:
Ep = W = F · h = m · g · h
[1.3]
Aparte de las dos formas mecánicas de la energía existen los siguientes
tipos de energía:
– Energía térmica
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
1.2 FORMAS DE LA ENERGÍA
5
– Energía química
– Energía bioquímica
– Energía metabólica
– Energía eléctrica
– Energía eólica
– Energía geotérmica
– Energía radiante
– Energía del mar
– Energía acústica
– Energía electromagnética
– Energía nuclear
La energía térmica es la “energía asociada al movimiento de los átomos y moléculas”. Se puede evaluar mediante medición de la temperatura.
Cuanto más intenso es el movimiento de átomos o moléculas, más caliente
estará la materia y mayor será su energía térmica. Sin embargo, es preciso
distinguir correctamente la diferencia entre energía térmica y temperatura.
Un matraz pequeño de 250 ml y un tambor de 200 l llenos con agua a 25°C
tienen la misma temperatura, pero el tambor tiene mucha más energía térmica que el matraz; hay más masa de agua y mayor movimiento molecular
en el tambor. La temperatura es, entonces, una medida de la velocidad media
del movimiento de átomos y moléculas de la materia en un momento dado.
Es importante tener en cuenta la diferencia entre energía térmica y calor.
“Calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a
diferente temperatura”. A pesar que esta definición de calor implica transferencia de energía, el término “calor” se emplea para describir los cambios
energéticos que ocurren durante un proceso.
La energía química es la energía que se almacena en el interior de las
unidades estructurales (átomos, moléculas, iones) de la materia. Cuando esta
materia reacciona, la energía química se libera, se almacena o se convierte en
otra forma de energía. Por ejemplo, se libera energía química, en forma de
calor, al quemar el carbón. La energía química se puede considerar como una
forma de energía potencial porque está relacionada con la posición relativa
de los átomos en una molécula.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
6
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
La energía bioquímica es energía química que está presente en el
desarrollo de los seres vivos.
La energía metabólica se genera por los organismos vivos gracias
a procesos químicos de oxidación como consecuencia de los alimentos que
ingieren. Es un tipo de energía bioquímica.
La energía eléctrica es el movimiento de electrones que constituye
la corriente eléctrica, partículas que se mueven en un conductor por la fuerza
ejercida sobre ellas por un campo eléctrico.
La energía radiante o solar viene del Sol y es la principal fuente de
energía del planeta Tierra. Es la energía de la luz (ver energía electromagnética). Según Einstein, la luz es una corriente de partículas que hoy se conoce
como fotones. Esta energía calienta la atmósfera, la superficie de continentes y mares, estimula el crecimiento de las plantas (fotosíntesis) y condiciona
el clima, entre otras acciones.
La energía del mar es la energía que tienen las olas, mareas, corrientes y gradientes de temperatura del agua.
La energía eólica es la energía del viento que se debe al movimiento
del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre.
La energía geotérmica es el calor contenido en los materiales que
componen el núcleo y el manto de la Tierra que se transmite paulatinamente
a la corteza, generando un flujo ascendente de calor.
La energía acústica se manifiesta en los fenómenos sonoros.
La energía electromagnética se refiere a la energía que se mueve a
la velocidad de la luz en un patrón de ondas armónicas. Se genera por campos
electrostáticos, por campos magnéticos o por corrientes eléctricas. Las ondas
de radio, de televisión y las de hornos de microondas son ejemplos de energía
electromagnética que difieren en su longitud de onda.
La energía nuclear es la energía que une a los nucleones (neutrones
y protones) en el núcleo de un átomo. Posee tres modalidades:
– Energía de fisión nuclear: se libera cuando un núcleo muy pesado se
divide.
– Energía de fusión nuclear: se libera cuando dos núcleos muy ligeros
se unen.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
1.3 CALIDAD DE LA ENERGÍA
7
– Energía de decaimiento radiactivo: se libera cuando un núcleo atómico inestable emite partículas (alfa, beta o gamma) para convertirse
en un núcleo atómico más estable.
1.3 CALIDAD DE LA ENERGÍA
La calidad de la energía es una medida de su utilidad o de su capacidad para ejecutar un trabajo. La energía de alta calidad está organizada, concentrada,
ordenada para lograr un trabajo útil. Ejemplos de sustancias que poseen energía de alta calidad son los combustibles fósiles: petróleo, carbón, gas natural.
La energía de baja calidad está desorganizada, dispersa, desordenada. Ejemplos de sustancias que poseen baja calidad es el agua de mar
porque sus moléculas en movimiento tienen el calor dispersado en una gran
masa de agua. La atmósfera posee también una gran masa de aire cuyo calor
está disperso, por lo que la energía térmica del aire es de baja calidad. En
ambos casos es imposible calentar objetos a altas temperaturas. La Tabla 1.1
presenta la calidad de diferentes formas de energía.
TABLA 1.1. CALIDAD Y FORMAS DE LA ENERGÍA
Calidad de la energía Formas de la energía
Muy alta
Alta
Mediana
Baja
Alfaomega
– Electricidad: arco eléctrico a 2500 °C
– Fisión nuclear de uranio 235
– Luz solar muy concentrada
– Calor de alta temperatura (1000-2500 °C)
– Hidrógeno
– Gas natural (metano)
– Gasolina
– Carbón
– Alimentos
– Luz solar normal
– Viento con velocidad moderada
– Flujo hidráulico de alta velocidad
– Energía geotérmica concentrada (>100 °C)
– Madera
– Energía geotérmica dispersa (< 100 °C)
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
8
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
1.4 UNIDADES DE MEDIDA DE LA ENERGÍA
En el Sistema Internacional (SI) de medidas se utilizan las siguientes definiciones energéticas:
Newton (N) es “la fuerza que, ejercida sobre un cuerpo de masa de
1 Kg, le comunica una aceleración de 1 m/s2”.
Julio (J) es la unidad de energía y trabajo que se define como “el trabajo que realiza una fuerza de 1 N sobre un cuerpo que se desplaza 1 m en la
dirección y sentido de la fuerza”.
Vatio (W) es la unidad de potencia que, como se ha visto, es “la energía desarrollada por unidad de tiempo”, en este caso el segundo (s).
1 W = 1 J /s
Según esta ecuación, la potencia es “la energía multiplicada por el tiempo en el que se produce la energía”. Si esta energía es la eléctrica el consumo
de ella se mide en kilovatio·hora (KW·h)
1 KW·h = (1000 J/s) · (3600 s/h) = 3 600 000 J
Electronvoltio (eV) es “la energía que adquiere un electrón al pasar
de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio”.
1 eV = 1,602 · 10-19 J
En Química se emplea corrientemente la caloría como unidad de energía térmica en vez del Joule (Julio).
Caloría (cal) es “la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura
de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C”.
1 cal = 4,18 J
En el sistema británico de medidas todavía se emplea la British Termal Unit (BTU), que es la cantidad de energía necesaria para calentar una
libra (0,454 Kg) de agua en un 1 °F (0,556 C°). Es igual a 1055 J, en números
redondos.
1 BTU =1055 J
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
1.5 LEYES DE CONSERVACIÓN Y DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA
9
Las equivalencias entre estas unidades del SI de la energía térmica y la
eléctrica se reúnen en la Tabla 1.2.
TABLA 1.2. EQUIVALENCIAS ENTRE UNIDADES DE LAS ENERGÍAS TÉRMICA Y
ELÉCTRICA
Tipo
Unidad
Equivalencia
Julio
Equivalencia
KW•h
Térmica
Julio
1
2,724 • 10-6
Eléctrica
KW•h
3,6 • 106
1
Para poder evaluar la calidad energética de los distintos combustibles
se han establecido unidades basadas en el poder calorífico (ver sección 2.3) de
cada uno de ellos. Las más utilizadas en economía energética son Kcal/Kg, tec
y tep.
Kcal/Kg indica el número de kilocalorías que se obtienen en la combustión de 1 Kg de combustible.
tec: toneladas equivalentes de carbón. Representa la energía liberada
por la combustión de una tonelada de carbón.
1 tec = 29,3 · 109 J
tep: tonelada equivalente de petróleo. Equivale a la energía liberada
en la combustión de una tonelada de petróleo crudo.
1 tep = 41,84 · 109 J
1 tep = 1,428 tec
1.5 LEYES DE CONSERVACIÓN Y DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA
Todas las formas de energía son intercambiables. Cuando el sol incide sobre
la arena la calienta, transformando la energía radiante en térmica. También,
el calentamiento desigual de masas de aire produce un desplazamiento de
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
10
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
éstas que constituye el viento; se ha transformado energía térmica —calor—
en energía eólica. El agua que cae desde un embalse se puede aprovechar
para producir movimiento, con lo cual se transforma energía potencial en
cinética.
Los científicos han deducido de éstos y muchos otros ejemplos que, a
pesar que la energía posee muchas formas, ésta no se puede crear o destruir,
es decir, cuando aparece una forma de energía debe desaparecer otra de igual
magnitud. Si se considera la energía cinética y potencial, ya definidas y cuantificadas, entonces cuando se ha convertido totalmente una de ellas en la otra
significa que la magnitud de la que aparece es igual a la de la que desapareció
y en un punto intermedio de este intercambio se cumple:
Ec + Ep = cte.
[1.4]
Esta deducción y su expresión matemática es la ley de conservación de la energía, según la mecánica clásica, que se puede enunciar así:
“la energía total del universo permanece constante”. Por lo tanto, en los
cambios físicos o químicos no existe un monto de energía que desaparezca
o aparezca, sino que en estos procesos de cambio el monto total de energía
es el mismo.
Un motor eléctrico que se encuentra conectado a la red sufre un calentamiento al transformar energía eléctrica en mecánica. Así, en el ejemplo
de la Figura 1.1 el motor recibe 1000 J de energía eléctrica pero sólo entrega
900 J de energía mecánica porque el resto se perdió en energía térmica. Sin
embargo, el total de la energía, la suma de la energía mecánica más el calor,
es igual a la energía eléctrica entregada al motor.
Puesto que la primera ley de la energía dice que no puede aparecer o
desaparecer energía, podría deducirse que siempre habrá energía suficiente.
La vida diaria, sin embargo, demuestra que una pila —como el combustible—
se agota. No es que haya desaparecido la energía; sólo ha ocurrido una disminución de la calidad de ésta, o también se puede decir que ha disminuido la
cantidad de energía útil, o bien que una parte se ha liberado y por lo tanto se
ha transferido, por ejemplo, al ambiente.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
1.5 LEYES DE CONSERVACIÓN Y DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA
1000 J
MOTOR
ELÉCTRICO
ELÉCTRICA
11
900 J
MECÁNICA
100 J
TÉRMICA
Figura 1.1. Transformaciones de la energía en un motor eléctrico
Al igual que con la ley anterior los científicos han demostrado que en
cualquier conversión de una energía ocurre una degradación de ella. La ley
de disipación de la energía se suele expresar así: “cuando la energía cambia de una forma a otra, parte de la energía útil siempre se disipa a una de
calidad inferior”. Esta energía liberada es menos útil, está más dispersa o si
se quiere está más desordenada. Se dice que ha aumentado la entropía, que
es una forma de medir el desorden, concepto que se ampliará posteriormente. Generalmente esta energía se ha liberado en forma de calor que se entrega
al ambiente y que se dispersa en él. Cuanta más energía se emplee, tanto más
energía desordenada, en forma de calor, recibe el ambiente.
Algunos ejemplos ilustran este concepto. La gasolina, que posee energía química de alta calidad, al inflamarse se convierte en energía mecánica en
el motor de un vehículo; no obstante, solamente alrededor de un 10% de la
energía química se convierte en energía mecánica. El 90% restante se transforma a energía térmica de baja calidad que se entrega al ambiente. Cuando se enciende una ampolleta incandescente, el filamento que conduce la
energía eléctrica produce luz debido a la incandescencia del filamento; la luz
producida es sólo un 5% de energía radiante y el resto es calor de baja energía. Los seres vivos, al ingerir alimentos, contienen energía química de alta
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
12
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
calidad, pueden realizan múltiples actividades propias de su existencia con
esta energía, pero a la vez disipan calor de baja calidad que capta el ambiente.
La segunda ley de disipación implica también que nunca se puede
reutilizar energía de alta calidad para efectuar un trabajo útil.
1.6 EFICIENCIA DE LA ENERGÍA, TRABAJO Y POTENCIA
En la sección anterior se vio que cuando se produce un proceso de transformación de energía, la cantidad lograda de esta, es decir, la energía útil (Eu),
es menor a la cantidad inicial (energía total); el resto lo absorbe el ambiente:
es energía perdida (Ep). Por ejemplo, la que pierde el motor eléctrico de la
Figura 1.1.
Energía total (Et) = Energía útil (Eu) + Energía perdida (Ep). Por lo tanto, la eficiencia o rendimiento (η) en esta conversión de energía es:
η = Eu / Et = 1 – Ep / Et
[1.5]
Como consecuencia de la ecuación anterior, se deduce que la eficiencia será siempre un valor inferior a uno y que no podrá obtenerse el valor 1
(< 100%) por ser contrario a la ley de disipación de la energía.
El rendimiento más bajo ocurre cuando la energía térmica sufre
una transformación en otra forma de energía. En cambio, los rendimientos más elevados se logran al transformar la energía eléctrica en otra forma
energética.
En la sección 1.2 se afirmó que la energía tiene las mismas dimensiones
que el trabajo y se mide en las mismas unidades que el trabajo. En consecuencia, la eficiencia (η) del trabajo (W) es:
η = Trabajo útil (Wu) / Trabajo total (Wt)
η = 1 – [Trabajo perdido (Wp) / Trabajo total (Wt)]
η = Wu / Wt = 1- Wp / Wt
[1.6]
El trabajo perdido puede originarse por pérdida de energía mecánica
en la máquina (roce) o de energía térmica (calor). Las fuerzas de roce que
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
1.7 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
13
siempre están presentes son disipativas y constituyen la principal fuente de
pérdida de energía en cualquier proceso.
La potencia (P) se define como la energía desarrollada por unidad de
tiempo o el trabajo realizado por unidad de tiempo; por lo tanto, la eficiencia
o rendimiento (η) expresado en función de la potencia es:
η = Pu/Pt = 1 - Pp/Pt
[1.7]
1.7 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
La termodinámica es la ciencia que estudia el calor y otras formas de energía,
así como la relación entre ellas. Antes de presentar sus principios, se requiere
conocer previamente algunos conceptos utilizados en esta ciencia.
Un sistema (también denominado sustancia de trabajo) se define como
la parte del universo objeto de estudio, o bien, como una porción del espacio
delimitado por una superficie que se denomina pared y por el exterior. Un
sistema puede ser el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y
aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etcétera. El sistema puede
estar separado del resto del universo (denominado medio ambiente del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto
de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de su medio ambiente pueden ser térmicamente
aislantes (paredes adiabáticas).
Una ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema
en equilibrio, las variables presión (P), volumen (V) y temperatura absoluta
(T) que lo describen. Un sistema está en equilibrio cuando se observa que las
variables que describen su estado no cambian.
No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las sustancias para todas las condiciones de presión y temperatura. La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión baja y a una
temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
14
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones: a) no hay interacciones
entre las moléculas del gas; b) el volumen de las moléculas es nulo. La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de
estado de un gas ideal.
Las variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema. Dependiendo de la naturaleza del sistema, objeto
de estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variables termodinámicas
para describirlo. En el caso de un gas, estas variables son: masa, P, V y T.
Una función de estado es una propiedad de un sistema que depende
sólo del estado del sistema, y no de la forma en que llegó a dicho estado. Por
ejemplo, la energía interna y la entropía son funciones de estado. El calor y
el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de
transformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final.
Energía interna (U) es la suma de la energía cinética (movimiento
de moléculas y átomos) y la energía potencial (fuerzas de atracción y repulsión de partículas atómicas y de moléculas) de un sistema que está estacionario. Es imposible determinar esta suma por lo que se recurre a conocer los
cambios que ella experimente, que sí son posibles de evaluar.
Por lo tanto, el cambio de energía interna (ΔU) de un sistema entre su
estado inicial (Ui) y su estado final (Uf) es:
ΔU = Uf - Ui
[1.8]
El concepto de sistema se refiere a una parte específica del espacio donde ocurre un fenómeno; en el caso de una reacción química, el sistema son los
reactivos y el equipo (por ejemplo un matraz o un reactor) en cuyo interior
ocurre la reacción.
Por simplificación muchas veces se omiten las expresiones Uf y Ui para
referirse al cambio en si mismo (ΔU).
Para medir el cambio de calor absorbido o liberado por un sistema químico durante un proceso a presión constante, situación en la que se produce
la mayoría de las reacciones químicas, la Química utiliza una propiedad denominada entalpía (H), que se define de la siguiente manera:
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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1.7 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
15
H=U+P·V
Donde P es la presión invariable a la que se encuentra el sistema y V,
el volumen variable.
Como esta expresión comprende la energía interna, la entalpía se expresa como una diferencia entre dos estados:
ΔH = ΔU + P · (ΔV)
[1.9]
Puesto que U y P·V tienen unidades de energía y son funciones de estado, porque dependen sólo del estado inicial y del final, H también tiene
unidades de energía y es una función de estado.
1.7.1 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Este principio, que algunos autores llaman ley, se puede expresar mediante
la siguiente ecuación:
ΔU = Q + W
[1.10]
Esta relación dice que “el cambio de energía interna de un sistema es
la suma del intercambio de calor (Q) entre el sistema, su medio ambiente y
el trabajo (W) realizado por el sistema o sobre el sistema”. Recuérdese que el
calor Q es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a
diferente temperatura (sección 1.2). La relación entre estas tres magnitudes
se ilustra en la Figura 1.2.
CALOR (Q)
ESTADO i
(Ui)
U f - Ui = Q + W
ESTADO f
(Uf)
TRABAJO (W)
Figura 1.2. Relación entre energía interna (U), calor (Q) y trabajo (W)
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
16
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
El calor intercambiado entre el sistema y el medio ambiente, así como el
trabajo ejecutado por el sistema o desde fuera del sistema, puede ser positivo
o negativo. Entonces, el calor Q será negativo si el sistema pierde calor, por lo
que en el caso de reacciones químicas se tratará de una reacción exotérmica, o
será positivo si el sistema gana calor y la reacción será endotérmica. En cuanto
al trabajo, se considera que W será negativo cuando el exterior ejerza trabajo
sobre el sistema y positivo cuando el sistema entregue trabajo al exterior.
La ley de conservación de la energía dice que ésta se puede convertir
de una forma en otra pero que no se crea ni se destruye; en otras palabras,
la energía permanece constante. Si un sistema pierde calor hacia el medio
ambiente o ejecuta un trabajo sobre el medio ambiente, su energía interna
disminuirá porque ambos procesos consumen energía, pero la energía total
intercambiada será la misma. Por lo tanto, la ley de conservación de la energía y el primer principio de la termodinámica expresan de distinta manera un
mismo concepto.
En un proceso a presión constante la expansión de un gas debe ejercer
un trabajo contra la presión atmosférica, por lo tanto el trabajo W realizado
por el gas es negativo:
W = - P·ΔV
Para este proceso el cambio de energía interna (ΔU = Q + W) será:
ΔU = Q - P·ΔV y por lo tanto Q = ΔU + P·ΔV
[1.11]
Como la entalpía a presión contante es: ΔH = ΔU + P· (ΔV), entonces:
ΔH = Q
[1.12]
La entalpía, o mejor, el cambio de la entalpía, es equivalente al calor para los procesos que ocurren a presión constante, procesos que son la
mayoría.
Además de conocer la termodinámica de la entalpía, para poder expresar el segundo principio de la termodinámica es preciso introducir el concepto de entropía. La entropía es una “medida del grado de desorden de un sistema”. Cuando aumenta el desorden de un sistema, mayor será la entropía.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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1.7 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
17
Si por el contrario disminuye el desorden, que implica un aumento del orden,
la entropía también disminuye.
Un ejemplo de estas situaciones lo da el agua. En el hielo las moléculas
de agua forman una inmensa estructura sólida donde las moléculas se disponen de una manera fija y precisa. La entropía de esta disposición, muy ordenada, corresponde a una baja entropía. Cuando el hielo se transforma en un líquido, se pierde esta estructura ordenada porque las moléculas de agua tienen
más energía y ya no ocupan espacios fijos: son móviles, están desordenadas;
en definitiva, tienen mayor entropía. Si a continuación se entrega calor al agua
líquida ésta se evapora, el movimiento de ellas es caótico y su entropía aumenta respecto del agua líquida. En general, las moléculas de los sólidos (s) están
más ordenadas que las de los líquidos (l) y éstas están más ordenadas que las
de los gases (g). Las correspondientes entropías han aumentado: Sg > Sl > Ss.
La entropía, análogamente a la entalpía, es una función de estado, es
decir, su cambio depende sólo del estado inicial (i) y del final (f):
ΔS = Sf - Si
Un clavo abandonado se oxida, un objeto caliente transfiere calor a
quien lo toque, un huevo que cae se rompe. Todos estos procesos, que suceden sin intervención externa, se denominan espontáneos. Los procesos
inversos a éstos son no espontáneos.
En los procesos espontáneos la energía se conserva, como debe ser según la ley de conservación de la energía. El sentido en el cual un proceso es
espontáneo puede depender en gran medida de la temperatura. Por ejemplo,
cuando la temperatura es mayor que 0, el hielo se funde. Por su cuenta, las
moléculas de agua líquida están más desordenadas que en el hielo. De lo anterior se desprende que la espontaneidad se asocia con el grado de desorden
de un sistema, su entropía.
Cuando la energía cambia de una forma a otra, parte de la energía útil
se disipa a una energía de calidad interior (ley de disipación de la energía),
que está más desordenada. Esta energía disipada o no útil equivale a que se
desperdicia entalpía en la transformación. Esta energía es entropía disipada
como productos residuales y calor.
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18
01 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ENERGÍA
1.7.2 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Con estas ideas se puede entender el significado del segundo principio de la
termodinámica: “en un proceso espontáneo la entropía del universo (uni) aumenta”. El universo debe entenderse como la suma del sistema (sis) y su medio
ambiente (amb), por lo tanto la expresión matemática del segundo principio es:
ΔSuni = ΔSsis + ΔSamb > 0
[1.13]
La entropía aumenta en cualquier transformación de energía desde
una zona de mayor concentración de energía hasta otra de menor concentración de ella. Este aumento de la entropía está acompañado de una pérdida de
energía que puede ser el calor que, como se sabe, fluye de manera espontánea
desde un cuerpo más caliente a otro más frío.
Para calcular el cambio de la entropía, conviene referirse a un proceso
exotérmico del sistema. En este tipo de proceso el calor producido se entrega
a las moléculas del medio ambiente y éstas experimentan un aumento de
sus movimientos y, como consecuencia, se da un aumento de la entropía del
medio ambiente. En otras palabras, un proceso exotérmico transfiere calor
desde el sistema al medio ambiente (ambiente o espacio en torno al sistema),
produciendo un aumento de la entropía de los alrededores. Alternativamente, un proceso endotérmico absorbe calor de los alrededores con una disminución de entropía de los alrededores.
Si un proceso exotérmico ocurre a presión constante, el cambio de calor (Q) es igual al cambio de entalpía (Q = ΔH). Por lo tanto, el cambio de
entropía (ΔSamb) será proporcional al cambio de entalpía del sistema (ΔHsis)
con signo negativo porque se trata de un proceso exotérmico en el cual el
sistema pierde calor:
ΔSamb es proporcional a -ΔHsis
El cambio de entropía depende también de la temperatura, porque a
alta temperatura, mayor es el movimiento de las moléculas de los alrededores
o ambiente; por lo tanto, la absorción de calor por parte del sistema será poco
importante en los movimientos de las moléculas del sistema, por lo que el
cambio de entropía del sistema será poco significativo. En el caso de que la
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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1.7 PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
19
temperatura del ambiente sea baja, siempre en un proceso exotérmico, entonces la entrega de la misma cantidad de calor al ambiente producirá un
aumento más significativo en los movimientos moleculares y por ende un
mayor aumento de la entropía. En resumen, existe una relación inversa entre
la temperatura Kelvin y la entropía del medio ambiente. Esta relación permite evaluar la entropía del ambiente en función de la entalpía del sistema y la
temperatura Kelvin:
ΔSamb = -ΔHsis / T
[1.14]
En esta ecuación la temperatura Kelvin es tanto del sistema como del
medio ambiente.
Ya se ha visto que la diferencia de entalpía en un proceso a presión
constante es igual al calor (Δ H = Q), por lo que la ecuación anterior se transforma en la siguiente igualdad:
ΔS = Q/T
[1.15]
Como recién se ha expresado, el segundo principio establece que en
un proceso espontáneo la entropía del universo aumenta o, lo que es equivalente, el grado de desorden del universo aumenta. También se afirmó que la
entropía aumenta en cualquier transformación de energía desde una región
de mayor concentración a otra de menor concentración. Esta transformación
de la energía significa una menor utilidad de ella. Así, la eficiencia de cualquier proceso de transformación de la energía, que ocurre con aumento de
entropía, será siempre menor que el 100%.
La ecuación ΔS = Q/T establece que una misma cantidad de energía
calorífica (Q) produce mayor desorden en una porción de agua fría (menor
Tf) que en otra caliente (mayor Tc), porque para una misma cantidad de calor
entregada al agua, el agua fría experimenta mayor desorden que la caliente.
Si la cantidad de calor transferida es Qt, entonces:
Qt / Tc < Qt / Tf
[1.16]
donde Tc = temperatura absoluta caliente; Tf = temperatura absoluta fría.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
02
RECURSOS
NATURALES
2.1 TIPOS DE RECURSOS NATURALES
Los recursos naturales son todos aquellos bienes materiales y servicios que
proporciona la naturaleza para satisfacer las necesidades o deseos humanos.
Estos recursos son valiosos para los seres humanos porque contribuyen a su
bienestar y desarrollo de manera directa. Por ejemplo: las materias primas,
los minerales y los alimentos.
Según su disponibilidad en el tiempo, su tasa de recuperación y rapidez de uso o consumo, se clasifican en renovables y no renovables. Los recursos naturales renovables son los propios del suelo y del mar, donde
se encuentran los principales productos bióticos como los animales, peces,
bosques y plantas, de los cuales proceden los alimentos y la madera. Este tipo
de recursos son renovables si su tasa de recuperación es superior a la de su
extracción. Es renovable también la energía solar, la cual es inagotable. Los
recursos geotérmicos se consideran renovables por la inmensa cantidad de
ellos; sin embargo, los depósitos geotérmicos en particular pueden agotarse
si la tasa de extracción del calor en ellos es mayor que la de su renovación.
El origen de todos estos recursos renovables se encuentra en el Sol,
la principal fuente de energía del planeta Tierra, energía que a su vez activa
en la Tierra los recursos de flujo, viento y agua, que transita por los ríos y
los mares. El contenido energético de la radiación solar recogida anualmente
sobre un metro cuadrado equivale al calor desprendido por 190 Kg de carbón
bituminoso (sección 2.3.2). La energía solar satisface todos los requerimientos energéticos básicos del hombre y, empleada eficazmente, entregaría más
energía que la que se necesita. Cabe preguntarse el motivo por el cual no se
ha difundido su empleo. La respuesta está en el hecho de que es una energía
difusa e intermitente (sección 8.2), por lo que su almacenamiento es costoso;
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
22
02 RECURSOS NATURALES
sigue siendo más barato la extracción y consumo de combustibles fósiles. Obviamente, si tuviese que pagarse el costo ambiental que estos combustibles
ocasionan la situación cambiaría.
Los recursos naturales no renovables son aquellos que se pueden
agotar porque proceden de depósitos limitados o tienen ciclos de regeneración muy por debajo de la tasa de extracción o de explotación, como son los
hidrocarburos fósiles (petróleo, carbón, gas natural), algunos minerales (uranio, cobre, oro) y el agua contenida en acuíferos sin recarga.
Además, existen los recursos naturales de flujo, que son aquellos
cuya disponibilidad no se ve afectada, independientemente de que se les use
o se les deje fluir. Ejemplos son el agua y el viento. Sobre el agua es menester
precisar que, aunque su disponibilidad no sea afectada, sí se afecta su calidad.
Los recursos energéticos son todas aquellas sustancias sólidas, líquidas o gaseosas de las cuales se puede obtener energía a través de diversos
procesos. Estas sustancias forman parte de los recién descritos recursos renovables o de los que no son renovables.
2.2 EL SOL COMO FUENTE PRIMARIA
En la sección precedente se afirmó que el Sol es la fuente primaria de energía
del planeta Tierra. El Sol es una estrella formada por una masa gaseosa de
hidrógeno (H) y helio (He), cuyo diámetro es 1,4·106 Km, situada a 1,5·108 Km
de la Tierra. Esta estrella emite energía electromagnética en forma de luz
hacia la Tierra y en todas las direcciones.
El Sol es un gigantesco cuerpo compuesto de H (72%) y He (28%) cuya
presión y temperatura elevadísimas permiten que los núcleos de hidrógeno
que chocan experimenten fusión nuclear (unión de dos núcleos que forman otro núcleo más pesado) para generar helio, con liberación de un neutrón y de una inmensa cantidad de energía. Un ejemplo de reacción:
2
H
1
+
H
2
1
deuterio
→
3
2
He
helio
n
1
0
+
+ E
neutrón energía
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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2.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
23
En esta ecuación nuclear el superíndice denota el número de masa atómica (número total de protones y neutrones) y el subíndice, el número atómico (el número de protones). El número de masa del neutrón es 1 pero su
número atómico es 0 porque no hay protones.
Como se aprecia en esta ecuación y varias más que representan las reacciones de fusión, ocurre una pérdida de masa, esto es, el total de hidrógeno consumido pesa más que el helio producido. Esa diferencia de masa se
transforma en energía según la ecuación de Einstein (E = mc2), donde E es
la energía, m, la masa y c, la velocidad de la luz. Estas reacciones nucleares
transforman el 0,7% de la masa afectada en fotones, partículas componentes
de la luz, con una longitud de onda muy corta y, por lo tanto, muy energéticas
y penetrantes. La energía producida mantiene el equilibrio térmico del núcleo solar a temperaturas aproximadamente de 15 millones de K.
La Tierra sólo recibe un mil millonésimo de la energía radiante emitida. Este flujo de energía que es luz incide sobre el planeta; está formado por
cantidades aproximadamente iguales de luz visible (Evis) y de luz ultravioleta
(Euv), más una pequeña cantidad de luz infrarroja (Eir).
La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos procede del
Sol; las plantas la absorben directamente y realizan la fotosíntesis (sección
9.1), los herbívoros absorben indirectamente una pequeña cantidad de esta
energía y los carnívoros absorben indirectamente una cantidad más pequeña
comiendo a los herbívoros. La mayoría de las fuentes de energía usadas por
el hombre derivan indirectamente del sol (secciones 2.2 y 8.1).
Los hidrocarburos fósiles preservan energía solar capturada hace millones de años mediante fotosíntesis y la energía hidroeléctrica usa la energía
potencial de agua que se condensó en altura después de haberse evaporado
por el calor del sol.
2.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
Los hidrocarburos fósiles —restos mineralizados de organismos que están en
el interior de la corteza terrestre— son, en la actualidad, la principal fuente de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
24
02 RECURSOS NATURALES
la energía térmica. Como ya se ha dicho, estos hidrocarburos son el petróleo,
líquido negro y viscoso, el carbón, sólido negro, y el gas natural, constituido
principalmente por el más pequeño de los hidrocarburos, el metano.
2.3.1 PETRÓLEO
Es una compleja mezcla natural compuesta principalmente por hidrocarburos y otros compuestos carbonados que tienen principalmente azufre; minoritariamente también están presentes níquel, vanadio y otros metales. Esta
mezcla contiene hidrocarburos sólidos como el asfalto, hidrocarburos líquidos como el aceite crudo y gases como el metano. La composición porcentual de los elementos que integran las moléculas constituyentes del petróleo
es: carbono (84%), hidrógeno (14%), azufre (1-3%), nitrógeno (<1%), oxígeno
(<1%), metales (<1%), sales (<1%).
Existen varias teorías que explican el origen de este recurso, entre las
cuales la biogenética es la más aceptada. Ésta dice que el petróleo se formó
a partir de organismos animales y vegetales que quedaron ocluidos en el interior de la corteza y que a través de miles de años se transformaron, en un
ambiente anaeróbico, en el producto que es en la actualidad.
Localizado un yacimiento en el subsuelo terrestre o marino mediante
prospecciones geológicas, se realizan perforaciones del suelo o del lecho marino mediante un tubo en cuyo extremo hay una broca que perfora el interior
hasta llegar a las zonas porosas que contienen petróleo.
Los hidrocarburos del aceite crudo sin agua, sólidos y gases aún contienen metano, etano, propano y butano. Las estructuras de los hidrocarburos
purificados se pueden ordenar en tres tipos:
– Hidrocarburos lineales (alcanos), líquidos como el heptano
[CH3(CH2)5CH3] denominados parafinas.
– Hidrocarburos saturados cíclicos (cicloalcanos), denominados naftenos, tales como el ciclohexano.
– Hidrocarburos aromáticos, tales como el benceno.
Entre los compuestos que no son hidrocarburos están los compuestos azufrados (R-S-R), donde R es una porción hidrocarbúrica; estos
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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2.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
25
compuestos son fuente de contaminación atmosférica si no se remueven del
petróleo.
La refinación del petróleo comprende una primera destilación (ver
Figura 2.1), a la que se somete el aceite crudo en una columna que separa
fracciones de mezclas de hidrocarburos según intervalos de temperatura creciente. Así se obtiene una primera fracción que corresponde a hidrocarburos
gaseosos de rango inferior a 40 °C, luego otra fracción de 40-200 °C que es la
gasolina, luego el queroseno a 200-300 °C, sigue el gasóleo o gas-oil
(petróleo Diesel) a 250-350 °C y finalmente el fuel-oil y aceite lubricante a
temperaturas superiores a 300 °C. Los residuos de la destilación constituyen
un sólido llamado asfalto que se emplea para pavimentar caminos.
Gas
<40°C
Gasolina
40 - 200°C
Queroseno
200 - 300°C
Gas - oil
250 - 350°C
Aceite lubricante
Petróleo
crudo
300 - 370°C
Residuos
Figura 2.1. Esquema de la columna de destilación principal de una refinería de petróleo
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26
02 RECURSOS NATURALES
La gasolina contenida en el aceite crudo está en mucha menor proporción que la que demanda el mercado de los combustibles, razón por la cual algunas de las fracciones de la primera destilación del aceite crudo se emplean
para transformarlas en gasolina y así responder al consumo de los motores
Otto, de combustión interna, propios de los automóviles. El queroseno se utiliza principalmente como combustible en los motores de turbina de los aviones y una pequeña proporción como combustible en calefacción doméstica e
industrial. Por su cuenta, el gas-oil es el combustible de los motores Diesel,
también de combustión interna, que tienen camiones y buses. Una fracción
de mayor rango de destilación que la del gas-oil, el fuel-oil, se emplea como
combustible en grandes motores de buques, de locomotoras y de generación
de energía eléctrica.
Norte América
30%
Asia Pacífico
29%
Europa y
Eurasia
25%
África
3%
Suramérica y
Centro América
6%
Medio Oriente
7%
Figura 2.2. Distribución porcentual del consumo mundial de petróleo en 2005
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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2.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
27
El transporte del petróleo crudo, es decir, aquel producto que viene
directamente de los yacimientos, es un problema logístico de envergadura.
Si el crudo está distante de las refinerías que lo procesan, debe transportarse
por vía marítima con el consiguiente peligro que significan los grandes volúmenes a la hora de embarcar, viajar y desembarcar. Cualquier accidente se
amplía en proporción directa al volumen transportado. Al respecto, el costo
del transporte marítimo disminuye con el aumento de volumen, de manera
que se llevan cargas superiores a 100 000 toneladas de crudo. Si el transporte
es por vía terrestre la conducción se realiza mediante oleoductos que presentan peligro por motivos climáticos, geológicos, políticos o sabotajes con el
consiguiente daño ambiental.
El consumo mundial de petróleo en 2005, según Ecopetrol, fue de
82 460 000 barriles (13 193 600 000 L), cuyo consumo se distribuye porcentualmente según el gráfico de la Figura 2.2.
2.3.2 CARBÓN
El carbón es un recurso natural hidrocarbúrico mucho más abundante que el
petróleo; está ampliamente distribuido en la Tierra. A diferencia del petróleo,
el carbón se formó principalmente a partir de plantas y árboles que quedaron bajo estratos rocosos mediante procesos que estuvieron acompañados de
calor y presión. Por lo tanto, la materia vegetal fue transformándose en un
material con grado creciente de contenido en carbono, carbonización; este
carbón mineral se puede clasificar, según dicho grado, así:
Turba, Lignito, Carbón sub-bituminoso, Carbón bituminoso, Antracita
antigüedad
Las características que tienen estos tipos de carbón mineral como el
porcentaje de carbono, humedad, materia volátil y poder calorífico, son de la
mayor importancia cuando estos carbones se emplean como combustibles.
La Tabla 2.1 da cuenta de estas características.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
28
02 RECURSOS NATURALES
TABLA 2.1. CARACTERÍSTICAS DE TIPOS DE CARBONES
Carbono
fijo %
Humedad
%
Materia
volátil
%
Poder
calorífico
KJ/Kg
Antracita
86-98
<3
<5
23 000-33 000
Bituminoso
45-86
5-10
10-30
24 000-35 000
Sub-bituminoso
35-45
15-30
30-40
20 000-21 000
Lignito
25-42
40-60
40-50
10 000-20 000
Turba
< 25
……….
……….
……….
Tipo
(Bajo, medio y alto
en volátiles)
La Tabla 2.1 pone de manifiesto el mayor grado de carbonización y el
menor contenido de agua y de materia volátil de la antracita, lo cual implica
una mejor calidad como combustible. Por otra parte, el contenido de materia
volátil significa que en la combustión de estos carbones, esta materia, que es
un polvo inerte y fino, se emite a la atmósfera con la consiguiente contaminación si no se retiene.
El calor generado en la combustión de estos tipos de carbones está dado
por el poder calorífico, que es la cantidad de calor liberada por la combustión
completa de una unidad de masa de dicho combustible, a una temperatura
y presión dada. Al comparar el valor del poder calorífico del carbón bituminoso, uno de los más empleados como combustible, con los combustibles
derivados del petróleo, como el gas-oil (Energy Information Administration
Department of Energy, 2008), queda de manifiesto la superioridad del derivado del crudo respeto del combustible sólido.
El consumo mundial de carbón en 2007 fue de 132 ·1015 BTU (Energy
Information Administration, Department of Energy), que representó el 27%
del consumo mundial de energía. Esta unidad de energía térmica es la que
usualmente se emplea para referirse al consumo de carbón debido a sus diferentes poderes caloríficos, por lo que 132 ·1015 BTU son 139 260·1015 J (ver
sección 1.4).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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2.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
29
2.3.3 GAS NATURAL
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos gaseosos y de otros que se
han formado y acumulado en pozos debido a la descomposición anaeróbica
de la materia orgánica en procesos que han ocurrido en millones de años. Se
encuentra asociado con el petróleo, aunque sus mayores yacimientos forman
reservorios específicos de este gas. Pese a que estos yacimientos se conocían
desde la antigüedad, no comenzaron a explotarse hasta la segunda mitad del
siglo XX para emplear este gas, previamente refinado, como combustible industrial y doméstico.
Su principal componente, como ya se expuso, es el metano, que está
acompañado de agua, de los gases inertes dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), del gas tóxico sulfuro de hidrógeno (H2S) y de los hidrocarburos condensables etano (CH3CH3), propano, (CH3CH2CH3), butano
(CH3CH2CH2CH3). Estos dos últimos, una vez que se separan de los mencionados gases, se emplean como combustible, constituyendo la mezcla propano
y butano el Gas Licuado de Petróleo (GLP). El agua, CO2 y H2S se eliminan
no sólo para enriquecer el gas natural como combustible, sino también para
impedir la corrosión de las tuberías de los gasoductos. Además, la combustión del H2S forma el gas SO2, que es otro contaminante atmosférico. La Tabla
2.4 entrega datos sobre la composición típica de un gas natural refinado.
TABLA 2.4. COMPOSICIÓN TÍPICA DEL GAS NATURAL REFINADO
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Componente
Porcentaje (%)
Metano
93,7
Etano
5,1
Propano
0,03
Butano
0,01
Nitrógeno
1,02
Dióxido de carbono
0,14
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
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02 RECURSOS NATURALES
2.4 RESERVAS Y CONSUMO DE COMBUSTIBLES FÓSILES
DE ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Los países que se consideran se han ordenado en términos de población decreciente según el último censo publicado por ellos, que aparece en la Tabla 2.5.
TABLA 2.5. POBLACIÓN DE ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Población
habitantes
112 336 528
41 468 184
40 117 096
16 572 475
País
México
Colombia
Argentina
Chile
Año censo oficial
2010
2005
2010
2012
Para cuantificar los recursos energéticos, petróleo, gas natural y carbón,
los organismos oficiales de estos países publican estadísticas que no siempre
corresponden a los mismos años ni tampoco a las mismas magnitudes, razón
por la cual se ha preferido recurrir a la BP Statistical Review of World Energy,
que publica todos los años las reservas, producción, consumo, precios y otros
datos relevantes de este tema. La Tabla 2.6 reúne antecedentes importantes
sobre reservas al año 2011 y consumo en 2011 de estos energéticos.
TABLA 2.6. RESERVAS PROBADAS A 2011 Y CONSUMO EN 2011 DE COMBUSTIBLES FÓSILES DE ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Petróleo
Carbónb
Gas Naturala
País
Reservas
(109 ton)
Consumo
(106 ton)
Reservas
(1012 m3)
Consumo
(109 m3)
México
Colombia
Argentina
Chiled
1,6
0,3
0,3
0
89,7
11,7
28,1
15,2
0,4
0,3
0,2
0
690,1
9,0
45,6
5,3
Reservas
(106 ton)
1211
6746
----- c
----- c
Consumo
(106 t.e.p.)
9,9
4,3
1,1
5,3
Fuente: http://www.bp.com/assets/bp_internet/globalbp/globalbp_uk_english/reports_and_publications/statistical_energy_review_2011/STAGING/local_assets/pdf/statistical_review_of_world_energy_full_report_2012.pdf
a
d
3
b
c
m estándar a 15°C y 1.013 milibar; t.e.p.= toneladas equivalentes de petróleo; fuente sin antecedentes;
Chile prácticamente no tiene petróleo y recién se comienza a extraer carbón en Isla Riesco.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
2.5 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS HIDROCARBUROS FÓSILES
31
De esta tabla se desprende que las reservas, probadas al año 2011, son
bastante limitadas en los energéticos petróleo y gas natural para México, Colombia y Argentina, pero amplias en carbón para México y Colombia. El caso
de Chile se puede catalogar como dramático, no sólo porque no tiene petróleo
ni gas natural, sino porque recién comienza a explotar carbón necesario para
generar electricidad. De hecho, el costo de esta energía es uno de los más
altos del mundo.
2.5 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS HIDROCARBUROS
FÓSILES
El petróleo, como es bien sabido, es una sustancia peligrosa para el hombre
por ser inflamable, peligrosa para el suelo, para la flora y fauna que existe en
los continentes y para los organismos que habitan en el mar. Posee un impacto ambiental muy negativo que puede ser provocado por las diferentes operaciones que componen la cadena de su procesamiento: extracción, transporte,
refinación y distribución de sus combustibles derivados.
En los yacimientos el petróleo se encuentra en los huecos de rocas sedimentarias, de manera análoga a como está el agua en una esponja pero a gran
presión, razón por la cual en la primeras etapas de extracción el crudo sale
con facilidad, pero luego es necesario introducir agua o vapor para desplazarlo de estos depósitos. Por lo general, sólo se extrae un 30-40% de la reserva
situada en el yacimiento porque el resto no se puede bombear. La continua
demanda ha ido limitando las reservas en los continentes y las extracciones
se han desplazado hacia el mar a lo largo de las plataformas continentales.
Cuando los yacimientos están a grandes profundidades se han sustituido las
torres de perforación fijas al lecho marino por plataformas flotantes para poder llegar, por ejemplo, a 1500 m bajo la superficie del mar y recién a esta
profundidad comenzar a perforar para llegar al reservorio de este fósil.
La materia más inflamable que contiene el crudo son los hidrocarburos gaseosos, de manera que cualquier escape en estas delicadas y complejas
operaciones de extracción es extraordinariamente peligroso. Este se agrava
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
32
02 RECURSOS NATURALES
cuando se opera a grandes profundidades marinas, por el aumento de la presión del agua. Un ejemplo de desastre ambiental ocurrió en 2010, cuando la
inflamación de gases provocaron una explosión que destruyó la plataforma
Deep Horizon y mató a 11 operarios frente a las costas de Luisiana, Estados
Unidos. Este hecho fue una catástrofe ambiental porque el pozo en perforación quedó desconectado de la tubería y comenzó una emanación descontrolada de petróleo que salía a razón de 5000 barriles diarios (800 000 L aprox.)
según la empresa operadora British Patroleum y, según autoridades, cerca de
20 000 barriles diarios. El crudo se extendió en una inmensa superficie y por
una desconocida extensión del interior del mar.
Además de los peligros recién reseñados, el impacto de la extracción
también concierne a la formación de aguas contaminadas como consecuencia del empleo de agua en la remoción del crudo desde los pozos marinos y
continentales.
El petróleo así extraído se transporta por grandes buques petroleros o
por oleoductos hacia las refinerías. En el año 2005, alrededor de 2,4 millones
de toneladas de petróleo, que es aproximadamente el 62% de todo el petróleo
producido, fueron enviadas por transporte marítimo. Este transporte también
impacta al ambiente mediante derrames en operaciones de carga y descarga o
por accidentes como el que ocurrió en 1989 en el superpetrolero Exxon Valdez
en la bahía de Bligh, Alaska, donde se derramaron 42 000 000 L que se esparcieron en un área de 7500 Km2. Si el transporte es terrestre, mediante oleoductos, los peligros no son menores pues existe la probabilidad de sabotajes y los
correspondientes vertidos al medio con daños ecológicos e incendios.
La refinación del petróleo implica la acción de métodos físicos como
la destilación y químicos como el cracking y reforming que modifican los
hidrocarburos originales para transformarlos en los productos que más demanda el mercado: gasolina, queroseno y gas-oil. En estas operaciones físicas y procesos químicos se genera una importante cantidad de residuos sólidos desechables y restos de catalizadores que constituyen un peligro para el
medio ambiente.
Los combustibles producidos en la refinación, aparte de la contaminación atmosférica que ocasionan, producen la emisión de dióxido de carbono
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
2.5 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS HIDROCARBUROS FÓSILES
33
(CO2), gas de efecto invernadero que produce el calentamiento global del planeta. J. Lovelock (La venganza de la tierra, Buenos Aires: Planeta, 2007) indica que la producción mundial anual de este gas es de 27 000 000 000 t, cantidad
que no sólo proviene del petróleo pero para la cual éste sí es su principal aporte. Esta cantidad es enorme si se tiene en cuenta que la tropósfera, parte de la
atmósfera que rodea la Tierra, tiene sólo una altura de 12 000 m, espacio donde se concentra este gas. Este compuesto tiene la propiedad de ser extraordinariamente estable, por lo que su permanencia en la tropósfera es de cientos
de años. Si al petróleo se le asigna la fórmula mínima [CH2], la combustión
completa de la masa de esta fórmula mínima produce la masa de la fórmula
del dióxido de carbono CO2 que es 44. Esta fórmula mínima se discutirá con
mayor extensión en la sección 3.3. Las masas de las fórmulas de todos los
reactivos y productos de esta combustión se indican en unidades de masa que
pueden ser gramos, kilogramos o toneladas, bajo la ecuación química:
[CH2] + 3/2 O2 → CO2 + H2O
14
48
44
18
Aunque la combustión del petróleo y sus derivados no es completa, estas cifras muestran que por cada átomo de carbono que forman las moléculas
del petróleo se produce más del triple de la masa de CO2 que se forma en la
combustión, cantidad que es inmensa.
El gas natural (GN) y el petróleo crudo se forman mediante procesos
similares y a menudo se encuentran en los mismos depósitos; sin embargo, el
primero, una vez extraído, ocupa un gran volumen, de manera que el transporte marítimo en estas condiciones no es eficiente como sí lo es por tierra a través
de gasoductos. Para su transporte marítimo debe licuarse de modo que disminuya su volumen; la licuefacción convierte el GN al estado líquido a -161 °C y
1 atm de presión, reduciendo el volumen unas 600 veces para que pueda ser
transportado de esa manera en barcos en forma económica. Es evidente que el
transporte de esta delicada carga representa un peligro ambiental significativo.
Un buque gasero típico puede transportar alrededor de 125 000 –138 000
m de Gas Natural Licuado (GNL), el cual se convierte entre 73,6 – 79,3 millo3
nes de m3 de GN gaseoso.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
34
02 RECURSOS NATURALES
El gas natural de esquisto es el gas metano atrapado en esquisto,
o pizarra, que es una roca sedimentaria dura situada a cientos de metros en
el subsuelo terrestre o marino. Con el advenimiento de nuevas tecnologías
su producción creció diez veces, entre el año 2000 y el 2010, debido a la creciente demanda por el GN. El gas de esquisto se obtiene mediante técnicas
no convencionales, por lo que es un recurso caro de explotar; una de ellas es
la fractura hidráulica de la roca que consiste en inyectar una combinación de agua, previamente calentada, arena y diversos productos químicos a
varios kilómetros bajo tierra en los esquistos que contienen metano y otros
hidrocarburos. Con el aumento de presión se consigue romper el núcleo de
roca, inundando sus poros con el agua y liberando pequeñas burbujas del gas
natural que suben a la superficie por un conducto. La otra técnica utilizada es
perforar hasta cierta profundidad y luego seguir en un ángulo o incluso hacia
los lados, proceso que deja al descubierto una mayor área del yacimiento y
por ende una mayor recuperación de gas.
Los daños ambientales son considerables: gran consumo de agua en cada
perforación, migración descontrolada del gas hacia la superficie y de ahí a la
atmósfera, donde actúa como gas de efecto invernadero (ver a continuación),
21 veces más potente que el CO2, contaminación del agua de acuíferos, entre
otros daños. Además, su balance energético —la energía consumida en la
extracción comparada con la resultante del uso del combustible, es bajo.
El carbón, comparado con el petróleo y el gas natural, presenta menos peligro en su transporte y empleo. No obstante, las operaciones mineras para su extracción provocan severos daños ambientales al suelo por las
grandes cavidades que deja su remoción y por la contaminación de las aguas
naturales superficiales y subterráneas en torno da la mina. El carbón se emplea como combustible, especialmente en centrales termoeléctricas y en la
fabricación de aceros. En ambos casos las emisiones atmosféricas constan
de material particulado, el gas dióxido de azufre y metales como el mercurio,
todos ellos muy contaminantes si no se retienen.
El dióxido de carbono (CO2), materia principal que se forma en la combustión de los mencionados combustibles fósiles, llega a la primera capa
de la atmósfera, tropósfera (secciones 7.3 y 10.1), donde absorbe radiación
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
2.5 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS HIDROCARBUROS FÓSILES
35
infrarroja emitida desde la Tierra. Esta radiación se reirradia o se devuelve
a su superficie, hecho que se siente como calor y tiene un efecto muy significativo sobre el clima. Además del CO2 existen gases como el metano (CH4),
óxido nitroso (N2O) y otros que se comportan como el CO2, pero con mayor
intensidad. El conjunto de estos gases actúa como el vidrio de un invernadero que permite el paso de luz solar pero mantiene el calor en su interior. La
captación de calor en la tropósfera se denomina efecto invernadero y los gases que lo producen reciben el apelativo de gases de efecto invernadero
(GEI). Por sí solo, el efecto invernadero es beneficioso, porque ha contribuido a mantener la temperatura media del planeta en unos 15 °C durante siglos.
Sin embargo, como consecuencia del aumento creciente del uso de combustibles fósiles ha ido creciendo el valor natural del CO2 en la tropósfera por lo
que se ha incrementado la radiación infrarroja que se devuelve a la Tierra y
por ende el calor. Para aminorar el efecto invernadero perjudicial, lo lógico es
emprender acciones que tiendan a controlar la emisión del CO2.
Durante la Cumbre Mundial de Desarrollo Sustentable, celebrada en Río
de Janeiro en el año 1992, los países acordaron que la evidencia científica sobre
el cambio climático hacía pertinente que se adoptaran medidas a nivel global. De
ahí nació la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático.
El Protocolo de Kyoto, adoptado en diciembre de 1997, acuerda establecer una
respuesta a este desafío ambiental y global y establece límites a las emisiones de
GEI de los países industrializados con el compromiso de reducir las emisiones totales de lo GEI en al menos un 5% por debajo de los niveles de 1990 entre el período 2008 – 2012. Para cumplir con sus metas de reducción de emisiones, los países
industrializados pueden financiar proyectos de captura o abatimiento de estos
gases en otras naciones —principalmente en vías de desarrollo—, acreditando tales disminuciones como si hubiesen sido hechas en territorio propio, abaratando
significativamente los costos de cumplimiento. Para lograr este objetivo se crearon los bonos de carbono, que deben entenderse como de dióxido de carbono,
son reducciones certificadas de emisiones (Certified Emission Reductions, CER)
de GEI. El CER es la unidad que corresponde a una tonelada métrica de dióxido
de carbono equivalente. Son créditos que se transan en el Mercado del Carbono,
espacio donde se transa las ventas y compras de bonos de carbono.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
03
ENERGÍA
ELÉCTRICA
La energía eléctrica es sin duda la que mayor importancia tiene para el hombre actual tanto en el hogar como en el trabajo, transporte ferroviario, maquinaria industrial, iluminación de ciudades y vías, comunicaciones, etcétera. Es
por ello que se requiere un tratamiento adecuado de los principios que gobiernan la electricidad, la cual ha sido un recurso fundamental del desarrollo
y crecimiento económico moderno. En este capítulo se hará una revisión de
los conceptos y fundamentos de esta ciencia para luego tratar la generación y
aplicaciones de la energía eléctrica.
3.1 ELEMENTOS DE ELECTROSTÁTICA
La unidad fundamental de la carga eléctrica es el electrón, una partícula con
carga negativa que ejerce una acción a la distancia conocida como campo eléctrico. Una forma de representar el campo eléctrico, y también el campo magnético, es el concepto de líneas de fuerza. Una línea de fuerza es una línea
imaginaria trazada de tal forma que su dirección en cada punto, la dirección de
la tangente, sea la misma que la dirección del campo en ese punto; las flechas
que indican esta dirección señalan el sentido del campo. Estas líneas no sólo indican la dirección y sentido sino que, además, la intensidad del campo eléctrico.
En este campo, una carga (q) atrae a otra si son de distinto signo y se repelen si son del mismo. A la magnitud carga eléctrica (o un conjunto de ellas)
se la representará por el símbolo q minúscula para diferenciarla de la magnitud calor, a la que en el capítulo 5 se le asigna el símbolo Q mayúscula. Si se
pone en el entorno de la carga que crea el campo una unidad de carga positiva
de 1 C (culombio), ocurre que, si la carga es negativa, las líneas de fuerza del
campo se dirigen hacia el centro y, si es positiva, su sentido es hacia afuera.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
38
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
La ley de Coulomb proporciona el módulo, o valor numérico, de la
fuerza (F) con que son atraídas o repelidas dos cargas puntuales (q´, q) separadas por la distancia r:
[3.1]
F = k·q´·q / r2
donde k es una constante de proporcionalidad; k = 1 / 4 π Ɛ0. Ɛr. A su vez, Ɛ0
= 8,8542·10-12 [C2 / N·m2] es la permetividad en el vacío y Ɛr es la permetividad
relativa del material considerado. La carga se mide en culombios (C) y la distancia en metros, con lo que la fuerza se obtiene en N (newtons). El valor de la
constante k obtenido experimentalmente es: k = 8,98742 N· m2 · C2. La carga
del electrón es -1,602·10-19 C. En el sistema internacional de medidas
(SI) la unidad de carga culombio no se define según la ley de Coulomb sino en
función de la unidad de intensidad de corriente: “carga eléctrica acumulada
o transferida en un sistema de conductores en 1 segundo (s) cuando se ha
acumulado una corriente cuya intensidad es de 1 amperio (A)”.
La intensidad del campo eléctrico (E) que crea la carga q´ es:
E = 1 / (4 π Ɛr Ɛ0) · q / r2
que será la fuerza con que es atraída o repelida la unidad de carga que se sitúe
en el entorno de la carga q´. Se mide en N/C. Sobre una carga q, en un campo
eléctrico de intensidad E actuará una fuerza F, por lo tanto:
[3.2]
F = q · E o E = F/q
La intensidad de campo eléctrico es un vector cuyo módulo es el indicado si se trata de una sola carga; su dirección radial se dirige hacia la carga en
caso de que ésta sea negativa, y se aleja de ella en el caso de que sea positiva.
Estas magnitudes vectoriales se representan mediante letras cursivas.
El valor de la intensidad del campo eléctrico, o simplemente el campo eléctrico (E), se define como el “cociente entre la fuerza F ejercida sobre una
partícula cargada colocada en un punto y la cantidad de carga q de la partícula”.
Según la expresión [3.2] la unidad del campo eléctrico es N/C. Si el campo está
formado por varias cargas puntuales a distintas distancias del punto, la resultante es la suma vectorial o geométrica de la acción de cada una de ellas en el punto.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.2 CORRIENTE ELÉCTRICA
39
Revisados los conceptos de carga eléctrica y campo eléctrico, es oportuno recordar el concepto de potencial eléctrico. El potencial eléctrico en
un punto es “el trabajo necesario para trasladar la unidad de carga eléctrica desde el infinito hasta ese punto en contra de las fuerzas eléctricas del
campo”. El potencial eléctrico entre dos puntos es “el trabajo necesario para
trasladar la carga unitaria entre esos dos puntos”. El potencial eléctrico es, en
principio, una magnitud escalar y sus dimensiones son las de un trabajo por
unidad de carga. Se mide en V (voltios); el voltio es “el trabajo de un J (julio)
sobre la carga de un C (culombio)”: 1V = 1J/1C.
El potencial V en un punto, expresado en voltios, debido a la carga eléctrica q, en culombios, a una distancia r medida en metros, puede calcularse
según la siguiente expresión:
V = k · q/r
[3.3]
Por otra parte, el trabajo (W) es “el producto de una fuerza F por la
distancia recorrida en contra de esa fuerza” (W = F·r). El trabajo Wab realizado para trasladar una carga q desde el punto a al punto b, cuya diferencia de
potencial es Vab = Va-Vb, equivale a:
Wab = - q·Vab (C·V)
[3.4]
Si el campo eléctrico es uniforme, W = -q·V = F·r (equivalente a la ecuación [1.3] de la sección 1.2), donde F es la fuerza sobre la carga q y r es la
distancia entre los puntos a y b. Por consiguiente:
V/r = - F/q o bien V/r = -E (N/C)
[3.5]
En un campo eléctrico uniforme la intensidad E es igual al gradiente de
potencial V/r (V/m) con signo cambiado.
3.2 CORRIENTE ELÉCTRICA
En la sección anterior se analizaron las fuerzas ejercidas entre cargas, el estado estacionario de la distribución de cargas y el movimiento de partículas
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
40
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
cargadas en el vacío. A continuación se presentará el movimiento de cargas
dentro de un conductor cuando se ejerce un campo eléctrico en su interior.
Este “movimiento de portadores de carga, electrones” constituye la corriente eléctrica. El conductor es un cuerpo metálico, generalmente en forma
de hilo de cobre, en cuyo interior existen cargas libres que se mueven por la
fuerza ejercida sobre ellas por un campo eléctrico. Cuando se dispone un conductor aislado bajo la acción de un campo eléctrico, las cargas del conductor
se reagrupan de modo que el interior del conductor sea una región libre de
campo, lográndose así una corriente transitoria. Si se desea que la corriente
sea permanente, se debe mantener el campo o gradiente de potencial. Cuando este campo tiene el mismo sentido, aunque varíe su intensidad, se obtiene
una corriente continua (CC).
Considérese un campo eléctrico continuo y constante, es decir, aquel
que mantiene constante su intensidad. Este campo actuará sobre los electrones del conductor movilizándolos en la dirección –E; entonces se dice
que se ha establecido una intensidad de corriente eléctrica, o simplemente corriente eléctrica I, si pasa una carga neta q por una sección
transversal cualquiera del conductor en el tiempo t; la corriente eléctrica
constante, es:
I = q /t (C/s)
[3.6]
Las unidades en el SI son amperios (A) para la intensidad del campo eléctrico, culombios (C) para la carga y segundos (s) para el tiempo, por
lo que las unidades de A son C/s. Por otra parte, debe tenerse en cuenta
que en un conductor, cuando circula corriente, no hay exceso de cargas
porque existe igual número de cargas negativas y positivas por unidad de
volumen.
La relación entre la intensidad de corriente (I) y la sección transversal
del conductor (A) se define como densidad de corriente (J):
J=I/A
[3.7]
La cantidad de carga q que atraviesa un conductor de sección
A en el tiempo t puede calcularse como el producto de la cantidad de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.2 CORRIENTE ELÉCTRICA
41
portadores de carga n por la carga de cada uno de ellos y por su velocidad
media vd:
q = n· e · vd · A · t por lo tanto: I = n· e · vd · A en consecuencia:
J = n· e · vd
[3.8]
La ecuación [3.8] permite calcular la velocidad media de los electrones
en un conductor de cobre de 1 cm de diámetro que conduce una corriente
de 200 A, considerando que en un volumen de 1 cm3 de cobre existen 8,5·1028
electrones: vd = 1,9·10-4 m/s. Esta velocidad es pequeñísima comparada con
la velocidad de la luz y con la de propagación de las ondas electromagnéticas
(sección 1.2): 3·108 m/s.
Para establecer una corriente en un conductor, además de estar cerrado el circuito, debe mantenerse un campo eléctrico o gradiente de potencial
en él. En general, los materiales que pueden conducir una corriente eléctrica
difieren entre sí en el valor de la densidad de corriente establecida por un
campo eléctrico dado. “El cociente entre la densidad de corriente (J) y la intensidad de campo eléctrico (E)” se denomina conductividad eléctrica,
que se representa por σ:
σ=J/E
[3.9]
Transformando esta ecuación en J = σ E y reemplazando E por – ΔV/
Δx y J por I/A se tiene que: I/A = σ (-ΔV/Δx), o sea:
I = - σ · A · (ΔV/Δx)
[3.10]
Esta expresión es de la misma forma que la de la ecuación [5.4] (sección 5.2.1), que expresa la conducción del calor (ΔH) por unidad de tiempo:
ΔH/Δt = hcd · A · ΔT/x
[5.4]
Esta analogía pone de manifiesto que los electrones son los responsables de la conducción del calor.
Aunque la expresión [3.9], J = σ E, es la relación fundamental de la
conducción eléctrica, es más cómodo trabajar con intensidades de corriente
y diferencias de potencial porque se miden más fácilmente que las densidades de corriente e intensidades de campo. Por este motivo es conveniente
relacionar la intensidad de corriente (I) con las diferencias de potencial (ΔV).
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
42
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Sea entonces un conductor que tiene una longitud L y una sección A por el
cual circula una corriente de intensidad I y que Va y Vb sean los potenciales
en los extremos a y b. Como restricción a esta situación, la conductividad del
material conductor es independiente de la densidad de corriente, y la temperatura y demás condiciones que influyen sobre σ se mantienen constantes.
Bajo estas condiciones se mantienen constantes I, σ y A, por lo que se puede
extender la expresión [3.10], I·Δx = -σ·A·ΔV, a toda la longitud del conductor;
por lo tanto esta ecuación ahora queda como: I·L = σ·A·(Va-Vb). Despejando I
se transforma en una relación entre la intensidad de corriente en el conductor y la diferencia de potencial entre sus extremos, según la ecuación:
I = (σ · A / L) · (Va-Vb)
[3.11]
Al cociente σ·A/L se le denomina conductancia del conductor, identificado por la letra G = σ · A / L. La magnitud G implica que a mayor conductancia mayor será la intensidad de corriente que circule, a una diferencia
de potencial dada. La inversa de la conductancia se denomina resistencia
(R): R = L / σ · A. Reemplazando el valor de R en la ecuación [3.11] se tiene:
I = (Va-Vb) / R equivalente a:
Vab = I · R
[3.12]
Sólo si σ es independiente de J, la resistencia R es independiente de
I, por lo que “la diferencia de potencial entre los extremos del conductor,
bornes, es una función lineal de la corriente”. La relación [3.12] constituye
la ley de Ohm. La unidad de resistencia en el SI se denomina ohmio, cuyo
símbolo es Ω y es equivalente a un voltio dividido por un amperio (V/A).
De lo expuesto precedentemente, un circuito eléctrico está constituido por uno o más generadores de tensión eléctrica y de resistencias conectados entre sí mediante conductores.
Cuando dos o más resistencias, o resistores, se conectan extremo con
extremo a lo largo de una trayectoria, se dice que están conectadas en serie,
como lo muestra el circuito en serie de la Figura 3.1. Cualquier carga que pase
por la resistencia R1 también pasa por R2 y R3, por lo tanto la misma corriente I
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.2 CORRIENTE ELÉCTRICA
43
pasa a través de cada resistor. Sea V la tensión o diferencia de potencial que
pasa a través de las tres resistencias, si en el resto del circuito no hay resistencia, entonces V será la tensión terminal. Sea ahora V1, V2 y V3 las diferencias
de potencial a través de cada una de las resistencias R1, R2 y R3. Según la ley
de Ohm, se puede establecer: V1 = IR1; V2 = IR2; V3 = IR3. Puesto que las resistencias están conectadas extremo con extremo, el principio de conservación
de la energía indica que la tensión total, V, es igual a la suma de las tensiones
de cada resistor:
[3.13]
V = V1 + V2 + V3 = IR1 + IR2 + IR3
Sea Re la resistencia equivalente que extraería la misma corriente I que
la combinación de tres resistencias en serie; por lo tanto Re se relaciona con
V mediante la igualdad V = IRe. [3.13] equivale a V = I (R1 + R2 + R3), por lo
que desprende la ecuación:
[3.14]
Re = R1 + R2 + R3
R1
R2
R1
R2
R3
R3
CIRCUITO EN SERIE
CIRCUITO EN PARALELO
Figura 3.1 Resistencias en serie y en paralelo
Esta relación era de suponer: cuando se conectan varias resistencias
en serie, la resistencia equivalente o total es la suma de las resistencias separadas. Cabe destacar que cuando se agregan más resistencias al circuito,
la corriente o intensidad a través de éste disminuirá. Así, por ejemplo, si una
batería o acumulador de 12 V se conecta a una resistencia de 4 Ω la corriente
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
44
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
será de 3 A. Pero si la batería de 12 V se conecta a una resistencia de 4 Ω en
serie, la resistencia total será 12 Ω y la corriente será, lógicamente, de 1 A.
Otra manera de conectar resistencias es en paralelo, de forma que la
corriente se divide en trayectorias separadas como se ilustra en el circuito en
paralelo de la Figura 3.1. El cableado de instalaciones eléctricas de viviendas,
establecimientos públicos o industrias se distribuye de manera que todos los
dispositivos eléctricos estén en paralelo. De esta forma si se desconecta un
dispositivo, la corriente hacia los otros dispositivos no se interrumpe. En un
circuito en paralelo, la corriente total que sale de una batería se divide en tres
trayectorias separadas. Sean I1, I2 I3 las corrientes a través de las resistencias
R1, R2, R3, respectivamente. Puesto que la carga eléctrica se conserva, la corriente eléctrica que fluye hacia el nodo o punto donde se juntan conductores
debe ser igual a la corriente que fluye desde dicho nodo. Por consiguiente:
I = I1 + I2 + I3
[3.15]
Cuando las resistencias se conectan en paralelo cada una de ellas está
sometida a la misma tensión; en consecuencia toda la tensión de la batería se
aplica a cada resistencia. Al aplicar la ley de Ohm a cada resistencia, se tiene:
I1 = V/R1 ; I2 = V/R2 ; I3 = V/R3
Sea la resistencia equivalente, Re, que extrae la misma I que las tres
resistencias en paralelo. Esta resistencia equivalente también deberá cumplir
la ley de Ohm: I = V / Re. Reemplazando en la ecuación [3.15] los valores
equivalentes de I, se tiene: V/Re = V/R1 + V/R2 + V/R3. Dividiendo por V cada
componente de esta igualdad se llega a la ecuación:
1/Re = 1/R1 + 1/R2 + 1/ R3
[3.16]
Al comparar las ecuaciones [3.14] y [3.16] se ve que cuando se conecta resistencias en serie la resistencia total aumenta, mientras que cuando se
hace en paralelo la resistencia total disminuye, porque aumenta el área por la
cual fluye la corriente.
Hasta ahora podría suponerse que los electrones de la corriente se
mueven a velocidad constante; sin embargo, los electrones se desplazan con
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.2 CORRIENTE ELÉCTRICA
45
movimientos acelerados que terminan en choques contra una de las partes
fijas del conductor. Los electrones ganan energía cinética durante su desplazamiento y la ceden en sus choques. La energía adquirida por las partículas
fijas (fijas en torno a una posición media) aumenta la amplitud de su vibración, motivo por el cual esta energía se transforma en calor.
Supóngase una parte de un circuito, de cualquier naturaleza, en el cual
fluye una corriente entre los bornes a y b, cuyos respectivos potenciales son
Va y Vb. En el intervalo de tiempo Δt una cantidad de carga Δq = I· Δt entra
por a y sale por b. La energía o trabajo cedido por la carga es, según la ecuación [3.4]: ΔW = q· (Va-Vb) = I ·Δt · Vab, por lo que la potencia suministrada es:
P = ΔW / Δt = I · Vab
[3.17]
La potencia eléctrica “es igual al producto de la intensidad de corriente por la diferencia de potencial”. Si la corriente se expresa en amperios
(C/s) y la diferencia de potencial en voltios (J/C), la potencia resulta en J/s o
W. En el caso de una resistencia absoluta R, toda la energía se transforma en
calor, resulta Vab = I · R; por lo tanto: P = I · Vab y
P = I2 · R
[3.18]
Si el conductor es lineal, la resistencia R es independiente de la intensidad I y la potencia eléctrica entregada es directamente proporcional al
cuadrado de la intensidad. La expresión anterior constituye la ley o efecto
Joule. Si toda la energía eléctrica se ha entregado en forma de energía térmica, entonces la cantidad de calor, ΔH, producida por unidad de tiempo,
ΔH/Δt, es potencia térmica equivalente a la potencia eléctrica. La ecuación
siguiente es otra manera de expresar la ley de Joule:
ΔH / Δt = I2 · R
El efecto Joule tiene muchas aplicaciones en la vida actual; entre ellas
se pueden citar:
a) La calefacción eléctrica, en la cual la corriente pone al rojo un conductor que se arrolla alrededor de un material cerámico. Se utiliza
en estufas, cocinas y hornos.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
46
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
b) La lámpara de incandescencia, que consiste en un hilo metálico
muy fino encerrado en una ampolla de vidrio, en atmósfera inerte.
Se pone incandescente, desprendiendo luz al pasar la corriente.
c) Los fusibles, que son hilos de un metal de bajo punto de fusión que
se intercalan en los circuitos con el fin de que al fundirse interrumpan el paso de corriente si se ha producido un aumento anormal de
la intensidad de ésta.
d) Los hornos industriales eléctricos: cuando dos barras de carbón
conectadas a los polos de un generador se separan lentamente, se
produce una descarga muy brillante que constituye un arco eléctrico. Su temperatura alcanza 3500 °C.
La corriente que generan las centrales eléctricas y llega a las viviendas,
industrias y aplicaciones como las recién señaladas es corriente alterna y no
continua. En esta sección sobre corriente eléctrica la energía desarrollada se
ha explicado como producida por una diferencia de potencial o tensión constante. Este tipo de energía la produce una pila o acumulador (ver capítulo 4)
que funciona con baja potencia. Además, como es más fácil de modificar que
la corriente alterna, es muy útil en aplicaciones de muy baja tensión como
la utilizada en circuitos electrónicos. Como consecuencia las tensiones, o corrientes, en todo el circuito, son del mismo tipo y el único factor que las altera
son las resistencias. Sin embargo, la generación de electricidad de alta potencia, el principal interés de la energía eléctrica, no se debe a reacciones electroquímicas sino a procesos electromagnéticos que operan mediante rotación de
espiras de conductores cuya ley de variación se conoce como alterna o alternada, por el hecho de que oscila entre dos valores de igual monto pero de polaridades opuestas. La corriente alterna (CA) está cambiando constantemente
su valor y periódicamente su sentido. Parte de un valor nulo y aumenta hasta
un máximo, para luego disminuir hasta llegar a anularse nuevamente. A partir
de este momento, la corriente circula en sentido contrario, creciendo hasta un
máximo y decreciendo hasta cero, cambiando el sentido y así sucesivamente.
La Figura 3.2 muestra un gráfico con una corriente continua (CC) a 120 V, que
es constante en función del tiempo, y a continuación dos ciclos de corriente
alterna (CA), que se representan por dos ondas desfasadas entre ellas.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
120 V
47
CC
0V
Tiempo
170 V
1/60 seg.
120 V
0V
-120 V
CA
-170 V
Tiempo
Figura 3.2. Representación de la corriente continua y alterna
3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
Aquellos materiales que tienen la capacidad de atraerse entre sí, así como
de atraer a otros, se denominan magnéticos y magnetismo es la propiedad
por la cual se produce una atracción. Materiales magnéticos o imanes son el
hierro, cobalto y níquel porque tienen la propiedad de ser atraídos por ellos.
Otra propiedad de los imanes es que se pueden mover o girar libremente,
situándose en la dirección norte-sur del planeta Tierra, de modo que una
misma parte se orienta siempre en igual dirección.
Un imán presenta dos zonas magnéticamente activas, denominadas
polos. Debido a que cada polo presenta propiedades magnéticas opuestas,
para distinguirlos se les denomina polo norte y polo sur en función del polo
terrestre al cual se orienten. Cuando se aproximan dos imanes entre sí, se observa la aparición de una fuerza de interacción que puede manifestarse como
atracción mutua con tendencia al acercamiento o al alejamiento entre ellos.
Cuando dos polos se atraen se dice que son polos opuestos y si se repelen son
de igual signo. Si un imán se divide en dos partes, en el punto de ruptura se
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
48
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
crean dos nuevos imanes con idénticas propiedades que el imán original. No
existe un imán monopolo.
3.3.1 CAMPO MAGNÉTICO
La interacción generada por los imanes se debe a la presencia, a su alrededor,
de una zona de influencia denominada campo magnético que se representa mediante líneas de fuerzas o líneas de inducción que indican la forma de
este campo y su intensidad, la cual será tanto mayor cuanto más líneas de
fuerza haya por unidad de superficie. Por convención se considera que las
líneas de fuerza salen del polo norte y llegan al polo sur.
Es posible observar estas líneas de fuerza, así como su distribución y
cantidad, disponiendo limaduras de hierro en la zona de influencia de un
imán. Si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel por encima de
un imán que cree un campo magnético, las limaduras se orientarán siguiendo
las líneas de fuerza y permitirán así visualizar su estructura. La Figura 3.3
muestra esta situación de una manera esquemática.
S
N
Figura 3.3. Trayectoria de las líneas de fuerza que ocasiona el campo magnético de un imán
En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente
proporcional al espacio entre las líneas.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
49
En la Figura 3.2 las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan
para llegar al otro extremo; en los extremos del imán, donde las líneas de
fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso. La intensidad de un campo magnético, en cualquier punto del espacio, se define
como “la fuerza, en dinas, que el campo ejercería sobre un polo magnético
unidad colocado en dicho polo”. La unidad de intensidad de campo magnético en el sistema internacional es el oersted (Oe).
En relación a las líneas de fuerza, existe una diferencia importante entre las líneas de inducción y las líneas de fuerza del campo eléctrico; las de
inducción no parten de un punto único: parten de ambos polos donde están
más concentradas.
Cuando se desea representar tanto el sentido como la intensidad de un
campo magnético, las líneas de inducción tienen un significado cuantitativo
y el número de ellas, dibujadas o imaginarias, por centímetros cuadrados de
superficie, perpendiculares al campo, son la intensidad del campo.
Puesto que el área de la superficie de una esfera es 4π cm2, entonces el
número total de líneas de inducción que parten de un polo magnético unidad
es 4π.
Para obtener un campo magnético no es necesario disponer de un
material magnético, porque alrededor de un conductor eléctrico atravesado
por una corriente eléctrica aparece una zona de influencia similar a la que
presentan los imanes. Este efecto se puede visualizar mediante el cambio de
orientación de la aguja de una brújula cuando ésta se dispone en las cercanías
de un conductor eléctrico que transporta corriente continua elevada.
Por otra parte, la intensidad del campo magnético producido por una
corriente eléctrica es directamente proporcional a la intensidad de esta corriente y este efecto es independiente si el conductor eléctrico tiene o no un
aislante. Además, el sentido de la corriente está en relación directa con el del
campo magnético generado por ella.
Para fabricar un imán sin disponer de un material magnético, basta
con hacer circular una corriente eléctrica por un conductor aislado enrollado
alrededor de un cuerpo de acero dulce (acero con bajo contenido de carbono)
que se magnetiza fácilmente cuando se hace pasar una corriente; se tiene
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
50
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
así un electroimán (Figura 3.4). Si se interrumpe el paso de corriente el
cuerpo pierde el magnetismo. Con aceros duros (alto contenido en carbono)
su magnetización se hace más difícil pero ésta se conserva, obteniéndose así
imanes permanentes.
N
S
Figura 3.4. Electroimán: conductor enrollado alrededor de un cuerpo de acero
H.C. Oersted, físico y químico danés, descubrió en 1820 que la circulación de cargas eléctricas por un conductor (corriente eléctrica) produce efectos magnéticos como el desplazamiento de una aguja imantada, tal como lo
hacía un imán. La aguja queda en dirección perpendicular a la de un conductor lineal. Los experimentos de Oersted establecieron que una corriente eléctrica se comporta como un campo magnético. En un imán permanente no se
logra alterar fácilmente el campo magnético, pero con una corriente eléctrica
sí se puede variar un imán creado por ella. Esta relación íntima entre electricidad y magnetismo (electromagnetismo) se puede analizar mediante el siguiente experimento muy simple: sean dos cables conductores dispuestos en
forma paralela y separados por una distancia a, a los cuales se les hace pasar
una corriente eléctrica de intensidad I1 e I2 por cada uno de ellos. Se observan
los siguientes resultados: a) Si la corriente en ambos es del mismo sentido,
los cables experimentan una fuerza de atracción; si es de signo opuesto, se
repelen. b) Si se aumenta la intensidad de I2 al doble, la fuerza de atracción
aumenta al doble. Esto significa que el campo magnético creado por I2 ha
aumentado al doble. Lo mismo ocurre con I1. c) Si se aumenta o disminuye la
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
51
distancia a, la fuerza disminuye o aumenta en la misma proporción. O sea,
si la distancia disminuye a la mitad, la fuerza se duplica. d) Si entre los conductores se pone algún material, como cartón u otros, se comprueba que la
fuerza cambia. Se deduce que la fuerza depende del medio, hecho que hace
concluir que puede existir una constante dependiente del medio. Por consiguiente, las observaciones expuestas se pueden resumir en la ecuación:
F1 / l = K · (I1·I2 / a)
[3.19]
donde F1 / l es la fuerza de atracción por unidad de longitud l con la que
el cable de I1 atrae al cable de I2. La ecuación [3.19] expresa que esta fuerza
de atracción es directamente proporcional a las intensidades, inversamente
proporcional a la distancia que las separa y que depende del medio. Además,
al comparar la fuerza entre cargas eléctricas en un campo eléctrico (ecuación
[3.1]) con esta última, existe un parecido aunque en [3.19] no aparece el cuadrado de la distancia.
De la ecuación [3.19] se deduce que el campo magnético que crea el
cable por el que circula I2 tendrá una intensidad de campo de módulo:
B = K · I2 / a
[3.20]
A esta intensidad se la conoce más bien como inducción magnética
mediante el símbolo B, o simplemente campo magnético (B). Su unidad
en el SI es el tesla (T) en honor al físico N. Tesla. A la constante K se le da
el valor μo/4π para facilitar los cálculos cuando se dispone de líneas cerradas
formando círculos. La constante μo es la permeabilidad magnética cuando el medio es el vacío y su valor es: μo = 4π·10-7 ·T · m/A.
La fuerza de atracción (los sentidos de las corrientes I1 e I2 son iguales)
tiene el valor numérico, o módulo, calculado, la dirección es perpendicular a
los cables y el sentido el acercar un cable a otro. Es decir, se trata de un vector. Por lo tanto, como la intensidad es una magnitud escalar, la inducción
magnética B debe ser un vector. Se analizará cuál es su dirección y sentido.
Anteriormente se afirmó que la corriente eléctrica deja una aguja imantada en forma perpendicular a un conductor lineal. Si además se espolvorean
limaduras de hierro sobre una cartulina y se hace pasar un hilo conductor a
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
52
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
través de ella, se observa que las limaduras se distribuyen en círculos concéntricos cuando la cartulina esté perpendicular al conductor.
Para saber la dirección que tiene el campo magnético B, es útil aplicar
la regla de la mano derecha. Para ello “se toma” el conductor con la mano
derecha colocando el dedo pulgar extendido a lo largo del conductor en el
sentido de la corriente; los otros dedos de la mano indican el sentido de las
líneas de inducción del campo magnético creado, tal como lo muestra la Figura 3.5, en la que los círculos concéntricos corresponden a las trayectorias de
las limaduras. El sentido de la corriente eléctrica es hacia arriba, adoptando
la convención de que ésta circula del borne de mayor potencial al de menor.
Además, dicha figura incluye dos brújulas que “sienten” el campo magnético
creado por la corriente eléctrica.
Conductor
Figura 3.5. Regla de la mano derecha para conocer el sentido del campo magnético en
torno a un conductor que transporta corriente eléctrica
En resumen, el campo magnético B (magnitud vectorial) se encuentra
en un plano perpendicular al movimiento de las cargas eléctricas, cuya dirección corresponde a la intensidad de corriente del conductor.
Si en la expresión [3.20] se sustituye el valor del campo magnético B,
resulta:
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
F1 / l = I1 · B ; F1 = I1 · l · B
53
[3.21]
En la cual F1, l y B son vectores.
Esta expresión indica que cuando un conductor eléctrico se coloca
perpendicular a un campo magnético experimenta una fuerza cuyo módulo
está dado por la ecuación [3.21]. Si el campo y el conductor (equivalente al
flujo de portadores de carga) son perpendiculares entre sí, la fuerza es de
dirección perpendicular a ambos y su sentido es el avance de un tornillo de
rosca a derecha, que gire en el sentido de l a B siguiendo el menor ángulo l,
que es la longitud del conductor dentro del campo magnético, y se considera como un vector que tiene la misma dirección y sentido que la corriente.
Si se coloca el conductor paralelo al campo magnético, no aparece ninguna
fuerza. El valor máximo de la fuerza se alcanza cuando el conductor se pone
perpendicular al campo. En el caso que el campo y el conductor formen un
ángulo (p. ej., θ), el módulo de la fuerza que experimenta debe multiplicarse
por el seno de dicho ángulo. La expresión que resulta para casos generales
(ecuación [3.22]) constituye el principio del funcionamiento de las máquinas
eléctricas:
F = I · l · B · sen θ
[3.22]
Según la ecuación [3.6], la intensidad de corriente (I) es la cantidad de
unidades de carga (q) que pasan por un conductor por unidad de tiempo (t):
I = q / t. Sustituyendo el valor de I en la ecuación [3.17] resulta: F = q / t · l
· B, en la cual el cociente l/t es la velocidad con que se desplaza una carga q.
Por lo tanto, la fuerza F es proporcional a la unidad de carga qo, que puede
ser positiva o negativa, y al producto vectorial de la velocidad (v) y el campo
magnético (B) (ecuación [3.23]):
F=q·v·B
[3.23]
La Figura 3.6 muestra la situación de dichas magnitudes para una carga positiva.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
54
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
F
90°
q0
v
θ
B
Figura 3.6. Carga eléctrica puntual (qo) sujeta a una fuerza (F) que se desplaza en un
campo magnético (B) a la velocidad (v)
La ecuación [3.19] permite definir la unidad de inducción magnética
(B), que, como se ha visto anteriormente, recibe el nombre de tesla (T):
B = F / (q·v) [ 1N / (1A·1m)]
“Un tesla es la inducción de un campo magnético que hace que una
carga de 1 C que se desplaza perpendicular al campo con una velocidad de 1
m/s experimente la fuerza de 1 N”.
De lo expuesto precedentemente se pueden concluir algunas diferencias fundamentales entre campos eléctricos y campos magnéticos:
– La fuerza eléctrica está en la misma dirección del campo eléctrico; en
cambio, la fuerza magnética es perpendicular al campo magnético.
– La fuerza originada por un campo eléctrico sobre una carga es independiente de la velocidad de la partícula. La fuerza magnética actúa
sólo sobre las partículas en movimiento.
– Una consecuencia de lo anterior es que la fuerza eléctrica origina trabajo al desplazarse la partícula cargada. Por el contrario, la fuerza
magnética, al ser perpendicular al desplazamiento, no origina trabajo. Dicho de otra manera, un campo magnético no puede variar el
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.3 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
55
módulo de la velocidad de una carga, pero sí su dirección. Es decir,
la energía cinética de una partícula no se altera al entrar a un campo
magnético.
A continuación es conveniente introducir otro concepto: el de flujo
magnético (Φ), que es una medida de la cantidad de magnetismo y se calcula a partir del campo magnético (B), de la superficie sobre la cual actúa y
del ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los
diferentes elementos de dicha superficie. Si dicho flujo se produce a través de
una superficie (S), de manera perpendicular a la dirección de B, entonces Φ
es un vector equivalente al producto de dos vectores:
Φ=B·S
[3.24]
Si el campo magnético no es normal a la superficie, sino que forma un
ángulo φ con la normal entonces:
Φ = B · S · cos φ
La unidad de flujo magnético en el SI es el weber y se designa por Wb.
1 Wb equivale “al flujo magnético que al atravesar un circuito de una sola
espira produce en ella una fuerza electromotriz de 1 V, si se anula dicho flujo
en 1 s por decrecimiento uniforme”. Por otra parte, se deduce de la ecuación
[3.24] que 1 Wb es 1 T · m2. En conclusión: 1Wb = 1T· m2 = 1V · s.
3.3.2 FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
El concepto de flujo magnético permite conocer ahora el significado de fuerza
electromotriz inducida. Previamente es preciso recordar que “la fuerza electromotriz (ε) es el trabajo (W) realizado por una unidad de carga (q)”. Esta
fuerza no se puede medir directamente pero sí se puede medir su efecto, que
es la diferencia de potencial (Vab), la cual, según la ecuación [3.4], es: Vab = Wab
/q, en valor absoluto. Por lo tanto: ε = Vab.
El significado de fuerza electromotriz inducida se podrá deducir del
siguiente experimento simple. Sea un imán que se mueve dentro de una bobina (serie de espiras) conectada a un voltímetro. Este instrumento detecta
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
56
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
una diferencia de potencial cuando el imán se esté moviendo, acercándose
y alejándose de la bobina (Figura 3.7). Si en el experimento anterior ahora
se hace mover la bobina y no el imán, también produce corriente; lo que
importa es el movimiento relativo entre la bobina y el imán. Este hecho
significa que cada partícula cargada (q) del conductor se mueve porque experimenta una fuerza F = q· B·v. La corriente que circula es una corriente
inducida por una fuerza electromotriz inducida. Experimentos simples como el descrito llevaron a M. Faraday a descubrir la inducción electromagnética en 1831.
S
S
Imán
acercándose
Imán
alejándose
N
N
Figura 3.7. Movimiento de un imán dentro de una bobina que produce corriente eléctrica
La fuerza electromotriz inducida (ε) en un circuito es igual al valor negativo de la rapidez con la cual está cambiando el flujo magnético que
atraviesa el circuito, en este caso una espira:
ε = - Δ Φ / Δt
El signo menos indica que la corriente inducida se opone a la variación
del flujo que la genera. Para N espiras será:
ε = - N · Δ Φ / Δt
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[3.25]
Alfaomega
3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
57
Así pues, la fuerza electromotriz inducida, diferencia de potencial
que se crea y que se mide en voltios, es el “valor de la variación del
flujo magnético en el tiempo”, enunciado que se conoce como ley de
Faraday.
Como ε depende de Φ, entonces variando las líneas de inducción o la
superficie se obtiene una fuerza electromotriz inducida.
La ecuación [3.25] indica que una corriente producida por una
fuerza electromotriz inducida se mueve en una dirección de manera que
el campo magnético creado por esa corriente se opone al cambio original
en el flujo. Esta situación la planteó Lenz de la siguiente forma: “una
fuerza electromotriz inducida, fem, siempre está en una dirección que se
opone al cambio original en el flujo que la produjo”, ley de Lenz. Esta
ley permite determinar la dirección de la corriente eléctrica inducida
en una espira y debida a un cambio en el flujo magnético dentro de la
espira.
3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Una máquina eléctrica es un conjunto de mecanismos capaces de generar,
utilizar o transformar la energía eléctrica. Si la máquina convierte energía
mecánica en eléctrica se trata de un generador, en tanto que si convierte
energía eléctrica en mecánica se denomina motor y si produce una variación
de la tensión se llama transformador.
Los generadores y motores, que son máquinas rotativas, se pueden
clasificar según la corriente que producen o utilizan. Los generadores que
funcionan con corriente continua (CC) se denominan dínamos y si lo hacen con corriente alterna (CA) se tienen los alternadores, que son los más
empleados. En cuanto a los motores, los más utilizados son los de CA, que
pueden ser monofásicos, polifásicos y universales.
Toda máquina eléctrica rotativa consta de las siguientes partes fundamentales (Figura 3.8).
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
58
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
(a)
4
3
5
1
2
6
4
(b)
10
11
9
8
1
7
1. Inducido 2. Núcleo polar 3. Entrehierro 4. Culata 5. Bobina inductora
6. Bancada 7. Colector 8. Eje 9. Cojinetes 10. Tapa 11. Polea de accionamiento
Figura 3.8. Partes de una máquina eléctrica rotativa:
a) corte transversal; b) corte longitudinal
– Inductor: una de las dos piezas básicas que forman una máquina,
produce y conduce el flujo magnético. También se llama estator por
ser una parte estática o fija. El inductor consta a su vez de los siguientes elementos: pieza polar, sujeta a la culata de la máquina,
e incluye el núcleo propiamente tal y su expansión. El núcleo del
inductor forma parte de un circuito magnético junto con los polos,
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
59
las expansiones polares, el entrehierro, el inducido y la culata, y en él
se encuentran las bobinas inductoras. El inductor, conjunto de bobinas inductoras compuestas por conductores de cobre aislado y enrollado, que tienen un número prefijado para cada máquina, produce
el flujo magnético cuando circula corriente eléctrica. La expansión
polar es la parte más ancha de la pieza polar y se encuentra próxima
al inducido.
– Inducido: el otro elemento básico de una máquina se denomina
también rotor por ser la parte giratoria de ésta. Consta a su vez
del núcleo del inducido, del bobinado del inducido y del colector.
El núcleo del inducido está formado por un cilindro compuesto por láminas magnéticas de acero. Este cilindro se fija al eje de
la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las
láminas que forman el inducido o rotor disponen de ranuras en
las que se fijan los hilos del conductor de cobre del bobinado del
inducido. Éste se encuentra conectado al circuito exterior de la
máquina a través del colector, y es en él donde se produce la conversión de energía. El colector es un conjunto de láminas de cobre, denominadas delgas, aisladas entre sí y conectadas a las secciones del bobinado del inducido. Sobre las delgas se deslizan las
escobillas.
– Escobillas: generalmente se fabrican de carbón o grafito. Se encuentran alojadas en soportes donde se deslizan sobre las delgas del
colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del
inducido.
– Culata es una envoltura de la máquina eléctrica que está fabricada
con un material ferromagnético. Su misión es conducir el flujo creado por el bobinado del inductor. También se unen a ella los polos de
la máquina.
– Entrehierro es el espacio entre la parte fija y móvil de la máquina,
es decir, entre el rotor y las inducciones polares, evitándose así el
rozamiento entre ellas.
– Cojinetes: sirven de apoyo al eje del rotor.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
60
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
3.4.1 GENERADOR ELÉCTRICO
En la sección 3.3.2 se analizó la producción de una fuerza electromotriz inducida cuando un conductor se encuentra al interior de un campo magnético. La Figura 3.9 representa un generador elemental compuesto por una
espira rectangular que gira mediante una fuerza mecánica externa en el
interior de un campo. El giro cortará las líneas de fuerza del campo magnético creado por los polos N y S. Si se conectan los extremos de la espira a
sendos anillos sobre los cuales se apoyan escobillas de un circuito exterior
y en éste se intercala una resistencia, se registrará paso de corriente en un
voltímetro.
B
F
N
S
Espira
Escobilla
Resistencia
Figura 3.9. Esquema de un generador elemental
Para el giro entre 0° y 360° de la espira, se considerarán dos situaciones extremas: cuando la espira es perpendicular a las líneas
del flujo magnético y cuando es paralela a éstas. Sea la espira perpendicular a dichas líneas, tal como se representan en la Figura 3.10, y
sea 0° este ángulo. En esta situación el campo magnético B es perpendicular a la superficie (S) de la espira y por lo tanto el flujo magnético
Φ será cero por ser el producto de dos magnitudes vectoriales (ecuación [3.24]); en consecuencia, la fuerza electromotriz (ε) también será
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
61
nula puesto que ésta depende de aquélla (ecuación [3.25]). El voltímetro no marca paso de corriente. En los giros, según desplazamiento de
los punteros de un reloj, en que la espira está a 180° y 360°, se tiene la
misma situación. En el giro de 90°, la espira estará paralela a las líneas de
fuerza y por lo dicho el voltímetro marcará paso de corriente eléctrica y la
tensión será máxima. Igual situación se tendrá a los 270°. La Figura 3.10
muestra las posiciones de los mencionados giros de una espira sujeta a la
acción del campo magnético B.
B
N
S
N
R
N
R
S
R
S
N
S
R
Figura 3.10. Giro de una espira rectangular en el interior de un campo magnético B
Como resultado, el giro entre 0° y 360° dará lugar a una onda sinusoidal cuya variación corresponde a un cambio en la tensión de positiva
a negativa (Figura 3.11), según sea el lado de la espira. Entonces, se ha
producido una corriente alterna (sección 3.2) en este generador elemental
(alternador).
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
62
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Tensión que se genera
+
90°
0
-
180°
270°
360°
Una vuelta
Figura 3.11. Variación sinusoidal de la tensión generada en un generador elemental
El generador de corriente alterna o alternador no requiere de
colector, por lo que no es necesario que el inducido sea el que gire; en consecuencia, será el componente estático o estator y el componente móvil será
el rotor o inductor. En este caso el campo magnético es giratorio. Estos alternadores reciben el nombre de generadores síncronos, en los cuales la
conversión de energía mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada velocidad de sincronismo, que viene dada por la expresión:
n = 60 · f / p
[3.26]
donde n = velocidad de giro de la máquina (revoluciones por minuto); f = frecuencia de la corriente (Hz o ciclos por segundo); p = número de pares de polos que tiene la máquina. Así, pues, el rotor girará a una velocidad constante
igual a la velocidad de sincronismo de la red. Para 50 Hz, n = 3000 / p (rpm).
El rotor, inductor que gira normalmente por la acción de una turbina
(sección 5.5.1.2), está formado por un número determinado de polos norte y
sur rodeados de bobinas. Las bobinas arrolladas crean el campo magnético
en los polos del rotor. Para que esto ocurra, por estas bobinas debe circular una corriente eléctrica continua. Para producir esta corriente continua se
emplea la autoexcitación estática, es decir, la corriente proviene de la propia
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
63
energía eléctrica generada, previamente transformada de alterna en continua.
Alternativamente a la autoexcitación, se puede utilizar una excitación auxiliar
por medio de una dínamo que se regula mediante un reóstato (corriente excitatriz). Así, se crea un campo magnético giratorio que genera un conjunto
trifásico de fuerzas electromotrices en las bobinas del estator. El rotor es, por
lo tanto, el componente de esta máquina que induce tensión en el estator. El
rotor gira concéntricamente con el eje del generador a una velocidad sincrónica de 1500 revoluciones por minuto cuando la frecuencia es 50 Hz.
El estator o inducido, sobre el que se genera la corriente eléctrica aprovechable, se construye con láminas de acero y se disponen en su interior bobinas donde se producirán las corrientes inducidas.
En la Figura 3.12 se observan las partes fundamentales de un generador trifásico elemental, el más empleado de los alternadores. Esta figura
muestra el estator compuesto por tres bobinas unidas en serie, desfasadas en
120°, y el rotor está representado por el dipolo N, S que gira en sentido de los
punteros del reloj. Se generarán tres fuerzas electromotrices del mismo valor
y frecuencia, pero desfasadas entre sí 1/3 del período. Al efectuar el rotor una
vuelta completa generará en cada una de las bobinas un período de la fuerza
electromotriz. En la figura, donde el rotor está en dirección horizontal, el voltímetro V1 no marca tensión y sí en los otros medidores.
0
V3
S
N
0
V2
120°
V1
Figura 3.12. Esquema de un generador trifásico elemental
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
64
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Todas las centrales eléctricas tienen en común que el generador es un
alternador, que está accionado por una turbina. La Figura 3.13 muestra los
principales componentes de un generador tipo que produce, según capacidad, potencias entre 150 y 350 MV·A que se pueden emplear para acoplarse a turbinas de vapor o de gas. En estos generadores de corriente alterna
la potencia nominal para la cual está diseñada la máquina, potencia aparente
en los bornes, se da en KV·A.
1. Estator 2. Rotor dipolar 3. Sistema de enfriamiento 4. Cubierta 5. Colector
Figura 3.13. Componentes de un generador para centrales termoeléctricas
3.4.2 MOTOR ELÉCTRICO
Un motor eléctrico funciona de forma inversa a un generador: convierte
energía eléctrica en energía mecánica. En la Figura 3.14 se muestra un esquema de un motor elemental. Sea un conductor, en forma de espira rectangular
que se dispone frente a la acción de las líneas de fuerza de un campo magnético B generado por un imán. A través del conductor y de dos escobillas
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
65
dispuestas sobre anillos rozantes pasa una corriente continua de intensidad I.
El campo B ejerce fuerzas F sobre los lados de la espira y estas fuerzas ejercen
a su vez un momento de fuerza τ, por lo que la espira se desplazará y comenzará a rotar; se habrá convertido una corriente eléctrica en movimiento circular.
El motor esquematizado en la Figura 3.14 no puede funcionar con corriente alterna por lo que en los motores industriales el imán se sustituye por
un electroimán. Los motores más utilizados en la industria son los motores
trifásicos en los que el campo magnético inductor se genera en el estator
por medio de corriente alterna trifásica. Este hecho permite obtener un campo magnético giratorio que al atraer los polos del electroimán del rotor provoca un movimiento circular.
F
T
B
N
S
l
F
Figura 3.14. Esquema de un motor eléctrico elemental
Los motores de corriente alterna trifásicos están compuestos por un
estator y un rotor. El estator de un motor, parte fija, está formado, al igual
que el de un generador, por láminas magnéticas aisladas y ranuradas interiormente. En estas ranuras se introduce un bobinado trifásico. El rotor,
parte móvil, corrientemente en forma de jaula de ardilla, es totalmente
distinto. Está formado por un cilindro de barras de cobre o aluminio que
se unen en sus extremos por dos cilindros, formando una jaula de ardilla
(Figura 3.15). La separación de aire entre estator y rotor es la ya conocida
como entrehierro.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
66
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Figura 3.15. Rotor de un motor trifásico en forma de jaula de ardilla
El funcionamiento del motor trifásico se basa en el campo magnético rotatorio que crea una corriente alterna trifásica. La Figura 3.16 es una representación esquemática de un motor trifásico donde el círculo central representa el
rotor alrededor del cual está dispuesto el estator constituido por tres pares de
polos, un par por fase, con sus correspondientes bobinados, separados por un
ángulo de 120° y cuyos terminales están unidos en un punto común.
Ia
A
Rotor
Estator
C
B
Ib
Ic
Figura 3.16. Esquema de un motor trifásico que muestra el rotor y estator con sus bobinados separados por un ángulo de 120°
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
67
Al aplicar una corriente trifásica de tensiones equilibradas en las entradas de los bobinados de intensidades Ia, Ib e Ic se produce un campo magnético resultante, desarrollado en el estator del motor, que hace girar el rotor
a una velocidad de f vueltas por segundo. Si este motor tiene, en general, p
número de pares de polos, la velocidad n es la que indica la ecuación [3.26]:
n = 6 · f / p. Esta velocidad se llama velocidad de sincronismo. Si el rotor
gira a la velocidad de sincronismo, se tiene un motor sincrónico; si el giro es
menor que la velocidad de sincronismo, el motor es asíncrono.
A continuación, se analizan las intensidades de corrientes que circulan
por el rotor del motor de la figura anterior, así como la dirección del par en
cada barra de éste, tal y como son producidas por el campo giratorio en la
dirección indicada por la Figura 3.17.
N
x
o
x
Rotación
S
Figura 3.17. Rotor de un motor de inducción
En las barras del rotor, al cortar el campo magnético, se generan fuerzas electromotrices que dan lugar a corrientes que circulan en los sentidos
representados por los puntos (hacia afuera) y cruces (hacia dentro). Éstas se
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
68
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
encuentran sometidas a fuerzas que tienden a moverlas en dirección perpendicular al campo magnético, siendo aproximadamente tangenciales a la circunferencia de rotación, lo que produce el par motor o momento de fuerza.
La potencia de un motor eléctrico y el momento de fuerza (τ) están relacionados mediante la ecuación:
P=τ·n
[3.27]
Donde P = potencia; τ = momento de fuerza; n = velocidad de giro. De
la expresión [3.27] se deduce que cuando la velocidad de giro disminuye, el
par motor aumenta.
La Figura 3.18 muestra un motor asincrónico o de inducción que se
utiliza en múltiples aplicaciones industriales.
La potencia entregada (Pe) por un motor eléctrico es igual a la potencia
absorbida desde la red (Pa) menos las pérdidas; por lo tanto, el rendimiento (η) será igual a la potencia entregada por el eje del motor dividida por la
potencia absorbida (expresión equivalente a la ecuación [1.7]):
η = Pe / Pa
Carcasa
Estator
Rotor
Figura 3.18. Motor asincrónico o de inducción
Las pérdidas usuales de la potencia absorbida se indican en la Tabla 3.1.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS
69
TABLA 3.1. PÉRDIDAS USUALES EN UN MOTOR ELÉCTRICO DE INDUCCIÓN
TRIFÁSICO
Pérdidas
En cobre de estator
En hierro de estator
En cobre de rotor
Rozamiento y ventilación
Total
Porcentaje (%)
3,5
2,5
3,5
2,0
11,5
Las pérdidas en cobre y hierro se refieren a las que se producen por
el efecto de estos metales componentes del estator y rotor. Estas pérdidas
se manifiestan en forma de calor. La energía total demandada por los motores de inducción tiene una componente activa (que realiza trabajo útil) y
otra componente reactiva (creación del campo magnético). Esta última no
se mide mediante los contadores normales de las instalaciones. La potencia
total (Pt) demandada por un motor eléctrico es igual a la raíz cuadrada de
la suma de los cuadrados de la potencia activa (Pac) y de potencia reactiva
(Preac):
Pt =
2
Pac2 + Preac
[3.28]
“La relación que existe entre la potencia activa y la potencia total” se
denomina factor de potencia (FPot):
FPot = Pac/Pt
[3.29]
En la cual Pac se mide en KW y Pt se mide en KV·A.
3.4.3 TRANSFORMADORES
El transformador es una máquina estática que permite aumentar o disminuir la tensión y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su
producto permanezca constante puesto que, idealmente, la potencia que
se entrega a la entrada de un transformador tiene que ser igual a la que
se obtiene a la salida, manteniendo la frecuencia. La facilidad con que la
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
70
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
corriente alterna puede ser transformada es la gran ventaja que tiene este
tipo de corriente frente a la corriente continua, por lo que su empleo es casi
universal.
Los transformadores están basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos
bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro magnético. Estas
bobinas, o devanados, se denominan primarias y secundarias, según correspondan a la entrada o salida del sistema. Al aplicar una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo
magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. La relación de transformación indica el aumento o disminución que
experimenta el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de
entrada.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (εp), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (εs), obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras del
devanado primario (Np) y del secundario (Ns):
εp / εs = Np/Ns
Puesto que el número de espiras (N) es directamente proporcional a la
tensión (V), para ambos devanados, se cumple:
Np/Ns = Vp/Vs
Se denomina como m o relación de transformación al “cociente
entre el número de espiras del devanado primario y las del secundario”, y
dado que este cociente depende directamente de las respectivas tensiones,
entonces: m = Vp/Vs. Puesto que la tensión es inversamente proporcional a
la intensidad de corriente, m también se puede expresar en función de las
respectivas intensidades ( Ip, Is):
m = Vp/Vs = Is/Ip
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[3.30]
Alfaomega
3.5 TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
71
La Figura 3.19 muestra el esquema de un transformador en que la tensión de salida (devanado secundario) es mayor que la de entrada (devanado
primario).
V1
N1
N2
Figura 3.19. Esquema de un transformador eléctrico
Los transformadores pueden ser industriales o domésticos; ambos
operan a la frecuencia de la red eléctrica. Los industriales son grandes máquinas que se utilizan para la transmisión y distribución de la energía eléctrica (sección 3.5) mediante conductores, líneas de transporte, que deben conducir la corriente eléctrica a altas tensiones para reducir su intensidad y, en
consecuencia, las pérdidas por calor producido por el efecto Joule (sección
3.2). Por lo tanto, para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia se
utilizan elevadas tensiones con bajas intensidades de corriente. En los sitios
de destino de esta energía se encuentran transformadores que disminuyen la
tensión, normalmente a 220 V, adaptándola a las necesidades domésticas o
industriales que requieren intensidad alta.
3.5 TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA
ELÉCTRICA
Gran parte de la energía eléctrica consumida por las industrias, viviendas y
otras actividades se genera en centrales eléctricas que disponen de uno o más
generadores que transforman energía primaria o secundaria en electricidad.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
72
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Sólo en sectores de bajo consumo, aplicaciones de seguridad u otras necesidades se utiliza energía proveniente de pilas, baterías o grupos electrógenos
impulsados por combustibles.
La electricidad no se puede almacenar: debe producirse y transportarse en el mismo momento en que es consumida. Su transporte fluye por
las líneas, o conductores, y otras instalaciones. Existe una estrecha interdependencia entre las distintas vías de transporte, de manera que cualquier
perturbación en una línea o equipo de transporte provoca efectos colaterales
significativos e inmediatos en los demás caminos alternativos. La electricidad “se inyecta” en la red o “se extrae” de la red en múltiples puntos. La gran
capacidad de interconexión de la red de transporte permite que generadores
situados en cualquier nudo de la red puedan competir entre sí para suministrar electricidad en cualquier otro nudo de la red.
La energía eléctrica se genera en función de la demanda existente en
cada momento. Puesto que la demanda varía a lo largo del día y también
existen diferencias de consumo entre las estaciones del año, hay que ir ajustando la producción de electricidad en función de la demanda existente. Este
ajuste se ejecuta encargando a cada central la producción de determinadas
cuotas de energía eléctrica considerando, además, la disponibilidad de energía primaria según la época del año y el rendimiento del conjunto de centrales eléctricas. Todas las centrales y los respectivos receptores de la electricidad, como son las viviendas, industrias mayores y menores, instituciones y
organismos de la más diversa índole, constituyen una inmensa red interconectada. Lógicamente, cuando se produce una interrupción en una central o
receptor de energía se provoca un problema que es proporcional al monto de
energía entregada o recibida.
Esta red debe transmitir grandes cantidades de energía a largas distancias y, sobre todo, debe funcionar a muy alta tensión (220 y 500 KV) para
una mejor eficiencia, como ya se expuso precedentemente. Los elementos
que componen la red de transmisión o transporte, que a su vez forman
el sistema de energía eléctrica, son las estaciones y las líneas.
Las estaciones son centros que cumplen tres funciones principales:
a) Interconexión de todas las líneas entre sí; b) Transformación desde los
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.5 TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
73
centros que alimentan las redes de distribución que llegan al consumidor;
c) Instalación de los elementos de protección, corte y maniobra del sistema.
Las líneas son cables de aluminio que descansan sobre torres de soporte; también pueden ser subterráneos. La sección de los cables marca el límite
de la intensidad que pueden transportar. La energía eléctrica generada sale de
la central y se distribuye a los centros de consumo mediante líneas de alta tensión. Para ello debe transformarse de los niveles de tensión a los que se produce en el generador, 3-36 KV, a los niveles adecuados para su transmisión (220
y 500 KV). Esta alta tensión permite bajas pérdidas en el transporte a largas
distancias. En las cercanías de los centros de consumo, unas estaciones receptoras transforman la alta tensión a una más baja, pero todavía de alta tensión,
a 45, 66, 132 KV, en estaciones transformadoras. En estas condiciones llegan
a las ciudades o áreas industriales a través de estaciones de distribución, en
donde se reduce nuevamente la tensión a 6,6, 15 ó 20 KV, la que se entrega
para su distribución en el interior de las ciudades, previa transformación final
a 380 o 220 V. Valores usuales para la industria son 380 V y para viviendas, 220
ó 110 V. La Figura 3.20 muestra la manera en la que se transmite y distribuye
la energía eléctrica, según su tensión, desde que se genera en centrales hasta
que llega al consumidor, ya sea industrial o habitacional.
Estación
elevadora
C. Generadora
3-36 KV
Línea de
transmisión
45,66,
132 KV
200-500 KV
6,6
15
20
KV
Línea de
distribución
220 V
Vivienda
Estación
distribución
Estación
transformadora
3-30 KV
Estación
transformadora
Estación
transformadora
380 V
Industria
Industria
Figura 3.20. Esquema de la transmisión y distribución de la energía eléctrica
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
74
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
La generación (sección 3.6) y distribución de la energía eléctrica responde a un modelo centralizado e inflexible diseñado para producirla mediante centrales eléctricas de todo tipo y enseguida transmitirla y distribuirla
en una red planificada por unos pocos organismos: Estado y empresas. Este
sistema de gestión puede funcionar razonablemente bien cuando la generación de energía y su consumo es predecible y regular. Sin embargo, la llegada
de las energías renovables introduce cambios radicales en este modelo. Las
fuentes renovables son variables en el tiempo, como lo es la energía solar, y
aleatorias, como la energía eólica.
Por otra parte, en la actualidad la energía eléctrica se cobra por KW∙h
consumidos y su total es recibido por el usuario en una cuenta mensual que
indica el precio resultante de multiplicar el valor unitario del KW∙h por el total de ellos consumidos. Por lo tanto, esta cuenta no discrimina si el artefacto
doméstico se utilizó a las horas de mayor consumo de toda la red o cuando
todos duermen. Por estas razones fue necesario dimensionar la red eléctrica para estos escenarios; cuando se sobrecarga la red ocurren generalmente
los apagones porque no siempre es predecible generar y transportar grandes
montos de energía. Bajo el modelo actual, no hay ningún incentivo para que
los consumidores la empleen a distintas horas. Esta situación demuestra que
existe un amplio espacio para realizar una mayor eficiencia en la generación
y distribución de la electricidad.
Si los generadores eléctricos estuviesen en constante comunicación
con los consumidores se sabría en tiempo real el consumo de éstos; así se
podría generar justo lo necesario y de esta manera se evitarían apagones por
exceso de carga. Esta comunicación entre generadores y consumidores puede constituir una red eléctrica inteligente, la cual se ha definido como
“una forma de gestión eficiente de la electricidad que utiliza la tecnología
informática para optimizar la distribución”. Una red eléctrica inteligente envía electricidad desde los generadores a los consumidores usando una tecnología entre ambas direcciones para controlar las necesidades del consumidor. Esto ayuda a ahorrar energía, reducir costos e incrementar el uso. A
nivel mundial la red inteligente no es una teoría sino una práctica en países
desarrollados.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.6SITUACIÓN
SITUACIÓN
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
ELÉCTRICA
ELÉCTRICA
ENALGUNOS
EN ALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
PAÍSES ...
75
El primer paso para la implementación de este tipo de red es cambiar los actuales medidores o contadores eléctricos por unos inteligentes.
Este hecho provocaría que la generación eléctrica estuviera sincronizada
con el consumo, haciendo así más eficiente la red. Los medidores inteligentes son capaces de presentar una facturación detallada por horarios,
lo que permitiría a los consumidores no sólo elegir las mejores tarifas entre
las diferentes empresas eléctricas sino también escoger las horas de consumo, lo que permitiría un mejor uso de la red. En el futuro, estos medidores
permitirán seleccionar de dónde, en qué cantidad y cómo se administra el
servicio al nivel de hogares. Al mismo tiempo entregarán información relevante a los proveedores para mejorar el servicio: cuentas eléctricas más
precisas, precios por tiempo de uso y ausencia de personas controladoras
del medidor.
Las redes eléctricas inteligentes no sólo permiten una comunicación
de información bidireccional entre generador y consumidor sino también
permiten a los usuarios finales que tengan medios de generación propios renovables inyectar a la red excedentes de energía, es decir, aquella que no
consumen. Ésta será retribuida por la empresa distribuidora de la que sean
clientes, de lo que resultará una medición neta entre lo recibido y aportado
en la cuenta mensual.
3.6 SITUACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN ALGUNOS
PAÍSES LATINOAMERICANOS
El análisis del tipo de energía primaria empleada para generar energía eléctrica deja de manifiesto que, con excepción de Colombia, México, Argentina
y Chile, se consumen más del 60% de combustibles fósiles para generar la
energía secundaria en los cuatro países considerados en esta obra. El aprovechamiento de fuentes renovables de energía es bastante menor, entre 3 y 4%
aproximadamente, con excepción de Colombia, que emplea la energía
hidráulica, en un 60% aproximado, como fuente de electricidad. Cabe
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
76
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
hacer notar que estos datos, según fuentes oficiales, son recientes pero de
años diferentes.
3.6.1 MÉXICO
La generación, transformación, transmisión, distribución y venta de la
energía eléctrica está a cargo del gobierno federal por medio de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), empresa estatal encargada de realizar todas las tareas necesarias para satisfacer la demanda de electricidad
a través del Sistema Eléctrico Nacional (SEN). También se contemplan
las actividades de autoabastecimiento de productores independientes o
pequeños productores, pero la CFE continúa siendo la entidad que puede ofrecer la venta de energía eléctrica al público mediante una tarifa
regulada.
El sistema eléctrico mexicano tiene como particularidad el hecho de
que cuenta con plantas de generación prácticamente de todos los tipos comerciales como consecuencia de la amplia disponibilidad de recursos naturales: hidráulicos, combustibles fósiles, viento, sol, geotermia, energía nuclear,
biomasa, mareas, diversidad, que le permite tener una planificación energética relativamente equilibrada.
La capacidad instalada de plantas de generación eléctrica, al año
2010, la muestra la Tabla 3.2. De dicha generación, un 71% corresponde
a derivados del petróleo y gas natural, un 18% a energía hidráulica, un 5%
a carbón, un 2% a energía nuclear y sólo un 4% a energías renovables, básicamente energía geotérmica. La energía hidroeléctrica, cuya potencia es
superior a 30 MW, no se considera renovable. Las fuentes intermitentes
del sol y viento, así como la biomasa, tienen una participación minoritaria
en el sistema eléctrico. La energía solar se ha empleado extensivamente
en aplicaciones de electrificación rural y comunicaciones; la energía eólica,
en forma de sistemas híbridos de aerogeneradores con motores Diesel y la
energía solar fotovoltaica, en plantas pequeñas. Por su cuenta, la energía
de la biomasa tiene aplicaciones localizadas en ingenios azucareros para su
autoabastecimiento.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.6SITUACIÓN
SITUACIÓN
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
ELÉCTRICA
ELÉCTRICA
ENALGUNOS
EN ALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
PAÍSES ...
77
TABLA 3.2. CAPACIDAD INSTALADA DE POTENCIA ELÉCTRICA EN MÉXICO AL
AÑO 2010
Tipo de energía
Capacidad
instalada (MW)
Porcentaje
%
Termoeléctrica
43 231
71
Hidroeléctrica
11 170
18
Carboeléctrica
2665
5
Renovables
2365
4
Nucleoeléctrica
1365
2
Total
60 796
100
Fuente: Sector Eléctrico Mexicano, SENER, 2011
El sector eléctrico está constituido por áreas, las cuales forman el sistema interconectado que se extiende a todo el territorio nacional, con excepción de la península de Baja California y un conjunto de pequeños sistemas
aislados. La coordinación de la operación de todo el sector eléctrico la ejecuta
el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE), el cual se encarga del
despacho económico de carga de las diferentes plantas realizando la planificación de los recursos eléctricos a largo, mediano y corto plazo de manera tal
que se asegure la continuidad del suministro de electricidad a los usuarios al
menor costo posible. Básicamente, las centrales tales como las termoeléctricas, las geotérmicas y las nucleares son utilizadas como carga base, mientras
que las hidroeléctricas cumplen la función de seguir la demanda, ajustándose
en todo momento a ella.
3.6.2 COLOMBIA
La capacidad instalada en el Sistema Interconectado Nacional (SIN) al finalizar el año 2011 fue 14 419 MW. Su distribución por tipo de recurso se muestra
en la Tabla 3.3.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
78
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
TABLA 3.3. CAPACIDAD INSTALADA DE POTENCIA ELÉCTRICA EN COLOMBIA
AL AÑO 2011
Tipo energía
Capacidad
instalada (MW)
Hidráulica Térmicas:
Porcentaje
%
9185
63,7
4545
31,5
Subtotal
634
4,4
Cogeneradores
55
0,4
Gas
3053
Carbón
991
Fuel-oil
314
Gas-oil
187
Subtotal
Plantas pequeñas:
Hidráulicas
533
Térmicas
83
Eólicas
18
Total
14 419
100
Fuente: Sector Eléctrico Colombiano, 2001, www.xm.com.co
El sistema eléctrico está constituido por cinco grandes operadores del
sistema hidroeléctrico que están integrados al SIN, junto con 54 unidades
térmicas que operan con gas natural, carbón, fuel-oil y gas-oil o combustóleo
y 95 pequeñas plantas, principalmente hidráulicas, además de gas y eólicas,
con potencias que oscilan entre 19,99 y 0,38 MW.
Las empresas que integran el SIN son 48 generadoras, 30 operadoras, 11
transmisoras y 85 comercializadoras. La longitud de las líneas de transmisión,
tanto de alta tensión (500 KV) como de tensiones menores, es de 24 406 Km,
magnitud que da cuenta de su extensión.
Las empresas comercializadoras y los grandes consumidores adquieren la energía en un mercado de grandes bloques de energía, el cual opera libremente según las condiciones de oferta y demanda, pero deben estar integrados al SIN para participar en este mercado; de esta manera se
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.6SITUACIÓN
SITUACIÓN
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
ELÉCTRICA
ELÉCTRICA
ENALGUNOS
EN ALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
PAÍSES ...
79
promueve la competencia entre generadores. Por su cuenta, los comercializadores y grandes consumidores actúan celebrando contratos de energía eléctrica con los generadores, de común acuerdo entre las partes contratantes, sin
la intervención del Estado. La operación y la administración del mercado la
realiza la Compañía de Expertos en Mercados (XM), empresa que opera y administra el mercado eléctrico colombiano, el cual tiene a su cargo, entre otras
funciones, el Centro Nacional de Despacho (CND), cuya finalidad es programar diariamente la utilización de los recursos de generación del SIN para atender la demanda con criterios de economía, calidad, seguridad y confiabilidad.
3.6.3 ARGENTINA
El sistema eléctrico argentino cuenta con 27 044 MW de potencia instalada,
de los cuales el 57% corresponde a centrales térmicas, el 39% a centrales hidroeléctricas y el 4% proviene de centrales nucleares. La zona compuesta por
el norte de la provincia de Buenos Aires y el sur de Santa Fe y Entre Ríos
concentra la mayor parte de la oferta, con el 43% del total, seguida por el
Comahue con el 22%. La región del noreste aporta el 9%, la zona centro y el
noroeste aportan 8% cada una, Cuyo el 6% y la Patagonia, al sur del Comahue, el 3% restante. El sistema se encuentra interconectado por una red de
transporte de casi 15 000 Km de líneas de alta tensión, 500 KV, y 15 000 Km
adicionales de líneas de distribución. Las principales centrales del sistema
eléctrico se presentan en la Tabla 3.4.
TABLA 3.4. CAPACIDAD INSTALADA DE POTENCIA ELÉCTRICA EN ARGENTINA
AL AÑO 2009
Centrales eléctricas
Potencia
instalada
MW)
Ubicación
Térmicas: Costanera
1982
Ciudad de Buenos Aires
Puerto
1387
Ciudad de Buenos Aires
Dock Sud
870
Provincia de Buenos Aires
AES Paraná
845
Entre Ríos
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
80
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
Centrales eléctricas
Potencia
instalada
MW)
Ubicación
Genelba
839
Provincia de Buenos Aires
Piedrabuena
620
Provincia de Buenos Aires
San Nicolás
675
Provincia de Buenos Aires
Capex
661
Neuquén
Belgrano
572
Provincia de Buenos Aires
San Martín
553
Santa Fe
Luján de Cuyo
494
Mendoza
Plus Petrol
446
Tucumán
Termoandes
441
Salta
Hidráulicas: Yacyretá
2280
Mesopotamia
Salto grande
945
Mesopotamia
Piedra de Águila
1400
Patagonia
El Chocón
1260
Patagonia
Alicurá
1050
Patagonia
Río Grande
750
Córdoba
Nucleares: Embalse
648
Córdoba
Atucha
357
Provincia de Buenos Aires
Fuente: El Mercado Eléctrico Argentino, Ministerio de Economía y Finanzas Públicas,
2009
El sector eléctrico argentino está estructurado en tres segmentos independientes: generación, transporte y distribución. La generación funciona
bajo condiciones de libre competencia, pero el transporte y la distribución
están en manos del Estado en forma de servicios públicos que se prestan
en condiciones de monopolio natural. El organismo regulador y contralor
es el Ente Nacional Regulador de la Electricidad (ENRE). El ENRE es un
organismo autárquico que controla que las empresas del sector cumplan
con las obligaciones establecidas en el Marco Regulatorio y en los Contratos de Concesión. En el área de distribución el ENRE tiene competencia en
las áreas de distribución de las empresas Edenor, Edesur y Edelap mientras
que las distribuidoras del interior del país son reguladas por los organismos
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
3.6SITUACIÓN
SITUACIÓN
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
ELÉCTRICA
ELÉCTRICA
ENALGUNOS
EN ALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
PAÍSES ...
81
provinciales. Otro organismo importante del mercado eléctrico es la Compañía Administradora del Mercado Mayorista de Electricidad Sociedad Anónima (CAMMESA) cuyas funciones principales son: la coordinación de las operaciones de despacho de carga, la responsabilidad por el establecimiento de
los precios mayoristas y la administración de las transacciones económicas
que se realizan a través del sistema interconectado nacional. Este organismo
es una empresa de gestión privada con propósito público.
3.6.4 CHILE
Al igual que otros países, el sistema eléctrico chileno está compuesto por empresas de generación, transmisión y distribución del suministro eléctrico. En
Chile, todas estas actividades son desarrolladas por empresas de capitales
privados, pero reguladas y fiscalizadas por el Estado. Participan de la industria eléctrica nacional 31 empresas generadoras, 5 empresas transmisoras y
36 empresas distribuidoras que, en conjunto, suministran una oferta agregada nacional que en el año 2008 alcanzó a 58 877 GW∙h. Esta oferta se localiza
territorialmente en cuatro sistemas eléctricos: Sistema Interconectado del
Norte Grande (SING), Sistema Interconectado Central (SIC), Sistema Eléctrico de Aysén y Sistema Eléctrico de Magallanes.
El SING abarca desde Arica por el norte hasta Antofagasta por el sur,
cubriendo una superficie de 185 142 Km2, lo que representa 24,5% del territorio de Chile continental. Dentro de este sistema opera el Centro de Despacho
Económico de Carga (CDEC-SING), compuesto por las empresas Edelnor,
Celta de Endesa, Electroandina, AES-Gener, Norgener y Gas Atacama. El SIC
es el principal sistema eléctrico del país y abastece a más de 90% de la población. Se extiende desde la ciudad de Taltal (Región de Antofagasta) hasta
la Isla Grande de Chiloé, abarcando una superficie de 326 412 Km2. El SIC
pertenece a veinte empresas de generación que, junto a algunas empresas
de transmisión, conforman el Centro de Despacho Económico de Carga del
SIC (CDEC-SIC). El Sistema Eléctrico de Aysén, localizado en la XI Región,
abarca una superficie de 108 494 Km2 y el Sistema Eléctrico de Magallanes,
situado en la Región de Magallanes (XII Región) y la Antártida Chilena,
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
82
03 ENERGÍA ELÉCTRICA
abastece a las ciudades de Punta Arenas, Puerto Natales y Puerto Porvenir,
abarcando una superficie de 38 400 Km2.
La generación de energía eléctrica tiene dos fuentes principales: hidráulica y térmica. En ambas participan empresas eléctricas propietarias de centrales generadoras. Las centrales térmicas se alimentan con carbón, gas natural,
petróleo, leña y desechos forestales. Las centrales hidroeléctricas, por lo general, se caracterizan por ser más económicas pero, dada la geografía de Chile,
se deben ubicar en la zona sur del país, traspasando los costos al sistema de
transmisión. La generación eólica se desarrolla en las regiones de Coquimbo
y Aysén y la generación con biomasa en la Región del Bío Bío. La transmisión
es de libre acceso para los generadores, que pueden imponer servidumbre de
paso sobre la capacidad disponible de transmisión mediante el pago de peajes.
La Tabla 3.5 presenta las potencias instaladas según fuente y sistema
eléctrico del país, en el año 2008.
TABLA 3.5. POTENCIA INSTALADA, MW, SEGÚN SISTEMA ELÉCTRICO Y
FUENTE DE ENERGÍA, AÑO 2008
Fuente
SIC
SING
Magallanes
Aysén
Total
Hidráulica > 20 MW
4781
0
0
0
4781
Combustibles
fósiles
4292
3589
99
28
8007
Total
convencional
9073
3589
99
28
12 788
Hidráulica < 20 MW
129
13
0
21
162
Biomasa
166
0
0
0
166
Eólica
18
0
0
2
20
Total ERNC
313
13
0
23
349
TOTAL
NACIONAL
9386
3602
99
51
13 137
% ERNC
3,3
0,4
0
45
2,7
Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
83
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
3.1.
Dos cargas de 2 μC se sitúan en el eje horizontal a ambos lados del origen y a igual distancia de 3 cm. ¿Cómo debe ser el signo relativo de las
cargas para que haya un punto en el eje con potencial eléctrico cero?
¿Cuál es ese punto?
3.2.
¿Cuál es la longitud de un cable de cobre de 0,5 Ω de resistencia y 0,01
cm2 de sección? La resistividad (ρ) del cobre a 20 °C es de:
1,67 ⋅ 10−8 Ω⋅m.
Resistencia = ρ · L / A; L = longitud del conductor; A = área del
conductor.
3.3.
Un motor está construido para trabajar con una corriente de 3,5 A a
una diferencia de potencial de 115 V. Este motor se instala en una red
en la que la tensión es de 125 V. Calcular el valor de la resistencia que
hay que montar en serie con el motor para conservar el valor previsto
de la corriente.
3.4.
Cinco lámparas idénticas se instalan en paralelo sobre una línea de 100
V. Calcular la corriente que pasa por el grupo sabiendo que la resistencia de cada lámpara es 400 Ω.
3.5.
Un generador de 50 V de fuerza electromotriz y 1 Ω de resistencia interna proporciona la corriente para el funcionamiento de un motor de
30 V de fuerza que se opone a ésta, fuerza contraelectromotriz, y 0,5 Ω
de resistencia interna. Si la resistencia externa del circuito es de 5 Ω,
calcular:
a) La intensidad de la corriente que circula.
b) La tensión en bornes del generador y en bornes del motor. Parte de
la tensión en bornes del motor es su fuerza contraelectromotriz.
c) El rendimiento del generador y del motor.
d) La cantidad de calor generado en la resistencia exterior en 10 minutos de funcionamiento.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
04
ENERGÍA
ELECTROQUÍMICA
En el capítulo 3 de esta obra se expresó que la energía eléctrica no se puede
guardar en cantidad significativa en relación al gran monto que consume la
actual sociedad. Es bien sabido que una forma de almacenar energía eléctrica, en cantidades pequeñas y para necesidades específicas, es emplear pilas
y baterías o acumuladores de energía eléctrica, indispensables en un gran
número de actividades que conciernen a la microelectrónica, aplicaciones
biomédicas, ambientales y otras, las cuales transforman energía química en
eléctrica. También la energía eléctrica se puede convertir en energía química.
En consecuencia, la ciencia y la tecnología que estudia la interconversión de
la energía eléctrica y la energía química es la electroquímica. Para los objetivos de esta obra, bastará con conocer la conversión de energía química en
eléctrica porque su interés es almacenar energía eléctrica. Para estudiar esta
parte de la electroquímica es necesario revisar previamente las reacciones de
oxidación y de reducción.
4.1 REACCIONES DE OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN
Las reacciones de reducción y oxidación (redox) son aquellas que transfieren electrones. Entre ellas están la combustión y la obtención de metales a
partir de sus minerales. Muchas, pero no todas las reacciones redox ocurren
en agua, medio en el cual también ocurren reacciones electroquímicas. La
transferencia de electrones implica que habrá especies químicas (átomos,
moléculas o iones) que pierdan electrones y otras que los ganen.
El proceso químico de pérdida de electrones se denomina oxidación,
en el que existe participación o no del oxígeno, y el proceso de ganancia de
igual número de electrones perdidos por la otra especie se llama reducción.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
86
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Como ejemplo para revisar las reacciones redox se tomará la ya conocida reacción de oxidación del hidrógeno: 2H2 + O2 → 2H2O. Por conveniencia,
para una mejor explicación de las reacciones redox se puede dividir esta reacción en dos etapas: una que implica la pérdida de electrones del hidrógeno
y la otra que es la ganancia del mismo número de electrones por parte del
oxígeno. A estas etapas se las denomina semirreacciones, que dan cuenta de
los electrones (e) perdidos y ganados.
Semirreacción de pérdida
2H2
→
4H+ + 4e
de electrones (oxidación).
4H+ + O2 + 4e
Semirreacción de ganancia
→
2H2O
de electrones (reducción).
La suma de miembros derechos e izquierdos de las semirreacciones
corresponde a la reacción total:
2H2 + 4H+ + O2 + 4e
→
4H+ + 4e + 2H2O
Como en la ecuación total aparecen las especies 4H+ y 4 electrones en
ambos lados, se cancelan, de modo que queda la ecuación original:
2H2 + O2
→
2H2O
En esta reacción, en la cual el hidrógeno se oxida, se dice que el hidrógeno es un agente reductor porque al donar electrones al oxígeno hace
que el oxígeno se reduzca. A su vez, el oxígeno reducido actúa como agente
oxidante porque al aceptar electrones del hidrógeno hace que el hidrógeno
se oxide.
Un proceso de transferencia de electrones especialmente estudiado en
electroquímica se lleva a cabo cuando se agrega cinc metálico (Zn) a una solución acuosa de sulfato de cobre (CuSO4) que posee color azul, propio del
catión Cu2+ en agua. Luego de un tiempo el color azul se torna pardo, indicio
de que ha habido un cambio químico. En este caso el cinc (Zn) reduce al ión
cúprico (Cu2+) porque le dona dos electrones, transformándolo en cobre metálico (Cu):
Zn + CuSO4
→
ZnSO4 + Cu
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.2 CELDAS ELECTROQUÍMICAS
87
En esta ecuación química la especie SO4 es la misma que aparece en el
lado izquierdo de la ecuación, lado donde se escriben los reactivos, y también
en el lado derecho, donde se escriben los productos; por lo tanto el SO4 no
participa en la reacción que, por simplificación, se omite en la escritura de la
ecuación de reacción. Así, la ecuación simplificada es:
Zn + Cu2+
→
Zn2+ + Cu
La especie SO4 que acompaña a Cu2+ y Zn2+ es el anión sulfato con doble
carga negativa (SO42-) que compensa las dos positivas de los iones cinc y cobre. De esta ecuación es evidente que el cinc metálico (Zn), al transformarse
en el catión cinc (Zn2+), ha perdido dos electrones, por lo tanto el cinc se ha
oxidado y por su cuenta el cobre se ha reducido. Las correspondientes semirreacciones de oxidación y reducción son:
Semirreacción de oxidación:
Zn
→
Zn2+ + 2e
Semirreacción de reducción:
Cu2+ + 2e
→
Cu
Esta reacción redox que ha servido de ejemplo es simple de escribir
porque tiene el mismo número de especies a uno y otro lado de la ecuación para así cumplir con la ley de conservación de la materia. En el caso
contrario, habrá que ajustar o balancear la ecuación para que el número
de átomos de las especies químicas de la izquierda sea el mismo número
de los átomos de las especies químicas del lado derecho; lo mismo debe
ocurrir con el número de cargas positivas (cationes) y negativas (aniones
y electrones) de uno y otro lado. Una forma de ejecutar este ajuste es el
método del ión-electrón que se aplicará más adelante en los casos que se
requieran.
4.2 CELDAS ELECTROQUÍMICAS
Una celda electroquímica es un artefacto que se utiliza para generar
electricidad mediante una reacción redox espontánea. También se le llama
celda galvánica (por L. Galvani) o voltaica (por A. Volta). Los componentes
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
88
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
básicos de esta celda son dos electrodos, que son conductores eléctricos en forma de barras, y un electrolito, que es un conductor iónico. En
general, las reacciones redox que ocurren en la celda pueden escribirse
de la forma que sigue, donde Oxi es el agente oxidante y Red es el agente
reductor:
→
Semirreacción de oxidación:
Red1
Semirreacción de reducción:
Oxi2 + e
Reacción total:
Red1 + Oxi2
→
Oxi1 + e
→
Red2
Oxi1 + Red2
En una celda electroquímica el electrodo donde se lleva a cabo la oxidación se llama ánodo y el electrodo donde ocurre la reducción es el cátodo.
Para la reacción de oxidación del cinc y reducción de catión cúprico, recién
presentada pero ejecutada en una celda electroquímica, los electrodos participan de la siguiente manera:
Ánodo (oxidación):
Zn
→
Cátodo (reducción):
Cu2+ +
Zn2+ + 2e
2e
→
Cu
Con estos antecedentes, supóngase que se realiza la siguiente experiencia electroquímica: se sumerge una barra de cinc metálico (ánodo) en
una solución de sulfato de cinc (ZnSO4) contenida en un recipiente y en otro
recipiente contiguo hay una barra de cobre (cátodo) sumergida en una solución de sulfato de cobre (CuSO4). Si a continuación se conectan las dos
barras mediante un alambre conductor, se produce simultáneamente la oxidación del cinc metálico de la barra y la reducción del catión cobre contenido
en la solución de sulfato de cobre, con transferencia de electrones, a través
del alambre conductor, desde el ánodo de cinc al cátodo de cobre. Sobre la
barra de cobre que recibe los electrones del cinc se comenzará a depositar
átomos de cobre que provienen de la reducción de los iones cobre que migran de la solución al cátodo. Esta reacción química tiene como resultado
la generación de una corriente continua de electrones que se desplazan de
ánodo a cátodo. La celda electroquímica, así compuesta, se denomina celda
Daniell. La Figura 4.1 muestra la disposición de los componentes de una
celda Daniell.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.2 CELDAS ELECTROQUÍMICAS
Flujo de electrones
89
Puente salino
Ánodo
-
Circuito
Oxidación
Zn → Zn2 + 2e-
Cátodo
+
Reducción
Cu2+ + 2e- → Cu
Figura 4.1. Esquema de una celda electroquímica Daniell
En la experiencia anterior las soluciones de sulfato de cinc y de
sulfato de cobre se deben conectar a través de un medio conductor de
los iones desde un recipiente a otro. Este conductor iónico lo provee el
puente salino, como la solución de cloruro de potasio (KCl) que es inerte a las reacciones electroquímicas que ocurren en esta celda. Durante el
transcurso de la reacción total los cationes Cu2+, Zn2+ y K+ fluyen hacia el
cátodo, mientras que los aniones negativos SO42- y Cl- se movilizan hacia
el ánodo, a través de dicho puente. Sin el puente salino, se acumularían
rápidamente cargas positivas en el recipiente del ánodo por la formación
de iones Zn2+ y cargas negativas en torno al cátodo que impedirían que la
celda siga operando.
Cabe preguntarse por qué fluye la corriente de electrones desde ánodo
a cátodo. En el capítulo 3 se estableció que se produce una corriente eléctrica
cuando existe una diferencia de potencial entre dos sitios. En este caso los
sitios son los electrodos ánodo y cátodo. Esta diferencia de potencial se puede medir con un voltímetro cuya lectura, en voltios (V), da lugar al término
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
90
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
potencial de la celda; también se emplea como término equivalente fuerza electromotriz (E), abreviadamente fem.
Para describir de manera simple una celda electroquímica se emplea
un diagrama que es una anotación convencional y que emplea un trazo vertical para significar límite entre fases (p.ej., entre sólido y solución) y doble
trazo vertical para representar el puente salino. En el caso de la celda Daniell,
se describe anotando, además, la concentración molar de las soluciones de
sulfato de cobre y sulfato de cinc de la siguiente manera:
Zn (s) │Zn2+ (1 M) ││Cu2+ (1 M)│Cu(s)
Donde s significa sólido y 1 M es concentración de 1 mol de sustancia
disuelta en agua hasta tener un litro de solución. Por convención, se escribe
el ánodo (electrodo del metal cinc en este caso) a la izquierda y luego los otros
componentes a la derecha de la representación, según el orden de aparición
en la Figura 4.1.
4.3 POTENCIAL ESTÁNDAR DE ELECTRODOS
Según la anotación que representa la celda Daniell, las concentraciones de
las soluciones son 1 M; si además la temperatura es de 25 °C, entonces en el
voltímetro se lee un potencial de 1,1 V, valor que debe estar relacionado con
esta reacción química y sus condiciones de concentración y temperatura. La
reacción química de oxidación del cinc y reducción del catión cúprico se trató como la suma de las semirreacciones que ocurrieron en los dos recipientes. Para conocer el potencial o fem de la celda, también se podría evaluar
la fem total como la suma de los potenciales de cada electrodo, de manera
que conociendo el valor de uno el valor del segundo se puede calcular por
sustracción del valor total. Sin embargo, es imposible medir el potencial de
un solo electrodo; sólo es posible si a un determinado electrodo se le da arbitrariamente un potencial de 0 V, por lo que cualquier otro tendrá un valor
referido al del valor 0. Se ha escogido al electrodo de hidrógeno (H2) como
referencia.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.3 POTENCIAL ESTÁNDAR DE ELECTRODOS
91
4.3.1 POTENCIAL ESTÁNDAR DEL ELECTRODO DE HIDRÓGENO
El hidrógeno es un gas, de manera que un electrodo de H2 debe estar soportado sobre un metal conductor en contacto con el gas. El conductor empleado
es un metal inerte, platino (Pt), que está sumergido en una solución de ácido
clorhídrico (HCl) en cuyo interior se hace burbujear el hidrógeno. En estas
condiciones, el gas se disocia en cationes hidrógeno y los dos respectivos electrones: H2 → 2H+ + 2e. Además, se han definido como condiciones estándar, o
patrón, la temperatura de 25 °C, la concentración del HCl de 1 M y la presión
del gas de 1 atm (ver Figura 4.2). En estas condiciones, el potencial del electrodo de hidrógeno es, por definición, igual a cero. Esta definición implica
que la reducción del hidrógeno tiene un potencial estándar (E°) de cero:
2H+ + 2e →
H2
E° = 0 voltio
E° es el potencial estándar de reducción del hidrógeno y el electrodo de hidrógeno se llama electrodo estándar de hidrógeno (EEH).
Este electrodo se utiliza para medir los potenciales de otros electrodos.
H2
Pt
HC1 1M
E° = 0,000 volt
Figura 4.2. Electrodo de hidrógeno en condiciones estándar
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
92
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
4.3.2 POTENCIAL ESTÁNDAR DE OTROS ELECTRODOS
El EEH se utiliza para establecer los potenciales de otros electrodos, como
el potencial del electrodo de cinc que participa en la celda Daniell. En esta
celda el cinc se oxida respecto del cobre; por lo tanto, para medir el potencial
de su electrodo, empleando como referencia el EEH, el electrodo de cinc se
considera como ánodo. El diagrama que representa esta celda, donde el Pt es
parte del electrodo de H2, es:
Zn(s)│Zn2+ (1 M)││ H+ (1 M) │H2 (1 atm)│Pt(s)
Cuando todos los reactivos están en condición estándar (gas hidrógeno
a 1 atm, soluciones de HCl y ZnSO4 1 M y a 25 °C), la fem o potencial de esta
celda es 0,76 V. Las reacciones en cada uno de los recipientes o semiceldas son:
Zn(s)
Ánodo (oxidación):
→
Zn2+(1 M) + 2e
2H (1 M) + 2e
Cátodo (reducción):
→
+
Reacción total (suma):
Zn(s) + 2H (1 M)
+
E°Zn/Zn2+
H2(1 atm)
→
E°H+/H2
Zn (1 M) +
2+
H2(1 atm) E°celda
E°Zn/Zn2+ es el potencial estándar de oxidación, o sea, la tensión en
condiciones estándar para la semirreacción de oxidación y E°H+/H2 es lo mismo para la semirreacción de reducción, que se definió como 0 para el EEH.
El potencial o fem estándar, E°celda, es, según lo acordado anteriormente, la
suma del potencial estándar de oxidación y el de reducción:
E°celda = E°Zn/Zn2+ + E°H+/H2
0,76 = E°Zn/Zn2+ + 0
El potencial estándar de oxidación del cinc es:
E°Zn/Zn2+ = 0,76 V
El catión Zn2+ también es susceptible de reducirse, por lo que tendrá un
potencial estándar de reducción, reacción que es la contraria a la oxidación.
Este potencial estándar de reducción del cinc, E°Zn2+/Zn, será el inverso
al de oxidación:
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.3 POTENCIAL ESTÁNDAR DE ELECTRODOS
Zn2+(1 M) + 2e
→
93
Zn(s)
E°Zn2+/Zn = -0,76 V
Según esta deducción, debe tenerse presente que si una semirreacción
se invierte, el signo del correspondiente potencial estándar de la semirreacción cambia.
En general, para cualquier celda su potencial estándar será la suma de
los potenciales estándar de oxidación y de reducción:
[4.1]
E°celda = E°oxi + E°red
De la misma manera que se ha calculado el potencial estándar del electrodo de cinc, se puede medir y evaluar el potencial del electrodo de cobre,
constituyente de la celda Daniell, utilizando una celda con un electrodo de
cobre; el otro es el electrodo estándar de hidrógeno (EEH). En este caso el
electrodo de cobre se considera como cátodo porque en la celda Daniell el
cobre se reducía:
Cu2+ + 2e
→
Cu
El diagrama o representación de esta celda es:
Pt(s)│H2(1atm)│H+(1M)││Cu2+(1M)│Cu(s)
Las reacciones de las correspondientes semiceldas son:
H2(1 atm)
Ánodo (oxidación):
→
2H+(1 M) + 2e
→
E°H2/H2+
Cátodo (reducción):
Cu (1 M) + 2e
Reacción total (suma):
H2(1 atm) + Cu (1 M) → 2H (1 M) + Cu(s)
2+
2+
Cu(s)
E°Cu2+/Cu
+
E°celda
En condiciones estándar (las concentración de las soluciones de CuSO4
y de HCl es 1 M, la presión del H2 es 1 atm y la temperatura es 25 °C) el potencial de la celda, medido en un voltímetro, es 0,34 V. En consecuencia, el
potencial estándar de reducción de catión cúprico es:
Potencial total:
E° = E°H2/H2+ + E°Cu2+/Cu
0,34 = 0 + E°Cu2+/Cu
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
94
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Potencial de reducción:
E°Cu2+/Cu = 0,34 V
A su vez, el potencial estándar de oxidación del cobre metálico es:
E°Cu/Cu2+ = - 0,34 V, potencial que tiene valor negativo puesto que la oxidación
es reacción inversa a la reducción.
Conocidos los valores experimentales de los potenciales estándar de
electrodos de cinc y de cobre, ahora se puede calcular el potencial o fuerza
electromotriz (fem) de la celda Daniell.
Ánodo (oxidación):
Zn(s)
Zn2+(1 M) + 2e
Cu (1 M) + 2e
Cátodo (reducción);
Reacción total:
→
2+
Zn(s) + Cu (1 M)
2+
→ Cu(s)
→
E°Zn/Zn2+
E°Cu2+/Cu
Zn (1 M) + Cu(s)
2+
E°celda
La fem de la celda Daniell es:
E°celda =
E°Zn/Zn2+ + E°Cu2+/Cu
E°celda = 0,76 + 0,34 = 1,1 V
La descripción de las experiencias realizadas en la celda Daniell ha
demostrado que el cinc metálico se oxida espontáneamente al catión Zn2+
y a su vez el catión Cu2+ se reduce también espontáneamente a cobre metálico; en condiciones estándar la corriente eléctrica que se produce tiene
una fem de + 1,1 V. Si la fem es negativa, quiere decir que la reacción no es
espontánea en el sentido de la reacción total, tal como está escrita líneas
arriba.
En la Tabla 4.1 se presentan los potenciales estándar de reducción de
ejemplos escogidos de reacciones semicelda dispuestos en orden creciente
respecto del valor 0, asignado al potencial estándar del electrodo de hidrógeno (EEH).
Para una apropiada interpretación de las semirreacciones y sus correspondientes potenciales es importante tener en cuenta:
– El valor del E° se aplica a las semirreacciones tal como están escritas.
– Tanto más positivo sea E°, tanto mayor será la tendencia de la especie química a reducirse. Por ejemplo, el gas flúor (F), que tiene el
mayor valor de E°, 2,87 V, posee la mayor tendencia a reducirse; por
el contrario, el metal litio (Li) es el que tiene el mayor valor negativo,
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4.3 POTENCIAL ESTÁNDAR DE ELECTRODOS
95
-3,05 V, lo cual significa que es muy difícil de reducir. El que tiene
mayor tendencia a reducirse es el agente oxidante más fuerte porque estas especies, al reducirse, provocan la oxidación sobre las que
actúan. Entonces, los agentes oxidantes (las especies que están a la
izquierda de las semirreacciones de la Tabla 4.1) aumentan su fuerza
oxidante desde arriba de la tabla hacia abajo y los agentes reductores
(las especies que están a la derecha de la tabla) aumentan su fuerza
reductora desde abajo hacia arriba.
– Las reacciones de las semiceldas son reversibles. Cualquier electrodo
puede actuar como ánodo o como cátodo; sólo depende de las condiciones de la reacción, que pueden ser estándar o diferentes a las
estándar.
– En condiciones estándar, “cualquier especie que está a la izquierda
en una reacción de semicelda reaccionará en forma espontánea con
la especie que está a la derecha en cualquier reacción de semicelda
que esté por encima de ella en la tabla”, situación que corresponde a
una diagonal; por ejemplo, la reacción de la celda electroquímica de
Daniell en condición estándar:
Zn2+(1M) + 2e → Zn(s)
E° = - 0,76 V
Cu2+(1M) + 2e → Cu(s)
E° = + 0,34 V
El cambio de coeficientes estequiométricos de una reacción de semicelda no afecta el valor de E° porque los potenciales de semicelda son una
propiedad intensiva, propiedad de una sustancia que no depende de su masa,
en este caso del tamaño del electrodo o de la cantidad de solución. Para la
reacción de la semicelda del litio:
Li+(ac) + e → Li(s), E° = - 3,05 V
el coeficiente estequiométrico del litio en esta semirreacción es 1, que está
implícito; si se cambia por el número dos, la masa del Li aumenta al doble
pero no el E°, que sigue siendo -3,05 V.
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96
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
TABLA 4.1. POTENCIALES ESTÁNDAR DE REDUCCIÓN DE REACCIONES DE
SEMICELDA A 25 °C
Semirreacción de reducción
E° (V)
-3,05
-2,87
-1,66
-0,83
-0,76
-0,40
-0,31
-0,25
-0,13
→ H2(g)
0,00
Aumenta poder oxidante
2H+ + 2e
Cu (ac) + 2e → Cu(s)
I2(s) + 2e → 2I-(ac)
Fe+3(ac) + e → Fe2+(ac)
Hg22+(ac) + 2e → 2Hg(l)
O2(g) + 4H+ + 4e → 2H2O
Cl2(g) + 2e → 2Cl-(ac)
PbO2(s) + 4H+(ac) + SO42-(ac) + 2e →
PbSO4(s) + 2H2O
F2(g) + 2e → 2F-(ac)
2+
+0,34
+0,53
+0,77
+0,85
+1,23
+1,36
+1,70
Aumenta poder reductor
Li (ac) + e → Li(s)
Ca2+(ac) + 2e → Ca(s)
Al3+(ac) + 3e → Al(s)
2H2O + 2e → H2(g) + 2HO-(ac)
Zn2+(ac) + 2e → Zn(s)
Cd2+(ac) + 2e → Cd(s)
PbSO4(ac) + 2e → (Pb(s) + SO42-(ac)
Ni2+(ac) + 2e → Ni(s)
Pb2+(ac) + 2e → Pb(s)
+
+2,87
Estándar = concentración acuosa 1 M de especies disueltas, gases
a 1 atm de presión; s = sólido; l = líquido; g = gas; ac = solución acuosa
4.4 POTENCIALES DE ELECTRODOS EN CONDICIONES
NO ESTÁNDAR
Todos los potenciales estándar de electrodos estudiados están referidos a soluciones acuosas cuyas concentraciones son 1 molar (1M), las presiones de
gases son de 1 atm y la temperatura es 25 °C. En la práctica, estas condiciones
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4.4 POTENCIALES DE ELECTRODOS EN CONDICIONES NO ESTÁNDAR
97
son difíciles de tener en una celda y, en muchos casos, imposibles de alcanzar. Hay que recurrir a una expresión que relacione la concentración de los
reactivos y productos de una reacción redox con el potencial que no esté en
condiciones estándar. Tal expresión es la ecuación de Nerst, que se deducirá a continuación. Considérese una reacción redox del tipo:
aA + bB ↔ cC + dD
[4.2]
donde a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos de los reactivos A y B y
de los productos C y D. Cuando se alcanza el equilibrio (↔) en esta reacción,
se cumple que el producto de las concentraciones molares de los productos
de reacción dividido por el producto de las concentraciones molares de los
reactivos —todos ellos elevados a su respectivo coeficiente— es una constante
(K), o constante de equilibrio:
[C]c [D]d
K = ----------a
[4.3]
b
[A] [B]
Supóngase ahora que la reacción de la ecuación [4.2] se inicia con todos los reactivos en estado estándar. Inmediatamente después de iniciada, la
condición del estado estándar no se cumple ni para los reactivos ni para los
productos puesto que las concentraciones ya no son 1 M en los reactivos y
tampoco en los productos. En estas nuevas condiciones, la variación de energía libre (ΔG) es distinta a la variación de energía libre estándar (ΔG°) de la
reacción redox. La relación entre estos dos tipos de energías está dada por la
expresión [4.4], que se deduce de la termodinámica:
ΔG = ΔG° + RT ln ₭
[4.4]
Donde ₭ es el cociente de la expresión [4.3] de la reacción que ahora no
está en equilibrio y las concentraciones de reactivos y productos han variado,
por lo tanto ₭ ≠ K.
La energía química que se ha transformado en energía eléctrica en una
celda es el producto de la carga eléctrica total que pasa por la celda multiplicada por la fem o potencial (E). A su vez, la carga total es el producto del
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
98
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
número de moles de electrones (n) que pasan por el circuito multiplicado por
la constante de Faraday (F), cuyo valor es 96 500 C/mol. Por lo tanto: Energía
eléctrica = nFE. Esta energía se utiliza para obtener un trabajo (W), que tiene
signo negativo porque es un trabajo contra el medio ambiente:
[4.5]
W = -nFE
Como la energía libre se define como la energía disponible para realizar
un trabajo ΔG = W, por lo tanto:
ΔG = -nFE
[4.6]
Para las reacciones en las que reactivos y productos estén en la condición estándar, la ecuación [4.6] se convierte en la ecuación [4.7]:
ΔG° = -nFE°
[4.7]
Sustituyendo nFE y nFE° en la ecuación [4.4], se tiene:
-nFE = -nFE° + RT ln ₭
[4.8]
Amplificando ambos miembros de la ecuación [4.8] por -1/nF se llega
a la llamada ecuación de Nerst [4.9], que relaciona el potencial de una celda
(E) en la cual las concentraciones de los reactivos y productos están en concentraciones diferentes a las del estado estándar:
E = Eo - RT
nF
ln ₭
[4.9]
Para calcular mediante esta ecuación el potencial no estándar (E) de la
estudiada celda Daniell, es necesario recordar la reacción redox de esta celda:
Zn(s) + Cu2+ → Zn2+ + Cu(s)
La solución acuosa participante como reactivo es la de Cu2+ y la que
participa como producto de la reacción es la de Zn2+; en consecuencia, ₭ =
[Zn2+] / [Cu2+] , su E° = 1,1 V y la carga eléctrica total es 2 (dos moles de electrones). Se tiene:
E = 1,1 -
· ln
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
(V)
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4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
99
4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
En la acepción que se utiliza comúnmente en la vida diaria, pila es una fuente portátil de energía eléctrica cuya unidad básica es la celda electroquímica,
que no requiere de un puente salino y que entrega un potencial constante,
en tanto que batería es una serie de dos o más pilas conectadas en serie.
Independientemente de estas definiciones, es común que estos términos se
empleen de manera indistinta.
Tanto las pilas como las baterías se clasifican en dispositivos primarios
y secundarios. Las pilas y baterías primarias no pueden recargar su energía
eléctrica, mientras que las secundarias sí.
4.5.1 BATERÍAS O PILAS PRIMARIAS
Son todas las celdas electroquímicas que proporcionan un trabajo eléctrico
útil (W) a partir de reactantes contenidos en su interior. Una vez que se agota
la entrega de energía por consumo de los reactantes, el dispositivo se descarta. Las baterías primarias se conocen comúnmente como pilas. La reacción
química espontánea que se produce en estas celdas se puede escribir de manera general como sigue, donde Oxi es la sustancia oxidante, Red es la reductora y e es el electrón, tal como se afirmó al inicio de este capítulo:
→
Ánodo:
Red1
Cátodo:
Oxi2 + e
Total:
Red1 + Oxi2
Oxi1 + e
→
→
Red2
Oxi1 + Red2
Las pilas más comunes están formadas por electrodos de cinc y dióxido
de manganeso (MnO2); son de tres tipos: a) pila seca, pila Leclanché o pila
cinc/carbono (Zn/C); b) pila alcalina y c) pila de cloruro de cinc (ZnCl2).
Pila seca: el ánodo de la celda se compone de un contenedor en forma
de lámina de cinc. El cátodo está compuesto por polvo de dióxido de manganeso mezclado con carbono prensado sobre una barra de grafito (carbono),
que actúa como soporte, sumergida en el electrolito. El electrolito es cloruro
de amonio y cloruro de cinc en agua, a la que se le ha agregado almidón para
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
100
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
que la mezcla sea pastosa y así no pierda líquido; en realidad, la pila no es
seca. Las reacciones que ocurren en su interior son:
Ánodo:
Cátodo:
Zn(s)
→
Zn2+ + 2e
2NH4+ + 2MnO2(s) + 2e
→
Mn2O3(s) + 2NH3(ac) +
H2O
Total:
Zn(s) + 2NH (ac) + 2MnO2(s)
+
4
→
Zn (ac) + Mn2O3(s) +
2+
2NH3(ac) + H2O
Un esquema de la pila seca se muestra en la Figura 4.3.
+
Aislante
Barra de grafito
(cátado)
Pasta de C y MnO2
Pasta de NH4CL y Zn CL2
(electrolito)
Carcasa de Zn
(ánodo)
Figura 4.3. Componentes de la pila seca
El potencial que genera esta pila es 1,5 V. Se emplea principalmente en
linternas y en radios de transistores.
Pila alcalina: funciona con los mismos componentes que la seca pero
emplea un electrolito alcalino (KOH). Las reacciones químicas que ocurren
son:
→
ZnO + H2O + 2e
Ánodo:
Zn(s) + 2HO-
Cátodo:
MnO2 + 2H2O + 2e
Total:
Zn(s) + MnO2 + H2O
→
Mn(OH)2(s) + 2HO-(ac)
→
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
ZnO(s) + Mn(OH)2(s)
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4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
101
Produce un potencial de 1,5 V. Su ventaja, respecto de la pila seca, es su
mayor vida útil, pero es más cara.
Pila de cloruro de cinc: su electrolito está formado por un medio
amoniacal que contiene KOH. Representa una mejora del diseño de la pila
alcalina convencional en el que el MnO2 está sustituido por MnO2 de alta
pureza, producido electroquímicamente.
Pila de mercurio: está contenida en el interior de un cilindro de acero
inoxidable. Posee un ánodo de amalgama de cinc y mercurio (Zn-Hg) que está
en contacto con un electrolito fuertemente alcalino, que contiene óxido de cinc y
óxido de mercurio (HgO) y actúa como cátodo. Las reaccciones de la celda son:
Ánodo:
Zn-Hg(s) + 2HO-(ac)
→
ZnO(s) + H2O + 2e
Cátodo:
HgO(s) + H2O + 2e
→ Hg(l) + 2HO-(ac)
Total:
Zn-Hg(s) + HgO(s)
→
ZnO(s) + Hg(l)
Puede constatarse que en la reacción total no existe el agua, por lo cual no
hay cambios en la composición del electrolito. Esta pila suministra un potencial
(1,35 V) más constante que las otras pilas y también posee larga vida. Por estos
motivos se emplea en marcapasos, aparatos auditivos, relojes eléctricos y otros.
4.5.2 BATERÍAS SECUNDARIAS
Las baterías secundarias son, como ya se ha dicho, recargables porque las
reacciones químicas encargadas de generar energía eléctrica pueden ser revertidas por acción de la energía eléctrica. Después de la descarga el sistema
generador puede ser restablecido y el número de ciclos descarga-carga puede ser mayor que 1000. La denominación más común de este tipo de celda
es batería o acumulador. Las reacciones químicas de la descarga y carga
pueden representarse por las siguientes ecuaciones químicas generales:
Descarga: Oxi1 + Red2  Red1 + Oxi2
Reacción espontánea que
entrega electricidad.
Carga: Oxi2 + Red1  Red2 + Oxi1
Reacción no espontánea produ-
cida por electricidad que emplea corriente continua de una fuente de poder
externa. Como se aprecia, la reacción de descarga es la inversa de la de carga.
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102
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Las baterías recargables más utilizadas actualmente son: la batería de
plomo, la batería de níquel-hidruro metálico y la batería de ion litio.
Batería de plomo: esta batería o acumulador consta de seis celdas
unidas en serie. Cada celda tiene un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido
de plomo (PbO2) superpuesto sobre una placa metálica. Ambos electrodos están sumergidos en una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) de concentración
aproximada 1 M, que es el electrolito. Todos los componentes descritos están
encerrados en un contenedor de plástico. La reacción de descarga de corriente eléctrica es:
Ánodo (-): Pb(s) + SO42-(ac) → PbSO4(s) + 2e
Cátodo (+): PbO2(s) + 4H+(ac) + SO42-(ac) + 2e → PbSO4(s) + 2H2O
Total:
Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(ac) + 2SO42-(ac) → 2PbSO4(s) + 2H2O
En condiciones normales de operación cada celda produce 2 V y un total de 12 V, que son los requeridos para la partida del motor de un automóvil.
La Figura 4.4 corresponde a una batería de plomo.
Anodo
Tapa removible
Cátodo
H2SO4 Electrolito
Placas negativas
(recubiertas con
plomo esponjoso)
Placas positivas
(recubiertas con PbO2)
Figura 4.4. Batería de plomo
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
103
El proceso de carga de esta batería implica aplicar una corriente eléctrica externa cuya reacción total es la inversa a la de descarga:
Ánodo:
PbSO4(s) + 2e
Cátodo: PbSO4(s) + 2H2O
→
Pb(s) + SO42-(ac)
→
PbO2(s) + 4H+(ac) + SO42-(ac) + 2e
Total: 2PbSO4(s) + 2H2O → Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(ac) + 2SO42-(ac)
La batería de plomo es muy eficiente porque más del 90% de la carga
eléctrica empleada para cargarla está disponible en la descarga. Tiene gran
variedad de aplicaciones: la más utilizada es el arranque de motores de combustión de vehículos; en el caso del automóvil la potencia requerida es del
orden de un kilovatio, que implica una capacidad de corriente de alrededor
de un centenar de amperios. Otros usos son como fuente de energía en algunos vehículos eléctricos, en sistemas de generación fotovoltaicos (sección
8.9.2) o como fuente de electricidad en emergencias de centrales telefónicas
y eléctricas y en hospitales.
Batería de níquel hidruro metálico: para el ánodo de esta batería
se utilizan aleaciones metálicas que tienen la propiedad de formar hidruros
(H-) y liberar hidrógeno atómico (H) en forma reversible. Estas aleaciones están formadas por níquel (Ni) y metales (M) de las tierras raras, por ejemplo,
lantano (La), de manera que si la aleación es LaNi5 la formación de hidrógeno
sobre la aleación se representará por el símbolo MH. El cátodo es una lámina
de níquel que soporta hidróxido de níquel [Ni (OH)2], que es verdaderamente la sustancia activa. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio
(KOH). Las reacciones de ambos electrodos para la descarga son:
Ánodo: M(H)(s) + HO-(ac)
→
Cátodo: NiOOH(s) + H2O + e
Total:
M(H)(s) + NiOOH(s)
M(s) + H2O + e
→
→
Ni(HO)2(s) + HO-(ac)
M(s) + Ni(HO)2(s)
El potencial de esta batería es 1,4 V. Las ventajas de estos acumuladores son su bajo peso y alta potencia; sin embargo, esta batería se descarga
durante su almacenamiento.
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104
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Batería de ion litio: la batería de ion litio o mejor catión litio
(Li ) es en la actualidad un acumulador cada vez más empleado en ar+
tefactos de la vida diaria como notebooks, teléfonos celulares, cámaras
fotográficas y de video, i-pods y otros. Su desarrollo comenzó en los años
90 y la mejora en su funcionamiento es el objetivo de los principales fabricantes de baterías secundarias. La meta es lograr el acumulador para
los vehículos con motor eléctrico que posea mayor autonomía, potencia,
capacidad o corriente para entregar por hora, a menores costos y tiempos
de recarga.
Las baterías de ion litio son de particular interés porque el potencial
actual de operación de éstas es alrededor de 3,7 V; una sola celda produce
casi el mismo potencial que tres celdas alcalinas en serie. Además, el litio
es un metal muy liviano y su potencial estándar es el más elevado de todas
las especies químicas, como se puede apreciar en la Tabla 4.1 de la sección
4.3.2. Por otra parte, la densidad de energía (energía entregada por unidad
de masa) de esta batería es 155 W·h/Kg, valor que es unas quince veces
superior al acumulador de plomo. La Tabla 4.2 reúne propiedades cuyos
valores muestran las ventajas que tienen las baterías de ion litio sobre las
de plomo.
TABLA 4.2. COMPARACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS DEL LITIO
Y DEL PLOMO
Propiedades físicas
Litio (Li)
Plomo (Pb)
Masa atómica
6,939
207,2
Número atómico
3
82
Densidad (g/cm3)
0,534 (a 0 °C)
11,34 (a 20 °C)
Potencial estándar (V)
-3,05
-0,13
Carga específica (A·h/Kg)
3860
260
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4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
105
En las baterías de ion litio el ánodo está constituido por carbono en
forma de láminas de grafito, entre las cuales es capaz de almacenar, por medio de intercalación, átomos de litio. De esta manera el litio es más estable.
El cátodo está constituido por óxidos metálicos de estructuras simétricas, tal
como el óxido de cobalto (CoO2), que contiene átomos de litio en estas estructuras. De lo expuesto, el ánodo se representará como LixC, donde C es el símbolo del carbono y x es el número de átomos de litio que contiene el ánodo. El
cátodo se representará como LiyCoO2, donde y es el número de átomos de Li
que tiene el compuesto LiCoO2.
Ambas representaciones de dichos electrodos son fórmulas no estequiométricas. Las reacciones electroquímicas que ocurren en la celda
son:
Semirreacción anódica:
Semirreacción catódica:
Total:
LixC →
xLi+ + C + xe
xLi+ + xe + LiyCoO2 →
LixC + LiyCoO2 →
Lix+yCoO2
C + Lix+yCoO2
El electrolito son sales de Li disueltas en solventes orgánicos y como
separador se emplean membranas poliméricas permeables de manera selectiva. En la descarga los electrones fluyen espontáneamente desde el ánodo
hacia el cátodo por el exterior de la celda, mediante un conductor que cierra
el circuito. Por su cuenta, los iones Li+ migran del ánodo al cátodo a través
del electrolito.
En la carga se envían electrones hacia el ánodo y se extraen desde el cátodo mediante una corriente eléctrica externa. Por lo tanto, se hace el ánodo,
electrodo negativo, más negativo y el electrodo positivo, cátodo, más positivo, aumentándose así la diferencia de potencial entre ellos o, lo que es lo mismo, la tensión de la celda. Este proceso fuerza también a los átomos de litio
a salir del cátodo como cationes y a migrar para intercalarse en el ánodo a
través del electrolito. El desplazamiento de electrones e iones desde el ánodo
al cátodo en la descarga y el de cationes litio en la descarga y carga se muestra
en la Figura 4.5.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
106
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
LixC6 Grafito
Li+ Electrolito conductor
LiCoO2
Figura 4.5. Desplazamiento de electrones e iones en una celda de ion litio
4.5.3 CELDA DE COMBUSTIBLE
La celda de combustible es una celda electroquímica que produce energía
eléctrica en forma constante, para lo que requiere un aporte continuo de los
reactivos de combustión; en consecuencia, su ventaja es no necesitar recarga.
En el capítulo 3 se dijo que para generar energía eléctrica se requiere que el
calor producido por una reacción de combustión genere vapor, éste movilice
una turbina y ésta mueva un generador. En cada una de estas etapas se pierde
una gran cantidad de energía entregada al ambiente en forma de calor. Las
centrales más eficientes, de ciclo combinado, sólo convierten un 50% de la
energía química en electricidad. Como las reacciones de combustión son reacciones redox, al igual que las reacciones electroquímicas, lo más lógico sería
transformar directamente una reacción de combustión en una electroquímica
con producción de electricidad. En una celda de combustión los combustibles
son hidrógeno o hidrógeno producido de hidrocarburos o bien líquidos livianos como el metanol (CH3OH) y, como oxidante, se utiliza el aire u oxígeno.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.5 PILAS, BATERÍAS Y CELDA DE COMBUSTIÓN
107
En la sección 4.1 se estudiaron las reacciones redox empleando como
ejemplo la oxidación del hidrógeno. En esta oportunidad se tomará también
como ejemplo, para la celda de combustión, la reacción del hidrógeno con
oxígeno. Estos gases se hacen llegar a compartimentos diferentes de la celda,
en cuyos interiores están los electrodos de un metal inerte, sobre los cuales se
adsorben estos gases y sus moléculas se transforman átomos. El hidrógeno
se oxida en el ánodo que está sumergido en una solución de KOH y el oxígeno
se reduce en el cátodo:
Ánodo: 2H2(g) + 4HO-(ac) → 4H2O + 4e
Cátodo: O2(g) + 2H2O + 4e → 4HO-(ac)
Total:
2H2 + O2 → 2H2O
La Figura 4.6 representa esquemáticamente una celda de combustible
con base en hidrógeno.
Hidrógeno
2e-
+
Oxígeno
H2
(del aire)
(de un combustible)
2e+
2H+
Electrolito
2H+
2e+
2H+
+
½O2
H2O
Anodo
Cátodo
Figura 4.6. Celda de combustible de hidrógeno
El potencial estándar de esta celda es 1,23 V, por lo que la reacción es espontánea en condiciones estándar. Los metales inertes más apropiados para la
celda de combustión son el platino (Pt) —como ya se vio en el electrodo de platino (sección 4.3.1)—, el níquel (Ni) y el rodio (Rh), metales que actúan como
catalizadores al producir átomos de hidrógeno y oxígeno sobre sus superficies.
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108
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Debido a que el hidrógeno es un combustible de alto costo, de logística
compleja y de alta peligrosidad, no se emplea en celdas generadoras de corriente eléctrica. Como alternativa, se utilizan hidrocarburos que producen
hidrógeno y CO, mezcla denominada gas de síntesis (sección 9.8.2.2) por el
proceso de reformado, que es una descomposición térmica en presencia de
agua y ausencia de oxígeno:
CnH2n+2 + nH2O → (2n+1)H2 + nCO
CO + H2O → CO2 + H2
El CO2 producido se retira de la mezcla, dejando hidrógeno libre. Hidrocarburos que se emplean como combustibles, con una previa reformación,
son el metano, propano y butano, que tienen el inconveniente de ser gases inflamables. Un combustible más seguro y líquido es el metanol (CH3OH), que
en una celda produce corriente de la siguiente manera:
Ánodo: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e
Cátodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e → 3H2O
Total:
CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2
En las celdas de combustible la eficiencia es alrededor de 70%, que es el
doble de un motor de combustión que produce contaminación atmosférica,
genera ruido y desprende calor, mientras las celdas no tienen estos problemas. Una de la razones de no poder utilizar estas ventajas en mayor escala
para generar energía eléctrica está en el alto costo de los metales que se emplean como electrodos.
4.6 USOS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS PILAS Y BATERÍAS
Existe una gran variedad de pilas en el mercado que varían en la naturaleza
de sus componentes químicos, forma, tamaño y peso. En cuanto al diseño, la
más conocida es la forma cilíndrica, que se comercializa en varios tamaños,
por ejemplo AAA, AA, A. Las denominadas pilas botón, cilíndricas pero de forma achatada y tamaño más reducido, son usadas en audífonos, marcapasos,
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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4.6 USOS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS PILAS Y BATERÍAS
109
relojes, calculadoras y aparatos médicos de precisión. La configuración prismática es un modelo universal para baterías de mayor potencial (9 V), mientras que algunos equipos electrónicos utilizan diseños especiales, como es el
caso de algunas pilas de litio.
La Tabla 4.3 resume los principales empleos tanto de pilas como de baterías comunes y da cuenta de algunos tipos y características no presentados
anteriormente.
TABLA 4.3. TIPOS Y USOS DE PILAS Y BATERÍAS COMUNES
Tipos
Usos y características
Cinc/Carbono (Zn/C)
(Leclanché)
Todo tipo de equipamiento eléctrico
y electrónico sencillo y de bajo
consumo. Se denominan pilas
comunes.
Alcalinas o de cinc/dióxido de
manganeso (Zn/MnO2)
Igual que las de Zn/C pero duran
unas diez veces más.
Níquel/Cadmio (Ni/Cd)
Ánodo: Cd; Cátodo: Ni(HO)2
Igual que Zn/C, teléfonos celulares,
notebook. Son baterías secundarias
hasta 1000 recargas, pero no tienen
altos voltajes.
Oxido mercúrico (HgO)
Ánodo: Zn; Cátodo: HgO
Audífonos y equipamiento médico.
Usualmente en forma de botón.
Contienen alrededor de 30% de
mercurio.
Cinc/Aire (Zn/O2)
Ánodo: Zn; Cátodo: O2
Igual que las de HgO. Poseen gran
cantidad de agujeros diminutos en
su superficie. Contienen más de 1%
de mercurio
Níquel/hidruro metálico (Ni/MH)
Ánodo: MH; Cátodo: NiO
Igual que las de Ni/Cd. El Cd se ha
reemplazado por MH que almacena
H. Su densidad de energía es el doble
de la de Ni/Cd.
Oxido de Plata (Ag2O)
Ánodo: amalgama de Zn; Cátodo:
Ag2O
Calculadoras, relojes, cámaras
fotográficas.
Usualmente forma de botón.
Contienen ≈ 1% de mercurio.
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110
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Tipos
Usos y características
Litio metálico
Ánodo: Li; Cátodo: TiS2
Relojes, calculadoras, flashes cámaras fotográficas. Son recargables.
Varias formas. Baja duración.
Ión litio
Ánodo: Li/C; Cátodo: LiCoO2
Igual que las de Li metálico, además
de baterías para automóviles.
Recargables. Más eficientes que las
de Li metálico.
4.7 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS PILAS Y BATERÍAS USADAS
Muchos de los metales pesados presentes en las celdas de estos artefactos,
como el mercurio y el cadmio, son tóxicos y les confieren características de
peligrosidad. Aunque las pilas y baterías contribuyen en bajo porcentaje al
volumen total de residuos domésticos, son uno de los desechos con mayor
aporte de metales pesados al total de residuos. Durante la vida útil de una
pila o batería los riesgos de liberación de sus componentes están limitados
por los sistemas de blindaje exterior. Cuando son sometidas a condiciones
ambientales más extremas que las que experimentan en el interior de un
equipo, condiciones como las que poseen los rellenos sanitarios, el blindaje
está expuesto a procesos de corrosión que terminan destruyéndolo, liberando
sus componentes. Así, en el proceso de fermentación de la materia orgánica
de la basura puede elevar su temperatura hasta los 70 ºC y la cápsula sufre un
deterioro progresivo hasta que se rompe, liberando las sustancias químicas
que forman parte de su estructura. Cuando esto ocurre se produce el derrame
de los electrolitos internos de las pilas, arrastrando los metales pesados.
Las pilas y baterías que no entran a la cadena que implica recolección,
tratamiento y disposición en depósitos especiales para residuos peligrosos
siguen la misma ruta que otros residuos domésticos: son recolectadas y enviadas a un relleno sanitario o ingresan a cadenas informales de recolección
y disposición en sitios no autorizados, que finalmente terminan en quemas
a cielo abierto, enterramiento o vertidos en cursos de agua. En el caso de
la cadena informal, es posible que esta liberación al ambiente ocurra más
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
111
directamente, acortando los tiempos en que los metales pesados llegan al
suelo, a cursos de agua y a acuíferos. Para imaginar la magnitud de la contaminación que producen las pilas y baterías usadas basta con saber que el
93% del mercurio, 47% del cinc, 48% del cadmio y 22% del níquel en la basura
doméstica proviene de estos artefactos. El tonelaje de pilas y baterías usadas
que se genera en el mundo se va incrementado en una proporción mayor que
el incremento de población y forma cantidades verdaderamente increíbles.
Según datos facilitados por la Comisión Europea, el mercado europeo da salida, cada año, a cerca de 800 000 toneladas de baterías de automóviles hechas
de plomo, 190 000 toneladas de baterías industriales y 160 000 toneladas de
pilas y baterías caseras. Sin embargo, el plomo se recicla.
Se ha observado efectos en varios mamíferos y pájaros luego de la exposición crónica oral a bajos niveles de cadmio. Puede bioacumularse en varias especies de plantas e invertebrados terrestres. En el hombre, la mayoría
del cadmio que ingresa al cuerpo se deposita en hígado y riñones, con una
permanencia muy prolongada. El mercurio ocasiona una amplia gama de
efectos sistémicos en humanos (riñones, hígado, estómago, intestinos, pulmones y una especial sensibilidad del sistema nervioso). Los microorganismos convierten el mercurio inorgánico en metilmercurio, una forma química
muy tóxica, persistente y bioacumulable y que además se absorbe fácilmente
en el tracto gastrointestinal humano.
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
4.1.
Empleando el siguiente par de semireacciones: I2(s)/I- Pb2+(ac)/Pb(s):
a) diseñar una pila real para obtener energía eléctrica; b) escribir las
ecuaciones de las semirreacciones de cada electrodo; c) mostrar en
qué sentido se mueven los electrones en el conductor; d) mostrar en
qué sentido se mueven los iones positivos y negativos de la solución;
e) calcular la fem de la pila; f) escribir e igualar las ecuaciones de las
reacciones de oxidación-reducción de cada par de semireacciones.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
112
4.2.
04 ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Ajustar las siguientes ecuaciones redox que ocurren en solución ácida:
a) H2O2 + Fe2+ → Fe+3 + H2O
b) Cu + HNO3 → Cu2+ + NO + H2O
Las reacciones que ocurren en medio ácido se ajustan agregando H2O
para balancear los átomos de O y, para balancear los átomos de H, se
agregan H+.
4.3.
Empleando los potenciales estándar de la Tabla 4.1, predecir si el Fe+3
puede oxidar el ión I- a I2 en condición estándar.
4.4.
¿Qué ventajas e inconvenientes tiene la pila de mercurio sobre la pila
seca?
4.5.
La fem estándar de una celda de combustible es 1,23 V. a) ¿Qué volumen del gas hidrógeno almacenado a 25 °C y 155 atm (1 atm = 101,325
Pa) se necesitaría para que funcione un motor eléctrico con una corriente de 8,5 A durante 3 h? b) ¿Qué volumen en litros de aire a 25 °C y
1 atm pasará a través de la celda por minuto para que el motor funcione? Suponer que el aire tiene un 20% de oxígeno en volumen, que todo
el aire se consume en la celda y que los gases se comportan idealmente.
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2ª PARTE
FUENTES DE ENERGÍAS NO
RENOVABLES. APLICACIONES
Mediante la expresión energía no renovable se alude a las fuentes de energía
que se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas. Suponen en torno
al 80% de la energía mundial y sobre ellas se ha construido el inseguro modelo
energético actual.
Las fuentes de las energías no renovables pueden ser clasificadas en
dos grandes grupos: combustibles fósiles, que son recursos energéticos generados en el pasado a través de procesos geobiológicos: carbón, petróleo y gas
natural empleados básicamente para generar energía térmica (capítulo 5); y
combustibles nucleares para aprovechar la fantástica energía que se produce
en la fisión de algunos núcleos como el del átomo de uranio (capítulo 6).
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
05
ENERGÍA
TÉRMICA
En el capítulo 1 ha quedado establecido que la energía térmica es la “energía asociada al movimiento de los átomos y moléculas”. También se expresó
que el calor es “la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que
están a diferentes temperaturas” y que se emplea para describir los cambios
energéticos que ocurren durante un proceso. De estos cambios energéticos se
ocupará este capítulo, además de la generación de calor mediante reacciones
químicas. Con esta base de conocimiento se explicarán los fundamentos, funcionamientos y rendimientos de las máquinas térmicas, entre ellas las centrales termoeléctricas.
5.1 CALOR LATENTE Y CALOR ESPECÍFICO
El calor latente, u oculto, es propio de sustancias que pasan de un estado de
agregación de la materia a otro; por ejemplo, de sólido a líquido. Por otro
lado, el calor específico concierne a un cambio de energía que afecta a un
mismo estado de agregación de la materia.
5.1.1 CALOR LATENTE
Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos se denominan
cambios de fase. Cuando una sustancia cambia de fase, absorbe o desprende
energía sin que cambie la temperatura. La energía térmica necesaria para
ocasionar un cambio de fase a una sustancia pura de masa m se denomina
calor o entalpía latente. Este calor (Q) es directamente proporcional a la
masa (m) de la sustancia y a su calor latente ( L):
Q=m·L
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[5.1]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
116
05 ENERGÍA TÉRMICA
En otras palabras, el calor latente es el calor requerido para el cambio
de fase de una unidad de masa a presión constante. Existen dos tipos de calor
latente:
Lf = calor latente de fusión
Lv = calor latente de vaporización
La Tabla 5.1 muestra los calores latentes del agua.
TABLA 5.1. CALORES LATENTES DEL AGUA
Cambio de fase
Calor latente
KJ/Kg
Fusión (0 °C)
334
Evaporación (100 °C)
2260
La Figura 5.1 muestra un gráfico de las variaciones del calor, en J/g,
para los cambios de fase del agua desde -30 °C hasta temperaturas superiores
a 100 °C. Si se calienta una masa de hielo su temperatura aumenta gradualmente desde -30 °C hasta que cuando alcanza 0 °C comienza a fundirse. Durante la fusión la temperatura permanece constante (punto de fusión) porque
el calor absorbido por la masa se emplea en vencer las fuerzas de atracción
entre las moléculas de hielo. Una vez que la masa se ha fundido totalmente,
el calor absorbido aumenta la energía cinética de las moléculas de agua y la
temperatura llega hasta 100 °C, momento en que comienza la ebullición. Durante ésta, la temperatura permanece constante (punto de ebullición) porque
la energía entregada se emplea para superar las fuerzas de atracción entre
las moléculas al estado líquido. Cuando las moléculas están en fase vapor, la
temperatura de la masa gaseosa sigue aumentando. Se puede observar que la
primera parte de la curva es paralela al eje de la energía y que corresponde a
la coexistencia de hielo-agua a 0 °C; es más pequeña que la del paso de aguavapor. La energía de esta última transformación es, aproximadamente, unas
siete veces mayor que la del paso hielo-agua.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.1 CALOR LATENTE Y CALOR ESPECÍFICO
117
Temp.
°C
E
D
100
Vapor
C
50
0
B
Agua +
vapor
Agua
A
Hielo + agua
-30
63
397
816
Hielo
3076
J/g
Figura 5.1. Energías de los cambios de fase para el agua
5.1.2 CALOR ESPECÍFICO
El calor específico (ce) de una sustancia es “la cantidad de calor necesario
para elevar la temperatura de 1 g de sustancia en 1 °C”. Para cualquier cantidad de masa se define la capacidad calorífica (C) de una sustancia como
“la cantidad de calor necesario para elevar 1 °C la temperatura de una determinada cantidad de sustancia”. Según estas definiciones, el calor específico
es una propiedad intensiva, en tanto que la capacidad calorífica es extensiva.
La relación entre ambas definiciones es:
C = ce · m
[5.2]
donde m es la masa de la sustancia. Para el agua el calor específico es 4,18 J/g ·°C.
Este valor es anormalmente elevado, comparado con otras sustancias como
el mercurio líquido, cuyo calor específico es 0,14 J/g∙°C (ver Tabla 5.2), lo
que implica que el agua necesita una gran cantidad de calor para calentar 1
g de ella, o que se desprende mucho calor cuando ésta se enfría. Como en el
estado líquido, análogamente al estado sólido, las moléculas de agua están
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
118
05 ENERGÍA TÉRMICA
atraídas por enlaces de hidrógeno (sección 11.1.1.1), se requiere energía calórica para romper dichos enlaces, con lo cual las moléculas de agua se mueven
más rápido, es decir, alcanzan mayor energía cinética. Pero en el caso de las
moléculas de agua, a diferencia de otros líquidos, para una cantidad dada de
calor se eleva menos la temperatura de 1 g de agua.
La Tabla 5.2 contiene datos de calores específicos de metales comunes.
TABLA 5.2. CALORES ESPECÍFICOS DE METALES COMUNES
Metal
Calor específico
J/g ·°C
Oro (Au)
0,13
Mercurio (Hg)
0,14
Cobre (Cu)
0,39
Hierro (Fe)
0,44
Aluminio (Al)
0,90
Los metales sólidos como el oro, cobre, hierro y aluminio presentan
bajos valores de calores específicos debido a la carencia de dichos enlaces de
hidrógeno.
Si se conoce el calor específico y la cantidad de una sustancia, entonces
el cambio en la temperatura de ésta (Δt) indicará la cantidad de calor (Q) que
se ha adsorbido o liberado en un proceso. La ecuación para calcular dicho
cambio está dada por la expresión:
Q = m · ce · Δt
[5.3]
5.2 TRANSFERENCIA DE CALOR
El flujo de energía térmica o calor desde el sistema o hacia el sistema puede
ser por conducción, convección o radiación.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.2 TRANSFERENCIA DE CALOR
119
5.2.1 CONDUCCIÓN DEL CALOR
El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir es la
conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede
ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con
las partículas más energéticas.
La conducción es un proceso de transporte de energía térmica que ocurre
sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas del medio conductor.
Este proceso se describe mediante la ecuación basada en la ley de Fourier:
ΔH/Δt = hcd · A · ΔT/x
[5.4]
donde: ΔH/Δt = cambio de entalpía, o calor, por unidad de tiempo. Sus unidades: KJ · s-1 o KW.
hcd = conductividad térmica en KJ · s-1 · m-1 · K-1 o KW · m-1 · K-1.
A = área superficial en m2.
ΔT/x = cambio de temperatura absoluta con respecto a la distancia en K · m-1.
La Figura 5.2 esquematiza la transferencia de calor por conducción.
T2
A
Flujo de calor
por T2 > T1
T1
X
Figura 5.2. Esquema de una transferencia de calor por conducción
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120
05 ENERGÍA TÉRMICA
La Tabla 5.3 muestra valores de conducción térmica de materiales
corrientes.
TABLA 5.3. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (hcd) DE MATERIALES CORRIENTES
Material
Conductividad (hcd)
( W · K-1 · m-1)
Aire
0,023
Lana de vidrio
0,0377
Madera
0,126
Ladrillo (arcilla)
0,9
Concreto
2
Acero
45
Aluminio
221
Cobre
393
La Tabla 5.3 pone en evidencia la muy baja conductividad del aire y la
muy alta que tiene el cobre, entre estos materiales.
5.2.2 CONVECCIÓN DEL CALOR
La convección es la “transferencia de energía térmica por medio de un fluido” como el aire o el agua. En el caso del aire, el calor fluye debido a la variación de la densidad del aire. La convección puede ser natural o forzada.
La transferencia de calor entre un fluido a la temperatura absoluta Tf
y la superficie de un sólido a la temperatura absoluta Ts se puede describir
por la siguiente ecuación basada en la llamada ley de enfriamiento de
Newton:
ΔH/Δt = hcv · A · (Tf -Ts)
[5.5]
donde: ΔH/Δt = variación de la entalpía o calor con el tiempo t en segundos (s).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.2 TRANSFERENCIA DE CALOR
121
hcv = coeficiente de transferencia de calor por convección en KW · m2 · K-1.
A = área superficial del sólido en m2.
La Figura 5.3 ilustra el proceso de convección del calor desde un radiador hacia el ambiente que lo rodea.
Radiador
Figura 5.3. Transferencia de calor por convección
5.2.3 RADIACIÓN DEL CALOR
Aunque la conducción y convección requieren un medio para el transporte de
energía, la energía se transporta en forma de radiación electromagnética. La
transferencia de calor por radiación implica dos procesos: la absorción de la
energía radiante por un objeto y la radiación de esta energía por el objeto. El
cambio de entalpía por unidad de tiempo debido a la radiación es la energía
que se absorbe (Eabs ) menos la que se emite (Eemi):
ΔH/Δt = Eabs - Eemi
La ley de Stefan establece que la tasa a la cual un objeto emite energía radiante (ΔH/Δt) es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura
absoluta:
ΔH/Δt prop. T4
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122
05 ENERGÍA TÉRMICA
Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T0, entonces la energía que pierde por segundo es:
ΔH/Δt = Aσ (αT4 - εT04)
[5.6]
Donde: A = superficie del cuerpo en m2.
σ = cte. de Stephan-Boltzmann: 5,67·10-8 W · m-2 · K-4.
α = absortividad; ε = emisividad.
5.2.4 TRANSFERENCIA GENERAL DE CALOR
La mayoría de las situaciones de transferencia de calor corresponden a varios
modos de transmisión; en estos casos la forma de la ecuación de transferencia de calor es:
ΔH/Δt = ho ·A · ΔT
[5.7]
Donde: ho = coeficiente general de transferencia de calor en KJ · s-1 · m-2 · K-1.
A = área superficial del cuerpo en m2.
ΔT = diferencia de temperatura absoluta que impulsa la transmisión de calor
en K.
5.3 TERMOQUÍMICA
La termoquímica estudia el cambio de calor que se desarrolla en las reacciones químicas. Para reacciones que ocurren en forma espontánea, según
el segundo principio de la termodinámica, la entropía de los alrededores del
sistema (reactivos y productos) aumenta (ΔSalr >0). Sin embargo, el cálculo de ΔSalr es difícil, por lo que se recurre a otra función termodinámica: la
energía libre (se abrevia G, por el investigador J.W. Gibbs), que está formada por dos componentes, un término de entalpía (H) y otro de entropía
(S) que dependen de la temperatura y que, como se ha explicado, se refieren
a cambios entre un estado inicial (reactivos), y otro final (productos):
ΔG = ΔH – TΔS
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[5.8]
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5.3 TERMOQUÍMICA
123
G, H, S son propiedades del sistema y T es la temperatura absoluta. ΔG
tiene unidades de energía porque tanto ΔH como TΔS tienen estas unidades.
Esta igualdad implica que la energía libre es la energía disponible para
efectuar un trabajo contra los alrededores. Si en una reacción su ΔG es negativo entonces esta reacción es espontánea porque el sistema perdió energía.
En consecuencia, se tienen tres situaciones según sea el valor de la energía
libre:
ΔG < 0 reacción ocurre espontáneamente.
ΔG > 0 reacción no es espontánea.
ΔG = 0 sistema está en equilibrio.
La mayoría de las reacciones, aunque no todas, ocurren de manera
espontánea (ΔG < 0) cuando ΔH es negativo y ΔS es positivo, a cualquier
temperatura; o sea, si el sistema reaccionante pierde calor y se produce un
aumento de entropía en el medio ambiente la reacción se verifica espontáneamente. A continuación se analizarán algunos ejemplos sencillos de
reacciones de esta naturaleza. Dado que la entalpía es una propiedad de
estado y por lo tanto una diferencial exacta, que depende sólo del estado
final e inicial, es la magnitud que se utiliza para conocer el valor del calor
liberado o absorbido por una reacción química en condiciones de presión
constante.
Una reacción entre reactivos estructuralmente muy simples es la oxidación del hidrógeno, que es una transformación que libera una gran cantidad de calor al formar agua. En esta reacción el calor entregado al ambiente
lo pierde el sistema:
2H2 + O2
→
2H2O + calor
En la sección 1.7.2 se estableció que el cambio de la entalpía, es equivalente al calor (Q = ΔH) para los procesos que ocurren a presión constante.
Es el caso de muchas reacciones químicas. En este ejemplo la entalpía ΔH =
482 KJ.
Según la ecuación, reaccionan dos moles de hidrógeno con un mol de
oxígeno para formar dos moles de agua, donde un mol es el peso molecular
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124
05 ENERGÍA TÉRMICA
expresado en gramos. Por lo tanto, en esta reacción la energía liberada por un
mol de hidrógeno será la mitad del valor 482, o sea, 241 KJ/mol. Estrictamente, este valor incluiría la entropía de acuerdo a la expresión ΔG = ΔH – TΔS
ó ΔH = ΔG + TΔS, pero en las reacciones de oxidación la entropía es muy
pequeña; por tanto, para efectos prácticos:
ΔG = ΔH = Q
[5.9]
El cambio de entalpía que ocurre en las reacciones químicas se llama calor de reacción, el cual es una medida del cambio de la energía total de los enlaces entre las moléculas reaccionantes y las de los productos
que se forman en la reacción. Así, en el ejemplo, para la transformación
de las moléculas de hidrógeno y oxígeno en la molécula de agua debe romperse el enlace que une los dos átomos de hidrógeno (H-H) y el que une
a los átomos de oxígeno (O-O) para que se formen dos nuevos enlaces de
H-O en la molécula de agua (H-O-H). Si los dos enlaces de la molécula de
agua son más fuertes (estables) que los dos de las moléculas de hidrógeno
y oxígeno, entonces en la reacción se desprende calor, ocurre una reacción exotérmica y la entalpía del sistema es negativa. En este caso había
más energía en los reactivos y menos en el producto. Por el contrario, si
en una reacción los enlaces de los productos son más débiles (menos estables) que los enlaces de los reactivos entonces se absorbe calor del medio
ambiente, ocurre una reacción endotérmica y la entalpía es positiva.
En resumen:
Reacción exotérmica:
Reactivos
→
Productos
ΔH < 0
Reacción endotérmica:
Reactivos
→
Productos
ΔH > 0
Las reacciones químicas de mayor interés para las aplicaciones de la
energía son las reacciones de oxidación de los combustibles, es decir, el proceso químico de la combustión.
En la Tabla 5.4 de esta sección se indica que la fórmula mínima del
gas-oil, queroseno y gasolina es [CH 2]. Este hecho se debe a que estos
combustibles están formados por hidrocarburos saturados en cuya constitución molecular sólo existen enlaces simples entre carbono y carbono
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.3 TERMOQUÍMICA
125
y entre carbono e hidrógeno, razón por la que su fórmula mínima es:
-CH 2- ó [CH2]. Este conjunto de átomos es una unidad que constituye
una cadena hidrocarbonada de diferente longitud según sea el hidrocarburo, con excepción de los extremos de estas cadenas. Sin embargo, el
petróleo no sólo contiene hidrocarburos saturados sino también insaturados cuya fórmula mínima no está en la relación H/C = 2/1 sino que en
una inferior.
Para establecer la estequiometría de las reacciones de oxidación de los
combustibles gas-oil, queroseno y gasolina, vale decir, el estudio cuantitativo
de reactivos y productos de estas reacciones, se puede emplear la fórmula
[CH2] para dichos combustibles. La reacción de combustión del petróleo y
sus derivados se representa por la siguiente ecuación, cuya entalpía calculada
para dicha fórmula mínima se acompaña:
2 [CH2] + 3O2
→
3CO2 + 2H2O ΔH = - 1 220 KJ
- 610 KJ/mol
Como el peso de un mol de [CH2] es 14 (C:12; H:1), la entalpía de 1 g
de dichos combustibles es 610/14 = 43,57 KJ/g. Este valor es cercano al experimental de un petróleo promedio, que es 45,2 KJ/g, hecho que valida el
cálculo teórico.
En la práctica, los calores de combustión se denominan usualmente poderes caloríficos. Los poderes caloríficos experimentales de varios
combustibles se presentan en la Tabla 5.4.
TABLA 5.4. PODERES CALORÍFICOS DE COMBUSTIBLES COMUNES
Combustible
Fórmula molecular
o mínima
Poder calorífico
KJ/Kg
(aproximado)
Carbón bituminoso
(promedio)
[CH]
30 000
Gas-oil (Petróleo
Diesel)
[CH2]
37 600
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126
05 ENERGÍA TÉRMICA
Combustible
Fórmula molecular
o mínima
Poder calorífico
KJ/Kg
(aproximado)
Queroseno
[CH2]
41 800
Gas Natural (GN)
CH4
41 800
Gasolina
[CH2]
48 100
Gas Licuado de
Petróleo (GLP)
CH3CH2CH3 +
CH3(CH2)2CH3
49 300
Como se observa en esta Tabla, los poderes caloríficos de todos estos
combustibles fósiles están comprendidos entre aproximadamente 30 000 y
50 000 KJ/Kg, con el carbón como el energético que menos calor proporciona
en una combustión.
La estructura del carbón es muy compleja pero se puede simplificar
mediante la fórmula mínima [CH]. La combustión de este energético se representa por la siguiente ecuación:
4[CH] + 5O2
→
4CO2 + 2H2O
ΔH = - 2.046 KJ
- 512 KJ/mol
La entalpía calculada según esta ecuación para un gramo de carbón
es 39,38 KJ/g, equivalente a 39 380 KJ/Kg, valor que según la Tabla 5.4 es
superior al carbón bituminoso, con 30 000 KJ/Kg. Esta diferencia se explica
porque el carbón bituminoso contiene otros minerales en forma de material
particulado y agua según la composición que exhibe la Tabla 1.3 de la sección
1.8.3.2.
La fórmula del gas natural, que principalmente es metano (CH4), la
correspondiente ecuación de combustión y su entalpía experimental son:
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
ΔH = - 810 KJ/mol
Este valor experimental de la entalpía para la combustión de metano
puro, expresado por unidad de Kg, es 50 620 KJ/Kg, también superior al del
gas natural, 41 800 KJ/Kg, combustible que contiene principalmente metano.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
127
En resumen, los calores de combustión o poderes caloríficos de reacciones de oxidación de hidrocarburos fósiles están comprendidos entre 30 000 y
50 000 KJ/Kg, el carbón posee menos poder calorífico que los restantes combustibles y los valores calculados a partir de fórmulas mínimas, con excepción
del metano del gas natural, son superiores a los obtenidos experimentalmente.
5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
Una máquina térmica es un mecanismo que convierte energía en trabajo.
Este tipo de máquina es absolutamente esencial en nuestras vidas porque
corresponde a los motores de automóviles, camiones, buses, buques y turbinas que generan electricidad. Puesto que estas máquinas en su conjunto son
millones que transforman energía en trabajo, es de la mayor importancia que
operen eficientemente para que la energía térmica utilizada sea la mínima
posible. Por esta razón se estudiará el fundamento con que ellas operan.
5.4.1 FUNDAMENTO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Una manera sencilla de estudiar la energía de una máquina térmica es considerar un cilindro que contiene un gas ideal, en cuyo interior se desplaza un
émbolo que no pesa, que no ocurre fricción con las paredes del cilindro y que la
temperatura absoluta es T1; por lo tanto, es una situación ideal. Supóngase que a
continuación el cilindro se calienta a una temperatura superior, T2; por lo tanto
el gas se expandirá y empujará el embolo hacia arriba según la Figura 5.4. Posteriormente, el cilindro se enfriará hasta llegar nuevamente a la temperatura T1
y el émbolo llegará abajo, a su posición de partida. Cuando se repita este ciclo,
el movimiento de subida y bajada del émbolo constituirá un trabajo mecánico.
Este trabajo es el resultado del calor liberado en un proceso de combustión.
Junto con el trabajo ejecutado, una parte del calor entregado al cilindro se libera como calor que recibe los alrededores, porque cuando el émbolo
está arriba, en la posición máxima, no se puede realizar más trabajo si no
se enfría el cilindro a T1. El proceso de enfriamiento elimina una parte de la
energía térmica que de otra manera se convertiría en trabajo.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
128
05 ENERGÍA TÉRMICA
T1
T2
T1
Figura 5.4. Cilindros que contienen un gas ideal a las temperaturas absolutas T1 y T2
Para analizar en detalle el funcionamiento de las máquinas térmicas,
considérese que dicho cilindro contiene un mol de un gas ideal. Esta máquina
absorbe calor (Q2) de una fuente externa caliente cuya temperatura, como se
planteó, es T2; como consecuencia del calor liberado se ejerce un trabajo (W)
y el calor no utilizado que se entrega a los alrededores (ambiente) es Q1. El
ambiente tiene la temperatura T1 (T1 < T2). La Figura 5.5 es un esquema de
esta situación y muestra que en esta conversión de calor en trabajo el calor
fluye espontáneamente desde una zona caliente a una zona fría.
Fuente de
Calor, T2
Q2
Trabajo
Máquina
térmica
Q2 - Q1
Q1
Ambiente, T1
T2 > T1
Figura 5.5. Esquema de la conversión de calor en trabajo
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
129
Las etapas de compresión y expansión se diseñan de manera que la
máquina vuelva a su estado inicial después de cuatro etapas que se representan en un gráfico presión (P) versus volumen (V). Para impedir la pérdida
de calor hacia el ambiente a la temperatura caliente (T2) y a la temperatura
fría (T1) se les emplean las líneas adiabáticas 2—3 y 4—1. Para absorber calor
sólo a T2 y liberar calor sólo a T1, las líneas 1—2 y 3—4 deben ser isotérmicas.
El área encerrada por las líneas del ciclo es el trabajo (W=P·V) que efectúa la
máquina sobre el ambiente. El trabajo máximo producido en una expansión
isotérmica, proceso en el cual la temperatura se mantiene constante, ocurre
cuando el proceso es reversible. Las cuatro etapas de dicho proceso, ejecutado en la llamada máquina de Carnot y que componen el ciclo de Carnot, se
muestran en la Figura 5.6.
P1, V1, T2
Isotérmico
P2, V2, T2
P
Adiabático
Adiabático
P4, V4, T1
Isotérmico
P3, V3, T1
V
Figura 5.6. Ciclo de Carnot
1ª etapa: ocurre entre los puntos 1 y 2 de la Figura 5.6, entre los cuales
el gas ideal a temperatura T2 absorbe calor Q2 de la fuente externa y se expande isotérmica y reversiblemente desde un volumen V1 un volumen mayor V2.
Los cambios que experimenta el gas son:
Según 1er principio:
ΔU = Q + W
En proceso isotérmico (T = cte.)
ΔU1-2 = 0
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
130
05 ENERGÍA TÉRMICA
Trabajo efectuado:
W1-2 = - RT2 ln V2/V1, corresponde
a la expansión de un mol desde el volumen V1 a V2. Esta relación proviene de
la ecuación PV = RT y luego, integrando.
Calor absorbido:
Q1-2 = + RT2 ln V2/V1
porque Q1-2 = -W1-2
2ª etapa: ocurre entre los puntos 2 y 3, entre los cuales el gas se expande adiabática y reversiblemente desde V2 a V3 y la temperatura del gas baja de
T2 a T1. El calor que se libera se transfiere al ambiente.
Los cambios del gas son:
En proceso adiabático:
Q2-3 = 0 porque no hay inter-
cambio de calor con el ambiente.
W2-3 = ΔU = - C (T1-T2);
Trabajo efectuado:
C = capacidad calorífica del gas; se supone que C no varía con la temperatura.
3ª etapa: ocurre entre los puntos 3 y 4, entre los cuales el gas se comprime isotérmica y reversiblemente.
Los cambios son:
En proceso isotérmico:
ΔU3-4 = 0
Trabajo efectuado:
W3-4 = + RT1 ln V4/V3
Calor desprendido:
Q3-4 = - RT1 ln V4/V3
4ª etapa: ocurre entre los puntos 4 y 1, entre los cuales el gas se comprime adiabática y reversiblemente desde V4 a V1 y la temperatura aumenta
desde T1 a T2.
Los cambios del gas son:
En proceso adiabático:
Q4-1 = 0 porque no hay in-
tercambio de calor con el ambiente.
Trabajo efectuado:
W4-1 = ΔU4-1 = + C (T2-T1); se
supone que C es constante en el intervalo de temperatura T1 - T2 .
La eficiencia del ciclo de Carnot se puede determinar calculando Q, W y
ΔU para cada etapa del ciclo. La Tabla 5.5 resume los resultados cualitativos
de Q, W y ΔU para cada una de las etapas descritas.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
131
TABLA 5.5. VALORES CUALITATIVOS DE CALOR, TRABAJO Y ENERGÍA INTERNA
DE LAS ETAPAS DE UN CICLO DE CARNOT
Etapa
Calor, Q
Trabajo, W
Variación de
Energía Inter. ΔU
1—2
+ Q1-2
-W1-2
ΔU = 0
2—3
0
-W2-3
ΔU = -W2-3
3—4
- Q3-4
+W3-4
ΔU = 0
4—1
0
+W4-1
ΔU = +W4-1
El trabajo y calor total ejecutado en el ciclo según esta Tabla, independientemente de sus signos, son:
Wciclo = W1-2 + W2-3 + W3-4 + W4-1
[5.10]
Qciclo = Q1-2 + Q3-4
[5.11]
Puesto que ΔUciclo = 0, entonces:
Wciclo = - (Q1-2 + Q3-4 )
[5.12]
Comparando las áreas bajo las líneas de expansión (1-2, 3-4) con las
de las líneas de compresión en el gráfico de la Figura 5.5, se aprecia que el
trabajo total del sistema cilindro, émbolo y gas es negativo porque se efectúa
sobre el medio:
Wciclo < 0 en consecuencia: │Q1-2 │> │Q3-4 │(en valor absoluto).
En la sección 1.6 del capítulo 1 se vio que cuando se produce un proceso de transformación de energía, la cantidad de energía lograda, energía
útil (Eu), es menor que la cantidad inicial de energía (energía total); el resto
es energía perdida (Ep) que absorbe el ambiente. En el caso de la máquina de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
132
05 ENERGÍA TÉRMICA
Carnot, la eficiencia se define como la relación entre el trabajo de salida al
ambiente y el calor extraído de la fuente de calor:
Eficiencia = (Q1-2 + Q3-4) / Q1-2 = 1-│Q3-4 / Q1-2 │ < 1
[5.13]
Puesto que │Q1-2 │> │Q3-4 │, entonces Q1-2 > 0 y Q3-4 < 0.
5.4.2 EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LA MÁQUINA DE VAPOR
Debido a la inmensa cantidad de energía eléctrica que la sociedad actual demanda, la eficiencia energética se hace especialmente importante a la hora de
generar energía eléctrica, especialmente porque la principal fuente de energía eléctrica es la energía térmica que se utiliza en las máquinas térmicas,
entre las que destaca la máquina de vapor.
Los componentes básicos de una central termoeléctrica son: caldera, turbina, condensador, bomba y generador eléctrico. Los cuatro primeros equipos constituyen una máquina de vapor sobre la cual se discutirá su eficiencia energética. El vapor de agua que se produce en una
caldera a alta presión, mediante la quema de un combustible fósil, se lleva
a una turbina, donde se expande para generar trabajo mecánico en su
eje, que está unido solidariamente al de un generador eléctrico. El vapor
de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador,
donde el vapor se condensa y cambia al estado líquido. Posteriormente,
una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida
para volver a introducirlo en la caldera, cerrando de esta manera un ciclo,
denominado ciclo de potencia (Figura 5.7). El vapor de agua es el fluido
de trabajo más empleado en los ciclos de potencia de vapor gracias a sus
numerosas ventajas, como son: bajo costo, disponibilidad y alto calor de
vaporización.
La energía obtenida por combustión se convierte en trabajo (W) en la
turbina. El trabajo W es la diferencia entre la cantidad de calor empleado en
la ebullición del agua en la caldera, Qcal, y la cantidad de calor transferido al
agua de refrigeración en el condensador, Qcon:
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
133
Generador
Turbina
vapor
vapor
vapor
Tcal
Tcon
Caldera
Agua de refrigeración
Bomba
Agua caliente
Agua condensada
Condensador
calor
Figura 5.7. Esquema de una máquina de vapor que produce electricidad
W = Qcal - Qcon
[5.14]
Si ambos miembros de la ecuación [5.14] se dividen por Qcal , se tiene:
W / Qcal = Eficiencia = η = 1- Qcon / Qcal
[5.15]
W / Qcal es la eficiencia (η) con la que el calor se transforma en trabajo,
equivalente a la relación [5.13].
El segundo principio indica que la entropía aumenta, por lo tanto:
Qcon / Tcon > Qcal / Tcal
[5.16]
Tcal = temperatura absoluta de la caldera; Tcon = temperatura absoluta
del condensador.
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134
05 ENERGÍA TÉRMICA
Multiplicando ambos miembros de la desigualdad [5.16] por Tcon / Qcal,
se obtiene:
Qcon / Qcal > Tcon / Tcal
[5.17]
Sustituyendo la desigualdad [5.17] en la ecuación [5.15] se llega a:
η = W / Qcal < 1 - Tcon / Tcal
(ecuación de Carnot)
[5.18]
W / Qcal es la eficiencia con la que el calor se transforma en trabajo. Esto
significa que, independientemente del diseño de la máquina de vapor, la eficiencia viene condicionada sólo por el cociente entre la temperatura absoluta
del condensador y la temperatura absoluta de la caldera: Tcon / Tcal.
Por lo tanto, la eficiencia térmica máxima (ηmax) de una central es:
ηmax = 1 - Tcon / Tcal
[5.19]
La eficiencia real de las centrales termoeléctricas es bastante baja.
En las actuales centrales, que mayoritariamente funcionan con carbón como
combustible, la temperatura de la caldera alcanza unos 550 °C (823 K). Si las
centrales están cercanas a la costa, el agua de refrigeración empleada para
condensar el vapor de agua proviene del mar, que tiene temperatura promedio de unos 15 °C (288 K). Conforme a estos datos, la eficiencia máxima teórica, según la ecuación [5.19], sería: (1-288/823 = 0,66 o 66%). En la práctica la
eficiencia de una central es sólo 35%.
El ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia
de vapor porque no se puede alcanzar en la práctica. El modelo para los ciclos
de potencia de vapor es el ciclo Rankine. Éste es un ciclo termodinámico
que estudia la conversión de calor en trabajo en una máquina de vapor. Cuando esta máquina está conectada a un generador eléctrico se tiene un sistema
correspondiente a una central eléctrica. El ciclo Rankine se representa en un
gráfico de temperatura absoluta (T) vs. entropía (S) (Figura 5.8). Este gráfico
da cuenta de las variaciones de la energía que ocurren en el ciclo puesto que
∆S ∙ T es energía (sección 1.7.2; ecuación [1.15])
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
135
T
Pto. crítico
4
3
Líq.
Vapor seco
2
1
5
S
Figura 5.8. Etapas del ciclo Rankine simple
Las etapas de este ciclo son: 1-2: compresión con bomba de alimentación, a entropía constante; 2-3: calentamiento de agua a presión constante;
3-4: ebullición a presión y temperatura constante; 4-5: expansión en turbina a entropía constante; 5-1: condensación del vapor húmedo. Sin embargo,
este ciclo es inadecuado para turbomáquinas ya que el vapor húmedo (4-5)
arrastra gotas de agua que dañan rápidamente las paletas o álabes de la turbina. Para evitar este daño se continúa sobrecalentando el vapor seco a presión
constante; así se logra el ciclo Rankine con sobrecalentamiento (Figura 5.9).
T
4’
P
3
P
4
2
5
1
S
Figura 5.9. Ciclo Rankine con sobrecalentamiento
La eficiencia térmica del ciclo (η) es la eficiencia para una máquina
térmica: cociente entre el trabajo neto (Wneto) resultante y el calor generado
por la caldera.
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136
05 ENERGÍA TÉRMICA
η = Wneto / Qcal = Wt – Wb / Qcal
[5.20]
Donde Wt = trabajo de la turbina; Wb = trabajo de la bomba; Qcal = calor generado por caldera.
Esta ecuación es comparable a la ecuación [5.15], por lo tanto rigen las
mismas consideraciones para el análisis de la eficiencia térmica del ciclo Rankine; se puede incrementar la eficiencia elevando la temperatura promedio a
la cual se añade calor al vapor y/o disminuyendo la temperatura promedio a
la cual se libera el calor hacia el medio ambiente. La temperatura promedio
durante la liberación de calor se reduce bajando la presión de salida de la
turbina. Como consecuencia, la presión del condensador está bastante por
debajo de la presión atmosférica, es decir, corresponde a presión de vacío. La
temperatura promedio durante la adición de calor se incrementa elevando
la presión de la caldera o sobrecalentando el fluido a altas temperaturas. Sin
embargo, hay un límite para el grado de sobrecalentamiento impuesto por la
protección de las piezas metálicas de la turbina. El ciclo Rankine con sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad
del vapor a la salida de la turbina.
5.4.3 EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LOS MOTORES OTTO Y DIESEL
El motor Otto es un motor de combustión interna que utilizan mayoritariamente los automóviles. El ciclo de este motor es de cuatro tiempos. La Figura
5.10 muestra esquemáticamente el funcionamiento de estos cuatro tiempos.
La válvula de admisión se abre cuando el pistón se mueve hacia abajo, tiempo en que se introduce una mezcla de aire y gasolina en el cilindro.
Luego la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime según el
pistón avanza hacia arriba. Cuando el pistón ha alcanzado el nivel más alto,
la mezcla de aire y gasolina se inflama, provocada por una chispa que emite
una bujía. La inflamación produce gases de la combustión de la gasolina,
que provocan una expansión y el consiguiente aumento de presión sobre el
pistón, con lo cual éste baja. Finalmente, los gases son obligados a escapar
del cilindro porque el pistón se mueve hacia arriba y salen cuando se abre la
válvula de escape.
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
Válvula de admisión
137
Bujía o
inyector
Válvula de
escape
Cilindro
Pistón
Biela
Cigüeñal
Primer tiempo:
Admisión
Segundo tiempo:
Comprensión
Tercer tiempo:
Combustión-expansión
Cuarto tiempo:
Escape
Figura 5.10. Etapas del funcionamiento de un motor Otto
La eficiencia máxima del motor Otto, al igual que la de las centrales
termoeléctricas (sección 5.4.2), es:
η = 1 – T1 / T2
[5.21]
Donde: T2 > T1; T2 es la temperatura al final de la etapa de compresión y T1
es la temperatura del comienzo de la misma etapa. La eficiencia teórica del
motor Otto es aproximadamente 50%, según la temperatura ambiente y el
tipo de motor; sin embargo, en la práctica es del orden de 25%. Puede notarse el bajo rendimiento de estos motores y cómo se inutiliza la energía de la
gasolina en un parque automovilístico que cuenta con millones de vehículos
y que sigue creciendo.
En el motor Diesel el combustible se inyecta en el cilindro al final
del tiempo o etapa de compresión; en la etapa de admisión sólo entra aire.
El combustible se inyecta al final de esta etapa para impedir que el calor producido en la compresión se inflame antes. Sólo basta el calor producido para
que se inflame el combustible, gas-oil (petróleo Diesel), de manera que no se
requiere bujía. Puesto que las temperaturas alcanzadas en los motores Diesel
son mayores que las de los motores Otto, la eficiencia teórica de aquéllos es
del orden de 64%; en la práctica es del orden del 30%.
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138
05 ENERGÍA TÉRMICA
5.4.4 EFICIENCIA ENERGÉTICA DE REFRIGERADORES,
ACONDICIONADORES DE AIRE Y BOMBAS DE CALOR
La experiencia diaria demuestra que el calor pasa espontáneamente desde
una zona caliente a una fría. Sin embargo, si se aplica trabajo se puede hacer
que el calor fluya desde una zona fría a otra caliente. Los artefactos que invierten la dirección del flujo de calor son los refrigeradores, acondicionadores
de aire y bombas de calor. Si este flujo va en dirección opuesta se tendrá que
analizar el ciclo de Carnot en sentido contrario al recién analizado. En éste,
los signos de trabajo W y calor Q de las etapas correspondientes cambian.
Ahora el calor se extrae del ambiente y se deposita en la zona caliente que era
la fuente de calor, razón por la cual el proceso no es espontáneo; debe efectuarse un trabajo para mantener el flujo de calor en la dirección opuesta. En
la Figura 5.11 se muestra el flujo de calor y el trabajo en la dirección contraria.
Calor, T2
Q2
Trabajo
Máquina
térmica
Q2 - Q1
Q1
Frío, T1
T2 > T1
Figura 5.11. Esquema de la conversión de trabajo en calor
En un refrigerador existe un gas refrigerante que circula en un circuito cerrado compuesto por un compresor, un condensador, una válvula de
expansión y un evaporador. En un ciclo completo, el compresor comprime el
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5.4 MÁQUINAS TÉRMICAS
139
gas refrigerante y produce un aumento de su temperatura y presión. Luego
el gas se transforma en líquido a alta presión al pasar por el condensador,
situado en la parte de atrás del refrigerador, y cede calor al exterior. Después, el refrigerante pasa a través de una válvula de expansión que provoca
la disminución de su presión y temperatura. Finalmente, el líquido pasa a
través del evaporador, situado en el interior del refrigerador, donde absorbe
el calor de los alimentos y se evapora. El gas frío es entonces comprimido por
el compresor, repitiéndose así un nuevo ciclo. Como se deposita más calor
en el exterior (Q2) que el que se extrae del refrigerador, el efecto total de este
artefacto es aumentar la temperatura del medio ambiente.
La eficiencia de un refrigerador, según Carnot, se evalúa mediante el
Coeficiente de Desempeño COP (del inglés Coefficient of Performance), que
se define como la relación que hay entre el calor extraído del depósito o foco
frío (Q1) y el trabajo ejercido por este artefacto (W):
COP = Q1 / W
[5.22]
El término inglés COP se empleará en esta obra por ser más ampliamente utilizado en la técnica.
Se puede demostrar que este tipo de eficiencia, expresado por la ecuación [5.22], es equivalente al coeficiente de desempeño, en términos de temperatura absoluta, expuesto por la ecuación:
COP = T1 / T2 – T1
[5.23]
Un refrigerador doméstico opera corrientemente a unos 4 °C en la zona
de refrigeración y a unos -15 °C en la zona de congelación. En estas condiciones
el valor máximo de dicho desempeño es 6,5; en la práctica este coeficiente está
en torno a 1,5, valor que pone de manifiesto la baja eficiencia de estos artefactos.
El hecho de que este coeficiente tenga valores mayores que la unidad se
debe a que en realidad se está desplazando calor usando energía. Una parte
muy importante de este calor se toma de la entalpía del aire atmosférico. En
la bomba de calor se verifica que el calor transmitido a la zona caliente sea la
suma del calor extraído de la zona más la potencia (trabajo) consumida por el
compresor que se transmite al fluido.
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140
05 ENERGÍA TÉRMICA
Un acondicionador de aire es un artefacto que trabaja en forma
parecida a un refrigerador. En este caso la habitación misma corresponde a
la zona fría y el ambiente exterior es la fuente de calor.
Una bomba de calor no tiene, conceptualmente, una diferencia con
los refrigeradores o acondicionadores de aire. Sin embargo, en la práctica la
bomba de calor se emplea para calentar y enfriar viviendas. En el interior de la
bomba el fluido refrigerante, a baja temperatura y en estado gaseoso, pasa por
un compresor, que eleva su presión, aumentando así su energía interna. Este
gas, al pasar por el condensador, que es un intercambiador de calor, cede calor
a la zona caliente porque está aún más caliente que ésta, donde cambia su estado a líquido. Después, el líquido se hace pasar por una válvula de expansión,
donde recupera la presión inicial y se enfría bruscamente. Luego pasa por el
evaporador, que es otro intercambiador de calor, donde absorbe calor de la
zona fría, puesto que está más frío que dicha zona. El fluido, que se ha evaporado, regresa al compresor, cerrándose el ciclo. La válvula inversora de ciclo o
válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la salida del compresor y, según
la temperatura del medio por climatizar, tiene la capacidad de invertir el flujo
del refrigerante, es decir, puede actuar como fuente de calor, en modo de calefacción, o como disipador de calor, en modo de refrigeración. Al seguir la dirección de las flechas de la Figura 5.12 se tiene un ciclo de calefacción. En sentido
inverso se tendría un ciclo de enfriamiento mediante la válvula de inversión.
Evaporar
Condensar
Comprimir
Expandir
Figura 5.12. Esquema del funcionamiento de una bomba de calor
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5.5 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
141
Cuando la bomba actúa en modo de calefacción utiliza energía para
realizar el trabajo de bombear calor Q1 desde el exterior más frío, hacia el
interior más caliente de la vivienda. El respectivo COP, para este caso, es:
COP = Q2 / W
[5.24]
Este coeficiente, expresado en términos de temperatura absoluta, es:
[5.25]
COP = T2 / T2 – T1
Supóngase ahora que la temperatura exterior es 7 °C (280 K) y se quiere
alcanzar 27 °C (300 K) en el interior de una vivienda, la cual se calienta con
una bomba de calor (Figura 5.13). Ésta, como se ha explicado, debe ejercer
un trabajo (W) para extraer calor desde el exterior y así calentar el interior.
En este proceso la máxima eficiencia es, según la ecuación [5.25], COP = 300
/ 300-280 = 15.
EXTERIOR
Válvula
expansión
INTERIOR
T1 = 280 K (7°C)
Q1
T2 = 300 K (27°C)
Evaporador
Q2 + Q1 = W
Bomba de calor
Compresor
W
Figura 5.13. Ejemplo de calefacción empleando una bomba de calor
Las bombas de calor son menos efectivas en la medida en que la temperatura exterior disminuye, como lo demuestra la ecuación [5.25].
5.5 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
La generación de grandes montos de energía eléctrica se realiza en centrales
generadoras que, dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, se
clasifican en termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares, eólicas, solares. La
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
142
05 ENERGÍA TÉRMICA
mayor parte de la energía eléctrica generada a nivel mundial proviene de los
tres primeros tipos de estas centrales.
La potencia que se puede obtener de una central eléctrica depende de
la energía primaria que se emplee, desde unos pocos MW como los que tienen las centrales hidroeléctricas de pasada (sección 11.4.2.3), alrededor de 10
MW, hasta 22,5 GW, que posee la central, también hidroeléctrica, de las Tres
Gargantas en China. Las centrales termoeléctricas generan potencias usuales
entre 150 y 500 MW.
Una central termoeléctrica es un complejo industrial cuya función
es transformar energía térmica en eléctrica. Esta energía térmica se obtiene tanto de combustibles fósiles (petróleo, gas natural o carbón) como de la
fisión nuclear del uranio (ver capítulo 6), del calor del sol (capítulo 8) o del
calor interno de la Tierra (capítulo 13).
5.5.1 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE UN CICLO
Los componentes básicos de una central termoeléctrica de un ciclo son
una máquina de vapor, presentada en la sección 5.4.2, y un generador. Ahora
se hará una descripción más detallada de las características industriales de
los integrantes fundamentales de la máquina de vapor: caldera de vapor, turbina y condensador, que se utilizan en centrales de potencia.
5.5.1.1 CALDERA DE VAPOR
De las calderas de vapor utilizadas en las centrales termoeléctricas destaca la
caldera radiante para carbón pulverizado. La denominación radiante
deriva del hecho de que en este tipo de caldera la absorción de calor, en las superficies de calefacción, se verifica a través de transferencia de calor radiante
(sección 5.2.3). Debido a su gran capacidad de producción de vapor, se utilizan
fundamentalmente en la generación de energía eléctrica y en grandes plantas
industriales. Sus principales características son:
– Producción de vapor: de 135 t/h a 3000 t/h o más.
– Presión de vapor: de 100 a 180 bar (98,69 a 177,64 atm).
– Temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado: 545 °C.
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5.5 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
143
Está diseñada para utilizar carbón pulverizado con una molienda del
70% o mayor a través de la malla 200. Su principal ventaja está en que puede utilizar diferentes tipos de carbones: bituminoso, subbituminoso o lignito
(sección 2.3.2).
Su funcionamiento se explicará con base en el esquema que muestra
la Figura 5.14. Una central de este tipo dispone de depósitos para el almacenamiento de combustible, que se acumula en canchas o parques (1) antes
de quemarlo (sección 2.3.2). Este carbón se hace llegar a una tolva (2) que lo
dirige a molinos pulverizadores (3), donde se tritura hasta quedar convertido
en un polvo muy fino para facilitar su combustión. De los molinos se envía
a la caldera (4) en forma fluida mediante una corriente de aire precalentado
(9). Los componentes de la caldera se explican a continuación:
a. Hogar o cámara de combustión, donde se quema el combustible, carbón pulverizado, en quemadores situados en su entorno.
Está completamente refrigerada por agua. Generalmente, los tubos
de la pared de agua son de circulación natural.
b. Intercambiadores de calor, formados por haces de tubos por
cuyo exterior circulan los gases a alta temperatura, cediendo calor
al fluido que circula por su interior y que puede ser: agua, para calentarla o vaporizarla, o vapor para sobrecalentarlo o recalentarlo.
Los principales intercambiadores de calor son: el sobrecalentador (6)
y recalentador de vapor (7), calentador de aire (8) y las paredes de
agua. Debido al tamaño de las unidades se disponen como sobrecalentadores primarios en la zona convectiva y como sobrecalentadores
secundarios en la zona radiante, que da como resultado una respuesta plana de la curva de temperatura final del vapor en función de la
carga. El recalentamiento del vapor se puede realizar en dos etapas:
primaria en la zona convectiva, y secundaria en la zona radiante.
c. Cenicero (5). Situado en el fondo del hogar de la caldera, donde se
recogen las escorias que posteriormente serán transportadas a un
silo de recogida y almacenamiento.
Para una combustión eficiente el contacto combustible-aire es primordial. Para
ello, las calderas actuales poseen un sistema denominado lecho fluidizado.
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144
05 ENERGÍA TÉRMICA
El combustible sólido es reducido de tamaño y se combina con caliza molida
(CaCO3) en el quemador, para luego introducir la mezcla al hogar, donde ocurre
la combustión. Complementariamente, al proceso se le incorpora una corriente
forzada de aire, la cual mantiene suspendida la mezcla dentro de la cámara de
combustión, estado de flotación en el cual los sólidos logran moverse libremente,
comportándose como un fluido. Dentro de las ventajas de este sistema destaca el
hecho de que la combustión se realiza a menores temperaturas, lo cual implica
una menor generación de óxidos de nitrógeno (NOx). A su vez, el azufre presente
en el combustible reacciona con la caliza de la mezcla para formar yeso (CaSO4),
sólido que posteriormente es fácilmente removido por el equipo de abatimiento
de material particulado, equipo donde también son removidas las cenizas de material liviano generado como residuo de la combustión en la caldera (10,11). Los
gases de la combustión salen expelidos a la atmósfera a través de la chimenea (12).
Figura 5.14. Central termoeléctrica de un ciclo a carbón
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5.5 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
145
5.5.1.2 TURBINA DE VAPOR
Una turbina de vapor es una máquina que transforma la energía interna de
un flujo de vapor en energía mecánica, la cual se aprovecha por un generador
para producir energía eléctrica. La energía térmica disponible se transforma en parte en mecánica por expansión, lo cual es posible por la variación
del volumen específico del vapor. El hecho de la utilización del vapor como
fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de masa
del fluido de trabajo. Dada la gran diferencia que se debe obtener entre la
presión de entrada y de salida de la turbina es necesario producir esta expansión en distintas etapas (escalonamientos) con el fin de obtener un mejor
rendimiento de la operación. Estos escalones de la turbina son capaces de
recuperar parte de la energía degradada en el anterior escalón para generar
energía mecánica. Además, para lograr un óptimo aprovechamiento entre la
presión del vapor que entra y sale de la máquina, se acoplan tres turbinas en
serie: turbina de alta, media y baja presión (13,14 y 15, Figura 5.14), las cuales
accionan un generador eléctrico (20, Figura 5.14) que entrega la corriente
eléctrica generada a los transformadores (17, Figura 5.14) y éstos la entregan
a mayor tensión a las líneas de transporte de la energía (21, Figura 5.14) así
producida.
Los principales componentes de una turbina de vapor son:
a. Rotor: componente móvil de la turbomáquina. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en
este elemento. Dado que la turbina está dividida en un cierto número
de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas
de paletas o álabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los
álabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina, moviéndose con él (Figura 5.15).
b. Estator: está constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual
que el rotor, el estator está formado por una serie de coronas de álabes
y cada una corresponde a una etapa o escalonamiento de la turbina.
c. Toberas que alimentan el vapor a la turbina a través de estos componentes. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor
entrante a la turbina y saliente desde el interior de ella.
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146
05 ENERGÍA TÉRMICA
Figura 5.15. Álabes del rotor de una turbina de vapor
5.5.1.3 CONDENSADOR
Es un intercambiador de calor que utiliza agua fría de una corriente natural o enfriada en una torre de refrigeración (18, Figura 5.14), para enfriar y
condensar el vapor de escape de la turbina. El vapor que sale de la turbina
se obliga a entregar su calor latente de vaporización en el condensador (16,
Figura 5.14), donde el vapor usado se convierte en agua para regresarla a la
caldera como agua de alimentación. Además de esta función, aumenta la eficiencia del ciclo, permitiendo que éste funcione con los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente de calor, la caldera, el
sumidero de calor y el condensador. Al ser el flujo caliente bifásico —vapor y
líquido—, su diseño y operación es muy complejo.
Se debe notar que como la bomba de condensado extrae el mismo caudal másico que entra, la presión queda fijada por el cambio de volumen de
vapor a líquido (del orden de 300/1), por lo que el condensador y las últimas etapas de la turbina trabajan a presión inferior a la atmosférica. Al tener
parte del circuito bajo vacío es inevitable que entre aire al circuito y otros
gases no condensables como CO2. Por lo tanto, se hace necesario extraer estos
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5.5 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
147
gases del condensador que está bajo vacío. Esto suele hacerse con eyectores
de vapor.
Hay diversos diseños de condensadores; el más común en las instalaciones de generación de potencia es el condensador de paso transversal simple cuyo esquema se muestra en la Figura 5.16. En este condensador el agua
de enfriamiento pasa, a través de tubos rectos, de una cámara llena de agua
en un extremo hacia otra cámara, también llena de agua, en el otro extremo.
Ya que el agua fluye una sola vez a través del condensador, se le denomina
condensador de un solo paso. La separación entre las áreas de las cámaras
con agua y el área donde condensa el vapor se hace mediante una tapa donde
se colocan los tubos.
Vapor
de
alta
presión
Eyector
Gases no condensables
Vapor de turbina
Agua a
torre de
enfriam.
Agua fría
Diafragmas para forzar cuatro pasos
Condensado
Figura 5.16. Esquema de un condensador de paso transversal simple
Los condensadores tienen normalmente una serie de diafragmas que
obligan a dirigir el vapor para reducir al mínimo el choque directo en los tubos
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148
05 ENERGÍA TÉRMICA
con el agua de enfriamiento. En la parte inferior del intercambiador se deposita el agua condensada, que se recoge mediante una bomba. La acumulación de
gases no condensables en el condensador produce una disminución del vacío
y la temperatura de la saturación con la cual el vapor que se va a condensar se
incrementará. Los gases no condensables también cubren los tubos del condensador, reduciendo así el área superficial para la transferencia térmica del
condensador. Una reducción en la superficie en el intercambio térmico tiene
el mismo efecto que una reducción en flujo del agua de enfriamiento.
El enfriamiento del vapor en el condensador se consigue mediante
agua fría –proveniente de fuentes cercanas como son los ríos, lagos, mar–
por medio de una torre de refrigeración (18, Figura 5.14). Al entrar el agua
en la torre, cae por su propio peso y se encuentra en su caída con una serie
de rejillas dispuestas de modo que la pulverizan y la convierten en una lluvia
muy fina. Las gotas de agua, al encontrar en su caída la corriente de aire frío
que asciende por la torre, pierden su calor. El agua así enfriada vuelve a los
condensadores por medio de un circuito cerrado.
5.5.2 CENTRALES DE CICLO COMBINADO
Las centrales eléctricas de ciclo combinado están integradas por dos
tipos diferentes de unidades generadoras: una turbina de gas y otra turbina
de vapor. La turbina de gas, muy similar a turbina de un avión, funciona con
la presión que recibe de los gases calientes que se forman en un proceso de
combustión. Un compresor alimenta aire a alta presión a una cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, que al quemarse generará gases
a alta temperatura y presión. Estos gases de combustión alimentan la turbina
de gas, donde se expanden, generando energía mecánica que se transforma
en energía eléctrica a través de un generador acoplado a dicha turbina. Los
gases de escape de la turbina de gas tienen una temperatura de 500 a 650 °C,
motivo por el que se emplean, a su vez, para producir vapor en un segundo
ciclo y con este vapor accionar una turbina, siguiendo un proceso semejante
al descrito para las plantas térmicas convencionales. La Figura 5.17 es un
esquema de una central de ciclo combinado.
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5.6IMPACTO
5.6
IMPACTO
AMBIENT
AMBIENTAL
ALDELASCENTRALES
DE LAS
TERMOELÉCTRICAS
CENTRALES
YTECNOLOGÍAS
TERMOELÉCTRICAS
DEABATIMIENTODE
...EMISIONES149
Para un apropiado funcionamiento de las centrales de ciclo combinado, el combustible del primer ciclo con gases de combustión debe ser un combustible con el cual se logren temperaturas más elevadas en la combustión
que con el carbón; esto se logra, generalmente, utilizando gas natural.
Turbina de gas
Toma de aire
Cámara de
combustión
Salida cte.
eléctrica
Aire
Recuperación
del calor
Generador de vapor
Salida de
gases
Combustible
Generador
Compresor
Vapor
Generador
Turbina de vapor
Condensador
Agua
Agua caliente
Agua fría
Figura 5.17. Esquema de una central eléctrica de ciclo combinado
Las centrales convencionales de un ciclo tienen baja eficiencia, entre
25 y 35%, comparada con la de las de ciclo combinado, cuya eficiencia alcanza
en la actualidad alrededor de 55%, cifra que se espera superar elevando la
temperatura del primer ciclo. La limitante es el material de construcción de
la turbina a gas que debe soportar altas temperaturas y la corrosión metálica.
5.6 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CENTRALES TERMOELÉCTRICAS
Y TECNOLOGÍAS DE ABATIMIENTO DE EMISIONES
Desde el punto de vista ambiental las centrales de carbón tienen un impacto ambiental importante, razón por la cual los operadores de estas
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
150
05 ENERGÍA TÉRMICA
centrales tienen exigencias cada vez más estrictas. Se describió que el
carbón mineral contiene partículas de silicatos y que las más grandes
quedan como residuos sólidos de la combustión, escoria, mientras que
las más livianas son arrastradas por los gases de combustión a través de
la chimenea a la atmósfera. Obviamente, este material particulado debe
captarse, para lo cual se emplean precipitadores electrostáticos, los
cuales utilizan campos eléctricos para extraer las partículas de la corriente de gas y depositarlas sobre las placas del colector. A las partículas se
les da una carga eléctrica forzándolas a que pasen a través de una región
en la cual fluyen iones gaseosos. El campo eléctrico que atrae a las partículas cargadas hacia las paredes proviene de electrodos que se mantienen
a un alto potencial (50 000 a 100 000 V) en el centro de la línea de flujo.
Si bien estos equipos son muy eficientes, su gasto en energía eléctrica es
elevado.
En la sección 5.5.1.1 se afirmó que el carbón pulverizado se introduce
hasta los quemadores mediante suspensión de aire caliente en cantidad necesaria para producir la combustión completa del carbón. También se afirmó que la caldera se alimenta a través de un lecho fluidizado formado por
carbón muy finamente pulverizado que se ha combinado con carbonato de
calcio molido —caliza (CaCO3)— en el quemador, para luego introducir la
mezcla al hogar, donde ocurre la combustión. La combustión del azufre contenido en el carbón produce dióxido de azufre (SO2), muy agresivo en la atmósfera, que se puede remover mediante la tecnología de desulfurización
del gas de emisión, en la cual el SO2 se oxida a SO3, que a continuación
reacciona con la caliza de la mezcla y así forma sulfato de calcio (CaSO4),
yeso, sólido. El yeso se remueve posteriormente con facilidad por el equipo
de abatimiento del material particulado, junto con las cenizas volátiles. Las
ecuaciones que siguen muestran estas transformaciones químicas:
SO2 + ½ O2
→
SO3
SO3 + CaCO3
→
CaSO4 + CO2
Dentro de las ventajas del lecho fluidizado destaca el hecho de que
la combustión se realiza a menores temperaturas, lo cual hace menos
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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5.6IMPACTO
5.6
IMPACTO
AMBIENT
AMBIENTAL
ALDELASCENTRALES
DE LAS
TERMOELÉCTRICAS
CENTRALES
YTECNOLOGÍAS
TERMOELÉCTRICAS
DEABATIMIENTODE
...EMISIONES151
propicia la reacción de los componentes del aire, nitrógeno y oxígeno, y la
consiguiente formación de monóxido y dióxido de nitrógeno, mezcla que se
escribe como NOx:
N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
El control de los óxidos de nitrógeno sigue siendo una dificultad técnica considerable al existir simultáneamente NOx con un exceso de oxígeno.
Como no se ha hallado hasta la fecha una solución ideal a este problema,
la solución más prometedora y confiable en la actualidad es la reducción
catalítica selectiva. Consiste en introducir un agente reductor amoníaco
como NH3 o urea [CO (NH2)2] a la corriente de gases de escape. La urea en
condiciones de operación produce a su vez NH3. El NH3, al pasar a través de
un lecho catalítico, reduce selectivamente los NOX. La ecuación a continuación muestra la reducción del monóxido de nitrógeno con el amoníaco, que
da nitrógeno:
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
El incremento en la eficiencia de generación de electricidad es esencial para enfrentar el problema del cambio climático. Un 1% de mejora en la
eficiencia de las centrales térmicas a carbón resulta en un 2-3% de reducción
en la emisión de CO2. Estas mejoras se pueden lograr mediante nuevas tecnologías como la de lecho fluidizado, recién expuesta, calderas que producen
vapor supercrítico y centrales de ciclo combinado con gasificación integrada
del carbón.
Los generadores de vapor supercrítico –vapor que está a una
presión superior a 22 MPa– deben resistir altas presiones y temperaturas,
para lo cual requieren tubos de acero y aleaciones de acero especiales en los
equipos que minimicen la corrosión. La mejoría en las tecnologías de calderas más eficientes se debe a que logran mayores temperaturas, lo que permite
generar más energía quemando la misma cantidad de carbón.
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152
05 ENERGÍA TÉRMICA
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
5.1.
Suponiendo que los combustibles metano, CH4, componente del gas
natural, y propano, C3H8, componente del gas licuado de petróleo, se
queman completamente, determinar la energía térmica desprendida
por cada uno de ellos, expresada en KJ/g de combustible. Las energías
de enlace de los reactivos y productos de estas combustiones, expresadas en KJ/mol, son: O=O: 494; C-H: 410; C=O: 799; C-C: 347; H-O: 460.
5.2.
Calcular la eficiencia teórica de una bomba de calor cuando la temperatura de la habitación es 20 °C y la exterior es -20 °C. Si la bomba obtiene
el calor de un estanque de agua a una temperatura de 5 °C, ¿cuál será
su eficiencia teórica?
5.3.
Si el precio de la electricidad es US$ 0,15/KW·h y el de la gasolina es
US$ 1/L en algún sitio, comparar los costos, por unidad de energía,
sabiendo que la densidad de la gasolina es 0,68 Kg/L y que la energía
emitida durante su combustión es 41 800 BTU (ver equivalencias en
sección 1.4). Si la eficiencia de los motores de gasolina y electricidad es
25% y 80%, respectivamente, indicar cuál de estas fuentes energéticas
resulta más económica para el transporte.
5.4.
Una central termoeléctrica entrega 580 MW de potencia. Calcular la
cantidad de calor desprendido, por segundo, si la central tiene una eficiencia de 30%.
5.5.
La combustión de gasolina en un motor de automóvil libera aproximadamente 8·103 Kcal/L. Si el consumo del automóvil es 10 Km/L cuando
se moviliza a 95 Km/h, requiriendo para ello una potencia mecánica de
25 HP (caballos de fuerza; 1 HP = 0,75 KW), ¿cuál es la eficiencia del
motor en estas condiciones?
5.6.
Si el refrigerador de un restaurante tiene un COP de 5,0, ¿cuál sería
la menor temperatura que podría obtenerse en el refrigerador si la
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
153
temperatura de la cocina, afuera del refrigerador, es 32 °C? Suponer un
comportamiento ideal de dicha máquina.
5.7.
Una bomba de calor ideal se emplea para mantener la temperatura interior de una casa a Tint = 22 °C cuando la temperatura exterior es Text.
Suponer que: a) el trabajo de la bomba es a una tasa de 1500 W; b) la
casa pierde calor, mediante conducción, a través de sus paredes y otras
superficies a una tasa de 650 W/°C (Tint – Text). Se desea saber: a) ¿a
qué temperatura exterior tendría que operar la bomba de calor, en todo
momento, para que la casa mantenga la temperatura interior de 22 °C?
b) si la temperatura exterior es de 8 °C, ¿qué porcentaje del tiempo
tiene que operar la bomba para mantener la casa a una temperatura
interior de 22 °C?
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06
ENERGÍA
NUCLEAR
La creciente demanda mundial por energía eléctrica ha obligado a los gobiernos de las naciones a continuar el empleo de la energía nuclear como
generadora de energía eléctrica, porque se ha puesto en evidencia la relación directa que existe entre el cambio climático y el empleo de combustibles fósiles, principalmente carbón. Este combustible, como el combustible
nuclear uranio, son energías no renovables que deben emplearse junto con
las energías renovables no convencionales para disponer en el futuro de una
base energética que asegure las necesidades de la población mundial. Este
capítulo está orientado a entregar los conceptos básicos de la energía que
contiene el núcleo del átomo, cómo puede utilizarse esta energía para producir electricidad y los problemas ambientales que se originan en el empleo de
la energía nuclear.
6.1 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Los estudios realizados a fines del siglo XIX y la primera mitad del siglo XX
plantearon un modelo para el átomo, materia que está constituida por partículas elementales: parte de ellas están dispuestas en el centro o núcleo y
se denominan nucleones, y otras, llamadas electrones, se desplazan en
torno al núcleo y tienen carga negativa. Los nucleones son partículas de dos
clases diferentes: una de ellas son los protones, que tienen carga positiva,
y otra son los neutrones, que no tienen carga, son neutros. El protón tiene
carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón. Tanto el protón
como el neutrón tienen masas similares; la del neutrón ligeramente inferior
a la del protón. La masa del protón es aproximadamente 1800 veces mayor
que la masa del electrón y, puesto que la masa del neutrón es similar a la del
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
156
06 ENERGÍA NUCLEAR
protón, se deduce que prácticamente toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo. La Tabla 6.1 muestra los símbolos por los cuales se distinguen
dichas partículas y las correspondientes cargas y masas, en unidades de masa
atómica (uma), donde 1 uma es igual a 1,6606 · 10-24 g, valor extraordinariamente pequeño que lógicamente ha sido evaluado por métodos indirectos.
TABLA 6.1. PARTÍCULAS ELEMENTALES DEL ÁTOMO
Partícula
Símbolo
Carga
Masa (uma)
Protón
p
+1
1,0078
Neutrón
n
0
1,0087
Electrón
e
-1
0,0009
Tanto el protón como el neutrón no son esencialmente distintos, sino
que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal
modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón,
sin que ello signifique que el electrón existiese anteriormente, sino que se
forma en el momento de la desintegración. Análogamente, un protón puede
transformarse en un neutrón. Además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero
de signo contrario. Así el antiprotón es una partícula con la misma masa que
el protón pero cuya carga es negativa; el antielectrón (positrón) es igual que
un electrón con carga positiva. Las antipartículas tienen una vida muy corta,
ya que cuando se encuentran con su partícula se anulan, liberando energía.
El núcleo ocupa un espacio muy pequeño del volumen total de átomo;
el mayor volumen lo ocupa el espacio donde se desplazan los electrones, que
son las partículas más pequeñas, porque tienen mucha menor masa. En otras
palabras, el núcleo posee una enorme masa concentrada en un pequeño espacio, razón que motiva a preguntarse cuál es el tipo de unión que mantiene
unidas las partículas del núcleo, porque según la ley de atracción y repulsión
las cargas de igual signo se repelen. Se podría suponer que los protones que
están en un pequeño espacio se repelen con gran fuerza. Sin embargo, además de la repulsión también existe atracción de corto alcance entre protón
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.2 ISÓTOPOS
157
y protón, entre protón y neutrón y entre neutrón y neutrón. La estabilidad
de cualquier núcleo está condicionada por la diferencia entre las fuerzas de
repulsión y las fuerzas de atracción de corto alcance. Si la repulsión es mayor que la atracción el núcleo se desintegra con la consiguiente emisión de
partículas y/o radiación. Si las fuerzas de atracción son mayores el núcleo es
estable.
6.2 ISÓTOPOS
El número de protones y neutrones sirve para identificar un átomo. El número atómico (Z) es el “número de protones en el núcleo de cada átomo de
un elemento”, que a su vez es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por métodos químicos. En un átomo neutro el número
de protones es igual al número de electrones, por lo tanto Z indica también
el número de electrones que tiene un átomo. Por ejemplo, el número atómico
del oxígeno es ocho; esto significa que cada átomo neutro de oxígeno tiene
8 protones y 8 electrones. El número de masa (A) es el “número total de
protones y neutrones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento”,
con la excepción del átomo de hidrógeno, Z = A, porque este átomo tiene un
solo protón y no tiene neutrones.
No todos los átomos de un mismo elemento en particular tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tienen dos o más isótopos, que son
“átomos que tienen el mismo número atómico (Z) pero distinto número de
masa (A)”. Por ejemplo, el elemento hidrógeno tiene tres átomos distintos
o isótopos: el hidrógeno propiamente tal que tiene un protón y, como ya se
dijo, no tiene neutrón; el isótopo deuterio tiene un protón y un neutrón y el
tritio tiene un protón y dos neutrones.
La forma para referirse a los isótopos y sus correspondientes números
atómicos y de masa de un elemento X es:
A
X
para los isótopos del hidrógeno se escribe: 11H , 21H,
3
1
H
Z
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
158
06 ENERGÍA NUCLEAR
Otro ejemplo lo da el elemento uranio (U), de número atómico 92, que
tiene dos isótopos que son comunes: el de número másico 235 y el de masa
238: 23592U, 23892U.
Las propiedades químicas de los elementos están determinadas, fundamentalmente, por el número de protones y electrones de sus átomos; en condiciones normales los neutrones no participan en los cambios químicos, por lo tanto los isótopos de un mismo elemento tienen similar comportamiento químico.
6.3 RADIACTIVIDAD
La razón principal que determina la estabilidad del núcleo atómico es la
relación que existe entre neutrones y protones (n/p). Para elementos que
tienen un número atómico (Z) bajo, el valor n/p es cercano a 1. Según aumenta Z la relación n/p tiende a ser mayor que 1, hecho que se explica
porque se necesita un mayor número de neutrones para contrarrestar las
fuertes repulsiones entre los protones y así poder estabilizar el núcleo. Así,
cuando Z > 83 los correspondientes núcleos tienden a ser inestables; estos núcleos se convierten en estables mediante desintegración nuclear
y como consecuencia de esta transformación se libera una enorme cantidad de energía que estaba almacenada en dichos núcleos. “La energía liberada durante la desintegración nuclear” se denomina radiactividad.
El núcleo hijo que resulta de la desintegración puede no ser estable, entonces
se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que
finalmente se llega a un núcleo estable.
Existen varios tipos de desintegración nuclear que dan lugar a distintas formas de radiactividad. Si hay muchos neutrones (n), entonces uno de
ellos se convierte en un protón (p) más un electrón (e); este electrón posee
una gran energía y velocidad. A esta forma de radiactividad se le denomina
radiación ß-:
n
→
p + e (radiación ß-)
La radiación ß- origina un nuevo elemento, puesto que el número de
protones en el núcleo se incrementó en uno. Un ejemplo de esta forma de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.3 RADIACTIVIDAD
159
radiactividad es la transformación del isótopo del potasio (K) con A = 40, que
tiene 19 protones y 21 neutrones, en el isótopo 40 del calcio (Ca), con igual
masa atómica y que emite un electrón:
40
K
→
40
Ca + e
Si el isótopo tiene pocos neutrones, el protón (p) puede convertirse en
neutrón (n) y se libera un positrón, que es un antielectrón (e+) que lleva carga
positiva; es una radiación ß+:
p
→
n + e+ (radiación ß+)
La emisión de un positrón origina un nuevo elemento que tiene una
masa atómica con una unidad menos. Una vez que se desprende un positrón
del núcleo, se destruye casi de inmediato porque colisiona con electrones. La
radiación ß es desviada por los campos magnéticos.
Independiente del número de neutrones que posea un núcleo, este centro atómico también puede ser inestable por tener demasiados protones. Si
hay muchas de estas partículas las fuerzas de repulsión entre cargas positivas
pueden ser tan grandes que superen a las fuerzas de atracción del núcleo.
Si esto ocurre, el núcleo emite partículas que contienen dos protones y dos
neutrones, tal como es el núcleo de helio (He), motivo por lo que esta emisión se escribe como 42He o simplemente 2He y se denomina radiación α.
Estas partículas cargadas positivamente son desviadas por campos eléctricos
y magnéticos. Son poco penetrantes, muy ionizantes y muy energéticas. El
poder de ionización de las partículas α es superior al de las de radiación ß.
A pesar que un núcleo pueda tener un número estable de protones y
neutrones, todavía puede poseer mucha energía, hecho que se da en los productos de desintegración α y ß. Este exceso de energía se desprende como
radiación γ. La radiación γ es una emisión de energía electromagnética,
por lo tanto no constituye una desintegración del núcleo sino que indica que
éste se encontraba en un nivel energético superior al normal. Es el tipo más
penetrante de radiación y, al ser radiación electromagnética de longitud de
onda corta, tiene mayor penetración y requiere capas muy gruesas de plomo
u hormigón para detenerla.
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160
06 ENERGÍA NUCLEAR
Las radiaciones anteriores tienen diferentes efectos sobre la salud humana. Así, la radiación α no atraviesa la piel pero es peligrosa en los pulmones, la radiación ß puede penetrar en el cuerpo y la radiación γ atraviesa el
cuerpo. Esta última requiere varios centímetros de espesor de una lámina de
plomo o concreto y más de un metro de agua para bloquearla.
La desintegración de un cuerpo radiactivo es un proceso estadístico. Si
se considera un determinado átomo radiactivo no se puede conocer el momento en que ocurrirá su desintegración; en cambio, si se considera un número muy grande de átomos de un mismo núcleo, se puede conocer el comportamiento, como promedio, que sigue el conjunto en su desintegración.
Se demuestra que la probabilidad de que se desintegre un átomo radiactivo
permanece constante a lo largo del tiempo. Ello se traduce en que, al desintegrarse una sustancia radiactiva, la cantidad de ella que no se ha desintegrado
disminuye exponencialmente con el tiempo. Se llama período de semidesintegración, t1/2, al “tiempo que ha de transcurrir para que la cantidad de
sustancia radiactiva se haya reducido a la mitad”. El valor de t1/2 puede variar
entre fracciones muy pequeñas de segundos (isótopos de vida corta) a millones de años (isótopos de vida larga). La Tabla 6.2 presenta los períodos de
semidesintegración de algunos isótopos representativos.
TABLA 6.2. PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN (T1/2 ) DE ALGUNOS ISÓTOPOS
Isótopo
t1/2 (años)
Uranio-238
4,5·109
Uranio-235
7,0·108
Torio-232
1,4·1010
Rubidio-87
4,9·1010
Potasio-40
1,3·109
Carbono-14
5,7·103
Cobalto-60
5,3
Radón-222
3,8 días
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.4 FISIÓN NUCLEAR
161
6.4 FISIÓN NUCLEAR
Cuando el núcleo de un elemento pesado se divide en dos núcleos más livianos, se desprende una gran cantidad de energía debido a la mayor estabilidad de los núcleos livianos resultantes. Esta “transformación del núcleo que
está acompañada de la emisión de uno o más neutrones” se llama fisión
nuclear. Esta fisión no ocurre espontáneamente sino que está inducida por
absorción de neutrones por parte del núcleo. Un ejemplo de fisión es la desintegración del uranio 235 por acción de un neutrón (n), lo que genera como
productos de fisión bario 144, kriptón 89 y tres neutrones:
n +
U
235
92
→
144
Ba +
56
89
36
Kr + 3n
Los neutrones eliminados pueden colisionar nuevamente con otros núcleos de uranio 235 y producir su fisión. Por lo tanto, la formación de más de
un neutrón en el proceso provoca una secuencia de reacciones nucleares en
la que las fisiones aumentan rápidamente. El hecho de que en esta reacción
nuclear se produzcan más neutrones que los empleados para desintegrar el
uranio 235 hace posible que ocurra una reacción nuclear en cadena, que
es “una secuencia de reacciones de fisión nuclear que se mantienen por sí
solas”. La Figura 6.1 ilustra este proceso.
Figura 6.1. Reacción de fisión nuclear en cadena
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
162
06 ENERGÍA NUCLEAR
Para que el uranio 235 experimente una reacción de fisión en cadena
debe haber suficiente cantidad de este isótopo para capturar los neutrones;
de lo contrario muchos neutrones no colisionarán con los núcleos y por lo
tanto la reacción no se efectuará. Sólo si hay una cantidad de material fisionable igual o superior a la masa crítica la reacción ocurrirá. Entonces, la
masa crítica es la “mínima masa de material fisionable que se requiere para
que ocurra una reacción en cadena que se mantenga por sí sola”.
Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio (Pu). El uranio es el elemento natural más
pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período limitado. Aunque otros elementos pueden ser utilizados, U y Pu tienen
la mejor combinación de abundancia y facilidad de fisión.
Disponer del uranio requerido no es suficiente como para comenzar
una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fisión a
una velocidad muy elevada, 20 000 Km/s, velocidad a la cual es poco probable
que otro átomo fisible absorba estos neutrones. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan una oportunidad de colisionar
con cualquier otro núcleo. La principal razón para efectuar este proceso de
frenado de los neutrones es permitirles a éstos interaccionar con los átomos
fisibles. Un neutrón de movimiento lento, con velocidad de 2 Km/s, se llama
neutrón térmico porque su energía es similar a la energía térmica, y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión.
El proceso de moderación de la velocidad es simplemente equivalente a las colisiones elásticas entre partículas de alta velocidad y partículas
prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón
y de la partícula chocada, mayor es la pérdida de energía cinética del neutrón; por lo tanto, los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores del neutrón. Las características de un buen moderador son: peso
atómico bajo, incapacidad para fisionarse con neutrones, bajo costo porque
se utilizan en gran cantidad, y debe ser fluido porque además se utilizan
como refrigerantes. Los moderadores que cumplen estas condiciones son el
hidrógeno que se emplea como agua, el deuterio que se emplea como agua
pesada (D2O), el berilio (Be) que es un metal y el carbono (C) en forma de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.5 REACTORES NUCLEARES
163
grafito. El agua, pese a que no cumple con todas estas condiciones, es la más
apropiada.
6.5 REACTORES NUCLEARES
En la introducción de este capítulo se estableció que el objetivo del estudio
de la energía nuclear era producir energía eléctrica, para lo cual, según se ha
descrito anteriormente, habrá que aprovechar el calor que se genera en una
fisión nuclear para accionar una turbina que produzca rotación en un generador eléctrico.
Los componentes básicos de un reactor nuclear se describen a
continuación:
– Combustible, que es material fisionable, generalmente un compuesto de uranio.
– Moderador, que produce neutrones lentos.
– Refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible. Por
ejemplo: el agua ligera o el agua pesada.
– Reflector: material que refleja los neutrones, encargándose de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes del centro del reactor.
– Barras de control, que actúan como absorbentes de neutrones y
permiten iniciar o detener la fisión, controlando en todo momento
la población de neutrones para que ocurra una reacción autosostenida, es decir, que la concentración de neutrones sea crítica durante su
funcionamiento y subcrítica durante las paradas.
– Blindaje como el hormigón y el plomo, que evitan el escape de radiación γ y de neutrones del reactor.
6.5.1 REACTOR DE AGUA A PRESIÓN
El reactor de fisión nuclear más común es el reactor de agua ligera a presión
o simplemente reactor de agua a presión (PWR, por sus siglas en inglés)
porque el circuito primario de refrigeración está presurizado con el fin de evitar que el agua alcance su punto de ebullición. Este reactor emplea el isótopo
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
164
06 ENERGÍA NUCLEAR
más ligero de hidrógeno del agua como moderador. El combustible nuclear
es el uranio como óxido de uranio (U3O8), que se emplea en forma de pastillas
encerradas en vainas de aleaciones de aluminio (Al) y circonio (Zr), dispuestas en el interior de barras. El isótopo más abundante del elemento uranio,
que se encuentra en la naturaleza es el uranio-238, que no experimenta fisión,
el isótopo uranio 235 sí lo hace el isótopo uranio-235, pero sólo está alrededor
del 0,7% en la mezcla de isótopos que es el uranio natural. Para que en el reactor pueda iniciarse la fisión del isótopo 235 es necesario enriquecerlo desde
el 0,7 al 3,5%. Además, para la iniciación se introducen unas barras de boro
(B) y cadmio (Cd) situándolas entre las barras del combustible nuclear hasta
una altura automáticamente ajustable, de manera que permita un flujo de
neutrones al nivel crítico. Los elementos Cd y B son absorbentes muy efectivos de neutrones hecho que da cuenta de las siguientes reacciones nucleares:
Cd + n
→
113
48
B +
10
5
n
→
7
3
Li
Cd + γ
114
48
+
4
He (radiación α)
2
De no existir estas barras de control el centro del reactor se fundiría
por el calor que se produce y escaparía el material radiactivo, contaminando
el medio ambiente. En este caso se tendrían las condiciones que ocurren en
una bomba atómica.
Las barras del combustible y las de control están sumergidas en un baño
de agua que tiene por finalidad actuar como refrigerante del proceso exotérmico y como moderador de la velocidad de los neutrones. El calor generado
en la fisión nuclear es captado por el agua y se transfiere fuera del centro del
reactor hacia un intercambiador, donde se produce vapor a partir de un circuito
secundario de agua; este vapor hace funcionar un generador eléctrico. En consecuencia, el reactor nuclear es un productor de vapor equivalente a una caldera
que emplea carbón como combustible; sin embargo, la cantidad de energía que
contiene el uranio es muchísimo más grande que la del carbón, cuyo valor máximo de calentamiento es 33 KJ/g, mientras que el del uranio es 7,2·107 KJ/g. Por
otra parte, la cantidad de agua de refrigeración que se requiere para condensar
el vapor que se reutiliza también es mayor en centrales nucleoeléctricas.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.5 REACTORES NUCLEARES
165
El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor
que contiene el núcleo, espacio donde se encuentran las barras de combustible y de control. El agua ligera desmineralizada circula por su interior a
una presión de 16 MPa, toma el calor producido en el reactor y lo transporta
hasta la caldera de vapor que forma parte de un circuito secundario. A su vez,
el agua condensada de este vapor se enfría mediante agua que circula en un
circuito terciario. El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos
dentro de un recinto hermético y estanco, llamado Contención, que consiste
en una estructura esférica de acero, construida con planchas de acero soldada de espesor grueso. La Contención está ubicada en el interior de un
segundo edificio, llamado Anillo del Reactor, el cual también es de hormigón,
con gruesas paredes exteriores. Este segundo edificio tiene forma cilíndrica
y está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico.
El funcionamiento del circuito primario se complementa con una serie de
sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante. La Figura 6.2 es un esquema de una central nucleoeléctrica con un reactor de agua a presión.
Conducto de vapor
Contención
Barras de
control
Vasija
del
reactor
Reactor
Generador
Caldera
Torre de
enfriamiento
del agua
Turbina
Agua fría del
condensador
Figura 6.2. Esquema de una central nucleoeléctrica con reactor de agua a presión.
En resumen, el agua líquida, a elevada temperatura originada por la
fisión nuclear entrega calor a la caldera, cuyo vapor mueve una turbina y
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
166
06 ENERGÍA NUCLEAR
ésta a su vez acciona un generador. El vapor proveniente de la turbina se
transforma en agua mediante un condensador, que es enfriado por agua que
llega desde una torre de enfriamiento. Tanto el agua del reactor como la del
condensador están impulsadas por bombas.
6.5.2 OTROS REACTORES DE FISIÓN NUCLEAR
El reactor de agua en ebullición (BWR) emplea elementos similares al
anterior, pero como el refrigerante trabaja a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor y parte del líquido se
transforma en vapor, que se conduce a la turbin, sin necesidad de emplear
el generador de vapor. En un reactor PWR, existen los tres circuitos de refrigeración (primario, secundario y terciario) ya explicados. En cambio, en
un reactor BWR el agua del circuito primario no está presurizada y en consecuencia se convierte en vapor.
El reactor de agua pesada (HWR) utiliza esta agua (D2O) como moderador. El deuterio del agua pesada absorbe los neutrones con menor eficiencia que el hidrógeno. Puesto que se absorben menos neutrones, el reactor
es más eficiente por lo que no requiere uranio-235 enriquecido. Este hecho
es una gran ventaja pues el uranio-235 enriquecido es muy caro de producir.
Sin embargo, también es oneroso fabricar gran cantidad de agua pesada porque se requiere electrolisis para obtenerla, de manera que el uso del reactor
de agua pesada es económicamente factible si el costo de la electricidad es
relativamente bajo.
Los reactores de grafito-gas usan grafito como moderador y dióxido de carbono (CO2) como refrigerante. Los primeros reactores de este tipo
emplearon uranio natural en forma metálica, mientras que los actuales, denominados reactores avanzados de gas (AGR), utilizan óxido de uranio enriquecido. Los denominados reactores de alta temperatura (HTGR) usan helio
como refrigerante.
En un reactor de cría se produce más material fisionable que el uranio que se consume. Cuando el uranio-238 se bombardea con neutrones rápidos no se fisiona, sino que se transforma en el isótopo neptunio-239, cuyo
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.6 ENRIQUECIMIENT0 DEL URANIO-235
167
tiempo de vida media son minutos, por lo que transforma rápidamente en el
isótopo plutonio-239 que sí es fisionable:
U + n
238
92
239
U
92
239
Np
93
→
→
→
239
239
U
92
Np
93
Pu
239
94
+ e (radiación ß-)
+
e (radiación ß-)
En un reactor convencional se mezcla el uranio-235, o plutonio-239, con
uranio-238, de manera que el neptunio-239, formado a partir del uranio-238,
origine el plutonio-239. Por cada núcleo de uranio-235 o plutonio-239 que se
fisiona, el uranio-238 captura un neutrón para generar plutonio-239.
El reactor de espectro rápido utiliza óxidos de uranio-238 y de plutonio-239 como combustible y neutrones rápidos. En estas condiciones no
requiere de moderador, pero se deben usar como refrigerantes metales líquidos como el sodio.
6.6 ENRIQUECIMIENT0 DEL URANIO-235
Ha quedado establecido que para someter a desintegración el uranio-235
de manera utilizable en fisión nuclear es necesario concentrar este isótopo,
que tiene una abundancia natural de 0,7%, a valores de 2,0 a 4,5% en que el
isótopo liviano está en relación al pesado, uranio-238. La separación de estos
dos isótopos de masas tan próximas es un problema físico complejo. En los
inicios, la técnicas de concentración consistían en operar con el compuesto
hexafloruro de uranio (UF6), que es gaseoso, el cual se hacía pasar por difusión a través de poros de distinto tamaño de membranas que conseguían
dicha separación después de muchas difusiones sucesivas. Este proceso es
demasiado caro por el consumo de energía para obligar al UF6 a atravesar
dichos poros de manera continuada.
En la actualidad también se recurre al UF6 que proviene del mineral de
uranio, pero se enriquece de manera diferente. El tratamiento del mineral de
uranio no es diferente al de otros tipos de minerales. La extracción de este
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
168
06 ENERGÍA NUCLEAR
mineral, generalmente en forma de U3O8 (óxido complejo estable: U2O5·UO3),
como el siguiente proceso metalúrgico de concentración de éste implica operar con un material ligeramente radiactivo, por lo tanto las faenas mineras
tienen un peligro inherente para la salud de los mineros. Así los polvos y restos del tratamiento del mineral quedarán como residuos con restos de uranio
en el sitio de la faena minera, sitio que debe ser recubierto, por ejemplo con
arcillas para evitar la radiación. El mineral, una vez concentrado, se trata con
ácidos, y solventes orgánicos para purificarlo y a continuación se transforma
en el gas UF6 que existe como tal a temperatura sobre 56 °C a presión ambiente. El gas así obtenido luego se enriquece en el isótopo 235 para separarlo
del 238 por centrifugación gaseosa en una serie de etapas de enriquecimiento
creciente por medio de una gran cantidad de centrífugas que operan con base
en la diferencia de masas de los isótopos y con una gran velocidad rotacional,
50 000-70 000 rpm. Estas centrífugas constan de un cilindro de 3 a 5 m de longitud y alrededor de 20 cm de diámetro en cuyo interior los isótopos pesados
se concentran en la periferia y los livianos al centro. El UF6, cuyo uranio-235
está enriquecido, se convierte finalmente en el sólido UO2 que generalmente
se emplea como combustible.
La Figura 6.3 muestra los procesos de enriquecimiento del uranio-235
desde que se extrae de un yacimiento minero hasta que se emplea como combustible nuclear.
6.7 MANEJO DE LOS PRODUCTOS DE DESINTEGRACIÓN
DEL URANIO-235
Los productos que se emiten en la desintegración del uranio y otros elementos fisibles son altamente radiactivos porque la fisión de éste y otros elementos pesados originan núcleos todavía con demasiados neutrones que tienden
a estabilizarse liberando radiación ß. Además, la secuencia de reacciones que
produce la desintegración inicial lleva a la formación de los elementos actínidos que están situados en el Sistema Periódico en la misma fila que el uranio,
como por ejemplo el actinio (Ac) y el torio (Th).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.7 MANEJO DE LOS PRODUCTOS DE DESINTEGRACIÓN DEL URANIO-235 169
Por otra parte, no todos los neutrones que chocan con el uranio producen fisión sino que frecuentemente se absorben en núcleos que dan lugar a
átomos más pesados. Estos tienen núcleos inestables que emiten radiación α
pero con tiempos de vida media medidos en miles de años. Tanto la intensa
radiación de los productos de la fisión como la alta estabilidad de los elementos actínidos generan una preocupación importante por las consecuencias
ambientales negativas de dichos productos de fisión nuclear.
Procesos
U3O8 baja concentr.
238U/235U = 99,3/0,7
Proceso minero
Concentración
U O8 alta concentr.
U/235U = 99,3/0,7
3
238
Proceso químico
Gasificación
238
UF6
U/235U = 99,3/0,7
Proceso físico
Centrifugación
238
UF6
U/235U = 96,5/3,5
Proceso químico
Solidificación
UO2
U /U = 96,5/3,5
238
235
Figura 6.3. Procesos de enriquecimiento del uranio-235
Después que parte importante del uranio-235 se ha consumido en el reactor quedan cantidades significativas de residuos altamente radiactivos, los cuales
forman parte importante de los residuos nucleares que quedan retenidos en las
varillas del combustible uranio-235. Además, existe una cantidad relativamente
pequeña de radiación inducida en el reactor por irradiación de neutrones.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
170
06 ENERGÍA NUCLEAR
Los residuos radiactivos, según la cantidad de radiación que emitan se
pueden clasificar en tres tipos: baja, media y alta actividad radiactiva. Residuos de alta actividad pueden ser el propio combustible gastado o usado o los
residuos del reprocesamiento de este combustible. Mientras que sólo el 3% del
volumen de residuos son de alta actividad, éstos emiten el 95% de radiactividad
debida a los productos de fisión altamente radiactivos de algunos elementos
pesados que poseen radiactividad de larga vida. Este hecho genera una considerable cantidad de calor el cual requiere enfriamiento, así como también una
protección especial durante su manejo y transporte. Si el combustible usado
es reprocesado, los residuos que forman se vitrifican con gránulos de vidrio de
borosilicato, mezcla que se funde y luego se vierte para formar un sólido vitrificado que se guarda en recipientes de acero inoxidable, los que se sellan mediante soldadura para un eventual entierro subterráneo. Una proporción típica
de combustible usado es la siguiente: uranio: 94,7% (0,7% de U-235) productos
de fisión: 4,1% plutonio: 1,1%; actínidos minoritarios: 0,1%.
El reprocesamiento de este combustible consiste en disolverlo con ácido y luego separar químicamente el uranio y plutonio, formado en la desintegración nuclear, y las soluciones residuales de alta actividad radiactiva originadas en este reprocesamiento. Alrededor del 97% del combustible usado se
puede reciclar, lo que deja sólo un 3% de residuos de alta actividad.
Por otra parte, si el combustible gastado no se reprocesa, todos los
isótopos altamente radiactivos quedan con este material usado, de manera
que todo este conjunto de materiales radiactivos se tratan como un residuo
de alta actividad. Este combustible usado ocupa un volumen que es aproximadamente nueve veces el que ocupan los residuos de alta actividad que resultan del reprocesamiento, los cuales son encapsulados para su disposición.
Puesto que los residuos de alta actividad como el combustible gastado son
muy radiactivos, el personal que trabaja con ellos debe protegerse de la radiación de forma especial y manipular estos materiales de manera remota.
Sea que el combustible usado se reprocese o no, el volumen de los residuos de alta actividad es bastante bajo. Alrededor de tres metros cúbicos por
año de residuos vitrificados o 25-30 t de combustible usado se forman en una
central para reactores de 1000 MW.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.7 MANEJO DE LOS PRODUCTOS DE DESINTEGRACIÓN DEL URANIO-235 171
El requerimiento anual de un reactor de agua a presión con potencia
de 1 000 MW es alrededor de 25 t de uranio enriquecido. De un reactor de
este tipo, luego de un año de funcionamiento, se pueden separar 230 Kg de
plutonio del reprocesamiento del combustible. Este metal se puede emplear
como combustible en forma de óxido mixto fresco, debido a su composición.
Los residuos de alta actividad separados, alrededor de un 3% de dicho reactor, comprenden unos 700 Kg por año y requieren estar aislados del ambiente
por mucho tiempo.
TABLA 6.3. REACTORES NUCLEARES, TECNOLOGÍAS Y POTENCIAS
GENERADAS EN DIFERENTES PAÍSES EN EL AÑO 2005
Tipo de
reactor
País
Cantidad de
reactores
Potencia
GW
Agua a
presión
(PWR)
EUA,
Francia,
Japón, Rusia
267
242
Agua a
ebullición
(BWR)
EUA, Japón,
Suecia
94
84
Agua pesada
Canadá,
a presión Corea, India,
(HWR)
China
41
21
U3O8 (natur.) Agua pesada Agua pesada
+ UO2
(0,9-2% 235U)
Gas y grafito Reino Unido
(GCR)
22
11
U3O8 (natur.)
+ UO2
(3-4% 235U)
CO2
Grafito
Agua
Grafito
Combustible Refrigerante Moderador
UO2
(3-4% 235U)
UO2
(3-4% 235U)
Agua a
presión
y grafito
(LWGR)
Rusia
16
11
UO2
(3-4% 235U)
De espectro
rápido
(FBR)
Japón,
Rusia,
Francia
3
1
PuO2 + UO2
(3-4% 235U)
443
370
Total
Agua
Agua
Agua
Agua
Sodio líquido
No tiene
La disposición última de los residuos vitrificados, ya sea de reprocesamiento o no reprocesados, requieren de prolongados tiempos de almacenamiento para no contaminar el medio ambiente, motivo que ha obligado a
enterrar dichos recipientes en cavernas profundas que posean formaciones
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
172
06 ENERGÍA NUCLEAR
geológicas estables a los sismos y a evitar incendios y la ausencia de agua para
impedir la corrosión de los recipientes que guardan el material vitrificado.
Para tener una visión amplia de las tecnologías empleadas en reactores de fisión nuclear, los países que las emplean y las potencias que se generan, expresadas en gigavatios, la Tabla 6.3 resume estos antecedentes del año
2005.
6.8 FUSIÓN NUCLEAR
Para que el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2) ardan, la mezcla tiene que calentarse a unos 500 °C, temperatura a la cual las moléculas de estos gases se
mueven lo bastante rápido para que se produzcan colisiones que producen
calor. Con esta energía se produce la reacción de inflamación, que luego se
sostiene por sí misma para formar H2O mediante la reordenación de los electrones de las moléculas H2 y O2.
Si se pudiera calentar átomos de H a 1,5·107 °C alcanzarían tales velocidades y sus colisiones serían tan violentas que algunos núcleos de estos
átomos se unirían para formar los átomos más pesados de helio (He). Este
proceso de unión o fusión nuclear de los átomos de H libera una enorme
cantidad de energía, millones de veces más que la oxidación del hidrógeno,
proceso que se puede representar así:
1
1
H +
H
1
1
→
H
2
1
+ energía ( ß-)
Por lo tanto, la fusión nuclear es “la unión de dos núcleos de átomos ligeros para dar otro átomo con un núcleo más pesado”, acompañada
de una enorme liberación de energía. Es la misma fuente de energía limpia
e inagotable del Sol y las estrellas que son, en consecuencia, inmensos reactores nucleares donde la fusión se mantiene permanentemente. Una parte
muy pequeña de esta fantástica energía irradiada por el Sol llega a la Tierra y
constituye el soporte de la vida en ella. Si se pudiese crear energía equivalente
a la que tiene el Sol en su interior, pero en la Tierra, se tendrían los grandes
beneficios de la energía solar: renovable y sin la contaminación atmosférica
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.8 FUSIÓN NUCLEAR
173
que producen los combustibles fósiles que llevan al efecto invernadero adverso y como consecuencia al cambio climático del planeta. Sin embargo,
concretar esta idea parece una utopía por las elevadísimas temperaturas necesarias para ejecutar la fusión nuclear; no existen materiales que soporten
millones de grados Celsius. No obstante, algunas experiencias realizadas son
promisorias para enfrentar este grandioso desafío que, de resolverse, tomaría
décadas.
El Sol está formado principalmente por hidrógeno y helio; por este hecho se supone que algunas de las reacciones que ocurren en esa estrella son
entre los isótopos del hidrógeno (11H), deuterio (21D) y tritio (31T) y átomos de
He. Ejemplos son:
1
1
H
3
2
2
+
D
→
1
3
2
He +
He
→
3
2
He
4
He
2
+ n + energía
+ 2 11H
+ energía
Se han estudiado varias reacciones nucleares de fusión que podrían
emplearse en el planeta. Una de ellas es la reacción del deuterio con el tritio:
2
1
D +
3
T
1
→
4
2
He + n
Producir energía en la Tierra mediante fusión nuclear supone poder
separar las moléculas que se fusionarían para emplear esta energía, pero la
fusión implica romper las moléculas de manera que se tengan los núcleos
de sus átomos constituyentes liberados de los electrones que los envuelven.
Este estado de la materia en que existen electrones y nucleones positivos se
denomina plasma. Para utilizar el plasma se ha ideado un confinamiento
magnético creado por campos magnéticos en forma de anillos (“toroides”)
que dejaría retenidas estas partículas cargadas que se mueven a velocidades
muy elevadas.
Por otra parte, para aplastar el plasma, alejarlo de las paredes del reactor y mantener su forma y estabilidad existen campos magnéticos “poloidales” dispuestos a lo largo del recorrido del plasma. Este diseño corresponde al
reactor experimental Tokamak cuyo plasma y campos magnéticos se ilustran
en la Figura 6.4.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
174
06 ENERGÍA NUCLEAR
En principio, para producir energía eléctrica del reactor Tokamak se
podría aprovechar el calor generado en el entorno del confinamiento magnético, tomándolo de materiales refrigerantes como las sales fundidas (sección
8.8.4.4), calor que produciría vapor, y con éste accionar una turbina.
Campo magnético
“poloidal” interno
Plasma
Líneas del
campo magnético
Corriente del plasma
Campo magnético
“poloidal” externo
Campo magnético
“toroidal”
Figura 6.4. Plasma confinado entre campos magnéticos
6.9 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CENTRALES DE FISIÓN
NUCLEAR
En la sección 13.1 se afirma que el calor interno del planeta Tierra se debe a la
desintegración de núcleos radiactivos. Este calor se transmite a la superficie
y luego se disipa en la atmósfera. También en la superficie existen átomos
con núcleos radiactivos como el radón 222, que produce radiactividad. En
consecuencia, la radiactividad es un fenómeno natural que ha existido en el
planeta durante millones de años y que la reciben los organismos, entre ellos
las personas. Es evidente que si la intensidad de esta radiación es mayor que
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.9 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CENTRALES DE FISIÓN NUCLEAR
175
la natural, constituye entonces un impacto ambiental negativo, impacto que
se manifiesta con demoledora intensidad en los accidentes nucleares.
6.9.1 ACCIDENTES NUCLEARES MÁS SIGNIFICATIVOS
El accidente nuclear en la central nuclear de Three Mile Island, Pennsylvania
(EE.UU.) en 1979, se debió a la pérdida de refrigeración en uno de sus dos
reactores. Las bombas de alimentación del circuito secundario de refrigeración dejaron de funcionar a causa de una avería. Esto impidió la retirada
de calor del circuito primario, por lo que su presión y temperatura empezaron a aumentar inmediatamente debido a que el circuito secundario no
pudo extraer el calor residual del núcleo del reactor. Tras horas de trabajo
para subsanar los problemas y errores de manipulación, explotó el hidrógeno
formado en el interior del núcleo del reactor y lo dejó parcialmente fundido.
Limpiar el reactor después del accidente necesitó de un proceso difícil
que duró más de 10 años. Comenzó en agosto de 1979 y terminó oficialmente
en 1993, con un costo total de cerca de 1000 millones de dólares. Entre 1985 y
1990 se eliminaron del sitio casi 100 t de combustible radiactivo.
El accidente nuclear sucedido en la central nuclear de Chernobyl
(Ucrania, en ese tiempo parte de la Unión Soviética) en 1986 —que produjo
uno de los mayores desastres medioambientales de la historia— se debió a
que durante una prueba de seguridad un aumento súbito de potencia en uno
de los cuatro reactores de la central produjo el sobrecalentamiento de su núcleo porque las barras de control de boro que se insertaron en el combustible para absorber los neutrones no lograron detener la reacción de fisión en
cadena, lo que terminó provocando la explosión del hidrógeno acumulado
en su interior y la destrucción del reactor. La cantidad de dióxido de uranio,
carburo de boro, óxidos y aleaciones de metales radiactivos y/o tóxicos expulsados se estimó fue unas 500 veces mayor que la liberada por la bomba
atómica lanzada en Hiroshima en 1945, causó directamente la muerte de 31
personas y obligó al gobierno de la Unión Soviética a la evacuación de más
de 100 000 personas. Además, se propagó la radiactividad por al menos 13
países de Europa central y oriental. Finalmente, la comunidad internacional
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
176
06 ENERGÍA NUCLEAR
tuvo que financiar el costo del cierre definitivo de la central, completado en
2000.
El terremoto más grande en los registros de Japón, seguido de maremoto, en 2011, fue el causante de otro desastre ambiental que afectó, esta vez,
a tres de los reactores que estaban funcionando, de los seis instalados, en la
planta nuclear de Fukushima.
La reacción en cadena se detuvo a pocos segundos del terremoto en
todos los reactores nucleares de Japón, inclusive los más afectados de Fukushima, ya que se detuvieron automáticamente debido a las barras de control
de boro. No obstante esta detención, la degradación natural de los materiales
radiactivos en el núcleo del reactor continuó produciendo calor —calor residual— que se disipaba lentamente. Normalmente ese calor habría sido eliminado por bombas de refrigeración. Sin embargo, en la planta de Fukushima
éstas perdieron el suministro de energía eléctrica de emergencia a causa del
maremoto, cuyas olas de 14 m de altura inundaron el sitio donde estaban
instaladas; prueba de ello es que el contenedor del núcleo del reactor no fue
averiado. La refrigeración de los reactores es importante porque, aunque se
hayan detenido las reacciones en cadena, aún queda suficiente calor para
fundir las varillas metálicas que contienen el combustible de uranio. Si éstas se calientan lo suficiente, reaccionan químicamente con el agua que las
rodea, lo que produce hidrógeno. La explosión de este gas fue lo que causó
la destrucción del edificio de material ligero externo al de contención. Similar situación se produjo en las plantas de Chernobyl y Three Mile Island.
La Escala Internacional de Accidentes Nucleares tiene categorías de valores
crecientes de gravedad de 1 a 7; el de Chernobyl ha sido considerado el más
grave con la categoría 7, al igual que el de Fukushima, y el de Three Island
Mile fue clasificado en categoría 5.
Cabe tener en cuenta que las tecnologías empleadas en las mencionadas centrales son de los años 50 del siglo pasado y que en la operación de estas
plantas hubo muchos errores de manejo que contribuyeron a acrecentar la
gravedad de los accidentes. En todo este tiempo se han desarrollado nuevas
tecnologías con base en las experiencias sufridas, por lo cual se ha aprendido,
como en toda actividad humana, a mejorar las tecnologías que existían y se
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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6.9 IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CENTRALES DE FISIÓN NUCLEAR
177
dispone actualmente de otras más eficientes y seguras, como las que emplean
desechos radiactivos como combustible y permiten un mejor control.
6.9.2 VENTAJAS DEL COMBUSTIBLE NUCLEAR SOBRE
LOS COMBUSTIBLES FÓSILES
Con el propósito de comparar el impacto ambiental de las centrales nucleares
con las térmicas a partir de la emisión de residuos contaminantes y gases de
efecto invernadero, la Tabla 6.4 muestra dichas emisiones sobre la base de
generación eléctrica de 600 MW de potencia durante un año en central térmica con carbón, el más empleado de los combustibles fósiles, y en central
nuclear con uranio.
La Tabla 6.4 deja en evidencia la enorme cantidad de toneladas del gas
más contribuyente al efecto invernadero, el dióxido de carbono. Al comparar
este monto con los que deja el uranio para generar igual potencia eléctrica, se
demuestra la ventaja ambiental que tiene el combustible nuclear, sobre todo
si se considera que los residuos más peligrosos, los de alta actividad, son sólo
17 t. Sin embargo, este tipo de residuos presenta un alto costo de disposición
final y almacenamiento seguro para un futuro a largo plazo.
TABLA 6.4. COMPARACIÓN DE EMISIONES EN GENERACIÓN ELÉCTRICA CON
POTENCIA DE 600 MW, DURANTE UN AÑO, USANDO CARBÓN Y URANIO COMO
COMBUSTIBLES
Combustible carbón
Combustible uranio
Alimentación: 1 200 000 t/año
Alimentación: 17 t/año
2 700 000 t CO2
3000 t SO2
2700 t NOx
2800 t partículas
240 t metales
pesados
Más impactos de minería
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17 t residuos alta actividad
190 t residuos media actividad
270 t residuos baja actividad
Más impactos de minería
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
178
06 ENERGÍA NUCLEAR
Por otra parte, las centrales a carbón que emiten en cantidad como la
de este ejemplo suman centenares en el mundo, por lo que no es de extrañar
que la emisión mundial de CO2 a la atmósfera haya subido de 280 partes por
millón (ppm) en la época preindustrial a 375 ppm actuales, aunque a este
monto actual también han contribuido los otros combustibles fósiles.
6.10 SITUACIÓN DE LA ENERGÍA NUCLEAR EN ALGUNOS
PAÍSES LATINOAMERICANOS
De los cuatros países que se consultan en esta obra (México, Colombia, Argentina y Chile), sólo México y Argentina emplean la energía nuclear para
generar electricidad. Tanto Colombia como Chile sólo tienen pequeños reactores nucleares para fines de investigación. Como el mayor aprovechamiento
de la energía nuclear es transformarla en energía eléctrica sólo se hará una
breve descripción de la situación de este empleo en México y Argentina.
6.10.1 MÉXICO
La Central Laguna Verde (CLV) fue construida y es operada por la Comisión
Federal de Electricidad (CFE). Está localizada en la costa este del país en el
centro del golfo de México, en el municipio de Alto Lucero, Veracruz. Para su
operación, cuenta con un par de unidades gemelas provistas con reactores
de agua a ebullición (BWR), con un diseño de contención Mark II, suministrados por la compañía General Electric. Tiene una capacidad de 1365 MW en
total, conectada a la red eléctrica nacional, y entrega a esta red un promedio
anual de energía de 10 479 GW∙h. Utiliza uranio 235 enriquecido, aproximadamente al 3-4%, como combustible nuclear para la producción de vapor,
que se conduce a turbinas que accionan un generador para producir electricidad. El vapor de salida de las turbinas se descarga en el condensador, que se
refrigera con agua de mar.
Para controlar la reacción dentro del reactor se utilizan barras de
control tipo cruciformes que contienen carburo de boro para absorber los
neutrones y detener la reacción en cadena. En caso de que las barras no se
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
6.10SITUACIÓN
SITUACIÓN
DEDE
LAENERGÍA
LA EJERGÍA
NUCLEAR
NUCLEAR
ENALGUNOS
EN ALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
PAÍSES ...
179
introdujeran de manera adecuada, el reactor cuenta con un sistema que se
encarga de apagar el reactor de manera alternativa a las barras de control.
Este sistema utiliza una solución de pentaborato de sodio, el cual es inyectado al reactor para apagarlo.
Desde su inicio de generación eléctrica, CLV cuenta con una licencia de
operación otorgada por 30 años para cada una de las unidades. Después de
15 ciclos de operación y recargas de combustible en la primera unidad y de
10 ciclos en la segunda, la experiencia operacional de CLV refleja que con el
tiempo se ha afianzado y se han obtenido resultados satisfactorios, de manera que ha sido reconocida tanto dentro del país como internacionalmente. La
Central ha adoptado desde hace varios años la metodología de la Asociación
Mundial de Operadores de Centrales Nucleares para evaluar el comportamiento de los parámetros más importantes de seguridad y producción.
La CFE inició en el año 2005 un Programa de Rehabilitación, Repotenciación y Modernización en ambas unidades de la Central, de manera que durante la recarga 13 y 14 de la primera unidad y de la recarga 10
y 11 de la segunda estén realizados todos los trabajos de implementación de
dicho programa para que se alcance la capacidad nominal de generación de
810 MW en cada unidad. Con ello la Central incrementará su capacidad en
250 MW por ambas unidades, además de aumentar la confiabilidad y la vida
útil de los componentes de la CLV.
6.10.2 ARGENTINA
La primera central nuclear, Atucha I, es una central de 340 MW instalada
en la localidad de Lima, partido de Zárate, en la provincia de Buenos Aires.
Fue la primera central nuclear de Argentina y también de América Latina.
El diseño de la central está basado en uno del tipo PWR y en la experiencia ganada en el reactor alemán MZFR de 50 MW. Atucha I emplea mezcla
de uranio natural y uranio levemente enriquecido al 0,85%. Es refrigerada
y moderada con agua pesada (D2O). Pertenece al tipo de reactores PHWR
(reactor de agua pesada, a presión). El núcleo del reactor está compuesto
de 252 posiciones con canales refrigerantes. Dentro de cada uno de ellos se
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
180
06 ENERGÍA NUCLEAR
alojan pastillas de dióxido de uranio (UO2) sinterizadas. La central nuclear
de Atucha II fue construida adyacente a la anterior para aprovechar gran
parte de su infraestructura.
En 1974 se inició la construcción de la segunda central nuclear, la central nuclear Embalse, más grande que la anterior. Se encuentra situada en
la costa sur del embalse del Río Tercero, provincia de Córdoba, a 665 msnm.
La central nuclear Embalse es de tipo CANDU (Canadian Uranium Deuterium). Pertenece al tipo de centrales de tubos de presión, cuyo combustible
es el uranio natural y su refrigerante y moderador es el agua pesada. La carga
y descarga del combustible se realiza durante la operación de la central. Su
potencia nominal es 600 MW.
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
6.1.
¿Cuál es el núcleo que resulta al chocar un neutrón con un núcleo de
O y se libera un deuterón (isótopo del hidrógeno que contiene un
16
8
protón y un neutrón)?
6.2.
Uno de los sueños de los alquimistas era producir oro (79Au) a partir de
elementos abundantes y baratos. Este sueño se hizo realidad cuando se
logró convertir en oro el siguiente isótopo del mercurio,19880Hg , al bombardearlo con neutrones. Escriba la ecuación ajustada de esta reacción
nuclear.
6.3.
¿De qué factores depende el valor de la masa crítica?
6.4.
¿Por qué resultan más peligrosos los reactores de cría que emplean
plutonio como combustible en vez de U 235 enriquecido, desde el punto de vista de las armas nucleares?
6.5.
Describir los tres principales problemas medioambientales y de seguridad de la energía nuclear.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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3ª PARTE
FUENTES DE ENERGÍAS
RENOVABLES. APLICACIONES
La energía en cualquiera de sus formas no puede crearse ni destruirse; sólo
se puede cambiar de una forma a otra. Aunque la energía no se pierde, sí se
degrada en un proceso irreversible. Por lo tanto, la energía no puede considerarse renovable. El uso del lenguaje ha llevado a que las fuentes renovables de
energía se denominen energías renovables. Lo que se renueva son sus fuentes: el sol, la biomasa y el viento que se consideran en los capítulos 8, 9 y 10
de esta 3ª Parte, y el agua y geotermia en la 4ª Parte. Cada uno de estos capítulos está precedido de una introducción relativamente amplia sobre dichas
fuentes en lo que concierne a su estructura, composición, características y la
mutua vinculación que existe entre ellas. Esta 3ª Parte comienza con una descripción sobre el planeta Tierra, geósfera, sus ecosistemas en la biósfera, el
impacto ambiental de la energía en los componentes de la geósfera y la huella
ecológica, materias que se tratan en el capítulo 7. La energía solar, propia
del capítulo 8, expone las características de la radiación solar, su influencia
en el clima y en la biósfera y su aprovechamiento para calentar agua, para
calefacción y para producir energía eléctrica. En el capítulo 9, sobre biomasa,
se trata el ciclo biológico del carbono, la producción de biomasa y biocombustibles y las tecnologías que permiten fabricarlos. La 3ª Parte termina en el
capítulo 10, sobre energía eólica, que explica las propiedades de la atmósfera
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
182
07 ENERGÍA
TERCERA
NUCLEAR
PARTE
y del clima, el cambio climático, la contaminación del aire, las características
del viento y su aprovechamiento para generar energía eléctrica. Presenta los
principios de la conversión de energía eólica en eléctrica, las características
y funcionamiento de los aerogeneradores cuyo conjunto integra los parques
eólicos y los impactos ambientales de éstos.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
07
LA TIERRA Y
LA BIÓSFERA
Este capítulo trata sobre uno de los componentes del planeta, la geósfera, sobre la cual se hacen algunas consideraciones generales respecto de su origen,
forma, estructura y movimientos para luego seguir con la biósfera el componente que soporta la vida de los organismos que habitan en los continentes y
en el gran océano. Para ello, se describen los factores bióticos y abióticos de
los ecosistemas, el flujo de energía y la estructura trófica de éstos. En seguida,
se introduce al lector en el impacto ambiental que tienen los recursos de los
cuales proviene la energía para terminar con una aproximación al tema de la
huella ecológica.
7.1 ORIGEN, DIMENSIONES Y MOVIMIENTOS DE LA TIERRA
Se cree que el Universo se formó hace unos 14 000 000 000 años y en algún
momento se formó la galaxia Vía Láctea, en forma de espiral, en la cual en
uno de sus brazos se condensó, hace unos 4 500 000 000 años, la estrella que
llamamos Sol. A su alrededor quedaron girando diversos cuerpos, entre ellos
la Tierra. Sobre la formación del Sistema Solar se han propuesto varias
teorías, pero la más aceptada y vigente es la “teoría de la nube de polvo” que
se basa en un modelo matemático. Sostiene que una nebulosa solar estaba
formada de un disco de gases, hidrógeno y helio, y de partículas de polvo,
cuyo diámetro era de un micrómetro (10-6 m). La mayor parte de la porción
gaseosa de esa nebulosa fue expulsada por una enorme fuerza centrífuga,
luego de la cual las partículas de polvo se adhirieron y formaron masas rocosas cada vez más grandes; así, en unos cientos de millones de años, estas
formaciones dieron origen a los planetas y satélites; como consecuencia de
este proceso de agregación, cada planeta debió quedar a una distancia del Sol
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
184
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
equivalente al doble de la del inmediato anterior a él. Aunque los cambios en
esas primeras épocas debieron ser más bruscos y abundantes, la Tierra no ha
dejado de evolucionar, y lo sigue haciendo.
La vida apareció cuando se dieron las condiciones apropiadas. Primero, se generaron compuestos orgánicos de estructura simple, después, los organismos unicelulares; más tarde, lo hicieron los pluricelulares: vegetales y
animales y finalmente el hombre, en una época muy reciente.
La forma de la Tierra es la de una esfera achatada en los polos y abultada alrededor del ecuador. Este abultamiento está causado por la rotación de
la Tierra, por lo que el diámetro en el ecuador es 43 Km más largo que el diámetro del polo norte al polo sur. Su diámetro es 17 742 Km, volumen, 1,08∙1012
Km3 y masa, 5,98∙1024 Kg. Sin embargo, gran parte del conocimiento de otras
propiedades se ha inferido de observaciones indirectas. Así, su densidad media se ha estimado en 5 515 Kg/m3, magnitud que convierte a la Tierra en el
planeta más denso del Sistema Solar, pero como se conoce la densidad de la
capa externa, unos 3 000 Kg/m3, entonces se debe asumir que el núcleo terrestre debe estar compuesto por materiales más densos.
La Tierra, en su movimiento de traslación, describe una órbita
elíptica de 930 millones de Km en torno al Sol, a una distancia media de unos
150 millones de Km, completando esta órbita cada 365,2564 días solares, un
año sideral. Esta velocidad de traslación de la Tierra en aproximadamente
29,8 Km/s. Por su cuenta, el movimiento d rotación de la Tierra sobre
su propio eje tarda, en promedio, 86 400 s, un día solar. El movimiento de
precesión es un movimiento del eje de rotación terrestre alrededor del eje
de la eclíptica, plano de la órbita; esto se traduce en que el eje de la Tierra
no apunta siempre al mismo punto celeste. Para explicarlo, considérese el
desplazamiento cónico que realiza el eje de un trompo con respecto a la vertical mientras gira sobre sí mismo. Este movimiento tiene lugar por el efecto
gravitatorio del Sol y la Luna sobre el ecuador de la Tierra.
Debido a la inclinación del eje de la Tierra, la cantidad de luz solar
que llega a un punto cualquiera en la superficie varía a lo largo del año. Esto
ocasiona los cambios estacionales en el clima, es así como el verano en el
hemisferio norte ocurre cuando el polo norte está apuntando hacia el Sol y
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
7.2 LÍNEAS DIVISORIAS DE LA TIERRA Y POSICIONAMIENTO GEOGRÁFICO 185
el invierno, cuando apunta en dirección opuesta. Durante el verano, el día
tiene una duración más larga y la luz solar incide más perpendicularmente
en la superficie. Durante el invierno, el clima se vuelve más frío y los días más
cortos.
La Luna es el único satélite natural de la Tierra y el único cuerpo del
Sistema Solar que se puede ver en detalle a simple vista. La Luna refleja la
luz solar de manera diferente según donde se encuentre. Gira alrededor de
la Tierra y sobre su eje en el mismo tiempo: 27 días, 7 horas y 43 minutos. La
Luna tiene una órbita elíptica alrededor de la Tierra, por lo que una vez al
mes está más cerca (perigeo) y una vez al mes está más lejos (apogeo). Cuando está más cerca se experimenta en la Tierra una mayor atracción gravitacional y, como consecuencia, se dan mareas más altas.
7.2 LÍNEAS DIVISORIAS DE LA TIERRA Y POSICIONAMIENTO
GEOGRÁFICO
Para situar cualquier fenómeno geográfico sobre la superficie del planeta es
indispensable el uso de puntos, líneas y círculos, conceptos imaginarios conocidos como coordenadas geográficas que sirven para formar las líneas utilizadas para determinar la posición de un punto.
Los principales puntos de nuestro planeta son: el polo norte y el polo
sur. El polo norte se localiza en una depresión de la corteza terrestre bañada
por el océano glacial Ártico, mientras que el polo sur se encuentra en la Antártida. Las líneas son el eje terrestre, la vertical, los diámetros y los radios terrestres. El eje terrestre es la línea sobre la cual gira la Tierra o, dicho de otra
manera, la recta que atraviesa el centro de nuestro planeta y que toca los polos.
El eje terrestre tiene una inclinación de 23º 27´ en relación a la perpendicular
del plano de la órbita eclíptica de la Tierra y mide 12 713 Km. Debido a que la
Tierra no es una esfera perfecta, por estar achatada en los polos, hay dos tipos
de diámetros: el diámetro polar es el segmento de recta que va de polo a
polo pasando por el centro de la Tierra y es igual al eje terrestre, el cual mide 12
714 km, un poco menos que el diámetro ecuatorial; el diámetro ecuatorial
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
186
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
es el segmento de recta perpendicular al eje terrestre que va desde un punto
de la superficie terrestre hasta el punto opuesto, pasando por el centro, y equivale a 12 756 km. Los principales círculos de la Tierra son: el ecuador, los
paralelos y los meridianos. El ecuador es el círculo máximo perpendicular al
eje terrestre que divide a la Tierra en dos partes iguales llamadas hemisferio
norte y hemisferio sur. Tiene una circunferencia de 40 076 km. Los paralelos
son círculos menores paralelos al ecuador y entre sí. Su tamaño disminuye del
ecuador hacia los polos debido a la redondez de la Tierra. Se pueden trazar
tantos paralelos como se quiera, pero sólo cuatro son importantes: el trópico
de Cáncer (en el hemisferio norte), el trópico de Capricornio (en el hemisferio
sur), el círculo polar ártico, en el norte, y el círculo polar antártico, en el sur
(Figura 7.1). Los trópicos se ubican a 23º 27´ del ecuador y los círculos polares a 66º 33´ Los meridianos son semicírculos máximos, perpendiculares al
ecuador, que pasan por los polos. Al igual que los paralelos, se pueden trazar
tantos meridianos como se quiera. Como todos los meridianos son iguales, se
toma de referencia, por convenio internacional, al que pasa por el observatorio
de Greenwich, cerca de Londres, que suele llamarse meridiano cero.
Eje polar
Círculo Polar
Ártico
Hemisferio
Norte
Paralelos
Norte
Trópico de
Cáncer
Paralelos
Sur
Hemisferio
Sur
Ecuador
Trópico de
Capricornio
Círculo Polar
Antártico
Figura 7.1. Eje, Ecuador y Paralelos Terrestres
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.2 LÍNEAS DIVISORIAS DE LA TIERRA Y POSICIONAMIENTO GEOGRÁFICO 187
Las coordenadas geográficas sirven para determinar la situación
de un punto, lugar o región en la superficie terrestre; los datos que se necesitan para localizar un punto en la Tierra son: latitud, longitud y altitud.
Latitud es la distancia en grados, minutos y segundos desde el punto del
ecuador hasta cualquier punto de la superficie terrestre. Se mide a partir del
ecuador y el máximo valor se localiza en los polos norte y sur y equivale a 90º.
Todos los lugares situados en un mismo paralelo tienen la misma latitud. Los
puntos situados en el hemisferio norte tienen latitud norte y los situados en el
hemisferio sur tienen latitud sur. Longitud es la distancia en grados, minutos y segundos desde el meridiano de Greenwich hasta cualquier punto de la
superficie terrestre. Se mide a partir del meridiano de Greenwich y la máxima
longitud se localiza en el antimeridiano de éste que es el de 180º. La longitud
puede ser este u oeste. Todos los lugares situados en un mismo meridiano
tienen la misma longitud. Para localizar un lugar en la superficie terrestre, es
suficiente saber la latitud y la longitud; sin embargo, para dar mayor precisión, se agrega otra coordenada, la altitud, que es la distancia vertical, medida en metros, desde un determinado lugar hasta el nivel del mar.
En el párrafo anterior quedó establecido que la posición geográfica sobre la superficie terrestre se mide mediante dos coordenadas: latitud y longitud, y para fijar la posición en el aire se necesita la altitud. Actualmente se
están utilizando navegadores GPS para posicionamiento en los vehículos e
incluso para uso personal. Por este motivo se hará una breve descripción de
los sistemas de posicionamiento por satélite. El sistema GPS (Global Positioning System) determina la posición mediante la medición de la diferencia
de tiempo que hay entre el envío y la recepción de una señal electromagnética. Si se realiza esta medición con cuatro satélites al mismo tiempo se puede
obtener, con gran precisión, la latitud, la longitud, la altitud y la hora. Fue
desarrollado en los Estados Unidos de América desde 1964 como un sistema
de navegación para fines militares. El sistema GPS consiste al menos en 24
satélites, distribuidos en 6 planos orbitales diferentes con una inclinación de
55° sobre la línea del horizonte y una altitud de unos 20 200 Km. Con este
sistema orbital se garantiza que en todo momento haya al menos 4 satélites visibles para garantizar una posición exacta en cualquier lugar del globo
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
188
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
terrestre. En general el error de situación se sitúa entre los 33 y 100 m en los
equipos convencionales, pero equipos más sofisticados para uso profesional,
DGPS, y por supuesto los utilizados para uso militar pueden reducir el error
muy considerablemente a sólo unos metros.
7.3 COMPONENTES DE LA TIERRA
Desde el punto de vista del estado de agregación de la materia, sólido, líquido, gas, el planeta Tierra se compone de las siguientes partes:
Geósfera, parte del planeta formada por material rocoso, sólido o
fundido, dividido en capas de densidad creciente desde su superficie hacia
el interior. La capa externa se denomina litósfera. Según su composición
química, la geósfera puede dividirse en corteza, manto y núcleo, cuyas características se presentarán en la sección 13.1, sobre estructura interna de la
Tierra. Las rocas que forman parte de la corteza se formaron hace millones de
años y sus principales componentes son los minerales de silicatos.
El suelo, parte externa de la litósfera, no es como podría parecer a primera vista un medio inerte, que se limita a ser mero soporte de las actividades
de los seres vivos. Constituye un sistema complejo y dinámico integrado por
tres componentes: partículas minerales, detritos de materia orgánica muerta, (sección 7.7) y organismos que se alimentan del detrito. En él se producen
procesos biológicos y geoquímicos fundamentales para el mantenimiento de
los ciclos de los nutrientes. De este modo el suelo provee a las plantas de nutrientes y minerales, actuando también como el medio en el que crecen; de
su mantenimiento depende el sostenimiento de los ecosistemas terrestres y
particularmente de los cultivos humanos.
Hidrósfera constituida por el agua, en forma líquida o sólida. Se encuentra sobre la superficie de la Tierra y bajo ésta, ya sea como agua marina
o agua de continentes, cubriendo aproximadamente el 70% de la superficie
terrestre. El estudio de la hidrósfera será objeto de estudio en el capítulo 11.
Atmósfera es una capa gaseosa de aproximadamente 10 000 Km de
espesor que rodea la superficie de la geósfera e hidrósfera. Está compuesta
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOSISTEMAS
189
de gases y de partículas sólidas y líquidas en suspensión atraídas por la gravedad terrestre. En ella se producen todos los fenómenos climáticos y meteorológicos que afectan al planeta, se regula la entrada y salida de energía de la
tierra y es el principal medio de transferencia del calor. El mayor porcentaje
se concentra en los primeros kilómetros. Así, el 50% de ella se localiza bajo
los 5 Km y el 66% bajo los 10 Km. La estructura, composición y propiedades
de la atmósfera se discutirán en el capítulo 10.
Biósfera es aquella parte de la Tierra en la cual viven los organismos,
por lo tanto comprende las área donde hay vida en la litósfera, atmósfera e
hidrósfera. Una herramienta que permite estudiar la biósfera es la ecología,
que se define como “la ciencia biológica que trata del estudio científico de las
relaciones de los seres vivos y su ambiente”.
7.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOSISTEMAS
Un concepto importante de la ecología es el de ecosistema, que es una “unidad compuesta de organismos interdependientes que comparten el mismo
hábitat”. Un ecosistema se caracteriza por:
– Está formado por 0rganismos y su medio en un área determinada.
– La interacción de estos organismos y el medio en forma de un flujo de
energía y un ciclo de materia.
– Tener capacidad de autorregulación, es decir, es capaz de recibir información del exterior.
– Procesar esta información.
– Producir una respuesta.
– La capacidad de esta respuesta de modificar las condiciones externas
del sistema, originando una retroalimentación, que provocará una
respuesta posterior.
Por lo tanto, se puede afirmar que un ecosistema está sometido a una
dinámica continua de entradas y salidas de información, que son las responsables de un continuo proceso de cambios a lo largo del tiempo.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
190
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
7.5 FACTORES BIÓTICOS Y ABIÓTICOS DE LOS ECOSISTEMAS
Un ecosistema está formado por el componente biótico, o biológico, constituido por todos los seres vivos, y el componente abiótico, o físico, constituido
por la atmósfera, el suelo y el agua. Por ejemplo, el componente biótico en
un bosque son los organismos que interactúan entre ellos: plantas, animales
y microorganismos, en tanto que el componente abiótico es el suelo, agua y
aire del bosque.
7.5.1 FACTORES BIÓTICOS
Cada ser vivo no solamente necesita del medio físico, sino que incluso lo modifica; por ejemplo, árboles muy espesos y con hojas grandes no permiten
que llegue mucha luz al suelo y a otros vegetales más pequeños del bosque,
con lo cual están modificando el ambiente físico de las plantas que viven a
poca altura del suelo.
Entre los organismos también existen estas interacciones: en el ejemplo anterior los pájaros que se alimentan de insectos situados sobre la hojarasca del suelo reducen el número de éstos, y como consecuencia se modifica
el ambiente de otros organismos que también se alimentan de estos insectos.
Las relaciones intraespecíficas son las relaciones bióticas que se
establecen entre organismos de la misma especie. Estas relaciones pueden
tener una duración determinada, relaciones temporales, o durar prácticamente toda la vida. Asimismo, pueden ser relaciones favorables, si crean
una cooperación encaminada a la consecución del alimento, la defensa de la
especie frente a los depredadores, frente al frío o al calor, etcétera; o perjudiciales, si provocan la competencia por el alimento, el espacio, la luz, etcétera.
Entre las relaciones favorables se encuentran: a) agrupación familiar,
que tiene por objeto la reproducción y el cuidado de las crías; b) agrupación
gregaria para el transporte y locomoción con un fin determinado: migración,
búsqueda de alimento, defensa, etcétera; c) agrupación social para sobrevivir, hecho que exige la división del trabajo, unos son reproductores, otros
obreros y otros defensores, construyen nidos, de ese modo está compuesta
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.5 FACTORES BIÓTICOS Y ABIÓTICOS DE LOS ECOSISTEMAS
191
por muchos individuos agrupados en distintas categorías sociales o castas.
Ejemplos son las abejas y las hormigas.
Las relaciones desfavorables implican que la convivencia entre individuos de la misma especie origina competencia intraespecífica, la cual se
acentúa cuando el espacio y el alimento son limitados, obligando a los organismos a competir por éstos. Esta situación actúa como proceso selectivo en
el que sobreviven los organismos mejor adaptados.
7.5.2 FACTORES ABIÓTICOS
Los principales factores abióticos o físicos son:
a)
La luz, radiación solar que es esencial en la fotosíntesis. A medida
que aumenta la luz, aumenta la cantidad de energía luminosa que
se convierte en energía química, y por tanto aumenta la cantidad
de materia orgánica asimilada por las plantas que, a su vez, servirá
de nutriente a los demás organismos de la cadena alimenticia. Por
ejemplo, una elevada luminosidad favorece el crecimiento del fitoplancton en un ecosistema acuático.
b)
El agua, fundamental en la síntesis de nueva materia orgánica, no
sólo porque el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) del agua se incorporan en esta materia, sino también porque en el agua se realizan las
reacciones metabólicas de los organismos.
c)
El calor que acelera la velocidad de las reacciones bioquímicas y,
por tanto, la velocidad de los procesos biológicos. Así, por ejemplo,
las plantas a mayor temperatura, si tienen luz y nutrientes necesarios, crecen más rápido.
d)
La salinidad del agua es decisiva en el caso de organismos marinos
y de agua dulce.
e)
El pH, medida de la acidez o basicidad de una solución, condiciona la vida de los organismos; la mayoría de ellos requieren un
pH en torno a 5,6, que es la acidez del agua natural. Sin embargo,
existen excepciones como las bacterias acidófilas que viven a pH
cercano a 2,5.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
192
f)
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
El dióxido de carbono (CO2), tanto el atmosférico como el disuelto
en el agua, es fundamental para los organismos fotosintéticos.
g)
El oxígeno (O2) atmosférico y el disuelto en el agua es necesario para
la respiración celular.
h)
Los nutrientes esenciales CO2, H2O, nitrógeno (N2), fósforo (P) y
azufre (S) se requieren para la construcción molecular de los seres
vivos. Los principales elementos limitantes de la síntesis de nueva
materia orgánica de los organismos son el P y N, en este orden.
7.6 FLUJO DE ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS
La energía incorporada a los seres vivos procedente del sol se gasta en grandes cantidades. En general, puede decirse que toda actividad de los organismos obliga a que cierta cantidad de energía química, almacenada en los enlaces de determinadas moléculas orgánicas, pase a otro tipo de energía como
la térmica. Así pues, se puede hablar de un ciclo cerrado de materia y un flujo
abierto de energía en los ecosistemas.
La energía, al ir pasando de unos organismos a otros, se va degradando
hasta transformarse en calor, según la ley de disipación de la energía (sección
1.5), que ya no puede utilizarse para iniciar un nuevo ciclo; por esta razón
el ecosistema tiene que recibir constantemente energía solar para reponer
la que se disipa en forma de calor en los procesos respiratorios de los seres
vivos.
7.7 ESTRUCTURA TRÓFICA DE LOS ECOSISTEMAS
La energía almacenada por los organismos autótrofos se mueve a través del
ecosistema en una serie de etapas en que unos organismos se comen a otros
y a la vez son comidos, constituyendo la cadena trófica.
Las cadenas tróficas son diagramas descriptivos: una serie de flechas,
cada una de las cuales va desde una especie hasta otra que come a la anterior.
La Figura 7.2 presenta un ejemplo de cadena trófica lineal en la que el eslabón
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.7 ESTRUCTURA TRÓFICA DE LOS ECOSISTEMAS
193
1 corresponde a los productores de plantas; el 2, a los organismos herbívoros;
el 3, a los carnívoros y el 4, a los carroñeros.
Carroñeros
4. Eslabón
Cóndor
Carnívoros
3. Eslabón
Puma
Herbívoros
2. Eslabón
Vicuña
Productores
plantas
1. Eslabón
Ichu
Energía
Figura 7.2. Ejemplo de una cadena trófica lineal
En realidad una cadena trófica no es lineal porque un mismo tipo de
planta puede servir de alimento a gran cantidad de animales, y el mismo tipo
de animal puede servir de alimento para varios otros animales. Por tanto,
las cadenas tróficas se conectan entre sí para formar una red trófica más o
menos complicada según el ecosistema.
Los niveles tróficos consisten en la agrupación de las especies de
seres vivos en categorías, siguiendo como criterio que tengan una fuente alimenticia común. Así se tienen los siguientes niveles:
a)
Productores: son los organismos autótrofos, es decir, aquellos
que son capaces de captar energía del exterior para producir compuestos orgánicos; tales son los organismos fotosintéticos.
b)
Consumidores: son los organismos heterótrofos que utilizan
compuestos orgánicos producidos por los autótrofos. Los consumidores pueden ser herbívoros o carnívoros primarios secundarios.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
194
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
No todos los consumidores se pueden clasificar en un determinado nivel trófico, ya que los hay que no limitan su alimentación
a un único nivel. Así se tienen los omnívoros, aquellos consumidores que se alimentan tanto de animales como de vegetales;
carroñeros, animales que se alimentan de materia animal o vegetal muerta; los saprófitos, semejantes a los carroñeros, pero
en los vegetales. Al igual que los anteriores, se nutren a partir de
materia animal y vegetal muerta. Los hongos son un ejemplo de
saprófitos.
c)
Descomponedores, que constituyen el último grupo dentro de
la cadena alimenticia; en realidad, pueden ser considerados como
un grupo particular de consumidores que en vez de ingerir otros
seres vivos o fragmentos de ellos, descomponen los restos orgánicos
mediante una digestión externa y absorben posteriormente las sustancias resultantes que les son útiles.
La materia orgánica descompuesta puede pasar entre diferentes grupos de la cadena alimenticia de descomponedores, es decir, unos descomponedores se alimentan de materia orgánica muerta en forma de restos troceados (detritos), fragmentándolos y descomponiéndolos; estos fragmentos a
su vez sirven como alimento a otros descomponedores que los descomponen
y fragmentan todavía más, y así sucesivamente hasta que la materia orgánica
inicial llega a convertirse después de estas transformaciones en materia inorgánica no alimentaria.
La eficiencia ecológica es la cantidad de energía, expresada en forma de biomasa, producida por un nivel trófico y que es incorporada como
biomasa en el siguiente nivel trófico.
La energía que fluye por un ecosistema por unidad de tiempo por un
determinado nivel trófico es solamente una parte de la que fluye en el nivel trófico inferior, ya que los organismos que comprenden un nivel pierden
energía en forma de calor en los procesos respiratorios, como ya se expuso.
La regla del 10% plantea que “la energía que fluye por un determinado nivel
trófico corresponde a la décima parte de la del nivel anterior”; según esta regla, el número de niveles tróficos no puede ser muy grande.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.8 IMPACTO AMBIENTAL POR EMPLEO DE ENERGÍA
195
7.8 IMPACTO AMBIENTAL POR EMPLEO DE ENERGÍA
La actividad agrícola, forestal, ganadera, pesquera, industrial o de servicios
produce un impacto ambiental adverso sobre el medio ambiente que habitualmente significa un deterioro. En este sentido, cabe señalar que la producción y el consumo de energía generan efectos que se manifiestan en forma de
calentamiento global, contaminación atmosférica e hídrica, contaminación
por vertidos de combustibles fósiles, entre otros, dando lugar a impactos muy
negativos.
Para evaluar el impacto de las actividades relacionadas con la energía
se debe tener en cuenta no sólo la producción y consumo de los recursos
energéticos sino el ciclo de vida completo de éstos:
Extracción → Procesamiento → Transporte → Consumo → Tratamiento de
residuos
Como subproducto de las actividades de producción de energía se generan contaminantes que afectan a la atmósfera, la hidrósfera, el suelo y los
seres vivos, que deben ser valorados y reducidos hasta niveles asumibles en
términos medioambientales y socioeconómicos. Se trata de implementar
tecnologías que permitan reducir la contaminación en origen, estudiar su
impacto sobre el medio y la capacidad de éste para diluir, transferir y asimilar esta contaminación, determinando los límites por encima de los cuales
los efectos pueden llegar a hacerse irreversibles. Además, se deben diseñar
estrategias que permitan la recuperación del medio ambiente de los daños
causados.
7.8.1 IMPACTO EN LA ATMÓSFERA
En la tropósfera (sección 10.1.1), capa de la atmósfera más cercana a la litósfera, ocurren los fenómenos más importantes desde el punto de vista meteorológico: vientos, anticiclones, depresiones, nubes de lluvia, etcétera, y en
cuya parte inferior, que no suele pasar los 2-3 Km, se producen principalmente los procesos relacionados con la contaminación atmosférica.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
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07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
Los agentes contaminantes presentes en la atmósfera pueden ser de
origen tanto natural como artificial. Entre los primeros cabe destacar los producidos por las emisiones de polvo y gases de los volcanes, por los incendios
forestales naturales o las partículas salinas dispersas por las tormentas. Sin
embargo, la forma de contaminación que más efecto tiene en la atmósfera es
la de origen antropogénico. Su importancia radica en una doble causa: por
una parte impacta sobre el clima, influyendo en el efecto invernadero, y por
otro, por su comportamiento como vehículo que transporta los contaminantes a otros lugares, a veces a grandes distancias y a otros medios como el suelo
o el agua. El mayor impacto es el causado por la emisión a la atmósfera de los
gases producidos en la combustión de los combustibles fósiles y la madera.
Un ejemplo de este tipo de impacto es el producido por la combustión del carbón en centrales termoeléctricas analizado en la sección 5.5. Las emisiones
producidas por la quema de la madera son similares a las del carbón, aunque
su mayor impacto se produce por la deforestación que se genera cuando su
explotación se hace de manera descontrolada. La combustión de los gases
inflamables que acompañan al petróleo en su extracción es otro ejemplo de
impactos a la atmósfera.
Además de dichos contaminantes atmosféricos, contaminantes
primarios, se producen reacciones químicas en la atmósfera que generan
nuevos agentes, contaminantes secundarios, que inciden muy negativamente en el medio ambiente y originan problemas como la lluvia ácida
y el smog fotoquímico. La lluvia ácida es la precipitación de agua, nieve,
granizo o niebla que tiene una acidez cuya agua tiene un pH igual o inferior
a 5,5. Esta acidez se debe a la reacción del CO2 atmosférico con el agua que
forma ácido carbónico (H2CO3). La lluvia ácida se debe a la presencia de ácidos —sulfúrico (H2SO4) y nítrico (HNO3)— cuyo origen está en la emisión
en la atmósfera de los gases de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx; x = 1 ó 2). Los efectos de la lluvia ácida se hacen sentir sobre: a)
las aguas continentales, produciendo un descenso del pH, factor crítico en la
supervivencia de los animales acuáticos, incapaces de sobrevivir en medios
tan ácidos; b) las masas forestales, especialmente las coníferas, que sufren
una defoliación y una mayor vulnerabilidad ante las plagas que las hacen
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.8 IMPACTO AMBIENTAL POR EMPLEO DE ENERGÍA
197
sucumbir finalmente; c) las cosechas y los suelos agrícolas; d) las construcciones humanas, especialmente en la piedra caliza.
El smog fotoquímico se origina a partir de los óxidos de nitrógeno (NOx;
x = 1 ó 2), procedentes fundamentalmente de los tubos de escape de los vehículos y de los hidrocarburos presentes en el aire. Una vez en la atmósfera, estos hidrocarburos reaccionan gracias a la energía solar, dando lugar al ozono troposférico (O3), poderoso oxidante que provoca irritaciones en las mucosas, en los
ojos y en el sistema respiratorio del hombre y daña seriamente a la vegetación.
7.8.2 IMPACTO EN LA HIDRÓSFERA
Los principales efectos contaminantes provocados en la hidrósfera por la
producción de energía se derivan de: a) los vertidos accidentales o deliberados de hidrocarburos ocurridos durante el transporte en desastres marítimos, averías en oleoductos, limpieza de tanques, etcétera; b) los efectos de la
lluvia ácida sobre las aguas continentales; c) los efectos de la minería y otras
actividades extractivas; d) la contaminación del agua de riego agrícola por
fertilizantes y pesticidas; e) el vertido de aguas residuales industriales sin
tratar; f) la contaminación térmica de aguas continentales empleadas para
enfriamiento de centrales eléctricas.
7.8.3 IMPACTO EN EL SUELO
La pervivencia de los agentes contaminantes en el suelo es más larga que en
la atmósfera o en la hidrósfera, por lo que con frecuencia son más difíciles de
detectar, factor que ha influido en la menor preocupación que la contaminación del suelo ha generado tradicionalmente. Además, las diferencias existentes en los diversos tipos de suelo y su cubierta vegetal hacen más difícil
cualquier intento de generalización sobre el particular.
Entre los procesos de degradación de los suelos inducidos por las actividades relacionadas con la producción de energía se encuentran:
– La acidificación por la lluvia ácida.
– La contaminación por metales pesados y por hidrocarburos de
combustibles.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
198
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
La primera depende de dos factores: la carga de contaminantes recibida y la propia sensibilidad del suelo. Para evaluar el impacto del depósito se ha creado el concepto de carga crítica, umbral por debajo del cual no
se registran efectos apreciables. Igualmente, es aplicable al segundo tipo de
contaminación.
Finalmente, existen otros impactos sobre el suelo relacionados con la
energía que se derivan de la minería del carbón, especialmente a cielo abierto, que suponen la destrucción total de ecosistemas enteros y graves problemas que no siempre son fáciles de subsanar con medidas correctoras.
7.8.4 IMPACTO SOBRE LA BIÓSFERA
Los impactos sobre la biósfera pueden clasificarse del siguiente modo:
– Sobre la cubierta vegetal.
– Sobre los animales y especialmente el hombre.
Ambos, animales y plantas, sufren un estrés añadido causado por la
contaminación que los hace más vulnerables a otros factores ambientales
como enfermedades y parásitos, lo que provoca que con frecuencia sea difícil
aislar los efectos de un contaminante determinado.
Los efectos sobre la vegetación son causados fundamentalmente por la
lluvia ácida y el ozono troposférico y pueden tomar dimensiones muy graves
en algunos lugares, como ha ocurrido con grandes áreas forestales en Europa
Central y Norteamérica.
La interacción de los contaminantes y los animales, a nivel celular y
molecular, tiene un especial interés. En lo que toca a los seres humanos, es
causante de problemas crónicos y agudos:
– Enfermedades respiratorias: bronquitis crónica, enfisema, asma,
etcétera.
– Cáncer, al producirse una interacción entre los contaminantes y el
material genético, con el resultado de la producción de mutaciones.
Sin embargo, esta relación directa entre cáncer y contaminación atmosférica no está claramente establecida por la gran diversidad de
los factores implicados.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
7.9 CONSUMO DE ENERGÍA EN LA SOCIEDAD ACTUAL
199
7.9 CONSUMO DE ENERGÍA EN LA SOCIEDAD ACTUAL
En la civilización moderna, la disponibilidad de energía está fuertemente ligada al nivel de bienestar, a la salud y a la duración de vida del ser humano.
En esta sociedad, los países más pobres muestran los consumos más bajos
de energía, mientras que los países más ricos utilizan grandes cantidades de
ésta. Sin embargo, este escenario está cambiando de forma drástica, cambio
que se acentuará en los próximos años, cuando serán precisamente los países
en vías de desarrollo quienes experimenten con mayor rapidez un aumento
en su consumo de energía debido al incremento que tendrán tanto en sus
poblaciones como en sus economías.
El consumo de energía por habitante constituye uno de los indicadores
más fiables del grado de desarrollo económico de una sociedad, algo que está
íntimamente vinculado con el bienestar material. En este sentido, la demanda energética se asocia de forma generalizada con el producto nacional bruto
de un país, con su capacidad industrial y con el nivel de vida alcanzado por
sus habitantes. El Producto Nacional Bruto de un país se define como el valor
de todos los bienes y servicios finales producidos por sus factores de producción y vendidos en el mercado durante un período de tiempo dado, generalmente un año. De todas las fuentes de energía disponibles únicamente cuatro
se emplean de forma masiva y por este orden en el mundo actual: petróleo,
carbón, gas natural y energía hidráulica. Esto es algo importante para tener
en cuenta porque, por el momento, son las únicas que pueden responder en
cantidad, calidad y precio a las necesidades energéticas de la humanidad.
Según el informe Internacional Energy Outlook 2005 (IEO, 2007), el
consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2004 y
2030, a pesar de que se espera que el aumento de precios tanto del petróleo
como del gas natural siga en aumento. Gran parte de este incremento será
producido por el experimentado en los países con economías emergentes. Se
prevé que el consumo de energía en el mercado experimente un incremento
medio de un 2,5% por año hasta 2030 en los países ajenos a la Organización
para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), mientras que en los
países miembros será tan solo del 0,6%; así, durante este período, los países
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
200
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
OCDE incrementarán su demanda energética en un 24%, mientras que el resto de países lo harán al 95%. En cifras, el uso total de energía en el mundo crecerá de la manera que señala la Tabla 7.1 en los quinquenios comprendidos
entre los años 2010 y 2030, en cuatrillones (1015) de BTU (sección 1.4).
TABLA 7.1. CONSUMO ESTIMADO DE ENERGÍA EN TODO EL MUNDO
ENTRE 2010 Y 2030, EN CUATRILLONES DE BTU
Año
2010
2015
2020
2025
2030
Cuatrillones BTU
511
559
607
654
702
Fuente: International Energy Outlook, 2007
Las economías emergentes serán, con mucho, las responsables del crecimiento proyectado en el consumo de energía dentro del mercado en las
dos próximas décadas. Se espera que la actividad económica, medida por el
producto interno bruto como medida del poder adquisitivo, se incremente
en un 5,3% por año en los mercados de los países fuera de la OCDE, frente al
2,5% de los países miembros. En contraste con las economías emergentes, se
espera que el incremento del consumo de energía de los países consolidados
y de los mercados de transición sea bastante menor en todos los sectores:
transporte, industria, residencial y comercial.
Los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) seguirán
siendo los más utilizados en todo el mundo, básicamente por su importancia en el transporte y en el sector industrial. Para las energías renovables,
también se espera que experimenten un aumento durante el mismo período,
aunque mucho más suave. El empleo de estos recursos energéticos puede
verse alterado por cambios en las políticas o leyes que limiten la producción de gases de combustión que son los responsables directos del cambio
climático.
La demanda de electricidad, de acuerdo con las últimas previsiones
realizadas en 2007, crecerá fuertemente entre 2004 y 2030. La producción a
escala mundial crecerá un 2,4% anual en este período, de los 16,42 billones
de KW∙h a los 30,36 billones. La mayor parte de este crecimiento, como en
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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7.10 HUELLA ECOLÓGICA
201
el caso del carbón, se debe a las necesidades de las economías emergentes
fuera de la OCDE. De hecho, para el año 2030 se prevé que las economías en
desarrollo ya generen más electricidad que los países OCDE, mientras que
la demanda crecerá a una tasa tres veces mayor en las primeras que en los
segundos.
7.10 HUELLA ECOLÓGICA
Todos los seres humanos, plantas y animales del planeta requieren de alimento, energía y agua para crecer y vivir. En el caso del hombre, la cantidad
de recursos que utiliza depende de su estilo de vida. La huella ecológica es
un indicador del “impacto ambiental generado por la demanda humana que
se hace de los recursos existentes en los ecosistemas del planeta, relacionándola con la capacidad ecológica de la Tierra de regenerar sus recursos”. Básicamente, el análisis de huella ecológica compara la demanda humana sobre
la naturaleza contra la capacidad de la biósfera para regenerar los recursos.
El análisis se hace mediante la evaluación de la tierra biológicamente productiva y el área marina requerida para producir los recursos que consume una
población, absorbiendo sus residuos correspondientes y utilizando la tecnología imperante. Sin embargo, no toda la capacidad ecológica existente está
disponible para el uso humano, ya que esta área también da un hogar y ambiente a millones de especies además del hombre, con quienes la humanidad
tiene que compartir el planeta. Por lo menos el 12% de la capacidad ecológica
debe ser preservada para conservación de la biodiversidad y representación
de todos los ecosistemas, con lo cual la capacidad ecológica disponible es sólo
el 88% del espacio existente.
El método de cálculo conocido como la Huella Ecológica Compuesta considera seis principales tipos de tierra de espacio productivo que
se emplean: tierra de energía fósil, tierra arable, pastura, forestal, tierra construible y espacio de mar. Este método valora la demanda humana sobre cada
uno de esos tipos de tierra, para una población dada, dondequiera que esta
tierra pueda estar.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
202
07 LA TIERRA Y LA BIÓSFERA
El cálculo se basa en cuatro grandes áreas:
a) El consumo, en términos de recursos bióticos (o sus subproductos).
Se calcula por la adición de la producción a las importaciones y la
sustracción de las exportaciones. Con los datos de la productividad
biológica se obtiene la medida del rendimiento, el consumo y la
absorción de desechos. Estos valores se extrapolan a áreas de tierra
y agua ecológicamente productivas.
b) Los requerimientos de energía, que incluyen: el consumo de energía fósil e hidroeléctrica. Como una parte de la energía consumida
se utiliza para la exportación de bienes y por otro lado está la importación de bienes para cuya producción se consumió energía en
otra parte, también se toma en cuenta un balance de energía para
el comercio de bienes. Este balance se ajusta a la cantidad directa
de energía que se consume dentro del área analizada y equivale a
la energía incorporada que entra y sale del lugar a través de las importaciones y exportaciones de productos terminados.
c) La huella se calcula con base en seis categorías ecológicas: energía
fósil, terrenos construidos, tierra, pasto, bosque y área marina; los
valores que se obtienen se expresan en hectáreas por habitante y
al multiplicarlos por el total de la población analizada se obtiene el
valor de la huella ecológica.
d) La capacidad de productividad biológica existente dentro de la población analizada se calcula y se compara con otras poblaciones.
Así se determina el denominado “factor de rendimiento” para esa
población. Por ejemplo, si el factor es de 1,5, quiere decir que esa
productividad local de esta categoría de ecosistema es 50% más alta
que la del mundo (absorbe 50% más CO2 o produce 50% más papas
por hectárea). La huella y la capacidad ecológica son medidas en
las mismas unidades y pueden ser comparadas directamente. Por
último, los resultados pueden ser extrapolados a casos particulares.
Empleando el método de la huella ecológica compuesta, la organización Footprint Network ha recopilado, en el año 2005, valores de
huella ecológica por habitante de países de distintos continentes; estos
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
203
valores, que se adjuntan en la Tabla 7.2, están expresados en hectáreas por
habitante.
TABLA 7.2. HUELLA ECOLÓGICA (HE) EN HECTÁREAS (HA) POR HABITANTE,
2005
País
EE.UU.
HE
9,4
Dinamarca Australia
8,0
7,8
Canadá
España
México
Chile
Argentina
7,1
5,7
3,4
3,0
2,5
Fuente: The ecological footprint; www.footprintnetwork.org
Se ha estimado que el número de hectáreas globales disponibles por
habitante es 2,1 para el año 2005; por lo tanto, los valores de la Tabla 7.1 indican que, al menos en los señalados países, cada habitante está consumiendo
más que lo que el planeta puede entregar.
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
7.1.
Puntualice semejanzas y diferencias entre biósfera, biomas y ecosistemas.
7.2.
Identifique los componentes bióticos de su región.
7.3.
Escriba cinco factores abióticos que influyen en los organismos. ¿Cuál
es el efecto en una población si algún factor abiótico se desplaza desde
el punto óptimo al límite de tolerancia y luego lo rebasa?
7.4.
¿Cuáles son los factores que dan cuenta de la disminución de la biomasa en los niveles tróficos superiores?
7.5.
Calcule su huella ecológica personal mediante la “calculadora de huella” respondiendo las preguntas que aparecen en el Ecological Footprint Calculator que puede bajar de internet.
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08
ENERGÍA
SOLAR
8.1 EL SOL: PRINCIPAL FUENTE DE ENERGÍA DE LA TIERRA
Se estableció en la sección 7.1 que el Sol, situado a una distancia media de 150
millones de kilómetros, está formado principalmente por los gases hidrógeno
y helio a muy alta temperatura. En su núcleo se producen continuamente las
reacciones de fusión nuclear de estos gases (sección 6.4). Este proceso libera
gran cantidad de energía que sale hasta la superficie visible del Sol y escapa
en forma de rayos solares al espacio exterior. Se calcula que en el interior del
Sol reaccionan unos 700 millones de toneladas de hidrógeno por segundo, de
las que 4,3 millones se transforman en energía.
La fuente de energía por excelencia en la Tierra es la proveniente del
Sol. A excepción de las energías nuclear (capítulo 6) y geotérmica (capítulo
13), el resto de las fuentes energéticas empleadas por el ser humano tienen
su origen en el Sol.
El aprovechamiento natural de la energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. La mayor parte de la energía
utilizada por los seres vivos procede del Sol: las plantas la absorben directamente para ejecutar la fotosíntesis (sección 9.2), los herbívoros absorben
indirectamente una pequeña cantidad de esta energía comiendo las plantas y
los carnívoros absorben indirectamente una cantidad más pequeña comiendo a los herbívoros, conjunto de fenómenos que se denomina cadena trófica
(sección 7.7). La energía solar, través del proceso de fotosíntesis, contribuye al crecimiento de la biomasa (capítulo 9) que, junto con la madera y los
combustibles fósiles (sección 2.3), puede ser utilizada como combustible. Los
combustibles fósiles son el resultado de la energía de origen solar acumulada
en determinados organismos que, al pasar el tiempo, millones de años, reaccionaron químicamente y formaron petróleo, gas o carbón.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
206
08 ENERGÍA SOLAR
Aproximadamente el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera alimenta el ciclo del agua, que produce las precipitaciones y la energía potencial de las corrientes de los ríos. La energía que
generan estas aguas en movimiento al pasar por turbinas produce energía
hidroeléctrica (sección 11.4.1). Asimismo, la interacción de la energía del sol,
los océanos y la atmósfera produce vientos, que han sido utilizados durante
siglos para hacer girar los molinos. Al respecto, los sistemas actuales de energía eólica (capítulo 10) utilizan aerogeneradores que producen energía eléctrica (capítulo 3), para los más variados empleos domésticos e industriales.
Adicionalmente, los océanos representan un tipo natural de asimilación de
energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares,
estas variaciones alcanzan unos 20 °C en distancias de algunos cientos de
metros. Cuando existen grandes masas de agua con distintas temperaturas
se produce una transferencia de calor (sección 5.2) que se puede aprovechar
para producir energía mecánica que acciona una turbina y ésta, un generador
eléctrico (sección 12.3).
8.2 CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN SOLAR
Una parte importante de la energía solar se emite a través de los rayos
solares que se propagan través del espacio en forma de energía electromagnética (sección 1.2) al resto de los planetas y cuerpos del sistema solar.
El Sol emite radiación en toda la gama del espectro electromagnético; sin
embargo, para los fines del aprovechamiento de su energía, sólo es importante la llamada radiación térmica, que incluye: la ultravioleta (UV), la
radiación visible (VIS) y la radiación infrarroja (IR). A la Tierra llega una
cantidad de energía solar equivalente a 1,7∙1014 KW. Este fenómeno físico,
más conocido como radiación solar o irradiación, es el responsable de
que nuestro planeta reciba en el borde superior de la atmósfera un máximo
energético continuo de 1368 W/m2, valor que recibe el nombre de constante solar.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.2 CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN SOLAR
207
Esta cantidad total de energía se dispersa y redistribuye en el área
total de la esfera terrestre. La cantidad de energía que cae sobre un metro cuadrado de la Tierra es máxima en el punto en donde la radiación
incidente es perpendicular a la superficie terrestre. Dicho punto cambia
diariamente ya que el eje terrestre está inclinado a δ = 23,5° de la elíptica
(sección 8.6). El punto más al norte se alcanza el 21 de junio (solsticio de
verano), mientras que el punto más al sur se alcanza el 21 de diciembre
(solsticio de invierno). En primavera y otoño el día dura lo mismo que la
noche (equinoccio).
La radiación electromagnética se propaga en el espacio en forma de
ondas que se caracterizan por los parámetros longitud (λ) y frecuencia (ν), los
cuales se relacionan mediante la expresión:
λ∙ν= c
[8.1]
c es la velocidad de la luz en el vacío, 300 000 Km/s. Estas ondas se extienden
desde longitudes de onda muy cortas, frecuencias muy altas, hasta longitudes
de onda largas, frecuencias muy bajas.
La luz, llamada también luz visible o luz blanca, es uno de los componentes del espectro electromagnético que se define como “aquella parte
del espectro de radiación que puede percibir el ojo humano”. La radiación
del Sol se emite en todas las longitudes de onda, pero tiene un máximo en
la región de la luz visible. La luz visible está compuesta por varios colores;
cada uno de ellos tiene una longitud de onda específica y cuando se mezclan forman la luz blanca. Esta luz está compuesta no sólo por la radiación
visible (Vis) sino también por radiación o rayos ultravioleta (UV) y rayos
infrarrojos (IR). La radiación UV posee longitud de onda en torno a los
500 nanómetros (nm; 1 nanómetro = 10-9 m), la Vis está en el rango 400 a
800 nm y la IR entre 1000 y 4000 nm. Un conjunto de longitudes de onda
constituyen una banda y la suma de estas bandas forman el espectro de
absorción de la luz visible (Figura 8.1). La mayor cantidad de energía radiante del Sol se concentra en el rango de longitudes de onda del ultravioleta, visible e infrarrojo, en las siguientes proporciones: rayos UV 8%, Vis
39%, e IR cercano 53%.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
208
08 ENERGÍA SOLAR
Intensidad relativa
de la radiación
20
15
39%
10
5
0
53%
8%
500
UV
Visible
1000
2500
3000
2000
IR
Longitud de onda (nanómetro)
1500
3500
4000
Figura 8.1. Espectro de absorción de la luz visible
La energía de la radiación electromagnética, E, está relacionada con la
frecuencia (ν) mediante la ecuación:
E=h∙ν
[8.2]
donde h es la constante de Planck que relaciona ambos parámetros. Para
entender mejor cómo la energía radiante del Sol interactúa con la litósfera,
hidrósfera y atmósfera, se deben conocer otras características de las radiaciones electromagnéticas que conciernen a la absorción y emisión de ellas:
a) toda la materia emite radiación, como es el caso del Sol, la Tierra, las personas; b) Los cuerpos calientes emiten más energía total, por unidad de área,
que los cuerpos fríos; c) Los cuerpos con mayor temperatura emiten un máximo de radiación en longitudes de ondas más cortas; d) Los cuerpos que son
buenos absorbedores de radiación son también buenos emisores, por ejemplo, la nieve es absorbedor selectivo porque absorbe mal la luz visible, pero es
buen emisor de radiación IR. Un cuerpo absorbedor ideal se denomina cuerpo negro, que se define como un “objeto ideal que absorbe toda la radiación
que llega a su superficie”. El Sol, la Tierra y la nieve, bajo ciertas condiciones,
se comportan como un cuerpo negro.
En cuanto a los componentes de la radiación solar, conviene distinguir tres tipos de ésta: la radiación directa, radiación solar que llega a la
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8.2 CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN SOLAR
209
superficie de la Tierra, en línea recta desde el Sol pero con intensidad disminuida por los componentes de la atmósfera. La segunda es la radiación
difusa: es la absorbida y difundida por la atmósfera, de gran importancia
en días nublados, que se dispersa por los componentes de la atmósfera, de
modo que llega a la superficie desde diferentes puntos del sistema solar. La
radiación, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las
que incide, dando lugar a la radiación reflejada. Estas tres componentes
constituyen la radiación global.
La cantidad total de radiación solar global, directa, difusa y reflejada
depende en cada instante del ángulo que forman el vector normal a la superficie en dicho punto y el vector paralelo a la dirección de incidencia de la radiación solar. Este monto de radiación global que se recibe en un punto dado
del planeta, sobre una superficie de 1 m2, para un determinado ángulo de
inclinación, recibe el nombre de irradiancia (G), la cual “mide la potencia,
por unidad de área, que alcanza a la Tierra”. Su unidad es el W/m². Por su
cuenta, la energía solar se expresa como irradiación (I), que es la “energía
incidente por unidad de superficie sobre un plano y durante un intervalo de
tiempo de exposición dados, normalmente 1 hora o 1 día”. Es la integral de G
para ese intervalo de tiempo. Para 1 h, se expresa con I, para 1 día con H. Se
mide en J/m2. La irradiación global (H) es la irradiación directa, difusa
y reflejada del entorno, interceptada por una superficie esférica. Finalmente, la irradiación extraterrestre (Ho) es la irradiación incidente sobre
una superficie horizontal en el extremo de la atmósfera, límite superior de la
exósfera.
El valor de la irradiancia (G) en una localidad dada debe representar el
valor promedio de ésta. Para ello se deben considerar las variaciones cíclicas
estacionales. Con ese fin, deben realizarse mediciones de la irradiación solar
diaria (H) durante un período largo, diez años o más. En el mapa mundial
de radiación solar (www.energie-atlas.ch/sonn-e.htm) se indica la radiación
promedio anual en KW∙h/m2. En los Estados Unidos de Norteamérica esta
tarea es llevada a cabo por el National Renewable Energy Laboratory, que
publica, en forma periódica, los valores de radiación promedio para una localidad dada, empleando colectores fijos con cinco ángulos de inclinación:
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
210
08 ENERGÍA SOLAR
horizontal (0°), latitud del lugar menos 15°, latitud, latitud más 15° y vertical
(90°). Estos datos son complementados con mediciones tomadas usando superficies colectoras móviles, las cuales se montan en aparatos que, automáticamente, siguen la trayectoria del sol.
Los efectos de la atmósfera son determinantes en la intensidad de la
irradiación solar, lo que da como resultado una gran variabilidad de este parámetro en función del tiempo y de la ubicación geográfica. La cantidad de
energía solar disponible puede presentar diferencias importantes, no sólo de
un día a otro o de un mes a otro, sino de un año a otro. Asimismo, puede
haber variaciones importantes entre sitios relativamente cercanos debido a
diferencias en el clima o microclima.
El World Radiation Data Centre (WRDC) situado San Petersburgo, Rusia, posee datos de radiación solar de más de mil sitios alrededor del mundo.
Su objetivo es centralizar y publicar la información sobre la radiación solar
mundial para entregarla a la comunidad científica internacional.
Los modelos para la estimación de la radiación solar se hacen necesarios como referencias que ayudan al mejor entendimiento de los diferentes
factores geométricos y ambientales que afectan los flujos de la energía de
radiación solar y para hacer estimaciones de estos flujos donde no se cuenta
con mediciones de la irradiación global ni de sus componentes. Los primeros modelos que se desarrollaron tenían como objetivo la determinación de
la irradiación solar global a partir de variables meteorológicas ampliamente medidas, como humedad, precipitación, cubierta de nubes y heliofanía,
horas de brillo solar efectivo. Al irse volviendo más común la medición de la
irradiación solar global se desarrollaron modelos para determinar los componentes directa y difusa; en la actualidad han cobrado mucha mayor importancia los métodos para estimar la radiación solar y sus componentes a partir
de datos proporcionados por las imágenes satelitales.
Los satélites geoestacionarios llevan a cabo un monitoreo de la atmósfera y de la cubierta de nubes de la Tierra de manera continua en el tiempo y
abarcando extensas regiones del mundo. La resolución sobre las regiones de
gran cobertura geográfica es aproximadamente de 1 Km² cuando se trata de
imágenes en el espectro visible. Al ser la cubierta de nubes el parámetro que
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.3 FLUJO Y BALANCE DE ENERGÍA EN LA TIERRA
211
más influencia tiene sobre la radiación solar, esta capacidad de los satélites
implica un importante potencial para evaluar el recurso solar. La gran ventaja de los métodos de los datos satelitales es su resolución espacial. Con ellos
es posible generar mapas de radiación solar con una resolución muy detallada, 2 a 10 Km², sobre regiones específicas. Esto los convierte en una fuente
de información muy adecuada, por ejemplo, para ser integrada en sistemas
de información geográfica.
Como cualquier estimación a partir de modelos, aquellas basadas en
datos de satélite tienen una exactitud limitada. Convencionalmente se considera un error cuadrático medio de entre 20 y 25% para estas estimaciones cuando se las compara con mediciones llevadas a cabo por estaciones
localizadas en sitios específicos; por este motivo no se debe menospreciar la
importancia de las redes terrestres que provean información de un número
grande de puntos bien distribuidos sobre un territorio dado.
8.3 FLUJO Y BALANCE DE ENERGÍA EN LA TIERRA
La radiación solar que llega a los componentes del planeta: litósfera, hidrósfera y atmósfera se denomina radiación entrante, cuyos rayos son de onda
corta; en ella se concentra el máximo de emisión de energía solar a la cual la
atmósfera es mayormente transparente.
La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), ozono (O3), vapor de agua y partículas presentes
en la atmósfera pueden dispersarla, reflejarla o absorberla, situaciones que
dependen de la longitud de onda de la energía transmitida y del tamaño y
naturaleza de la sustancia que modifica la radiación.
El fenómeno de la dispersión se produce cuando la luz visible atraviesa un medio transparente que no es el vacío, con lo cual aparece una serie
de colores diferenciados, fenómeno que se debe a que dicha luz está compuesta por radiaciones de diferentes frecuencias. Al pasar por un medio material, cada radiación se propaga con distinta velocidad; así la velocidad de
las radiaciones de menor frecuencia es mayor, por lo que se desvían menos.
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212
08 ENERGÍA SOLAR
La reflexión es el proceso por el cual “una superficie de discontinuidad devuelve una porción de la radiación incidente al medio por el cual llegó
la radiación”. Como establece la ley de Snell, “la energía es reflejada por
una superficie con el mismo ángulo con el que inicialmente incidió sobre esa
superficie”. Esta redirección causa una pérdida de la radiación solar. Es muy
importante tomar en cuenta la reflexión ya que cerca de un tercio de la energía del Sol es reflejada. Si no fuera por la reflexión, sería imposible ver gran
parte del mundo que nos rodea, ya que los objetos opacos deben reflejar la
luz para ser vistos.
El albedo, o reflectividad, se define como “la proporción de luz solar
entrante que es reflejada”. La reflexión combinada de la atmósfera y la superficie de la Tierra es de alrededor del 30%. La mayor parte de la reflexión en
nuestra atmósfera tiene lugar en las nubes cuando la luz es interceptada por
las moléculas de agua líquida y congelada.
La absorción se puede definir como “el proceso por el cual la radiación solar es retenida por una sustancia y convertida en otras formas de energía, en general como energía térmica”. Es importante tener en cuenta que
las moléculas son absorbentes selectivos. Como resultado de la creación de
energía térmica, la sustancia también emite su propia radiación. En general,
la absorción de radiación solar por parte de sustancias en la atmósfera de
la Tierra tiene como resultado temperaturas inferiores a 1800 °C. Según la
ley de Wien, “los cuerpos con temperaturas a este nivel o inferiores emiten
radiación de onda larga”. Una gran proporción de su radiación se pierde en
el espacio.
Del total de energía solar que llega a la Tierra, alrededor del 30% se refleja o dispersa hacia el espacio, bien sea por la atmósfera o por la superficie.
Esta fracción, albedo, contribuye de manera significativa al balance energético
terrestre. El resto de la radiación es absorbida por la atmósfera, por el suelo y
por los océanos y se transforma en calor, previamente a su emisión al espacio.
Este flujo de energía controla el clima terrestre mediante lluvia, nieve y viento.
Aproximadamente la mitad de la energía absorbida por la superficie terrestre
fluye a través del ciclo del agua (sección 11.1.2) que implica procesos masivos
de evaporación y precipitación que controlan las reservas de agua natural.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.3 FLUJO Y BALANCE DE ENERGÍA EN LA TIERRA
213
Existen otras variables que influyen en la cantidad de radiación solar
que llega hasta un punto determinado del planeta. Como es de imaginar,
no todas las superficies reciben la misma cantidad de energía. Así, mientras los polos son los que menor radiación reciben, los trópicos son los que
están expuestos a una mayor radiación de los rayos solares. Este hecho se
debe al grado de inclinación, 23,5°, del planeta con respecto al Sol (sección
7.1). Por lo tanto, la intensidad de radiación no será igual cuando los rayos
solares estén perpendiculares a la superficie irradiada que cuando el ángulo
de incidencia sea más oblicuo, tal y como ocurre en los polos. La declinación del Sol, pues, es la razón de que los mayores valores de radiación no
se produzcan en el ecuador sino en latitudes por encima y por debajo de los
trópicos de Cáncer y Capricornio. En estas zonas es donde los rayos solares
son más perpendiculares y atraviesan una capa atmosférica más fina hasta
llegar a su destino.
Para establecer con exactitud la cantidad de energía que se puede aprovechar en un sitio concreto, también habrá que tener en cuenta otros aspectos como la hora del día, la estación del año y muy especialmente las condiciones atmosféricas. En los días nublados disminuirá considerablemente
la intensidad de la radiación y por lo tanto el aporte energético que pueda
recibir un área. Aunque la relación entre las variaciones en la nubosidad y la
radiación solar es compleja, probablemente este factor es el más importante
a la hora de poder calcular la energía que llega a un punto concreto de la superficie terrestre.
Esto no quiere decir que en zonas donde hay menos horas de sol la
radiación solar sea despreciable. La radiación directa, tal como dice la palabra, es aquella que llega a la superficie sin haber sufrido cambios de dirección, mientras que la radiación difusa se refiere a la que llega a la superficie sin orientación determinada, como la que ocurre en días cubiertos. La
radiación reflejada ocurre cuando los rayos solares cambian su trayectoria en 180° al chocar con las partículas atmosféricas. La suma de todas estas
variables, radiación global, permite conformar el mapa solar de una región
determinada del planeta y establecer qué cantidad de energía media se puede
captar para usarla.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
214
08 ENERGÍA SOLAR
El Sol proporciona a la Tierra una enorme cantidad de energía. La
Tierra elimina dicha energía a la misma velocidad que la absorbe, estableciéndose así un equilibrio que favorece que la temperatura media terrestre
permanezca constante. Esta energía emitida es la radiación saliente. La
Tierra emite energía en forma de radiación electromagnética, pero de distinta manera a como lo hace el Sol. Un cuerpo caliente, como el Sol, pierde su
energía mediante la emisión de un amplio intervalo de longitudes de onda
corta, pero como la Tierra tiene una temperatura mucho menor que la del
Sol, la radiación terrestre se emite en longitudes de onda mucho más largas
que las de la radiación solar; motivo por el cual el ojo humano no las percibe
como las del Sol. Por lo tanto, mientras la Tierra emite longitudes de onda
comprendidas entre 1000 y 30 000 nanómetros —zona del espectro IR—, con
un máximo en 10 000 nanómetros, correspondiente a una temperatura media
de 25 °C, la absorbe en la zona del espectro Vis. Toda la energía que la Tierra
absorbe del Sol se remite al espacio.
Algunos gases de la atmósfera pueden absorber parte de la radiación
que la Tierra emite al espacio, evitando que ésta se pierda hacia el espacio
exterior. A este efecto contribuyen especialmente el vapor de agua y el dióxido de carbono, que de manera importante absorben la radiación IR. El vapor
de agua absorbe aproximadamente cinco veces más radiación terrestre que
todos los otros gases combinados, contribuyendo a elevar la temperatura de
la zona baja de la atmósfera, la tropósfera, lugar donde se desarrolla la vida.
La temperatura media de la atmósfera es del orden de -20 ºC, mientras
que la Tierra tiene una temperatura media del orden de 15 ºC. Esta mayor
temperatura de la Tierra se debe a que la atmósfera absorbe radiación terrestre y se calienta. Este calor es reabsorbido por los gases de la atmósfera, que
nuevamente la emiten hacia la Tierra, donde es absorbida por la superficie.
Este proceso hace que la temperatura media de la Tierra sea aproximadamente 35 ºC mayor que si no tuviera atmósfera: es el efecto invernadero natural. Se llama así por su similitud con los invernaderos agrícolas: el vidrio de
un invernadero deja entrar la radiación de onda corta del Sol que calienta el
interior y a su vez se emite hacia el exterior radiación de onda larga a la cual
el vidrio es opaco y el calor queda atrapado en el invernadero. El agua líquida
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.3 FLUJO Y BALANCE DE ENERGÍA EN LA TIERRA
215
de las nubes, el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben radiación
de onda larga y ayudan a mantener la temperatura de la superficie terrestre,
especialmente en la noche. Una cubierta de nubes absorbe radiación de onda
larga y la remite hacia la superficie en la noche, pero en las noches sin nubes
la radiación escapa al espacio, disminuyendo más la temperatura nocturna.
Se ha expresado precedentemente que existe un equilibrio térmico en
la Tierra por el cual el planeta absorbe tanta energía como la que emite, por
lo tanto existe un balance de energía que se produce de dos maneras: a)
balance de energía total del sistema Tierra-atmósfera: la cantidad de energía
que llega a la superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmósfera debe ser
igual a la cantidad de energía que se refleja desde la superficie terrestre más
la que emite la atmósfera al espacio; b) balance de energía entre diferentes
zonas del planeta: en promedio, la zona comprendida entre el ecuador y las
latitudes 35ºN y 35ºS reciben más energía que la que pierden; lo contrario
ocurre en zonas polares. Como estas zonas no se calientan ni se enfrían continuamente, existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las
regiones con déficit de calor; es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa. Este transporte lo realizan la atmósfera y los océanos a través
de los vientos y las corrientes marinas.
El máximo de radiación solar tiene un valor de 1368 W/m2 (sección
8.2) en el borde superior de la atmósfera, pero el valor promedio del total
de la atmósfera, considerando las zonas de luz y oscuridad, es ¼ de este
valor, 342 W/m2. Para hacer dicho balance de energía entre la absorbida y
emitida por el sistema Tierra-atmósfera, se tendrá en cuenta que este valor
unitario representará el 100% de la energía recibida por dicho sistema en
dos formas de energía: reflejada y absorbida De este porcentaje total, alrededor del 30% se refleja hacia el espacio, bien por la atmósfera (6%), por
las nubes (20%) o por la superficie terrestre (4%). Esta fracción, el albedo,
contribuye de manera significativa al balance energético del sistema Tierraatmósfera. El resto de la radiación es absorbida por los océanos y suelo
(51%), por la atmósfera (16%) y por las nubes (3%), que se transforma en
calor, previamente a su emisión al espacio. Este flujo energético controla el
clima terrestre mediante la lluvia, nieve y viento. En la Figura 8.2, sobre el
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
216
08 ENERGÍA SOLAR
balance de energías absorbidas y emitidas, se consignan estas energías de
manera porcentual.
Reflejada por Reflejada por Reflejada por la
superficie terrestre
la atmósfera las nubes
6%
6% 6%
Energía
solar incidente
100%
64%
6%
Radiada al espacio
por nubes y atmósfera
Absorbida por
la atmósfera 16%
Radiada
directamente
al espacio
por la tierra
Radiación
absorbida por
la atmósfera
15%
Absorbida por
las nubes 3%
Conducción y
ascenso del aire 7%
Absorbida por la
tierra y océanos 51%
Elevada a las nubes
y atmósfera por el
calor latente del
vapor de agua 23%
Fuente: http://education.gsfc.nasa.gov/experimental/all98invproject.site/pages/trl/inv2-1.abstract.html
Figura 8.2. Balance porcentual de energía del sistema Tierra-atmósfera
Aproximadamente la mitad de la energía absorbida por la superficie
terrestre fluye a través del ciclo hidrológico (sección 11.1.2), que implica procesos masivos de evaporación y precipitación que controlan las reservas de
agua natural. El calor latente (sección 5.1.1) es la energía necesaria para la
evaporación de un líquido; a la temperatura media de la Tierra, 15 °C, el calor
latente del agua es 2,42 KJ/g, calor que se desprende en la condensación del
agua de lluvia, hecho que libera enormes cantidades de energía emitida desde
la atmósfera (23%). También participa en el flujo de energía que se emite desde la atmósfera, el denominado “calor sensible”, que es la energía transportada por las masas de aire y que aporta un 7%. Sin embargo, la mayor cantidad
de energía corresponde a la emisión de nubes y atmósfera (64%) y un bajo
aporte lo realiza la emisión directa del suelo al espacio (6%).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.4 ENERGÍA SOLAR COMO REGULADOR DEL CLIMA Y LA BIOTA
217
La Tabla 8.1 muestra un balance, de la manera habitual, de las cantidades porcentuales de energías absorbidas de la radiación solar y las emitidas
por el sistema Tierra-atmósfera.
TABLA 8.1. BALANCE DE CANTIDADES PORCENTUALES DE ENERGÍAS
ABSORBIDAS DE LA RADIACIÓN SOLAR Y LAS EMITIDAS POR EL SISTEMA
TIERRA-ATMÓSFERA
%
Emitidas
%
Nubes
20
Nubes y atmósfera
64
Atmósfera
6
Suelo
6
Suelo
4
Calor latente
23
Absorbida: Atmósfera
16
Calor “sensible”
6
Absorbidas
Reflejada:
Nubes
3
Océanos y suelo
51
Total
100
100
8.4 ENERGÍA SOLAR COMO REGULADOR DEL CLIMA
Y LA BIOTA
Como se expuso precedentemente, la radiación solar es la principal fuente de
energía y prácticamente la única para la atmósfera de nuestro planeta. Puesto
que el estado habitual de la atmósfera constituye el clima, es conveniente
revisar algunos conceptos propios de la ciencia del clima, la climatología. En
climatología se emplean valores medios para expresar sus parámetros. De
los varios factores climatológicos, el más importante es la radiación solar,
por lo que la latitud de una zona es, en gran medida, una causa determinante
de su clima. Cuanto más alejado esté un lugar del ecuador, menor será el
ángulo de la luz incidente sobre él y por lo tanto menor será el calor recibido.
Ya se describió sobre el balance térmico que la Tierra, en toda su superficie,
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
218
08 ENERGÍA SOLAR
devuelve tanta energía térmica como energía electromagnética recibió porque si bien las regiones ecuatoriales reciben más calor del que entregan, los
vientos y corrientes marinas contribuyen a contrarrestar estas diferencias
como se explicará en los párrafos siguientes.
El clima tiene un carácter estacional como consecuencia de la variación
de la tasa de radiación solar incidente. Otros factores que condicionan el
clima son:
– La temperatura atmosférica como uno de los elementos constitutivos
del clima y que se refiere a la medida del calor específico del aire en
un lugar y momento determinados.
– Las precipitaciones.
– La altitud, puesto que la temperatura disminuye con la altitud.
– La humedad del aire, cantidad de vapor de agua que se encuentra
presente en la atmósfera.
– La presión atmosférica, presión que ejerce el aire sobre la Tierra.
– Los vientos dominantes como consecuencia de altas y bajas presiones.
La temperatura y presión del aire son dos factores del clima que varían
entre sí de manera inversa: cuanto mayor sea la temperatura del aire, menor
será su presión y el aire asciende. Por el contrario, cuando el aire es más frío
tiene una tendencia a descender, con lo que la presión atmosférica aumenta
por compresión en los lugares donde desciende. Así, donde la temperatura
del aire aumenta, el tiempo atmosférico tenderá a ser inestable y se pueden
producir lluvias e incluso tormentas, y donde la temperatura del aire desciende, el tiempo será más estable y se presentarán días soleados sin nubes y con
el ambiente seco.
Cada clima se puede caracterizar por los valores más o menos uniformes de los factores climáticos enunciados anteriormente, fundamentalmente
temperatura y las precipitaciones, a lo largo de períodos de tiempo prolongados. Realizando combinaciones entre estos factores se puede clasificar el clima; la más utilizada de estas clasificaciones es la de W.P. Köppen, propuesta
en 1900 y posteriormente modificada. Está basada en la división de los climas
terrestres dentro de cinco grandes tipos, los cuales están representados por
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.4 ENERGÍA SOLAR COMO REGULADOR DEL CLIMA Y LA BIOTA
219
las letras mayúsculas A, B, C, D y E. Cada uno de estos tipos de clima está definido por criterios de temperaturas, excepto el B, que lo está por criterios de
humedad. Se establecen también subdivisiones en función del régimen hídrico y del régimen térmico, respectivamente. Los criterios de la clasificación
de Köppen son los siguientes:
– A. Climas tropicales: temperatura media superior a 18 ºC todos
los meses. Ausencia de invierno.
– B. Climas secos o áridos: evaporación superior a la precipitación
como media anual. No existen cursos permanentes de agua (ríos).
– C. Climas templados: temperatura media del mes más frío entre
– 3 ºC y 18 ºC y del mes más cálido superior a 10 ºC. Presentan verano e invierno.
– D. Climas fríos o de nieve: temperatura media del mes más frío
inferior a – 3 ºC y del mes más cálido superior a 10 ºC. Isoterma de 10
ºC que coincide con el límite septentrional de crecimiento de bosque.
– E. Climas de hielo: temperatura media del mes más cálido inferior
a 10 ºC. Carecen de verdadero verano.
La subdivisión queda definida en función de la distribución estacional
de la precipitación por las siguientes letras minúsculas:
– f: lluvioso todo el año, sin estación seca. Para los climas A, C y D.
– s: estación seca en verano. Para los climas A y C.
– w: estación seca en invierno. Para los climas A, D y D.
– m: precipitación de tipo monzónico. Intensas lluvias todo el año con
un corto período de sequía.
Para los climas secos del grupo B se definen dos subgrupos propios:
– s: estepa o semiárido, caracterizado por sus praderas.
– w: desértico o árido, cuya precipitación anual es inferior a 400 mm.
También se definen dos subgrupos propios para los climas de tipo E:
– t: tundra. Temperatura del mes más cálido superior a 0 ºC.
– f: hielo perpetuo. Temperatura inferior a 0 ºC para todos los meses
del año.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
220
08 ENERGÍA SOLAR
De la combinación de grupos y subgrupos se obtienen los 12 tipos de
climas básicos según Köppen:
– f: Clima de selva tropical lluviosa Precipitación mayor a 600 mm en
el mes más seco.
– Aw: Clima de sabana tropical. Al menos un mes con precipitación
menor a 600 mm.
– Am: Clima monzónico. Precipitación menor a 600 mm en el mes más
seco.
– Bs: Clima de estepa. Clima árido continental.
– Bw: Clima desértico. Precipitación anual inferior a 400 mm.
– Cf: Clima templado húmedo sin estación seca. Precipitación mayor a
300 mm en el mes más seco.
– Cs: Clima templado con verano seco. La precipitación del mes más
seco del verano es inferior a 300 mm y la del mes más lluvioso del
invierno, tres veces superior.
– Cw: Clima templado con estación invernal seca. El mes más húmedo
del verano es diez veces superior al más seco del invierno.
– Df: Clima boreal de nieves y bosque con inviernos húmedos. No hay
estación seca.
– Dw: Clima boreal de nieves y bosque con inviernos secos. Con una
estación seca en invierno.
– Et: Clima de tundra. Temperatura media del mes más cálido es inferior a 10 ºC y superior a 0 ºC.
– Ef: Clima de hielos perpetuos. La temperatura media del mes más
cálido es inferior a 0 ºC.
Respecto del factor temperatura de las aguas marinas, es preciso tomar muy en cuenta la influencia de la temperatura del océano sobre el
clima del planeta. El agua del océano puede almacenar enormes cantidades
de energía solar, en forma de calor, el cual se desprende de ella progresivamente, sin que la temperatura oceánica varíe en forma sensible durante
el proceso debido a su calor latente. Por ejemplo, la corriente del golfo de
México lleva aguas con temperatura alta. Después de pasar por el estrecho
de Florida, atravesar por el océano Atlántico y finalmente llegar a Europa,
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8.4 ENERGÍA SOLAR COMO REGULADOR DEL CLIMA Y LA BIOTA
221
por ejemplo frente a las costas de Noruega, la temperatura media del agua en
verano es de unos 12 °C.
La enorme cantidad de energía térmica que contiene el océano lo
transforma en un gran regulador climático; por lo tanto, se pueden reconocer dos tipos extremos de clima: el marítimo y el continental. El clima marítimo tiene gran uniformidad, ya que sus veranos son frescos y
sus inviernos, suaves. Las diferencias anuales son mínimas, lo mismo que
las que se presentan cada 24 horas. El cielo, generalmente, está cubierto
por nubes, por lo que con frecuencia producen lluvias y en algunos mares
a veces se presentan 250 días de lluvia por año. Las nieblas también son
frecuentes.
El clima continental se caracteriza por ser muy extremo, es decir,
presenta veranos calurosos e inviernos fríos; la diferencia de temperatura
entre una y otra estación durante un año es grande, y lo mismo ocurre con la
temperatura durante las 24 horas del día: las mañanas son muy calurosas y
las noches, muy frías. Otras de sus características son la presencia escasa de
nubosidad y de carencia de precipitaciones en muchas regiones.
Las diferencias entre el clima oceánico y el continental se deben a
que la superficie de los continentes no almacena grandes cantidades de calor, y por lo tanto su reserva térmica es muy escasa, de tal manera que el
suelo se calienta muy rápidamente en verano, pero en invierno se enfría
del mismo modo. En cambio, el océano, gracias a su masa y propiedades
térmicas, absorbe grandes cantidades de calor, lo que le permite regularizar
la temperatura del aire y a la vez enviar a la atmósfera grandes cantidades
de vapor de agua, dando un alto grado de humedad al clima oceánico, que
es el segundo factor que interviene en la acción que el océano ejerce sobre
el clima de la Tierra.
El océano no sólo es responsable de las variaciones del clima de las
regiones costeras, sino que influye también en el clima de los continentes
enteros, en donde hace cambiar a las estaciones del año. Durante el verano
acumula calor, del que se desprenderá poco a poco en invierno; del mismo
modo, el calor reinante en los continentes durante del verano resulta mitigado por las masas de aire fresco procedentes del océano.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
222
08 ENERGÍA SOLAR
De una forma más precisa que la señalada al comienzo de esta sección,
el clima se entiende como “el conjunto de factores meteorológicos, principalmente temperatura y precipitación, que caracterizan a la atmósfera, a través
de ciertas épocas del año, en una zona dada de la superficie terrestre”. El clima general de una región es el factor primario que determina el tipo y abundancia de la vida, especialmente los vegetales que se encuentran en una zona
de suelo particular. Los biólogos emplean el término biomas para referirse
a “las regiones ecológicas de gran extensión habitadas por ciertos tipos de
vida”, especialmente los vegetales; ejemplos de estas zonas de vegetación son
los bosques, praderas y desiertos.
Existen cerca de dos millones de especies vegetales, animales y microbios que se han clasificado, pero muchos más millones de especies que no
han sido estudiadas. Estas especies naturales se denominan, en su conjunto,
biota o comunidad biótica. Desde el punto de vista biológico, especie es la
totalidad de una población que puede cruzarse y producir vástagos fértiles.
Estas especies naturales son las responsables de la estructura y del mantenimiento de los ecosistemas que, a su vez, son “el conjunto de las poblaciones
de plantas, animales y microbios relacionados entre ellos y con el medio, de
modo que tal agrupamiento pueda perpetuarse”. La biota que se puede observar en un área dada está determinada en buena medida por los factores
abióticos que son la temperatura, humedad, clase de suelo, en general, factores físicos y químicos que condicionan y a la vez limitan la comunidad. La
biota y los ecosistemas representan la riqueza biológica que sostiene la vida
humana y todas las especies de la biota, conocidas y por conocer; todas estas
especies forman la biodiversidad.
Cada clima sostiene sólo a las especies que encuentran óptimos los niveles de temperatura y precipitación, o al menos dentro de sus márgenes de
tolerancia. La densidad de población será mayor donde las condiciones sean
óptimas y disminuirá en la medida en que se alejen de este óptimo. Las especies quedarán excluidas de las regiones, o áreas locales, en las que cualquier
condición esté más allá de sus límites de tolerancia. Para ilustrar cómo influyen dichas condiciones, se considerará el ejemplo de tres ecosistemas: bosques, pastizales y desierto. Para la mayor parte de árboles de clima templado
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8.5 RADIACIÓN SOLAR EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
223
(clima C en la clasificación de Köppen) 115 a 140 cm/año de precipitación es
lo óptimo. Con menos de 100 cm/año los árboles comienzan a sentir tensión
y casi todos alcanzan su límite de tolerancia a aproximadamente los 70 cm/
año. Por su parte, los pastos tiene un límite de tolerancia mucho más bajo,
unos 25 cm/año, y a muchas especies de cactos y a otras plantas de desierto
les basta 5-10 cm/año. El efecto de la temperatura se sobrepone en buena
medida al de las lluvias, es decir, 90 cm/año o más de lluvia dará lugar a un
bosque.
Un lugar determinado puede tener condiciones de humedad y temperatura muy diferentes de las del clima general, que es un promedio; por
ejemplo, la variación de temperatura en un barranco protegido será menor
que en un lugar expuesto al sol. “El conjunto de condiciones climáticas que
priman en una zona localizada” se conoce como microclima. Así como
las diferentes condiciones determinan el bioma principal de una región,
los microclimas dan por resultado variaciones en la comunidad biótica del
bioma. Los suelos y la topografía también contribuyen a la diversidad del
bioma porque influyen en la disponibilidad de humedad. Así, en la zona de
transición entre desierto y pastizales, 25-50 cm/año de lluvia, el suelo con
buena retención de agua sostendrá hierbas, pero el arenoso y permeable
sólo tendrá especies del desierto. Aparte de estos factores abióticos limitantes, podrán existir otros factores bióticos que restrinjan el desarrollo de
especies. Tal es el caso de pastos que crecen cuando las lluvias superan los
75 cm/año, pero cuando llueve lo suficiente para que crezcan árboles, el aumento en las sombras limitará los pastos; es la competencia de las especies
mayores.
8.5 RADIACIÓN SOLAR EN ALGUNOS PAÍSES
LATINOAMERICANOS
De los países latinoamericanos de habla española que más han desarrollado sus fuentes de energías renovables, de uno u otro tipo, destacan México,
Colombia, Argentina y Chile, dispuestos en orden decreciente de población.
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224
08 ENERGÍA SOLAR
Cabe destacar que en todos ellos el mayor potencial de energía solar se
encuentra en el norte de dichos países. A continuación se hace una recopilación de los estudios realizados por expertos de estos países.
8.5.1 MÉXICO
Durante los últimos 20 años se ha publicado información sobre los niveles de
radiación solar que inciden en la República Mexicana. Así, en 1991 el Programa Universitario de Energía de la UNAM publicó el Atlas de Radiación
Solar para México basándose en trabajos realizados por el Instituto de
Geofísica de esa institución con información satelital, con un error estándar
de la estimación, con respecto a datos paramétricos medidos en la superficie terrestre, de 3 a 5%, lo que da confianza en la información obtenida de
satélites.
También en 1991, investigadores de la Universidad de Colima y de
la Universidad Veracruzana publicaron el Atlas Solar de la República
Mexicana basándose en la información que se había desarrollado también
a partir de datos satelitales. Este documento presenta información de la irradiación solar global media diaria, de la irradiación solar directa media diaria
y de la irradiación solar difusa media diaria para períodos mensuales, estacionales y anuales.
En el año 2000, la Gerencia de Energías No Comerciales del Instituto de Investigaciones Eléctricas elaboró los mapas de radiación solar global,
directa y difusa empleando información generada más recientemente que la
mencionada en el párrafo anterior, por la Universidad Veracruzana y la Universidad de Colima a partir de imágenes de satélite.
Cabe aclarar que esta información básicamente es útil para orientar
sobre grandes zonas en cuanto a la magnitud de la radiación solar; sin
embargo, es necesario medirla in situ para confrontarla y así tener una
mayor precisión. Diferentes grupos han realizado este tipo de mediciones,
principalmente grupos de investigación como el Centro de Investigaciones en Energía de la UNAM en Temixco, Morelos, el Instituto de Geofísica
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.5 RADIACIÓN SOLAR EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
225
de la UNAM en Ciudad Universitaria, Distrito Federal, la Universidad de
Sonora en Hermosillo y la Unidad Iztapalapa de la UNAM en Iztapalapa,
Distrito Federal.
Respecto de los organismos gubernamentales que están en operación, ellos son: el Servicio Meteorológico Nacional (SMN), la Comisión
Federal de Electricidad, la Secretaría de Marina y la Secretaría del Medio
Ambiente del Gobierno del Distrito Federal. De estas instituciones la que
posee mayor envergadura es el SMN, que opera una red de 94 estaciones
automáticas que miden la irradiación solar global con piranómetros estándar de segunda generación. La red de estaciones tiene una cobertura
bastante amplia del territorio nacional; sin embargo, fue diseñada para
fines hidrológicos.
México está ubicado geográficamente en una de las áreas de mayor radiación solar en el mundo, factor que juega a su favor a la hora de emplear el
gran potencial de aprovechamiento de esta energía. Se estima que el recurso
solar en territorio mexicano alcanza unos valores diarios de radiación comprendidos entre 4,4 y 6,3 KW∙h/m2. Por ejemplo, la radiación en Ciudad de
México es alta y muy parecida, prácticamente todo el año, como lo muestra
el gráfico de la Figura 8.3.
9:00
[KWh/m3 por día]
4,8
5,2
5,4
12:00
18:00
26
5,2
4,7
4,3
15:00
4,9
4,9
4,5
4,7
4,6
4,8
4,2
24
4
22
2
[°C]
6:00
6
20
2
Total del año 1740 KWh/m
0
Enero
Abril
Julio
18
Octubre
Promedio
Fuente: http://mexiko.ahk.de/fileadmin/ahk_mexiko/news_bilder/5_kanndas.pdf
Figura 8.3. Irradiación solar en la Ciudad de México, KW·h/m2 diarios
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
226
08 ENERGÍA SOLAR
La Tabla 8.2 contiene los datos de irradiación solar global contenidos en los Mapas de Irradiación Solar Global de la República Mexicana (R.
Almanza S., E. Cajigal R., J. Barrientos A., 1997)
TABLA 8.2. IRRADIACIÓN GLOBAL MEDIA EN MÉXICO, INCLINACIÓN A
LATITUD EN MÉXICO, EN KW·H/M2 DIARIOS
Estado
Ciudad
Mín. Máx. Med.
Estado
Ciudad
Mín. Máx. Med.
Aguascalientes Aguascalientes
4,0
7,2
5,6
Jalisco
Puerto Vallarta
4,7
6,0
5,5
Baja California
Mexicali
3,9
7,3
5,5
Michoacán
Morelia
3,7
5,9
4,9
Baja California
San Javier
3,7
7,1
5,5
Nayarit
Tepic
3,9
6,1
4,8
Baja California
Sur
S. José del
Cabo
4,5
6,3
5,7
Nuevo León
Monterrey
3,0
6,1
4,4
Campeche
Campeche
4,4
6,0
5,2
Oaxaca
Oaxaca
4,4
6,0
5,3
Chiapas
Arriaga
4,7
5,9
5,4
Oaxaca
Salina Cruz
5,0
6,6
5,8
Chiapas
Juan Aldama
4,1
5,1
4,5
Puebla
Puebla
4,4
6,4
5,5
Chiapas
San Cristóbal
3,7
5,4
4,5
Querétaro
Querétaro
4,4
6,9
5,9
Chiapas
Tapachula
4,1
5,4
4,7
Quintana Roo
Chetumal
3,7
5,7
4,7
Chiapas
Tuxtla
Gutiérrez
3,7
5,4
4,7
Quintana Roo
Cozumel
3,8
5,7
4,7
Chihuahua
Chihuahua
5,3
8,9
5,9
S. Luis Potosí
Río Verde
3,3
5,8
4,7
Chihuahua
Guachochi
3,3
6,9
6,4
S. Luis Potosí
S. Luis Potosí
3,7
6,4
5,4
Chihuahua
Cd. Juárez
5,9
7,4
6,7
Sinaloa
Culiacán
3,4
6,2
4,9
Coahuila
Piedras Negras
2,9
6,7
4,5
Sinaloa
Los Mochis
4,3
5,9
5,4
Coahuila
Saltillo
3,3
5,9
4,8
Sinaloa
Mazatlán
3,9
5,7
4,9
Colima
Colima
3,9
6,0
4,9
Sonora
Ciu. Obregón
5,3
7,26
6,5
D.F.
Tacubaya
4,5
6,4
5,3
Sonora
Guaymas
4,5
7,3
6,0
Durango
Durango
3,9
7,5
5,7
Sonora
Hermosillo
3,9
8,6
6,0
Guanajuato
Guanajuato
4,4
6,6
5,6
Tamaulipas
Soto la Marina
3,2
5,4
4,6
Guerrero
Acapulco
4,7
6,1
5,3
Tamaulipas
Tampico
3,2
6,4
4,5
Guerrero
Aguas Blancas
5,4
6,0
5,7
Tlaxcala
Tlaxcala
4,0
5,6
5,1
Guerrero
Chilpancingo
3,8
5,2
4,7
Veracruz
Córdoba
2,8
4,6
3,7
Hidalgo
Pachuca
4,2
6,8
5,4
Veracruz
Jalapa
3,0
5,0
4,0
Jalisco
Colotlán
4,1
8,2
5,9
Veracruz
Veracruz
3,6
5,1
4,6
Jalisco
Guadalajara
4,0
7,7
5,6
Yucatán
Mérida
3,4
5,7
4,7
Jalisco
L. de Moreno
4,0
7,2
5,5
Yucatán
Progreso
4,0
5,5
4,9
Fuente:http://solar.nmsu.edu/wp_guide/Apen_A.htm
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.5 RADIACIÓN SOLAR EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
227
8.5.2 COLOMBIA
Para la elaboración de la primera versión del Atlas de Radiación Solar
de Colombia se empleó la información recopilada por el Instituto de Hidrología, Meterorología y Estudios Ambientales (IDEAM) durante el período
1980-1990 en 203 estaciones distribuidas en todo el país. Para la elaboración
de la segunda edición del Atlas se contó, además, con información de cerca
de 600 estaciones meteorológicas dotadas de instrumentos para medir, entre
otras variables, la radiación y el brillo solar, la temperatura y humedad con
información del período 1991-2002.
La radiación solar se estimó con base en parámetros meteorológicos
empleando algoritmos, que se han refinado en el tiempo, hasta lograr valores confiables y poder así construir dichos mapas. Para la actual edición
del Atlas de Radiación Solar se contó con series de datos de radiación global correspondientes a 71 estaciones sobre el país; de ellas se tomaron 32
como estaciones de referencia por poseer información simultánea diaria
de radiación solar global, brillo solar, temperatura máxima, temperatura
mínima y humedad relativa, en series de tiempo completas de más de cinco años.
El país está caracterizado por las regiones: Andina, Atlántica, Pacífica,
Orinoquía y Amazonia. La intensidad de la radiación solar en la región andina colombiana muestra que las zonas de los valles del Cauca y Magdalena
poseen el mayor potencial de esta región, y a medida que se asciende hacia
las cimas de las cordilleras ese potencial va disminuyendo gradualmente,
con excepción de algunos núcleos localizados en zonas llamadas altiplanos,
donde se observa un potencial solar mayor comparado con el de las laderas.
En las regiones costeras: Atlántica y Pacífica, los resultados de la evaluación
del recurso solar del país muestran en la región noreste de la costa atlántica
(La Guajira) un potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0 KW∙h/m2, el
mayor del país. Este valor va disminuyendo gradualmente en dirección suroeste hacia la costa pacífica, donde se presenta el menor potencial solar del
país, con valores menores de 3,5 KW∙h/m2, aunque posee una gran zona con
valores entre 4,0 y 4,5.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
228
08 ENERGÍA SOLAR
Las regiones de la Orinoquía y Amazonia, que comprenden las planicies de los llanos orientales y zonas de las selvas colombianas presentan una
variación ascendente de la radiación solar en sentido suroeste-noreste, verificándose valores asimilables a los de La Guajira en el noreste (Puerto Carreño). La Tabla 8.3 muestra rangos medios de irradiación solar multianual
regionalizada.
TABLA 8.3. RANGOS DE IRRADIACIÓN SOLAR PROMEDIO MULTIANUAL
POR REGIONES
Región
Guajira
Costa
Atlántica
KW∙h/m2año
1980-2340
1260-2340
Orinoquía Amazonia
1440-2160
1440-1800
Costa
Andina
Costa
Pacífica
1080-1620
1080-1440
Fuente; http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Radiacion_Solar/10-Apendice_D.pdf
8.5.3 ARGENTINA
Para confeccionar el Atlas de Energía Solar de la República Argentina, elaborado por Grossi Gallegos y Raúl Righini, director del Grupo de
Estudios de Radiación Solar (GERSolar), se formó una base de datos integrada con datos de promedios mensuales del valor diario, diferenciando
los que fueron obtenidos con piranómetros de la Red Solarimétrica de los
que lo fueron confeccionados con piranómetros del Servicio Meteorológico
Nacional (SMN). Además, se consideraron las condiciones de variabilidad
espacial de los promedios mensuales provenientes de mediciones piranométricas diarias en regiones homogéneas, hecho que permite extrapolar
sus valores hasta aproximadamente 200 km sin exceder un error del 10%
dentro de un nivel de confianza del 90%. Para estimar la radiación solar
con base en parámetros meteorológicos se utilizó la ecuación propuesta por
Ångström, que constituye un modelo de cálculo ampliamente empleado,
con modificaciones que lo mejoran. A los valores así calculados se les asignó
un segundo nivel de confianza teniendo en cuenta su mayor incerteza, que
no supera el 10%. Los valores fueron estimados utilizando las constantes
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.5 RADIACIÓN SOLAR EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
229
apropiadas, que fueron determinadas para cada región. Como apoyo complementario, se utilizaron las cartas pluviométricas del Atlas Climatológico
de América del Sur preparado por la Organización Meteorológica Mundial
(OMM, 1975) y la de cobertura de vegetación. Los valores de los promedios
de la radiación solar global diaria se expresaron en KW∙h/m2/día. Este estudio sólo entrega mapas a color y no datos tabulados, por lo cual el interesado debe extraer datos de dichos mapas (http://www.gersol.unlu.edu.ar/
pagina3.htm).
8.5.4 CHILE
Es el país más largo del mundo en sentido latitudinal. Aproximadamente el
50% de su territorio está en el llamado Cinturón Solar de la Tierra, comprendido en una amplia franja situada entre las latitudes 35º norte y 35º sur. El
potencial solar con que cuenta el país, principalmente en el norte, donde
está situado el desierto de Atacama, uno de los más extensos en el mundo,
posee una radiación solar muy alta. Los límites de este desierto van desde
la frontera con el Perú hasta, aproximadamente, el río Elqui (IV Región de
Coquimbo), y desde la Cordillera de los Andes hasta el sector costero del
país. Se ubica, latitudinalmente, en las cercanías del trópico de Capricornio,
al igual que el desierto de Namibia, en África y los desiertos australianos.
Las condiciones de este lugar son tan extremas que el promedio de lluvias,
fácilmente, puede llegar a 0,1 mm al año. Sus temperaturas durante el día
son bastante elevadas —pueden llegar hasta los 45 ºC— mientras que en la
noche bajan abruptamente, incluso por debajo de los -10 ºC. La escasez casi
absoluta de agua, un cielo cristalino y sin nubes, por el cual traspasa una
fuerte radiación solar, gran evaporación y una bajísima humedad del aire
son algunos de los condicionantes que hacen del desierto chileno de Atacama el más árido del mundo.
Según el Archivo Solarimétrico Nacional, la radiación solar en Chile,
expresada en KW·h/m2 año, se distribuye, según regiones del país, de acuerdo a la Tabla 8.4.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
230
08 ENERGÍA SOLAR
TABLA 8.4. RADIACIÓN SOLAR PROMEDIO EN LAS DIFERENTES REGIONES DE
CHILE, EXPRESADA EN KW·H/M2/AÑO
Región
Radiación solar
KW∙h/m2 año
I, XV
1933
II
2050
III
1845
IV
1808
V
1494
RM
1515
VI
1560
VII
1559
VIII
1475
IX
1306
XIV
1115
XI
1105
XII
894
Fuente: www.archivochile.com/Chile_actual/patag_sin_repre/03/chact_hidroay-3%2000028.pdf
8.6 ESTIMACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Para estimar la cantidad de energía solar incidente en un punto de la Tierra
es necesario conocer previamente algunos conceptos y ángulos vinculados
con esta energía.
Altitud: distancia vertical de un punto de la tierra respecto al nivel del mar.
Latitud(Ф): ángulo formado desde el centro de la Tierra entre el paralelo del lugar terrestre considerado y el ecuador. Por convención, es > 0º en el
hemisferio N y < 0º en el S.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.6 ESTIMACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
231
La Tabla 8.5 muestra las definiciones y figuras asociadas a los ángulos
solares más utilizados.
TABLA 8.5. DEFINICIONES DE ÁNGULOS SOLARES Y SUS CORRESPONDIENTES
REPRESENTACIONES
Ángulo Solar: ángulo de un rayo de luz incidente sobre un punto de la
superficie terrestre. La mayor radiación solar entrante ocurre cuando los
rayos solares golpean la Tierra en el ángulo más alto, 90°, en zona tropical.
Durante el verano la Tierra está inclinada y hacia el Sol cede a los ángulos
altos. Durante el invierno, la Tierra está orientada lejos del Sol, creando
ángulos bajos.
d
da
1U
ni
1U
1 Unidad
ad
nid
90°
1 Unidad
Zona tropical
1.4 Unidades
45°
Zona templada
2 Unidades
90°
Zona fría
Figura 8.4. Ángulo solar
Cénit (Фz): es el punto de la esfera celeste situado en la vertical del
observador. Corresponde, en vertical, a un lugar determinado de la Tierra.
Si se prolonga el radio terrestre desde el lugar donde se encuentra el
observador en ambas direcciones, cortaría la esfera celeste en dos partes.
Cénit es la parte que está sobre el observador.
Angulo acimutal (γ): es el ángulo de una dirección contado en el sentido
de las agujas del reloj a partir del norte. El acimut de un punto hacia el este
es de 90 grados y hacia el oeste, de 270 grados. El término acimut sólo se
usa cuando se trata del norte verdadero.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
232
08 ENERGÍA SOLAR
Cénit
Altura
Este (90°)
Norte
(0°)
Sur
(180°)
Acimut
Horizonte
Oeste (270°)
Figura 8.5. Cénit y ángulo acimutal
Vertical
Ángulo de altitud Solar (α): es el ángulo entre la línea que pasa por
el punto y el Sol. Es una coordenada absoluta. Se mide sobre el ecuador
celeste hacia el este, en sentido directo. Su valor varía en el intervalo:
0 h ≤ α ≤ 24 h.
N
(S)
Sol
α
O
(E)
E
(O)
Punto de la superficie terrestre
γ
S
(N)
Figura 8.6. Ángulo de altitud solar
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.6 ESTIMACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
233
Ángulo de declinación (δ): es el ángulo que forma un astro con
el ecuador celeste que determina la época del año. Es una coordenada
absoluta, independiente de la posición del observador en la superficie
terrestre. Es > 0° hacia el N celeste y < 0º hacia el S celeste y máximo
(+/- 23° 27´) en los solsticios (invierno y verano) y mínimo (0°) en los
equinoccios (otoño y primavera).
polo celeste norte
objeto observado
declinación
punto
Libra
Tierra
eclíptica
ecuador celeste
punto
Aries
ascensión recta
polo celeste sur
círculo horario
eje del mundo
Figura 8.7. Ángulo de declinación
Ángulo horario (ω): es el arco de ecuador celeste contado desde el punto
de intersección del ecuador celeste con el meridiano del observador hasta
el círculo horario del astro, en sentido de los punteros del reloj. Especifica
el momento del día; al mediodía el ángulo de hora es cero. El ángulo de
hora incrementa 15° cada hora. ω = 15 (ts – 12); ts = tiempo solar en
horas.
polo celestial
N
S
Ángulo horario
Figura 8.8. Ángulo horario
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
234
08 ENERGÍA SOLAR
Ángulo de incidencia solar (θ): ángulo entre la normal (n) a la
superficie plana (s) y el rayo solar. Mientras más pequeño es dicho ángulo
mayor intensidad de radiación incide sobre la superficie.
ns
Cénit
Se incluyen ángulos anteriores
a manera de resumen.
θ
S
β
γ
ψ
α
ecuador
Este
Figura 8.9. Ángulo de incidencia solar
Como resumen de lo expuesto precedentemente, se tiene que una superficie absorbente podrá captar energía solar un día determinado del año
(tendrá un ángulo de declinación), estará situada en un punto cualquiera
de la Tierra (latitud), podrá estar inclinada con cierto ángulo respecto a la
horizontal del terreno (inclinación), tendrá una cierta orientación respecto a la dirección de la meridiana (orientación) y finalmente, como el sol
se desplaza aparentemente recorriendo la eclíptica, el ángulo de incidencia
también variará a lo largo del día, por lo que se requiere conocer el ángulo
horario.
La radiación solar extraterrestre es “la cantidad de energía solar
recibida por unidad de superficie y por unidad de tiempo (por término medio) sobre una superficie enfrentada al sol (perpendicular a los rayos solares),
situada en el límite de la atmósfera”, a la distancia media entre la Tierra y el
Sol. Su valor medio es 1367 W/m², el cual es prácticamente una constante
durante todo el año y es conocido como la constante solar (sección 8.2).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.6 ESTIMACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
235
Como en la atmósfera terrestre se refleja parte de la radiación que llega
del Sol y otra parte se absorbe, a la superficie de la Tierra llega, lógicamente,
una cantidad menor que la que se tiene en el exterior de la atmósfera. Viene
a ser de unos 900 W/m², la cual cambia dependiendo de la hora del día, del
día del mes y del mes del año; es decir, cambia cuando varían las condiciones
atmosféricas tales como la nubosidad, vapor de agua, gases y partículas.
La intensidad de la irradiancia solar extraterrestre sobre un plano horizontal Go en un instante determinado depende de la intensidad de la irradiancia solar extraterrestre Gcs, constante solar, afectada por el seno de la
altitud solar (α):
Go = Gcs ∙ sen α
[W/m2]
[8.3]
La radiación solar diaria extraterrestre sobre un plano horizontal (Ho) se calcula integrando la irradiancia Go entre los ángulos horarios del orto y del ocaso, salida (ωs) y puesta (ωp) del sol:
[J/m2 ∙ día]
Ho =
[8.4]
El factor 24∙3600/2π se aplica para transformar el período de integración del arco en radianes a tiempo en segundos, puesto que se transforma
irradiancia a irradiación, es decir, potencia en trabajo, durante un día. De los
estudios sobre relaciones trigonométricas entre ángulos solares se sabe que:
sen α = sen Φ ∙ sen δ + cos Φ ∙ cos δ ∙ cos ω.
Sustituyendo el seno de la altitud solar α por su equivalente en la
ecuación [8.4] y luego integrando entre dichos límites se obtendrá:
∙ ( sen Φ ∙ sen δ + cos Φ ∙ cos δ ∙ cos ω) ∙ d ω [J/m2 ∙día]
Ho =
El resultado de integrar, con la consiguiente transformación de esta
ecuación, es:
Ho = Gcs∙86.400/π∙[1+ 0,033∙cos (360n/365)] ∙ [(πωs/180)∙ senΦ∙senδ +
cosΦ∙cosδ∙senωs]
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
236
08 ENERGÍA SOLAR
Ecuación [8.5], donde: Ho en J/m2∙ día ; Gcs∙86.400/π = Irradiación extraterrestre diaria; n = día del año; ωp = ángulo en radianes de la hora de
puesta del sol.
Cuando se carece de datos directos de la radiación solar diaria
terrestre sobre un plano horizontal (H), ésta se puede deducir, con
un cierto grado de confiabilidad, a partir de variables que se suelen medir en estaciones meteorológicas. Estudios realizados por comparación de
dichas variables lograron las mejores estimaciones para deducir la razón
(Kt) entre la radiación solar diaria terrestre (H) y la radiación solar diaria
extraterrestre (Ho):
[8.6]
Kt = H/Ho
Las mejores variables, sobre las que existen numerosas referencias,
son principalmente: registros de temperaturas medias, máximas y mínimas del aire; dirección y velocidad de los vientos; ángulo horario de
horas efectivas; nubosidad, presión atmosférica, humedad y horas de
lluvia. De estas variables se ha establecido que la mejor estimación la dan
las horas efectivas de sol, seguidas de la nubosidad, las horas de lluvia, la
diferencia de temperatura diaria en verano y la humedad en invierno, en
este orden.
A partir de los estudios de correlación entre la irradiación solar y el número de horas de sol efectivas se ha propuesto la ecuación [8.7] en función de
la relación n/N del número de horas de sol efectivas (n) y teóricas (N):
Kt = H/Ho = a + b ∙ n/N
[J/m2]
[8.7]
donde: H = irradiación media mensual (referida al plano horizontal); Ho =
irradiación extraterrestre media mensual (referida al plano horizontal); n =
horas de insolación diaria promedio mensual; N = horas de insolación máxima diaria promedio mensual; a y b = constantes empíricas calculadas a partir
de datos de irradiación.
La National Aeronautics and Space Administration (NASA), en su Langley Research Center Atmosphere Science Data Center, a través de la página
Web www.Gaisma.com, proporciona, entre otros, valores de radiación solar
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.6 ESTIMACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
237
incidente (en KW∙h/m²∙día), temperatura ambiente (°C), horas de insolación, etcétera, correspondientes a todo el mundo.
Medición de la radiación solar: se utilizan diferentes instrumentos según sea el tipo de energía solar que se desee conocer:
– Radiómetro: instrumento utilizado para medir la radiación solar
incidente a nivel de la corteza terrestre sobre una superficie horizontal. Suele entregar valores expresados en radiación por hora, I, o por
día, H.
– Piranómetros: instrumentos que miden la irradiancia G solar sobre una superficie receptora plana global incidente dentro del rango
de longitudes de onda comprendido entre 0,3 y 3,0 micrones. El tipo
más común consiste en dos sensores de temperatura: uno de ellos
está expuesto a la radiación solar y el otro está protegido de ella. Entre éstos se producirá una diferencia de temperatura que es proporcional a la irradiancia. Existen instrumentos que miden la irradiancia
difusa y otros, la global. Ambos tipos registran la irradiancia en gráficos W/m2 vs. horas.
– Pirheliómetro: mide la radiación directa y entrega los datos en forma gráfica; W/m2 vs. horas.
– Heliógrafo: registra las horas de radiación solar concentrando los
rayos solares sobre una banda de cartulina teñida de azul que se quema en el punto en que se forma la imagen del sol. Se utiliza una esfera
de cristal como foco inmóvil que sigue el movimiento aparente del sol
a lo largo del día.
Radiación solar terrestre sobre superficies inclinadas: el principal efecto geométrico sobre la cantidad de radiación solar incidente en una
superficie inclinada (I) se debe al ángulo de incidencia de los rayos solares
con respecto a esta superficie. Cuando el ángulo de incidencia es próximo a la
normal, en particular alrededor del mediodía, la radiación solar es máxima.
Como la superficie está inclinada hacia el sol, la intensidad de la radiación
sobre la superficie disminuye respecto a cuando ésta es normal a la superficie
inclinada. De lo anterior se deduce la ecuación:
I = Io ∙ cos θ
Alfaomega
[8.8]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
238
08 ENERGÍA SOLAR
donde: I = irradiación directa; Io = irradiación directa normal a una superficie inclinada; θ = ángulo entre la normal a la superficie y dirección de los
rayos solares.
Los datos meteorológicos de la radiación solar global incidente a nivel de la superficie terrestre se refieren, por convención, a un plano horizontal, según se expuso precedentemente. Para convertirlos en los correspondientes a una superficie inclinada, es necesario introducir un factor de
corrección. Su determinación no es sencilla porque la radiación difusa y la
directa requieren factores de corrección diferentes. El primero en función
de la inclinación del colector plano, mientras que el segundo depende de
los ángulos de incidencia de la radiación solar directa sobre el plano horizontal y el inclinado, y éstos, a su vez, son función de la declinación, latitud
y altura solar.
Se dispone de valores tabulados para distintas inclinaciones y diferentes latitudes. Permiten ser interpolados y extrapolados para una latitud dada
y para distintas inclinaciones del plano colector.
8.7 CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Para aprovechar la energía solar directa en gran escala, esta fuente inagotable
requiere de sistemas de captación dispuestos en grandes superficies. Además, no puede ser almacenada directamente sino que exige ser transformada
de inmediato en otra forma de energía, lo cual se puede ejecutar en la actualidad de dos maneras: convirtiéndola en energía térmica o directamente en
energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico.
La energía térmica captada puede utilizarse de forma pasiva o
activa. La energía térmica pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento pasivo de los edificios según diseño propio de la arquitectura bioclimática. Para ello se diseñan los edificios empleando materiales apropiados, con orientación, ventanales, colores, tipos de cubiertas
y otros elementos de manera que aprovechen óptimamente las condiciones ambientales del entorno, entre las que se encuentran la energía
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.7 CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
239
solar disponible, para disminuir el consumo de energía convencional. La
tecnología utilizada en la captación de la energía térmica activa se
puede clasificar, en función del margen de temperatura que se requiera,
en tecnologías de baja temperatura: menor de 90 ºC; media temperatura:
entre 90 y 400 ºC; alta temperatura: mayor de 400 ºC. Se denomina activa
porque requiere de una fuente energética adicional para iniciar el funcionamiento del sistema.
La tecnología solar térmica de baja temperatura se suele destinar al calentamiento de agua, por debajo de su punto de ebullición, para uso
como Agua Caliente Sanitaria (ACS). El sistema de captación de esta tecnología está constituido, generalmente, por los denominados colectores solares
térmicos planos o paneles solares térmicos planos, que utilizan la energía
solar con la misma intensidad con la que ésta incide. Éstos representan alrededor del 90% de la producción de colectores. También se utilizan, aunque
con menor frecuencia, los tubos de vacío.
La tecnología solar térmica de media temperatura suele tener
dos aplicaciones diferentes:
– La producción de calor en procesos industriales. Por ejemplo, vapor
a temperaturas de 150 ºC.
– La generación de electricidad mediante la conexión del fluido caliente hasta 400 ºC, utilizado por los colectores de un sistema convencional de producción de electricidad a partir de un ciclo térmico. El sistema utilizado en gran escala es el de colectores cilindros
parabólicos.
La tecnología solar térmica de alta temperatura se suele destinar fundamentalmente a la generación de energía eléctrica El sistema de
captación de esta tecnología debe conseguir factores de concentración de la
radiación muy superiores a los logrados con los colectores cilindros parabólicos. Los sistemas más estudiados, aunque aún están en fase experimental,
son los colectores discos parabólicos y la torre central a la cual se orientan los
helióstatos.
La Figura 8.10 es un cuadro sinóptico con dichos tipos de tecnologías.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
240
08 ENERGÍA SOLAR
Energía solar
Energía térmica
E. térmica pasiva
Baja temperatura
Colectores
planos
Agua caliente
Celdas fotovoltaicas
E. térmica activa
Energía eléctrica
Media temperatura
Alta temperatura
Colectores
cilindros
parabólicos
Colectores discos
parabólicos, campo
de heliostatos
Energía eléctrica
Figura 8.10. Tecnologías que se emplean para el aprovechamiento de la energía solar
8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
En esta sección se tratará el fundamento por el cual se transforma la energía solar en calor y éste en energía eléctrica, las tecnologías empleadas para
aprovechar directamente el calor, para calentar agua y para calefacción, así
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
241
como para transformar dicho calor en energía eléctrica, y las bases para el
diseño de equipos que calientan agua y para calefacción.
8.8.1 FUNDAMENTO DE LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR
TÉRMICA EN COLECTORES SOLARES PLANOS
Para los fines de aprovechar la energía solar sólo es importante la energía solar térmica, radiación térmica que se manifiesta en un espectro que se compone de la radiación ultravioleta, visible e infrarroja (sección 8.2). Para captar
la energía radiada por el sol y convertirla en energía térmica se utilizan los
denominados colectores solares. Estos dispositivos pueden ser planos en
los cuales la superficie receptora es simplemente plana e inmóvil o estar focalizados porque dicha superficie se desplaza, manteniendo una perpendicularidad respecto de la radiación recibida. A este respecto, y con el propósito
de aprovechar al máximo la energía solar, los rayos solares deben alcanzar la
superficie receptora de forma perpendicular, lo que obliga a que dicha superficie esté inclinada con respecto al plano horizontal. Ésta es la razón por la
cual es necesario determinar la irradiancia global sobre el plano inclinado con
objeto de evaluar la intensidad de irradiancia solar en condiciones reales; por
lo tanto, es preciso determinar la componente vertical al plano horizontal de
la irradiancia, para lo cual se deberá multiplicar por el coseno del ángulo de
incidencia, obteniéndose así el valor de la componente sobre plano horizontal.
Los componentes básicos de un colector solar plano son: una superficie negra absorbente que convierte la radiación solar en calor, tubos por
donde circula agua, dispuestos encima de la superficie negra, una cubierta de
láminas de vidrio para detener la pérdida de éstas hacia afuera y un marco
que contiene a los anteriores componentes. Se trata de que la superficie receptora se comporte como un cuerpo negro que absorba toda la radiación que
le llega y luego se transforme en calor que recibe el agua a través del vidrio.
Éste permite el paso de la radiación incidente que proviene del sol pero retiene la radiación emitida por la superficie absorbedora.
Por su naturaleza el flujo de energía radiante que recibe el colector es variable con el tiempo. En condiciones ideales el flujo máximo que se puede esperar
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
242
08 ENERGÍA SOLAR
es 1100 W/m2, razón por lo que el análisis de los colectores solares planos tiene
problemas relacionados con dicha radiación y con flujos pequeños y cambiantes.
A continuación se efectuará un balance térmico de un colector plano
expuesto a la radiación solar. El calor útil que se puede obtener es la diferencia entre la radiación incidente y las pérdidas debido a la reflexión del vidrio.
La energía incidente por unidad de tiempo que aprovecha el colector está
dada por la irradiación global (I) que incide sobre el colector, por la transmisividad de la cubierta (Ʈ) y la absortibidad de la superficie absorbedora
(α). Al multiplicar estos parámetros por el área de captación (A), se tiene la
energía total incidente por unidad de tiempo (Pi):
Pi = A ∙ I ∙ Ʈ ∙ α
[8.9]
Por otra parte, la potencia perdida al exterior (Pp) depende del área de
captación (A), del coeficiente global de pérdidas térmicas (UL), de la temperatura media del absorbedor y de la temperatura ambiente (tc-ta):
Pp = A ∙ UL ∙ (tc-ta)
[8.10]
En consecuencia, la potencia útil (Pu) será:
Pu = Pi – Pp = A [I ∙ Ʈ ∙ α - UL ∙ (tc-ta) ]
[8.11]
Puesto que es difícil medir la temperatura del absorbedor, se define
una temperatura media del fluido (tf): tf = (tent – tsal) /2
Entonces, la potencia útil (Pu) se define así:
Pu = F ∙ A ∙ [I ∙ Ʈ ∙ α - UL ∙ (tf– ta)]
[8.12]
donde F es el factor de irrigación.
Luego es posible definir el rendimiento (η) del colector con la siguiente expresión:
η = Pu / A ∙ I = F ∙ Ʈ ∙ α - F ∙ UL ∙ [(tf – ta)] / I
[8.13]
donde el valor F∙Ʈ∙α se define como el rendimiento óptico del colector,
y el valor F∙UL se define como el factor de pérdidas del colector. tf y ta
son las temperaturas del fluido y del ambiente, respectivamente.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
243
La ecuación [8.13] tiene la forma de la ecuación de una recta (η = b mx), donde b = F ∙ Ʈ ∙ α es el intercepto, que da cuenta de las pérdidas ópticas, y m = F ∙ UL es la pendiente que indica las pérdidas térmicas. La Figura
8.11 muestra la recta que resulta de la ecuación [8.13]. Por normas todos los
fabricantes de colectores deben realizar ensayos a los colectores que ofrecen y
entregar el valor de los factores b y m, los cuales son esenciales al momento de
calcular la energía que se puede obtener en las condiciones de diseño.
1
η
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 0,02 0,04 0,05 0,08 0,10
ta - tf/1
Figura 8.11. Relación entre rendimiento y el cociente tf-ta / I
Según se puede apreciar en el gráfico, el rendimiento disminuye bruscamente a medida que aumenta la temperatura, debido naturalmente a las
pérdidas térmicas. Para disminuir estas pérdidas, se recurre a la solución de
poner 2 ó 3 cubiertas de vidrio en lugar de una sola. Pero con esta solución
aparece otro inconveniente: aumentan las pérdidas ópticas, ya que todo rayo
solar incidente sobre un vidrio pierde parte de intensidad por absorción y
refracción en él. Existe entonces una limitación en el número óptimo de cubiertas de vidrio, que depende fundamentalmente del tipo de vidrio, de su
espesor, de la temperatura del fluido que se va a calentar, por lo cual conviene
que el número de cubiertas no pase de dos.
8.8.2 TECNOLOGÍAS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA CALENTAR
AGUA Y PARA CALEFACCIÓN
El uso de la energía solar en preparación de Agua Caliente Sanitaria (ACS)
y en otras aplicaciones como el calentamiento de piscinas, calefacción de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
244
08 ENERGÍA SOLAR
viviendas u otros espacios requiere alcanzar temperaturas inferiores a 80 °C.
Un sistema solar para calentar agua de uso doméstico se usa normalmente
para complementar, o sustituir parcialmente, el consumo de agua caliente
generada por otros sistemas convencionales (eléctricos, a gas u otros) utilizando la radiación solar. La complejidad del sistema solar térmico para la
preparación de ACS de una casa dependerá de los requerimientos de la vivienda y, de manera importante, de la inversión necesaria.
Los componentes de un sistema solar térmico para ACS dependerán
del tipo de instalación que se proyecta. Los principales componentes que se
incluyen en una instalación son: colector con tubería y estructura, fluido de
transferencia de calor, estanque de almacenamiento, bombas para el circuito
solar y otros circuitos, intercambiadores de calor para transferir calor de un
circuito a otro, sistemas de expansión y seguridad en cada circuito y sistemas
de control con sensores de temperatura en el estanque de almacenamiento
que acciona una bomba.
Las instalaciones para calentamiento de agua pueden clasificar en sistemas pasivos y sistemas activos. El “sistema pasivo” es una instalación
que no posee bombas ni componentes móviles; estos sistemas se basan en
cambios de temperatura del agua que circula por los colectores para moverla
en el sistema. Existen dos tipos de sistemas pasivos: batch (o de lote), que
usa uno o más estanques negros o tubos en una caja térmicamente aislada.
El agua fría es precalentada en el colector, luego continúa y entra a la caldera
de agua convencional, si se utiliza como auxiliar, o al estanque de almacenamiento. Este tipo es útil en climas moderados por peligro de congelación. El
otro sistema es el de termosifón que se explica más adelante.
Los “sistemas activos” utilizan bombas eléctricas para la circulación
del fluido a través del colector. Estos sistemas se clasifican en dos tipos: directo, en el cual el estanque de almacenamiento se llena directamente desde
el colector, de modo que tiene un solo circuito; indirecto, que utiliza bomba
de circulación para cada circuito, los cuales están separados por el intercambiador de calor. El sistema “directo de circulación activa” utiliza bombas
para recircular directamente el agua potable por la tubería del colector, donde
se calienta, y por el estanque de almacenamiento; no utiliza anticongelante.
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
245
Para el calentamiento de agua o calefacción de viviendas y sitios de trabajo, las tecnologías más usuales que aprovechan la energía solar térmica
son los colectores solares planos y los colectores solares planos de tubos evacuados o con vacío. Los más empleados son los primeros por su menor costo.
Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores solares planos son los más comunes. Éstos pueden ser diseñados y utilizados
en aplicaciones donde se requiere que la energía sea liberada a bajas temperaturas debido a que la temperatura de operación de este tipo de colectores
es alrededor de 90 °C, como ya se afirmó. Las ventajas que se pueden obtener
de este tipo de colectores con respecto a aquellos que concentran la radiación
solar es que los colectores planos utilizan la energía solar directa y difusa, no
requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol, prácticamente
no necesitan mantenimiento y son mecánicamente de construcción más simple que los colectores concentradores. Las principales aplicaciones de estos
dispositivos están en el campo del calentamiento de agua a nivel doméstico e
industrial, en el acondicionamiento calorífico de viviendas y en el secado de
frutas y granos.
Aunque en general el análisis se hará para colectores que utilizan un
líquido como fluido de trabajo, haciendo pequeños cambios, este análisis
también sirve para colectores que operan con gases. En general, cuando se
hable de un líquido, se tratará de agua fluyendo a través de un tubo y cuando
se hable de un gas, se entenderá que es aire que fluye por un ducto.
El colector solar plano se compone esquemáticamente de una lámina o
placa plana, capaz de absorber eficientemente la radiación solar y convertirla
en calor. Además, sobre esa placa se dispone una serie de tubos en buen contacto térmico, por los que circula un líquido calefactor, generalmente agua.
La energía solar incidente tiene que atravesar una o varias capas de vidrio
templado o de algún otro material transparente adecuado antes de alcanzar
la placa de absorción negra, que es el elemento más importante del colector
solar y sobre la cual están unidos los tubos. En esta placa, la energía radiante
se convierte en calor. Este calor posteriormente se transfiere, por conducción,
al fluido de trabajo (agua o aire), que es el que finalmente remueve la energía
térmica del colector y la transfiere al estanque de almacenamiento térmico o
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
246
08 ENERGÍA SOLAR
al espacio o producto que va a ser calentado, según la aplicación que se le esté
dando. El vidrio templado, o su equivalente, además de permitir la entrada
de la radiación solar hasta la placa de absorción, también sirve para minimizar las pérdidas de calor por radiación y convección hacia el medio ambiente
por la parte superior del colector.
El aislante térmico (espuma de poliuretano, poliestireno, lana de fibra de vidrio o algún otro), colocado en la parte posterior y a los costados
del colector, disminuye también las pérdidas de calor hacia el medio ambiente en esas partes. Todas las partes mencionadas se encuentran dentro
de una caja que sirve como parte estructural del colector y que puede ser
hecha de diversos materiales como lámina metálica, madera o plástico (Figura 8.12).
El diseño de cada colector depende fundamentalmente de la aplicación
específica a la cual vaya a destinarse. Éste debe ser diferente si, por ejemplo, se trata de calentar agua para una piscina (22 – 30 °C), agua para uso
doméstico (40 – 60 °C) o aire para acondicionamiento calorífico de edificios
(90 – 100 °C).
Cubierta de vidrio
templado
Salida
Placa de absorción
Aislamiento
Entrada
Tubos de circulación
Conector de tubos
Figura 8.12. Colector solar plano
Existen dos maneras de optimizar los colectores, mejorando la ganancia de energía que obtienen del sol o reduciendo sus pérdidas. La mejora
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
247
que aportan los colectores de tubos evacuados o tubos al vacío consiste en evitar las pérdidas por conducción y convección. Como se ha visto,
la transmisión de calor por conducción y convección necesita de la materia para poder transmitirlo. Por ello, con la colocación del absorbedor
en el interior de un tubo en el que se ha hecho el vacío se evitan dichas
pérdidas de calor. Los tubos evacuados están conformados por dos tubos
concéntricos, de borosilicato, entre los cuales se ha extraído el aire, lo que
produce un vacío. El tubo exterior, de alta resistencia al impacto, es capaz
de resistir el impacto de granizos. En la pared exterior del tubo interior se
dispone el absorbedor, como el nitrato de aluminio, que tiene una excelente absorción de energía solar y mínimas propiedades por reflexión, actúa
como captador de energía solar. Un conjunto de tubos evacuados conectados entre sí forma un colector solar de tubos evacuados como se ilustra en
la Figura 8.13.
Colector de tubos evacuados
Corte
tubo exterior
recubrimiento
tubo interior
tubos con fluidos
hoja de cobre
vacío
tubo evacuado
vidrio
Entrada
Reflector
Salida
Figura 8.13. Colector solar de tubos evacuados
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248
08 ENERGÍA SOLAR
Un calentador de agua solar funciona con base en la radiación solar,
que se transforma en calor útil en los tubos captadores y se transmite al agua
que circula por éstos; de esta manera el agua se calienta. El vacío entre los
tubos elimina las pérdidas de calor al ambiente, como ya se expresó. Los tubos evacuados simples son parte de un sistema que comprende a éstos y a un
depósito o termoestanque que mantiene el agua caliente las 24 horas al día;
funciona por efecto termosifón. Este sistema, que opera tanto con tubos
con vacío o sin éste, se utiliza cuando existe un depósito que presuriza el
agua, por lo que el depósito debe estar a una altura promedio sobre el nivel
del techo de entre 80 cm hasta 150 cm. Si el depósito está por debajo de este
nivel, el equipo no tendrá la presión suficiente para operar y no se calentará el
agua. El efecto termosifón se debe a que el agua caliente pierde densidad, por
lo que tiende a ascender de manera natural al termoestanque, mientras que
el agua fría tiende a descender dentro de los tubos evacuados, ya que tiene
mayor densidad (Figura 8.14). El movimiento del agua se realiza sin necesidad de bomba, lo que hace a los equipos más confiables, fáciles de mantener
y más duraderos.
Sistema termosifón
Estanque
acumulador
Ducha
Entrada agua fría
Colector con
tubos al vacío
Figura 8.14. Esquema de un calentador solar de agua con efecto termosifón
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
249
Este tipo de calentador ofrece la ventaja de tener las ya comentadas
escasas pérdidas de calor, pero los inconvenientes de ser muy sensible a la
presión y de no ofrecer ninguna protección contra las bajas temperaturas. A
estas temperaturas no es posible su utilización porque la dilatación del agua,
al congelarse, puede reventar los tubos.
8.8.3 DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO CON COLECTORES
PLANOS PARA OBTENER AGUA CALIENTE SANITARIA
En esta sección se analizara el método de cálculo de una instalación para
Agua Caliente Sanitaria (ACS) de una vivienda, el cual fue tomado del documento Proyecto de instalación de energía solar para la obtención de agua
caliente sanitaria (http://www.biblioteca.org.ar/libros/211403.pdf).
8.8.3.1 CARACTERÍSTICAS DE LA VIVIENDA Y CÁLCULO DE SU CONSUMO
ENERGÉTICO
Se analiza el caso de una vivienda unifamiliar cuya ubicación geográfica es
40°58’12” Norte, 5°39’48” Oeste y una elevación de 819 m sobre el nivel de
mar (Photovoltaic Geographical Information System, PGVIS). La vivienda
está habitada los 12 meses del año por sus 7 miembros y por 3 miembros
adicionales en los meses de verano. La casa tiene una azotea de 73 m2 y elementos preinstalados para el sistema de agua caliente, tales como la tubería
de alimentación de agua fría y tubería aislada para el agua caliente, desagüe y
línea eléctrica. En su entorno no hay elementos que obstaculicen la radiación
solar al producir sombras.
Cálculo del consumo de ACS: se estima que el consumo de ACS
promedio por persona es de 40 L diarios por persona y la temperatura de consumo es de 45 °C. A partir de estos supuestos se calculan los requerimientos
de energía mensual para satisfacer estas necesidades. La Tabla 8.6 resume las
condiciones de ocupación y consumo mensuales y las necesidades de energía
para cubrir la demanda de la vivienda en estudio para un aumento de temperatura, Δt.
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250
08 ENERGÍA SOLAR
TABLA 8.6. CONSUMO Y DEMANDA ENERGÉTICA MENSUAL DE LA VIVIENDA
EN ESTUDIO
Temperatura Salto térmico Demanda
Ocupación Consumo
agua fría (tf)
(Δt)
energética
3
(%)
(m )
(°C)
(°C)
(KW·h)
Enero
70
8,7
5
40
403
Febrero
70
7,8
6
39
355
Marzo
70
8,7
8
37
373
Abril
70
8,4
10
35
342
Mayo
70
8,7
11
34
343
Junio
70
8,4
12
33
322
Julio
100
12,4
13
32
461
Agosto
100
12,4
12
33
476
Septiembre
70
8,4
11
34
332
Octubre
70
8,7
10
35
353
Noviembre
70
8,4
8
37
361
Diciembre
70
8,7
5
40
403
Total año
110
4524
La energía requerida por elevar la temperatura del agua está dada por
la ecuación [5.3] (sección 5.1.2):
Q = m · ce ∙ (tc − tf) = m · ce ∙ Δt
Donde m: masa de agua; ce: calor específico del agua; tc : temperatura
del agua caliente; tf: temperatura del agua de entrada al sistema; Δt: salto
térmico.
Irradiación solar mensual: una vez calculada la demanda energética de la vivienda, se requiere conocer la energía que aportará el sol para
evaluar la energía que se podrá generar para cubrir una fracción de dicha
demanda. La información sobre radiación de diferentes localizaciones se
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
251
puede obtener, como ejemplo, utilizando el sistema de información geográfico para la irradiación solar (Photovoltaic Geographical Information System,
PVGIS). Para la localización que se estudia: 40°58’12” Norte, 5°39’48” Oeste,
elevación: 819 msnm, se obtienen los valores que se resumen en la Tabla 8.7.
La cobertura solar mínima anual necesaria para una instalación varía
dependiendo de la zona climática y de los diferentes niveles de demanda de
ACS a una temperatura de diseño dada.
TABLA 8.7. INFORMACIÓN DE LA IRRADIACIÓN MENSUAL EN LA LOCALIDAD
EN ESTUDIO (*)
Mes
Hh
Hopt
H(90)
Iopt
tD
t24h
NDD
Enero
1910
3050
3080
62
5,7
5,1
370
Febrero
2690
3800
3390
54
7,5
6,5
309
Marzo
4420
5580
4180
44
11,1
9,6
225
Abril
4960
5320
3100
26
12,7
11,2
180
Mayo
6310
6180
2880
16
16,6
15,1
47
Junio
7160
6710
2670
7
22,4
20,4
6
Julio
7220
6920
2840
11
24,2
22,3
0
Agosto
6480
6820
3500
23
24,0
22,0
4
Septiembre
4850
5820
3960
38
20,2
18,3
64
Octubre
3250
4420
3730
51
15,5
14,0
179
Noviembre
2010
3020
2900
59
9,5
8,3
348
Diciembre
1460
2240
2240
61
6,4
5,6
388
Año
4400
5000
3210
33
14,7
13,2
2120
(*) Los valores utilizados en el proyecto en análisis fueron obtenidos de otra fuente.
Donde: Hh: irradiación sobre el plano horizontal (Wh/m2/día); Hopt:
irradiación sobre plano de inclinación óptima (Wh/m2/día); H(90): irra-
diación sobre plano en ángulo de 90° (Wh/m2/día); Iopt: inclinación óp-
tima (grados); tD: temperatura promedio en las horas de día (°C); t24h:
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252
08 ENERGÍA SOLAR
temperatura promedio en 24 horas (°C); NDD: número de grados-día de
calentamiento.
Corrección de la radiación solar media: recuérdese que la radiación solar media (H) es la cantidad de energía por unidad de superficie
horizontal y depende de la latitud del lugar. Uno de los factores que afecta
esta energía que recibe un captador solar es la calidad del aire, la cual se
puede obtener de datos meteorológicos del lugar. Se utiliza un factor de corrección de la radiación solar por calidad del aire que se designa por K, y se
encuentra en el rango 0,95<K<1,05, utilizándose el factor de 0,95 para zonas
de alta polución y 1,05 si la pureza del aire es alta.
Radiación solar útil (Hu): corresponde a la energía que realmente
llega al captador, teniendo en cuenta la inclinación de éste sin considerar su
rendimiento. Se aplica una reducción del 6%, lo que da un factor de 0,94
para calcular la radiación efectiva debido a la menor radiación en las primeras horas de la mañana y últimas de la tarde. De este modo, la energía solar
útil (Hu) se calcula con la relación [8.14] y se expresa en KWh/m2∙día:
Hu = 0.94 · K · HCOR ; Hu / HCOR= K · 0,94
[ 8.14]
Donde: 0,94: reducción de la radiación global de 6%; K: factor correctivo (adimensional) de la latitud del lugar donde se ubica la instalación y de la
inclinación del captador; HCOR: radiación solar media (H) multiplicada por el
factor de corrección de calidad del aire.
Nótese que la ecuación [8.14] establece una razón entre radiaciones, de
la misma manera que la ecuación [8.6] (sección 8.6), que sirve para estimar
radiaciones de forma indirecta.
Radiación solar captada o aporte de energía solar (Hc): la eficiencia del colector es afectada por dos factores: la temperatura ambiente y
la temperatura del fluido de trabajo. Las pérdidas térmicas que generan los
componentes del sistema oscilan entre 5 y 20% y se producen principalmente
por la aislación de los elementos. Para efectos de diseño las pérdidas se estiman en 10%. El aporte de energía solar se calcula mediante la fórmula:
Hc = 0.9 · η · Hu
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[8.15]
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
253
Donde: Hc: radiación solar captada (KWh/m2∙día); η: rendimiento del
captador (ec. [8.13]); Hu: radiación útil (KWh/m2∙día).
8.8.3.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN
Este cálculo fue realizado mediante el programa informático CENSOL 4.0
(©1998-2000 PROGENSA). Censol 4.0, y su versión más reciente (2005), es
un software sobre energía solar (http://www.censolar.es/censol50.htm)
que incluye una base de datos de radiación que se utilizan para el dimensionado y modificación de instalaciones que emplean energía solar. Dentro de
la información que entrega para el dimensionamiento de instalaciones solar
térmica para ACS se encuentra: el dimensionado de la superficie colectora,
balance energético y aportación solar correspondientes; la estimación de la
temperatura máxima y la residual de acumulación en función de la superficie
colectora, el volumen y la temperatura de acumulación.
Definición de los parámetros de entrada: la Tabla 8.8 resume los
datos de entrada para el cálculo, los que se explican a continuación.
TABLA 8.8. DATOS DE ENTRADA PARA EL CÁLCULO DE LA SUPERFICIE
DE COLECTORES
Datos de entrada
Parámetro
Valor
Inclinación, γ (°)
45
Desviación N-S, ß (°)
0
Corrección de H, la energía incidente/m²
1,05
Pérdidas globales (%)
15
Número de usuarios
10
Consumo diario por usuario (l)
40
Superficie del colector (m²)
Parámetros b y m
2,01
0,83 y 4,8
Temperatura de uso del agua (°C)
Precio del KWh auxiliar (US$)*
45
0,10
* Valores originales en pesetas españolas. Equivalencia del año 2000 1 US$ = 178,73
pesetas
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254
08 ENERGÍA SOLAR
El significado de los parámetros de datos operativos es el siguiente:
– Inclinación, γ (°): es el ángulo entre la proyección sobre el plano
horizontal de la normal a la superficie del captador y el meridiano
del lugar (ver Figura 8.5). Los valores típicos son 0° para captadores
orientados al este, -90° para aquéllos orientados al sur y +90° para
captadores orientados al oeste. En este caso la inclinación de los colectores de 45º corresponde al valor en el que el aporte solar es máximo para la latitud considerada.
– Desviación N-S, ß (°): ángulo que forma la superficie de los captadores con el plano horizontal (ver Figura 8.9). Para el plano horizontal
el valor de ß es 0° y para el plano vertical es de 90°. En el caso estudiado el colector es horizontal, por lo tanto ß es 0°.
– Corrección de H, la energía incidente/m²: factor de corrección de la
energía incidente de acuerdo a la localización de la vivienda (latitud
y longitud).
– Pérdidas globales (%): pérdidas de energía en la operación del sistema tales como en el colector, tuberías, bombas, intercambiador y
acumulador.
– Número de usuarios: número de personas que habitan en la vivienda.
– Consumo diario por usuario (L): estimación del volumen de agua caliente ocupada por habitante de la casa.
– Superficie del colector (m²): superficie útil de captación.
– Temperatura de uso del agua (°C): temperatura del agua que se espera tener en el acumulador.
– b y m corresponden a los parámetros de la ecuación de la eficiencia
del colector (sección 8.8.1, ecuación [8.13]), donde b es la intersección con el eje Y, el factor óptico del panel y m, la pendiente de la
recta, su factor de pérdidas térmicas. En el presente caso los valores
dados por el fabricante son: b = 0,83, el cual se corrige con el factor
0,94 por ser un colector con cubierta, y m = 4,8.
Resultados entregados por el sistema informático: la Tabla 8.9
resume los resultados finales entregados por el sistema informático.
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
255
TABLA 8.9. RESULTADOS DEL CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE COLECTORES
Resultados
Parámetro
Valor
Demanda anual, Dae (KWh)
4524
Radiación útil anual , Hu (KWh/m²)
677,5
Radiación producida por sistema, Hp (KWh)
3305
Déficit de energía (KWh)
1219
Déficit energético (%)
26,9
Aporte solar (%)
73,1
Aporte solar, Hp (KWh)
3305
Superficie total colectores (m²)
6,01
Número de colectores
3
Costo energía auxiliar anual (US$)
116
Ahorro anual (US$)
315
Análisis de los resultados:
– Demanda anual de energía, Dae (KWh): es la energía requerida para
satisfacer el consumo anual de ACS de la vivienda. Se obtiene de la
Tabla 8.6 y corresponde a 4524 KWh.
– Radiación útil anual, Hu (KWh/m²): es la energía solar térmica
disponible que realmente llega al captador, teniendo en cuenta la
inclinación de éste sin considerar su rendimiento; su valor es de
677,5 KWh/m².
– Radiación solar anual, (Hp) (KWh): es la energía solar producida
por el sistema solar para cubrir la demanda, la cual corresponde a
3305 KWh.
– Aporte solar (%): es la fracción de energía aportada por el sistema
solar térmico para cubrir la demanda anual; en este caso es de 73,1%.
– Déficit de energía (KWh): es la diferencia entre la energía demandada
y la energía neta producida por el sistema solar térmico y corresponde
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256
08 ENERGÍA SOLAR
a la energía auxiliar que se debe aportar cuando la energía solar no
cubre el 100% de la demanda. En este caso el déficit es de 1219 KWh.
– Déficit energético (%): corresponde a la fracción de energía auxiliar
anual necesaria para satisfacer la demanda. Es de 26,9%.
– Área total de colectores (Acol): el área total de los colectores se calcula
mediante la ecuación:
[8.16]
Acol = Dae / Hu
Dae: demanda anual de energía (KWh); Hu: radiación útil anual por
m2 (KWh).
– Número de colectores: es el número de unidades utilizadas en la instalación y se calcula mediante la ecuación:
[8.17]
N° colectores = Área total / Área colector
Si la superficie total necesaria es 6,67 m2 y la superficie útil de captación del tipo de colector que se va a utilizar es 2,01 m2, el número de
colectores da 3,3 y se aproxima el resultado a 3 unidades. Utilizando
los valores de la Tabla 8.8 da una superficie necesaria de 6,67 m2.
– Si se proyecta reemplazar parcialmente un sistema tradicional, gas
o electricidad de ACS por una instalación solar térmica, el área de
captación de colectores se calcula mediante la siguiente fórmula:
Ac = (Hu anual / Hp anual) · Cobertura deseada
[8.18]
Ac : área de captación (m2); Hu anual: demanda anual de energía (KWh);
Hpanual: radiación producida anual (KWh/m2); Cobertura deseada:
fracción de la energía tradicional que se desea reemplazar.
– Costo de energía auxiliar anual y ahorro (US$): en este caso corresponde al producto del precio del KWh (116 US$) por el consumo de
la energía auxiliar.
– Ahorro anual (US$): es el costo equivalente de energía auxiliar ahorrada por el sistema solar. Resulta igual a 315 US$.
– Eficiencia o rendimiento del colector (η) (%): en el presente caso los
valores dados por el fabricante son: b = 0,83, el cual se corrige con el
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
257
factor 0,94 por ser un colector con cubierta, y m = 4,8, por lo que la
ecuación de rendimiento es:
η = 100[0,83 – 4,8 (tf – ta) / I] = 83 – 480(tf – ta) / I
El sistema informático calcula el rendimiento o eficiencia real (η) mensual de acuerdo a la radiación incidente I, el cual fluctúa entre 13,2% en el
mes de menor radiación y 62,8% en el de mayor radiación.
La Fracción Solar (FS) es la cantidad de energía solar obtenida dividida por el total de la energía requerida para satisfacer la demanda y se define
mediante la ecuación:
FS = Qsolar / (Qcaldera + Qsolar)
[8.19]
Donde: FS: indica la fracción solar (%); Qsolar: es la energía térmica
anual producida por un colector (KWh); Qcaldera: es la energía térmica anual
proporcionada por una caldera u otro sistema auxiliar de calentamiento del
agua (KWh).
Según la ecuación [8.18], con Qsolar = 3305 KWh y Qcaldera = 1219 KWh,
da un valor de FS = 73,1%.
El Factor de ahorro (o energía ahorrada, fahorrada) es un índice simi-
lar que indica la energía térmica ahorrada por el empleo de un sistema térmico solar comparado con la energía que utilizaría un sistema de referencia no
solar para el mismo propósito. Se calcula empleando la ecuación:
fahorrada = 1- (Qauxiliar / Qcald-ref)
[8.20]
Donde: fahorrada: fracción de energía ahorrada por el sistema solar tér-
mico (%); Qauxiliar: energía térmica utilizada por el sistema auxiliar (KWh);
Qcald-ref: energía térmica que utilizaría una caldera de referencia sin el siste-
ma térmico solar (KWh).
En este caso el aporte solar se calcula con la ecuación [8.20], considerando Qauxiliar = 1219 kWh y Qcald-ref = 4524 kWh, de modo que fahorrada = 73,1%.
El Rendimiento de energía solar específico (SE) describe la
cantidad de energía anual entregada al estanque de almacenamiento por un
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258
08 ENERGÍA SOLAR
colector de 1 m2 de área superficial. Este índice se calcula por medio de la
ecuación:
SE = Qsolar / Acolector-ref
[8.21]
Donde: SE: es el rendimiento de energía solar específico anual (KWh/
m ); Qsolar: energía anual producida por el colector (KWh/a); Acolector-REF: área
2
del colector a la cual se refiere el rendimiento (bruto, abertura, o área de ab-
sorción) (m2). Según la ecuación [8.21], el rendimiento solar específico anual
de la instalación para la energía producida, Qsolar = 3305 KWh, con una su-
perficie de captación de 6,03 m2, es de 548 KWh.
8.8.3.3 COMPONENTES Y CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Se instaló un sistema solar térmico activo indirecto para ACS que tiene los
siguientes componentes y características: sistema de captación de energía
solar; circuito primario cerrado; bomba eléctrica para circulación forzada de
bajo consumo de energía; un estanque acumulador, un intercambiador de
calor y aporte de energía auxiliar, con resistencia eléctrica como calefactor,
incorporados en el acumulador.
Dimensionamiento del volumen de captación: los sistemas de
producción de ACS con colectores solares requieren de un medio de acumulación de energía para adaptar la oferta de radiación solar con la demanda de
agua caliente de la vivienda. El consumo diario total en litros, M, se calcula
mediante la siguiente relación:
M = D · P · fs
[8.22]
Donde: D: demanda por persona; P: número de usuarios en la vivienda; fs: factor de simultaneidad según el número de viviendas, n, conectadas
al sistema:
fs = 1 si n < 10 viviendas;
fs =1,2 – (0,02 · n) si 10 < n < 25 viviendas
fs = 0,7 si n > 25 viviendas
Tratándose de una vivienda, la estimación de la demanda diaria, con 10
habitantes y un consumo de 40 L/día∙persona, será de 400 L/día.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
259
De acuerdo a la normativa correspondiente, la relación entre el consumo diario (M en L/día) y el área de captación solar (A en m2) debe ser:
50< M /A <180
50∙A < M < 180∙A
En el caso analizado, se usarán tres colectores con superficie de 2,01 m2
cada uno, de modo que A = 6,03 m2 y el volumen de captación, para satisfacer
el consumo, es de 400 L, lo que concuerda con la norma. Para ello se utilizará
un estanque de acumulación de 400 L.
Subsistema de captación: de acuerdo con los resultados obtenidos
anteriormente, se instalarán tres colectores en un esquema de retorno invertido como se aprecia en la Figura 8.15. Estos colectores son un modelo comercial, NORDSOL1, cuyas características son (http://www.eurotecam.es/web/
empresa.php): tamaño exterior: 106 cm · 205 cm · 8 cm, una superficie de captación total de 6,03 m2, y con una inclinación de 45° orientada hacia el sur;
su ecuación característica está dada por la ecuación [8.13] con b = 0,83 y m =
4,80; el panel es de acero inoxidable; el contenido líquido: 2,4 L (1,194 L/m2 );
su capacidad térmica es de 22,1 KJ/K; la absortividad (“porción de radiación
solar que se transforma en energía térmica del cuerpo sobre el que se transmite”) es 0,98 y la emisividad (“fracción emitida por una superficie respecto
de la emisión de un cuerpo negro a una longitud de onda dada”) es 0,11; su
producción diaria máxima es 13,7 KW (6,8 KW/m2).
Purgador
Colector
Colector
RETORNO
Colector
Salida
agua caliente
IDA
Entrada agua fría
Figura 8.15. Esquema del circuito del agua a través de colectores de retorno invertido
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
260
08 ENERGÍA SOLAR
Subsistema de acumulación-intercambio-energía auxiliar:
en el uso de energías renovables se presenta frecuentemente un desfase
en el momento en el que se necesita la energía y el momento en que la
energía está disponible. Dado que la radiación solar no es permanente se
requiere instalar un estanque de almacenamiento para hacer coincidir esos
tiempos.
El volumen del acumulador que se va a utilizar es de 400 L, como se
estimó precedentemente, que por razones de simpleza y dimensión incluye
intercambiador de calor y el sistema de energía auxiliar. Se considera que la
superficie de intercambio debe ser de 1/4 a 1/3 de la superficie colectora total,
la que en este caso es de 6,03 m2; por lo tanto, la superficie de intercambio
está comprendida entre 1,5 y 2,0 m2, siendo la superficie de intercambio usada de 1,8 m2. La potencia eléctrica de la resistencia se calculó en 900 W, por lo
que se usó una de 1000 W. El fluido de transferencia de calor anticongelante
es una mezcla de agua con propilenglicol de 40% en peso de éste y que soporta temperaturas de –21 °C.
Diseño de los subsistemas complementarios: se entenderá por
subsistemas complementarios aquellos que son necesarios para la operación
de los equipos principales pero que no tienen incidencia directa en la transformación de energía solar en térmica para la producción de ACS tales como:
el subsistema hidráulico el subsistema de control y el aislamiento de las tuberías y elementos del circuito primario.
Diseño del subsistema hidráulico: el subsistema hidráulico comprende: tuberías, bomba de circulación, vaso de expansión, purgadores y
desaireadores; los subsistemas de control, que incluyen termostatos activadores y desactivadores; el aislamiento de las tuberías y de elementos del circuito primario.
Tuberías: el material elegido para las tuberías es cobre, tanto para
el circuito primario como para el secundario. Para calcular el diámetro de la
tubería se utiliza la expresión:
D = j ∙ C0,35
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[8.23]
Alfaomega
8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
261
Donde: D: diámetro en cm; C: caudal en m3/h; j = 2,2 para tuberías
metálicas.
Cálculo del caudal: el caudal sugerido para los colectores que se van
a utilizar es de 2,4 L/min∙colector si el fluido de intercambio es agua; si es
diferente, se debe incluir en el cálculo el calor específico del fluido. El fluido
que se va a utilizar tiene un calor específico ce de 0,91 Kcal/Kg∙°C. Para el
conjunto de 3 paneles el caudal será:
C = (caudal unitario/ce) ∙ 3 = 7,92 L/min = 0,475 m3/h
Sustituyendo el valor del caudal en la ecuación [8.22] se obtiene que
el diámetro de la tubería debe ser de 17 mm. El diámetro normalizado de la
tubería de cobre más cercano al valor obtenido es de 18 mm exterior y de 16
mm interior, por lo que se adopta esta última tubería.
Pérdida de carga: es la pérdida de energía experimentada por líquidos que fluyen en tuberías y canales abiertos y corresponde a la energía
necesaria para vencer los efectos del rozamiento en el flujo turbulento. También incluye las pérdidas de energía localizadas en las turbulencias debidas
a las piezas especiales y accesorios que se utilizan en tuberías y canales. La
pérdida de carga lineal se representa habitualmente por el símbolo hl y se
expresa en metros de columna de agua (mca) o milímetros de columna de
agua (mmca).
El cálculo aproximado de la pérdida de carga total del circuito primario
considera la longitud de tubería lineal y la longitud equivalente de las singularidades utilizadas. De acuerdo a la Tabla 8.10 la longitud equivalente de
todas las singularidades es de 53,9 m y la longitud real de tubería lineal es de
20 m, por lo que la longitud total, Ltot, para el cálculo de las pérdidas de carga,
es de 73,9 m. La estimación de las pérdidas de carga por metro lineal de una
tubería de cobre de 16 mm de diámetro interior es de 16,87 mmca/m (http://
www.biblioteca.org.ar/libros/211403.pdf).
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
262
08 ENERGÍA SOLAR
TABLA 8.10. LONGITUD EQUIVALENTE DE SINGULARIDADES DE LAS TUBERÍAS
Cantidad
Longitud equivalente
de c/u (m)
Total (m)
Derivación en T
12
2,2
26,4
Válvula de bola
6
1
6
Codos de 90º
6
1,5
9
Entrada a depósito
1
1,5
1,5
Salida depósito
1
1
1
Válvula de retención
1
10
10
Singularidad
Total Singularidades
53,9
Como la pérdida de carga por metro lineal es 16,87 mmca/m, la pérdida total en la tubería, incluidas las singularidades, equivalente a 73,9 m, será
de 1247 mmca (1,247 mca). El intercambiador de calor tiene una pérdida de
carga de 1 mca.
Bomba de circulación: la selección del tipo de bomba debe considerar las temperaturas de trabajo de los fluidos, los caudales y las pérdidas de
carga en los circuitos. La potencia de la bomba adecuada se calcula utilizando
la relación:
P = C ∙ Dp
[8.24]
Donde: P: potencia eléctrica de la bomba; C: caudal del fluido; Dp: pérdida de carga del circuito.
Las pérdidas de carga en los colectores y en el intercambiador son proporcionadas por los fabricantes de los equipos; para los colectores que se
utilizan en este ejemplo, la pérdida de carga es de 275 mmca a 20 °C para el
caudal recomendado de 7,92 L/min ó 0,475 m3/h. La pérdida de carga del
conjunto de 3 paneles se calcula con la fórmula:
Δpt = Δp · N · (N+ 1) / 4
[8.25]
Donde: Dpt : pérdida de carga del grupo de paneles; Dp: pérdida de
carga de un panel; N: número de colectores.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
263
En este caso la pérdida de carga total de los 3 colectores solares es de
825 mmca. El total de las pérdidas de carga considerando tuberías, colectores e intercambiador de calor es de 3,1 mca, lo que, convertido a N/m2 (1
mca equivale a 9800 N/m2), da un valor de 30 380 N/ m2. El caudal obtenido
anteriormente de 0,475 m3/h equivale a 131,9∙10-6 m3/seg y, reemplazando
estos valores en la ecuación [8.24], se obtiene que la potencia requerida es de
4 W, pero si se considera un rendimiento del 25% para la bomba, la potencia
nominal será de 16 W.
Vaso o estanque de expansión; la función de este elemento es la
absorción de los aumentos y disminuciones de volumen que pueda sufrir un
fluido en un circuito cerrado producidos por los cambios de temperatura. El
dimensionamiento del vaso de expansión se efectúa mediante la ecuación:
V = VT(0,2 + 0,01 h)
[8.26]
Donde: V: es la capacidad del vaso de expansión; VT: la capacidad total
del circuito primario; h: diferencia de altura entre el punto más alto del campo de colectores y el depósito de expansión en metros.
El cálculo aproximado de la capacidad de fluido total del circuito primario se efectúa considerando: la longitud, lt, de tubería (lt = 20 m) de 20 mm
de diámetro interior (r = 10 mm ó 10-3 m), la capacidad de los tres captadores
y la del intercambiador del serpentín integrado en el acumulador aplicando
la relación: V = π ∙ r2 ∙ lt, lo que da 6,3 L. La capacidad de los 3 colectores, de
acuerdo a las características dadas por el fabricante, es de 2,4 L cada uno, lo
que significa 7,2 L en total. El volumen del intercambiador se estimó en 10 L,
por lo que la capacidad total estimada del circuito primario es de 23,5 L, valor
que se aproxima para el cálculo a 24 L. La diferencia de alturas entre el punto
superior de los colectores y el estanque de expansión (h) se estimó en 2 m,
por lo cual, aplicando la relación [8.26], su volumen resulta de 5,28 L, que se
aproxima a 6 L.
Purgadores y desaireadores: son dispositivos que extraen el aire
presente en el circuito de la instalación durante el proceso de llenado y el
funcionamiento normal del sistema solar térmico. Los purgadores se colocan
en los puntos altos de la salida de los colectores y en aquellos puntos donde se
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
264
08 ENERGÍA SOLAR
puede acumular aire. El purgador tiene un volumen útil 15 cm3/m2 de colector, por lo que en el caso de 3 colectores, con un total de 6,01 m2, se requieren
90 cm3.
Subsistema de regulación y control: los equipos de control tienen
por objetivo regular el flujo del fluido de transferencia de calor modificando
la operación de la bomba. La resistencia eléctrica del acumulador es controlada por un termostato que la activará cuando la temperatura baje a 35 °C y la
desactivará cuando supere los 45 °C. La bomba de circulación se controla por
un termostato diferencial que consta de dos sondas: una situada a la salida de
los colectores y la otra, en la parte baja del acumulador que activa la bomba
cuando la diferencia de temperatura del colector y del acumulador sea de 5
°C y la desactiva cuando la diferencia es de 2 °C. El modelo elegido es Control
Proporcional CEP 1201 de la firma RAYOSOL.
Aislamiento: para reducir al máximo las pérdidas de calor en las tuberías se utilizan aislantes adecuados cuyas principales propiedades para su
selección son: baja conductividad térmica, ignífugo, resistencia al envejecimiento y a la acción de humedad, no producir efectos nocivos a las personas
y adversos al medio ambiente y bajo costo. La aislación térmica de tuberías y
demás elementos del circuito primario es de espuma elastomérica a base de
caucho sintético y con estructura celular cerrada que permite controlar las
pérdidas de calor y ahorrar energía, en rangos de temperaturas desde -50 °C a
+ 105 °C; es muy resistente al agua, su conductividad térmica es ≤ 0,35 W/(m
∙ K), su peso específico es de 60 Kg/m3 y es amigable con el medio ambiente
pues es libre de clorofluorocarbonos (CFC) y tiene un revestimiento resistente a la radiación solar para evitar la degradación del aislamiento. Su espesor
es de 20 mm en tramos interiores y 30 mm en los exteriores.
8.8.3.4 VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO
El análisis financiero de la instalación analizada que se presenta a continuación se entrega como un ejemplo de cálculo para este tipo de proyectos y sólo
debe ser considerado bajo las condiciones económicas de la época en que fue
construido, pues no necesariamente arrojaría los mismos resultados en las
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
265
condiciones económicas, financieras y tecnológicas actuales. La Tabla 8.11
resume los gastos e inversiones realizadas en los distintos equipos, materiales, instalación y puesta en marcha.
TABLA 8.11. GASTOS E INVERSIONES REALIZADOS PARA EL PROYECTO
Inversiones
Partida
Dólares USA
Material solar
1870
Material hidráulico
2093
Material eléctrico
313
Material aislante
147
Otros
297
Instalación y puesta en marcha
448
Transporte
196
Total antes de impuesto
5364
Impuesto (16%)
858
Presupuesto total IVA incluido
6222
El empleo de energía solar puede significar un considerable ahorro en
dinero para una familia, empresa o grupo de viviendas. La Tabla 8.12 entrega
los ahorros netos anuales durante los años de vida estimados de la instalación.
TABLA 8.12. AHORRO NETO ANUAL
Período
US$
Período
US$
Año 1:
288
Año 11:
2162
Año 2:
357
Año 12:
2617
Año 3:
441
Año 13:
3165
Año 4:
543
Año 14:
3825
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
266
08 ENERGÍA SOLAR
Período
US$
Período
US$
Año 5:
666
Año 15:
4618
Año 6:
814
Año 16:
5572
Año 7:
993
Año 17:
6718
Año 8:
1209
Año 18:
8096
Año 9:
1470
Año 19:
9752
Año 10:
1784
Año 20:
11 742
El análisis financiero requiere de información cuyos datos y resultados,
luego de realizados los correspondientes cálculos, se entregan en la Tabla
8.13.
TABLA 8.13. ANÁLISIS FINANCIERO DEL SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Datos
Factor
Valor
Vida de la instalación
20 años
Inversión diferencial
US$ 6222
Ahorro
US$ 315
Mantenimiento
US$ 84
Índice real de inflación
7%
Incremento de precios
20%
Interés financiero
5%
Resultados
Índice
Tiempo de retorno
Tasa Interna de Retorno (TIR)
Valor
11 años
19%
De acuerdo a los resultados de ahorro obtenido, la inversión se recuperaría en 11 años. La Tasa Interna de Retorno (TIR) es de un 19%, valor
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
267
considerado superior a la rentabilidad de un depósito bancario a plazo fijo de
esa misma cantidad.
8.8.3.5 BENEFICIO AMBIENTAL DEL SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Además de los beneficios económicos, es importante considerar que el ahorro energético producido por uso de la energía solar significa una reducción
de la contaminación ambiental. El ahorro de energía eléctrica generado por
esta pequeña instalación, de acuerdo a los datos entregados por el fabricante, equivale a la NO emisión a la atmósfera de 360 Kg de dióxido de carbono
(CO2), 5 Kg de dióxido de azufre (SO2) y 1,5 Kg de óxidos de nitrógeno (NOx)
al año.
8.8.4 TECNOLOGÍAS PARA LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA
En estos casos se capta la energía solar mediante colectores de alta temperatura, formados por espejos que son superficies pulidas que reflejan la radiación solar.
Las centrales eléctricas termosolares, o termosolares de potencia,
captan energía solar que se utiliza para calentar un fluido a alta temperatura.
Ese calor genera vapor, que a su vez mueve una turbina y ésta, un generador.
La generación termosolar de potencia eléctrica requiere el uso de colectores solares que concentran la energía radiante. Estos concentradores
son sistemas de espejos que reflejan la radiación solar captada en un área
dada hacia un receptor de área menor, concentrando así la energía recibida.
En el receptor, la energía solar es absorbida y transferida en forma de calor
hacia un fluido de trabajo (aceites térmicos, agua, aire, sales fundidas), el
cual a su vez lo transfiere a un intercambiador de calor para producir vapor
de agua. El aumento en la densidad de la energía obtenido con los sistemas
de concentración solar permite alcanzar temperaturas suficientemente altas
para producir vapor con las características adecuadas, de modo que se pueda
usar en turbinas de vapor convencionales. Esta tecnología se conoce genéricamente como “energía solar concentrada”.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
268
08 ENERGÍA SOLAR
El calor solar colectado durante el día se puede guardar de diversas
maneras para su utilización durante la noche o en horas de baja irradiación
solar. Para ello se emplean materiales cerámicos o sustancias que cambian de
fase con el calor, como las sales fundidas.
Las tecnologías de energía solar concentrada constan de cuatro componentes fundamentales: a) un concentrador óptico, espejo, que capta y
concentra la radiación solar, b) un receptor solar que absorbe la radiación
concentrada y transfiere el calor al sistema de conversión de energía térmica
en mecánica, c) un sistema de transporte-almacenamiento y d) un generador eléctrico. Respecto del receptor solar, se trata de que se comporte
como un cuerpo negro, que idealmente absorba toda la energía radiante que
incide sobre él, solamente presentando pérdidas por emisión. Las tres tecnologías de concentración solar más utilizadas son: los concentradores cilindros parabólicos, lo concentradores discos parabólicos y los concentradores
de torre central con campo de helióstatos.
8.8.4.1 CONCENTRADORES CILINDROS PARABÓLICOS (CCP)
Son concentradores de foco lineal con seguimiento en un solo eje, cuyas concentraciones de radiación son de 30 a 80 veces y potencias de campo unitario
entre 30 y 80 MW. Están compuestos por espejos en forma de canales parabólicos que reflejan la radiación solar directa, concentrándola sobre un tubo
absorbente colocado en la línea focal de la parábola. Esta radiación concentrada sobre el tubo absorbente hace que el fluido que circula por su interior se
caliente, transformando de esta forma la radiación solar en energía térmica,
en forma de calor latente (sección 5.1.1) del fluido. Todos los modelos disponen de un sistema de seguimiento con el propósito de orientarlos en la mejor
posición para captar eficazmente la radiación solar durante el transcurso del
día. Los valores usuales del flujo de radiación sobre el absorbente de un CCP
están entre 40 y 60 KW/m2 y pueden operar eficientemente hasta temperaturas del orden de 450 ºC. La Figura 8.16 muestra un esquema de un CCP típico
y el mecanismo de concentración y transformación de la radiación solar en
este tipo de captador solar.
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
269
Tubo
absorbedor
Espejo curvado
Tubería fluido
térmico
Figura 8.16. Concentrador solar cilindros parabólicos
Como cualquier otro captador de concentración, los CCP sólo pueden
aprovechar la radiación solar directa, lo que exige que el colector vaya modificando su posición durante el día. Este movimiento se consigue mediante un
giro alrededor de un eje paralelo a su línea focal.
Un conjunto de colectores cilindros parabólicos conectados en serie
y dispuestos en filas paralelas constituye un campo solar que convierte la
radiación solar directa en energía térmica calentando un aceite que circula
por los tubos absorbentes de dichos colectores. El aceite calentado se envía
a un intercambiador de calor donde se produce vapor sobrecalentado necesario para generar electricidad. Así operan las nueve plantas con la tecnología Solar Electricity Generating Systems (SEGS) actualmente en operación
en California, con sus más de 2,5 millones de metros cuadrados de CCP y
con una capacidad de producción de 354 MW. Dichas plantas carecen de
almacenamiento térmico, por lo que deben tener calderas auxiliares, operadas con gas natural, para emplearse como complemento del campo solar
cuando no existe radiación solar apropiada o durante la noche. Se tiene así
un ciclo combinado de una central solar con una térmica convencional. En
España, en la Plataforma Solar de Almería, se han instalado prototipos de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
270
08 ENERGÍA SOLAR
la tecnología SEGS para desarrollar mejoras en el captador solar y en la
eficiencia térmica a través de la generación directa de vapor en los tubos
absorbentes.
8.8.4.2 CONCENTRADORES DISCOS PARABÓLICOS
Consisten en un concentrador en forma de plato o disco parabólico con un
receptor en la zona focal. Los niveles de concentración son 1000 a 4000 veces y
las potencias unitarias son de 5 a 25 KW. Estos concentradores se montan en
una estructura con un sistema de seguimiento de dos ejes. El calor colectado
se utiliza directamente mediante un motor térmico montado en el receptor
que se mueve solidariamente con la estructura del disco. Los motores de ciclo Stirling son los que se utilizan actualmente para la conversión de energía
térmica en mecánica-eléctrica. El motor de ciclo Stirling es una máquina térmica (sección 5.4) que opera con ciclos de compresión y expansión de aire
u otro fluido a diferentes temperaturas, de tal manera que se produce una
conversión de calor en trabajo mecánico. La Figura 8.17 muestra el esquema
de un concentrador solar disco parabólico.
Motor
Reflector
Figura 8.17. Concentrador solar disco parabólico
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
271
En los proyectos de sistemas modulares se han alcanzado capacidades
totales de hasta 5 MW. Los módulos tienen tamaños máximos de 50 KW. Este
tipo de tecnología es actualmente la más eficiente de todas las tecnologías
solares, con cerca de 25% de eficiencia neta de conversión de energía solar en
eléctrica.
Debido a la curvatura parabólica del concentrador y a la baja relación
distancia focal/diámetro, se pueden conseguir altas relaciones de concentración por encima de 3000. Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de
operación entre 650 y 800 ºC, lo que da lugar a eficiencias en el motor Stirling
del orden del 30 al 40%. La superficie cóncava del concentrador está cubierta
por espejos de vidrio de segunda superficie con su correspondiente curvatura
parabólica o bien por espejos delgados o polímeros metalizados. Los receptores para estos sistemas son de tipo cavidad, con una pequeña apertura, y su
correspondiente sistema de aislamiento. Habitualmente, se usan dos métodos para la transferencia de la radiación solar al fluido de trabajo. En el primero se ilumina directamente un panel de tubos, por el interior de los cuales
circula el gas que suele ser helio, hidrógeno o aire. En el segundo método se
utiliza el concepto de tubo de calor, vaporizándose un metal líquido (normalmente sodio) que luego se condensa en la superficie de los tubos por los que
circula el gas de trabajo y refluye nuevamente al absorbedor. La experiencia
operacional con concentradores discos parabólicos se circunscribe a unas
pocas unidades ensayadas fundamentalmente en EE.UU. y en la Plataforma
Solar de Almería (España).
8.8.4.3 CONCENTRADORES DE TORRE CENTRAL CON CAMPO
DE HELIÓSTATOS
Utilizan un gran campo de espejos planos, con seguimiento en dos ejes, llamados helióstatos, que siguen al sol para enfocar la radiación solar en un
receptor. Éste es un intercambiador de calor ubicado encima de una torre,
donde se producen temperaturas aproximadas de 500 a 1500 °C. Los órdenes
de concentración son de 200 a 1000 y las potencias unitarias de 10 a 200 MW
(Figura 8.18).
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
272
08 ENERGÍA SOLAR
Receptor
Central
Helióstatos
Figura 8.18. Concentrador solar de torre central y campo de helióstatos
Estas plantas son ideales para escalarse en el rango de 30 a 400 MW de
capacidad. Las eficiencias en la transformación de energía solar en eléctrica
alcanzadas por estas centrales están en el intervalo 8 a 13%.
En Estados Unidos se llevaron a cabo dos proyectos demostrativos
muy importantes de plantas de torre central, denominados Solar One y Solar
Two. Ambos proyectos fueron situados en el mismo terreno, localizado en
California. Solar One produjo un máximo de 10,5 MW en el período 19851986. Operaba a 510 °C, utilizando aceite térmico como fluido de trabajo, y
tenía almacenamiento del aceite en tanques de rocas a 302 ºC, lo que permitía
la operación sin sol durante cuatro horas seguidas. La eficiencia solar-eléctrica neta alcanzada fue de 5,8% en promedio y 8,7% en horas de demanda
máxima. Esta central fue convertida en la Solar Two a mediados de los 90,
para lo cual se cambió el aceite por sal fundida como medio de transferencia
térmica, tecnología que se presentará en la sección 8.8.4.4.
El número de proyectos de centrales de torre que ha llegado a la etapa
de plantas experimentales ha sido bajo. Junto con EE.UU., España ha construido la mayoría de ellas en la Plataforma Solar de Almería. Todas estas
experiencias han servido para demostrar la viabilidad técnica de las centrales
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
273
termosolares de torre, pero los costos de energía eléctrica producida, medidos en US$/KW·h, son aún muy altos.
La Tabla 8.14 contiene antecedentes de los tipos de concentradores solares empleados para producir energía eléctrica.
TABLA 8.14. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONCENTRADORES SOLARES
EMPLEADOS PARA GENERAR ELECTRICIDAD
Colectores
cilindros
parabólicos
Colectores
discos
parabólicos
Colectores
de torre
central
30-320
5-25
10-200
Temperatura trabajo °C
390
750
565
Eficiencia neta anual e %
11-16
12-25
7-20
Comercial
Prototipos
Prototipos
Características
Potencia (MW)
Grado de desarrollo
e: estimada
8.8.4.4 ALMACENAMIENTO DE CALOR MEDIANTE SALES FUNDIDAS
La sal fundida es también un excelente medio de almacenamiento de calor,
medio por el cual se demostró, en el proyecto Solar Two, la factibilidad de
operar 6 h seguidas sin sol, conectada a la red eléctrica y proporcionando
electricidad durante las horas de mayor demanda. El proyecto Solar Two
ha demostrado la viabilidad de las sales como fluido térmico. El almacenamiento térmico se logró mediante dos estanques de 12 m de diámetro y 8
m de altura, con una capacidad equivalente a 3 h y 1400 t de sales, con una
eficiencia del 97%. También se pudo demostrar, operando a carga parcial, el
funcionamiento sin interrupción, durante una semana, las 24 h del día. Este
hecho es del mayor interés porque demuestra que las centrales eléctricas solares térmicas pueden lograr altos factores de planta (sección 10.9).
A diferencia del proyecto Solar Two, el proyecto español Andasol 1 (en
Granada) opera con colectores cilindros parabólicos. En cualquier caso, ambos tipos de centrales están diseñadas con base en tres componentes básicos:
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
274
08 ENERGÍA SOLAR
campo solar, sistema de almacenamiento y ciclo de vapor. Los colectores concentran la radiación, calentando así un fluido térmico que se puede enviar
directamente al generador de vapor para la producción de electricidad, o bien
al sistema de almacenamiento térmico para un uso posterior. El almacenamiento térmico está formado por dos estanques, térmicamente aislados, que
contienen una mezcla de 60% de nitrato de sodio y 40% de nitrato de potasio
fundidos, un sistema de bombeo entre los estanques, un tren de intercambio
entre el fluido térmico y las sales y un sistema de protección antisolidificación
de las sales. Durante el día, una parte del fluido térmico procedente del campo solar atraviesa los intercambiadores de fluido-sales, transfiriendo su calor
a las sales procedentes del estanque de almacenamiento de sales “frías”. Por
la noche, las sales que se han calentado durante el día y se han depositado en
el estanque caliente de sales fundidas se bombean al estanque de almacenamiento de sales “frías”, transfiriendo su calor al fluido térmico, lo que permite
que el sistema genere electricidad operando a plena carga (Figura 8.19).
Recibidor
Sal
Estanque de
almacenamiento
de sal fría
Estanque de
almacenamiento
de sal caliente
Sal
Campo de
Helióstatos
Generador
de vapor
Turbina y
generador
Condensador
Subestación
Figura 8.19. Esquema de una central termosolar con almacenamiento de calor mediante
sales fundidas
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.8 UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
275
Una de las ventajas de las sales fundidas es que tienen una gran eficiencia térmica, es decir, pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo
antes de ser utilizadas para producir electricidad.
La mezcla de las sales nitrato de sodio (NaNO3) y nitrato de potasio
(KNO3), con una composición eutéctica, es la más adecuada para almacenar
energía solar. Eutéctico es una mezcla de dos o más sustancias sólidas que
tienen un mínimo punto de fusión con respecto a cada uno de sus componentes. La Tabla 8.15 muestra las temperaturas o puntos de fusión de dichas
sales y el de la composición eutéctica.
TABLA 8.15. PUNTOS DE FUSIÓN DE SALES Y MEZCLA EUTÉCTICA UTILIZADA
PARA ALMACENAR CALOR
Sal
Fórmula
Pto. de fusión °C
Nitrato de sodio
NaNO3
308
Nitrato de potasio
KNO3
333
NaNO3 (60%)
KNO3 (40%)
223
Mezcla eutéctica
De la Tabla 8.15 se desprende que el punto de fusión de la mezcla
eutéctica es muy favorable para producir electricidad y su punto de fusión es
bastante más bajo que el de sus componentes. Cuanto más baja es la temperatura de la zona fría (eutéctico), mayor será la diferencia con la zona caliente
y mejor será la eficiencia en la generación de energía eléctrica (sección 5.4.2).
La tecnología de sales fundidas se encuentra en fase de desarrollo y,
de momento, no produce energía a precios competitivos. Se estima que su
producción de electricidad es casi el doble que la de una central térmica de
carbón, el sistema más barato en la actualidad, si no se tienen en cuenta sus
costos ambientales. Asimismo, este tipo de instalaciones se tienen que situar en extensiones de terreno muy amplias, ocupando varios centenares de
hectáreas de zonas muy soleadas. Estas centrales requieren de largas filas de
colectores y tuberías y estanques de almacenamiento de sales fundidas.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
276
08 ENERGÍA SOLAR
8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Este tipo de energía permite convertir directamente la energía solar en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico, que consiste en generar una tensión eléctrica para producir una corriente eléctrica.
8.9.1 FUNDAMENTO DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Previo a presentar este tema es preciso recordar algunos conceptos sobre metales conductores. Estos materiales existen en estado cristalino. Los átomos que forman este estado poseen un alto grado de ordenamiento, es decir, ocupan posiciones específicas en el interior del cristal.
Debido a esta situación las fuerzas de atracción entre los átomos son
máximas. Los enlaces en los cristales metálicos se deben a los electrones de la última capa atómica, o electrones de valencia, los cuales están
deslocalizados en todo el cristal. Así, los átomos metálicos en un cristal
se pueden imaginar como una distribución de iones positivos, cationes,
inmersos en un mar de electrones de valencia deslocalizados. Como consecuencia de esta deslocalización existe una gran fuerza de cohesión que
es responsable de la resistencia del metal; además, la movilidad de estos
electrones hace que los metales sean buenos conductores del calor y de la
electricidad. Entonces, una característica relevante de los metales es su
gran conductividad eléctrica, la cual disminuye con el aumento de temperatura, como se vio.
Los electrones de la última capa de los metales conductores tienen
energías muy parecidas, cuyo conjunto puede asimilarse a una banda de
energía, que en este caso se denomina banda de valencia porque corresponde a todos los niveles de energías que poseen los electrones de
valencia. Si estos electrones son excitados, es decir, adquieren una energía mayor a la que corresponde a la banda de valencia, entonces pueden
desplazarse libremente a través de todo el cristal solamente con una muy
pequeña cantidad de energía sobre la de dicha banda, por lo que el metal
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
277
será un conductor capaz de conducir la corriente eléctrica. Se dice, en
estas circunstancias, que los electrones poseen la energía de la banda de
conducción.
Por otra parte, los materiales semiconductores se comportan como
conductores o como aislantes dependiendo de la temperatura del ambiente
en el que se encuentren. La conductividad de los semiconductores aumenta con el incremento de temperatura, por lo que estos materiales llegan a
ser conductores cuando adquieren una energía determinada que puede ser
térmica o solar. Una vez adquirida esta energía, los electrones de la última
capa de los semiconductores pasarán de la banda de valencia a la banda de
conducción. Los semiconductores también conducirán la corriente eléctrica
cuando se combinen con otros elementos. En los materiales aislantes, tales
como la madera o el vidrio, se requiere de muy alta energía para excitar a los
electrones de valencia para que alcancen la banda de conducción, por lo que
son incapaces de conducir la corriente. La Figura 8.20 muestra los conjuntos
de energías de las bandas de valencia y conducción de materiales conductores, semiconductores y aislantes.
Banda de valencia
Metal
Banda de Conducción
Banda de Conducción
Banda de Conducción
Energía
Espacio energético
Espacio energético
Banda de valencia
Banda de valencia
Semiconductor
Energía
Aislante
Figura 8.20. Energías de las bandas de valencia y conducción de materiales conductores,
semiconductores y aislantes
Sea Ev la energía de la banda de valencia que poseen los electrones con
la energía de la capa de valencia. Para que el electrón escape de la influencia
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
278
08 ENERGÍA SOLAR
del núcleo es necesario que adquiera una energía mínima (Eg) para situarse
en la banda de conducción (Ec). Por lo tanto:
Eg = Ec- Ev
[8.27]
En un material aislante la banda de conducción y la de valencia están muy separadas, por lo que para liberar electrones que contribuyan a la
conducción se necesita gran cantidad de energía, Eg ≈ 6 eV. En un buen
conductor las bandas de valencia y conducción se solapan; se necesita
muy poca energía para mantener corrientes eléctricas intensas. En materiales semiconductores la Eg es mucho menor que en los aislantes:
Eg ≈ 1 eV.
En los semiconductores la diferencia de energía entre la banda de conducción y la de valencia puede coincidir con la energía de la luz (o de los fotones, sección 1.2). Cuando un semiconductor absorbe luz (radiación solar),
se transfiere un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción.
Para que se produzca absorción, la energía del fotón incidente debe ser igual
o superior a la diferencia entre la energía de la banda de conducción y la de la
banda de valencia. Los fotones que poseen esta energía presentan longitudes
de onda comprendidas entre 500 y 1140 nm, que corresponden a los colores
verde y azul y están cercanas al infrarrojo de la luz natural.
Los semiconductores pueden ser clasificados en intrínsecos y extrínsecos o de impurezas. Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por
ser materiales puros; un ejemplo típico de estos materiales es el silicio (Si). El
empleo de este semiconductor en transistores ha revolucionado la industria
electrónica, principalmente en las tecnologías de información y comunicación
y en celdas solares, y ha permitido la expansión de las tecnologías de transformación directa de la energía solar en eléctrica. Los semiconductores extrínsecos son semiconductores intrínsecos que contienen además un pequeño porcentaje de impureza, tal como átomos que pueden perder electrones o
captar electrones; se dice que están dopados. Los átomos constituyentes del
dopado ocupan el lugar del átomo de Si en su estructura cristalina y producen
una distribución asimétrica de cargas que crean un potencial eléctrico necesario para generar una corriente eléctrica en un circuito externo.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
279
La conductividad de los semiconductores con impurezas depende del tipo de éstas y su inclusión permite aumentar la capacidad de
conducción de la corriente eléctrica. Si el átomo de impureza puede
perder electrones al material se le da el nombre de semiconductor
donador o de tipo n, por negativo, ya que proporciona electrones de
conducción.
En los cristales de Si puro, cada átomo de este elemento está unido
mediante enlaces a otros cuatro átomos de Si debido a que este átomo tiene
cuatro electrones en su última capa, la capa de valencia. Si una pequeña
fracción de átomos de Si se reemplaza por átomos de fósforo (P), que tiene
cinco electrones en su capa de valencia, cuatro de estos electrones formarán
cuatro enlaces con sendos átomos de Si, pero en cada átomo de P sobrará un
electrón. Este electrón se puede separar del átomo de P mediante la aplicación de un potencial aplicado al semiconductor. En consecuencia, el P entrega electrones de conducción y transforma la mezcla en un semiconductor
tipo n.
Si el material contiene átomos de impurezas que captan electrones su
nombre es semiconductor aceptor o tipo p, por positivo. Una buena impureza de este tipo, intercalada en cristal de Si, es el boro (B), que posee tres
electrones en su última capa. Cada átomo de este elemento podrá unirse a
tres átomos de Si, pero le faltará un electrón para establecer un enlace con
un átomo de Si. Se dice que queda un hueco en el átomo de B. Un electrón
de un átomo vecino de Si será atraído hacia el espacio así creado para llenar
el hueco. Producido este traslado se generará un nuevo hueco y un nuevo
desplazamiento electrónico que dejará otro hueco y así sucesivamente. De
este modo, los electrones se pueden mover en el cristal en una dirección que
será la opuesta a la dirección en que se forman los huecos, como consecuencia del movimiento de los electrones. Esta separación de cargas lleva al establecimiento de una diferencia de potencial entre dos zonas del material,
electrones y huecos, que si se conectan entre sí mediante un conductor externo formarán un circuito, al material al mismo tiempo que la irradiación
electromagnética incide sobre el material semiconductor, dando origen a una
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
280
08 ENERGÍA SOLAR
corriente eléctrica que recorrerá el circuito externo. Este fenómeno se conoce
como efecto fotovoltaico.
La Figura 8.21 ilustra la inclusión de impurezas de fósforo (P) y boro
(B) en un cristal de silicio.
Silicio tipo n
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
P
SI
P
SI
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
SI
SI
B
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
B
SI
SI
B
B
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
Unión np
Silicio tipo p
Figura 8.21. Estructura cristalina del silicio (Si) dopada con fósforo (P) y boro (B)
La conversión de la radiación solar en una corriente eléctrica tiene lugar en la celda fotovoltaica, que es un dispositivo formado por una muy
delgada lámina de un material semiconductor, frecuentemente silicio. Generalmente, una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 cm, un grosor
que varía entre los 0,25 y 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada. Para
la fabricación de celdas, el material actualmente más utilizado por la industria electrónica es el silicio, cuyo proceso de fabricación tiene costos muy altos debido a la alta pureza exigida por ésta. Por ese motivo se prefieren grados de pureza inferiores a los de dicha industria. Este silicio se dopa con los
elementos ya nombrados y así se tiene un semiconductor tipo n y otro tipo p,
necesarios para fabricar una celda fotovoltaica y que al superponerse forman
una unión. La Figura 8.22 muestra la estructura de una celda en la cual los
signos menos representan silicio tipo n y los positivos, el silicio tipo p.
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Fotones
281
Flujo de electrones
Figura 8.22. Celda compuesta de silicio tipo n y silicio tipo p
Los transportadores de carga migran fuera de la zona de unión debido
a la repulsión de cargas: en la Figura 8.22, las cargas negativas hacia arriba y
las positivas hacia abajo. Por lo tanto, los electrones del semiconductor tipo n
son repelidos por las cargas negativas de los átomos de boro del semiconductor de tipo p, mientras que los huecos móviles del semiconductor tipo p son
repelidos por las cargas positivas adyacentes de los átomos de fósforo en el
semiconductor tipo n. Como resultado de este proceso se genera una tensión
o potencial eléctrico en la unión, creado por la distribución de cargas positivas y negativas a ambos lados de la unión. La absorción de un fotón en el semiconductor tipo p genera un electrón en la banda de conducción que puede
tener la oportunidad de acelerarse a través de la unión antes de introducirse
en un hueco. Análogamente, un hueco generado en la banda de valencia de
un semiconductor tipo p puede acelerarse en la dirección opuesta antes de
aceptar un electrón. Este movimiento dirigido de las cargas, inducidas por
fotones, da lugar a una corriente eléctrica en el circuito externo. Cuando un
conjunto de celdas que funcionan según lo explicado se unen en serie, se forma un módulo fotovoltaico cuya energía eléctrica es la que se aprovecha. La
Figura 8.23 muestra un módulo y su utilidad como generador de electricidad.
8.9.2 TECNOLOGÍAS PARA LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR
FOTOVOLTAICA
La eficiencia de una celda solar (η) es la proporción de la potencia convertida en energía eléctrica a partir de la luz solar total absorbida por un
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
282
08 ENERGÍA SOLAR
panel, cuando dicha celda forma un circuito eléctrico. Esta proporción se calcula dividiendo la potencia máxima, Pm, por la luz que llega a la celda, irradiancia, G, bajo condiciones estándar y por el área superficial de la celda
solar:
η = Pm / G∙A
[8.28]
Donde: Pm = potencia máxima en W; G = Irradiancia en W/m2; A = área
en m2. La condición estándar significa una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m² con una masa de aire espectral de 1,5, que corresponde
a la irradiación y al espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una
superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre la
horizontal. Bajo estas condiciones una celda solar típica de 100 cm2 y de una
eficiencia del 12%, aproximadamente, puede producir una potencia de 1,2 W.
Luz Solar
Silicio tipo n
Unión
Silicio tipo p
Figura 8.23. Conjunto de celdas que forman un módulo fotovoltaico
Las celdas solares constituyen un producto intermedio porque proporcionan valores de tensión (alrededor de 1 W/día) y corriente limitada, en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales, y
son extremadamente frágiles. Se montan sobre un marco de vidrio y aluminio
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
283
anodizado dentro del cual se disponen las celdas, generalmente 36 conectadas en serie, ocupando una superficie de 0,5 a 1,2 m2. Todo este conjunto
comprende un módulo o panel fotovoltaico (Figura 8.23) que incluye sus conexiones internas; se encuentra completamente aislado del exterior por medio de dos cubiertas: una frontal de vidrio de alta resistencia a los impactos,
antirreflectante, y una posterior de plástico.
Los materiales empleados en la fabricación de módulos fotovoltaicos
son principalmente: silicio monocristalino, cuyo rendimiento energético
fluctúa entre 15 y 17%; silicio policristalino, de rendimiento energético entre
12 y 14%; silicio amorfo, con rendimiento energético menor del 10%. Otros
materiales utilizados, en menor escala, son arseniuro de galio (GaAs), diseleniuro de indio y cobre (CuInSe2), telurio de cadmio (CdTe). Actualmente,
el material más utilizado es el silicio monocristalino que tiene prestaciones
y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para
el mismo fin. Los módulos fotovoltaicos más utilizados en aplicaciones autónomas de pequeña potencia están constituidos por 33 ó 36 celdas de silicio
monocristalino o policristalino, asociadas en serie.
La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en vatios-pico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad
en condiciones óptimas de operación. Sin embargo, la capacidad real difiere considerablemente de su capacidad nominal debido a que bajo condiciones reales de operación la cantidad de radiación que incide sobre las celdas
es menor que bajo condiciones óptimas. Un módulo de 55 Wp es capaz de
producir 55 W cuando recibe una radiación solar de 1000 W/m2 y sus celdas
poseen una temperatura de 25 ºC. En condiciones reales, este mismo módulo produce una potencia mucho menor que 55 W. En el mercado se pueden
encontrar módulos de baja potencia, desde 5 Wp; de potencia media, por
ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta 160 Wp.
En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico
están limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los módulos y la batería respectivamente,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
284
08 ENERGÍA SOLAR
y por la disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede producir tanta energía como se desee; sin embargo, desde el
punto de vista económico, siempre existen limitaciones en cuanto a la capacidad que se puede instalar. Se requiere un conjunto de equipos integrados
para realizar tres funciones básicas: transformar directa y eficientemente la
energía solar en energía eléctrica, almacenar la energía eléctrica generada y
entregar la energía producida y almacenada a los consumidores, constituye
un sistema fotovoltaico. Los componentes de un sistema fotovoltaico
encargados de realizar dichas funciones son: a) el módulo o panel fotovoltaico, b) la batería o acumulador, c) el regulador de carga, d) el inversor, e) la
utilización.
El almacenamiento de la energía eléctrica producida por los módulos
se hace a través de las baterías, construidas especialmente para sistemas
fotovoltaicos. En su apariencia externa este tipo de baterías no difiere mucho
de las utilizadas en automóviles (sección 4.5.2). Sin embargo, internamente las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son de ciclo profundo, lo cual
significa que pueden descargar una cantidad significativa de energía antes
de que requieran recargarse y así proveer, durante muchas horas, corrientes
eléctricas moderadas. Debido a que el buen estado de la batería es fundamental para el funcionamiento correcto de todo el sistema y a que el costo de la
batería puede representar un 15-30 % del costo total, es necesario disponer
de un elemento adicional que proteja la batería de procesos inadecuados de
carga y descarga, conocido como regulador o controlador de carga.
El regulador de carga es un dispositivo electrónico que controla
tanto el flujo de la corriente de carga proveniente de los módulos hacia la batería como el flujo de la corriente de descarga que va desde la batería hacia los
aparatos que utilizan electricidad. Si la batería ya está cargada, el regulador
interrumpe el paso de corriente de los módulos hacia ésta y si ella ha alcanzado su nivel máximo de descarga, el regulador interrumpe el paso de corriente
desde la batería hacia los aparatos consumidores.
Para que el sistema fotovoltaico entregue energía eléctrica en la cantidad y el tipo que requieren los aparatos consumidores es necesario que
tenga los valores de tensión e intensidad adecuados a éstos. La tensión más
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
285
corriente de lámparas, radios, televisores y aparatos electrodomésticos necesita 110 ó 220 V de corriente alterna para funcionar. Los módulos fotovoltaicos proveen corriente continua de 12 ó 24 V, por lo que se requiere de un
componente adicional, el inversor, que transforme, a través de dispositivos
electrónicos, la corriente continua de 12 V de la batería en corriente alterna
de 110 ó 220 V. La Figura 8.24 muestra los componentes de un sistema fotovoltaico y la manera como se conectan.
Dependiendo de su aplicación, cantidad y tipo de energía producida,
los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categorías: a)
sistemas individuales de corriente continua o directa (CC) y corriente alterna
(CA) para aplicaciones domésticas; b) sistemas centralizados aislados de la
red; c) sistemas centralizados conectados a la red.
Además de la aplicación de electrificación de las viviendas rurales, se
puede aplicar la energía solar fotovoltaica para usos productivos, sobre todo
en la agricultura, tales como bombeo de agua, refrigeración de alimentos y
comunicaciones. Los sistemas fotovoltaicos son válidos para viviendas rurales cuando no existe la posibilidad técnica o económica de llevar la red
eléctrica convencional hasta cada una de las viviendas y de las familias que
demandan cantidades moderadas de energía.
Radiación
Producción
Acumulador
Utilización
Lámparas
Regulador
Inversor
TV - radio
Módulo
Batería
Aparato
electrodoméstico
Figura 8.24. Componentes de un sistema fotovoltaico que entrega electricidad para uso
doméstico
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
286
08 ENERGÍA SOLAR
Por otra parte, los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica
son, en la actualidad, una alternativa prometedora en el futuro de las energías
renovables. Sin embargo, la tecnología fotovoltaica no es siempre la solución
más adecuada a los problemas de electrificación rural. Dependiendo del caso
particular, la extensión de la red eléctrica, el empleo de aerogeneradores, el
uso de pequeñas centrales hidroeléctricas e incluso una pequeña planta eléctrica de combustible también pueden ser alternativas válidas que habrá que
evaluar cuidadosamente, desde el punto de vista técnico y económico.
8.9.3 DISEÑO DE UNA PLANTA DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
AISLADA
Los sistemas fotovoltaicos aislados se utilizan frecuentemente en lugares alejados de la red principal o en zonas de difícil acceso. La electricidad generada
se utiliza en viviendas, alumbrado público refugios de montañas, operaciones agrícolas y ganaderas, bombeo y depuración de agua, y otras aplicaciones
que requieren electricidad como la señalización de carreteras y obras.
En general, debido a que los sistemas fotovoltaicos solo proporcionan
electricidad durante el día y a que con frecuencia la mayor demanda de energía es durante la noche, se utilizan acumuladores para cubrir los requerimientos cuando la energía disponible es baja o nula.
La metodología básica para el diseño de una planta generadora fotovoltaica aislada consta de los siguientes pasos: 1. Definición del tipo de planta. 2. Determinación del consumo. 3. Caracterización de la localización. 4.
Caracterización y dimensionado de los componentes: generador fotovoltaico
(número de paneles necesarios), cuadros de distribución, acumulador, regulador, inversor.
8.9.3.1 DEFINICIÓN DEL TIPO DE PLANTA
Se considera una planta fotovoltaica generadora de energía eléctrica para
consumos de corriente continua y alterna con acumulación de energía, como
la de la Figura 8.25.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
287
7
5
3
~
≈6
2
1
4
1 Generador FV
2 Cuadros de distribución en
el lado CC
3 Regulador de carga
4 Sistema de almacenamiento
(batería)
5 Posibles cargas de CC
6 Convertidor estático
CC/CA (inversor)
7 Carga CA
Figura 8.25. Planta fotovoltaica aislada con acumulador y consumos de corriente continua y corriente alterna
El dimensionamiento de la instalación debe ser capaz de alimentar las
cargas conectadas al sistema durante las horas de mayor radiación solar y al
mismo tiempo permitir la carga del acumulador. La corriente continua (CC)
producida por los módulos fotovoltaicos requiere ser transformada en corriente alterna (CA) para las cargas que utilizan este tipo de electricidad; para
ello se incorpora al sistema un inversor.
Como en todo proceso de generación de energía eléctrica, las pérdidas
energéticas constituyen un factor importante para evaluar los rendimientos
de los componentes de una planta y definir el dimensionado de ellos. Las
principales causas de pérdidas energéticas son:
a) Módulo fotovoltaico: las pérdidas suceden cuando la potencia real
de los módulos que forman el generador está en el límite inferior de
la banda de la potencia nominal (P*) referida a condiciones estándar
entregada por el fabricante. La potencia nominal establece rangos
como ±3%, ±5% ó ±10% por ejemplo si el rango P* de cada módulo
es ±10%, y la instalación es de una potencia nominal es de 1 KWp,
la potencia generada debería estar entre 0,9 y 1,1 KWp sin embargo,
generalmente, la potencia real está en el rango de 0,9 a 1,0 KWp.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
288
08 ENERGÍA SOLAR
b) Diferencia de potencia de los módulos: cuando se conectan módulos fotovoltaicos que tienen pequeñas diferencias de potencias
entre ellos, si la conexión es en serie, la potencia máxima de la
serie será la del módulo de menor potencia. Igualmente, si la conexión es en paralelo, la tensión de la conexión será la del módulo de menor tensión, por lo que la potencia será inferior a la
nominal.
c) Superficie sucia de los módulos que puede ser uniforme o localizadas: la primera produce una disminución de la corriente y tensión
entregada por el generador fotovoltaico; las suciedades localizadas
originan pérdidas por desajuste y pérdidas debido a la formación
de puntos calientes
d) Pérdidas angulares: normalmente, la potencia nominal de un módulo fotovoltaico suele estar referida a las condiciones estándar de
medidas, las cuales implican una incidencia normal de la radiación.
Durante la operación usual de un módulo la incidencia de la radiación generalmente no es normal, por lo que si el ángulo de incidencia es diferente de 0° se generan pérdidas, y a mayor ángulo de
incidencia, mayor será la pérdida. Las pérdidas angulares crecen
con la presencia de suciedad en los módulos.
e) Pérdidas espectrales: el espectro de radiación tampoco es estándar
durante la operación; las celdas fotovoltaicas son selectivas, lo que
implica que la corriente que generan varía con la longitud de onda
del espectro de la radiación incidente. Por lo tanto, al variar el espectro respecto al de condiciones estándar las celdas fotovoltaicas
dan lugar a pérdidas o ganancias de energía.
f) Pérdidas por temperatura: la variación de la potencia generada por
un dispositivo fotovoltaico con el aumento de temperatura es del
orden de 4% por cada 10°C de incremento de la temperatura de
operación de los módulos, el cual depende de la irradiancia, temperatura ambiente y velocidad del viento y la posición de los módulos.
g) Pérdidas por sombras: otras pérdidas se producen por la presencia
de sombras durante el día, lo cual es frecuente en zonas urbanas,
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
289
por disminución de la captación de radiación y por efectos de desajuste al disminuir la potencia de algunos módulos.
Otros factores que producen disminución de la potencia de un generador fotovoltaico son: variación de la resistencia eléctrica del cableado,
disminución del rendimiento del inversor, averías o mal funcionamiento de
componentes.
8.9.3.2 DETERMINACIÓN DEL CONSUMO
El ejemplo de cálculo de este apartado se basó en el documento: "Boletín Solar
Fotovoltaica Autónoma, Sun Fields Europe" (http://www.sfe-solar.com/wpcontent/uploads/2011/09/Sunfields_Boletin_Fotovoltaica_Autonomas.pdf). Se
supone un consumo para una vivienda con uso diario durante todo el año, como
por ejemplo el consumo que se muestra en la Tabla 8.16. Debido a las posibles
pérdidas en los equipos y por otros factores, como se analiza más adelante, se
requiere considerar un margen de seguridad, que en este ejemplo será de 20%. El
cálculo del consumo diario se evalúa mediante la ecuación [8.16] Se considera en
este ejemplo que los rendimientos de los equipos son: batería de un 95%, regulador de un 100%, inversor de un 90% y los conductores de un 100%.
TABLA 8.16. CONSUMO DIARIO DE UNA VIVIENDA PARA LA PLANTA PROYECTADA
Unidades
Carga
Potencia
unitaria
(W)
Horas de
funcionamiento al
día (h)
Total energía
necesaria
(W∙h)
Total energía
necesaria
(W∙h) ∙
margen
seguridad
(20%)
5
Lámparas (CC)
15
5
375
450
1
1
Lavadora (AC)
Calefacción (AC)
350
110
1,5
10
525
1100
630
1320
2000 W∙h / día
TOTAL
2400 W∙h / día
Para calcular los consumos medios diarios se utiliza la ecuación:
Lmd =
Alfaomega
[8.29]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
290
08 ENERGÍA SOLAR
Donde: Lmd = consumo medio de energía diario; Lmd, CA = consumo
medio de energía diario de cargas de corriente continua = 450 W∙h; Lmd, CC =
consumo medio de energía diario de cargas de corriente alterna = 1950 W∙h;
ηbat = rendimiento de la batería = 95%; ηcon = rendimiento de los conductores = 100%; ηinv = rendimiento del inversor = 90%.
Aplicando los datos en la ecuación [8.29], el consumo medio de energía
diario, Lmd, resulta ser de 2755 W∙h.
El consumo medio de energía diario se puede expresar también en tér-
minos de intensidad de corriente por hora (Ih, expresada en amperio∙hora:
A∙h) mediante la ecuación [8.30], y para una batería de 24 V que se utilizará
en esta planta da un valor de 114,8 A∙h/d.
Ih = Lmd / Vbat
[8.30]
Esta ecuación que relaciona la energía eléctrica con la intensidad de
corriente por hora y la tensión se correlaciona con la ecuación [4.17] (sección
4.2): P = I ∙ V. Adicionalmente, se puede calcular el consumo total anual (LT)
y el consumo medio anual (Lma), que en este caso coincide con el consumo
diario calculado pues se considera que es constante.
LT = Lma ∙ 365 = 1 005 575 W∙h/año
Lma
= LT /365 = 2755 W∙h/día
8.9.3.3 CARACTERIZACIÓN DE LA LOCALIZACIÓN
Conociendo la latitud y longitud de la localidad donde se desea instalar la
planta, es necesario obtener los datos de radiación para preparar la tabla de
irradiaciones (I) (J/m2/día o W∙h/día) según las inclinaciones por estudiar.
La Tabla 8.17 entrega las irradiaciones promedio mensual de la localidad de
Badalona, España, en las inclinaciones deseadas obtenidas a través del sistema de información europeo PVGIS. Las coordenadas geográficas de la localidad son: 41°27’0” Norte, 2°14’50” Este, elevación: 16 msnm.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
291
TABLA 8.17. IRRADIACIONES PROMEDIO MENSUAL, EN W·H/m2,
DE LA LOCALIDAD DE BADALONA, ESPAÑA
Inclinación
30º
Inclinación
40º
Inclinación
50º
Inclinación
60º
Enero
3240
3240
3400
3480
Febrero
3630
3830
3930
3940
Marzo
4860
4960
4940
4800
Abril
5250
5160
4950
4630
Mayo
5680
5430
5070
4600
Junio
6120
5770
5300
4730
Julio
6320
5990
5540
4960
Agosto
5990
5830
5530
5100
Septiembre
5360
5410
5320
5100
Octubre
4200
4390
4460
4420
Noviembre
3100
3330
3470
3530
Diciembre
2780
3040
3220
3320
Mes
El sistema de información PVGIS entrega también estimaciones de la
generación energía fotovoltaica de acuerdo a las radiaciones de la localidad.
La Tabla 8.18 es un ejemplo de la información mencionada.
TABLA 8.18. GENERACIÓN DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA ESTIMADA
Inclinación = 35°
Mes
Orientación = 0°
Ed
Em
Hd
Hm
Enero
2,54
78,6
3,18
98,6
Febrero
2,92
81,7
3,71
104
Marzo
3,76
117
4,91
152
Abril
3,97
119
5,27
158
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
292
08 ENERGÍA SOLAR
Inclinación = 35°
Mes
Orientación = 0°
Ed
Em
Hd
Hm
Mayo
4,20
130
5,68
176
Junio
4,40
132
6,08
183
Julio
4,49
139
6,27
194
Agosto
4,31
134
6,03
187
Septiembre
3,97
119
5,42
163
Octubre
3,30
102
4,40
136
Noviembre
2,55
76,6
3,27
98,1
Diciembre
2,37
73,4
2,97
92,2
Año
3,57
109
4,77
145
Total anual
1300
1740
Ed: Producción de electricidad promedio del sistema considerado (KW·h)
Em: Promedio mensual de producción de electricidad del sistema considerado (KW·h)
Hd: Suma promedio diaria de la irradiación global por metro cuadrado recibida por los
módulos del sistema considerado (KW·h/m2)
Hm: Suma promedio de la irradiación global por metro cuadrado recibida por los módulos del sistema considerado (KW·h/m2)
Los valores de la Tabla 8.18 consideran los siguientes supuestos:
– Potencia nominal del sistema FV: 1,0 KW (silicio cristalino).
– Pérdidas estimadas debido a la temperatura: 10,4% (usando la temperatura ambiental local).
– Pérdidas estimadas debidas al efecto de reflectancia angular: 2,7%.
– Otras pérdidas (cables, inversor, etc.): 14,0%.
– Perdidas combinadas del sistema FV: 25,0%.
8.9.3.4 CARACTERIZACIÓN Y DIMENSIONADO DE LOS COMPONENTES
Generador fotovoltaico: está formado por un grupo de paneles montados sobre una estructura que los sujeta y orienta buscando el máximo
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
293
de radiación solar incidente. Los paneles pueden ser de diferentes tipos
según sea la composición de los materiales de los módulos. Los materiales
empleados en la fabricación de módulos fotovoltaicos, como se dijo precedentemente, son principalmente: silicio monocristalino, cuyo rendimiento energético fluctúa entre 15 y 17%; silicio policristalino, de rendimiento energético entre 12 y 14 %; silicio amorfo, con rendimiento energético
menor del 10 %.
Para dimensionar el generador se recurre al concepto de “Horas Solares Pico” (HSP), que significa “el número de horas en que se dispone de una
hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2”, así como a los conceptos de irradiancia (G), medida en W/m2, y de irradiación (I), en J/m2. El
valor de las horas solares pico se obtiene dividiendo el valor de la irradiación
incidente por el valor de irradiancia en condiciones estándar de medida (1000
W/m2):
HSP = I/G (h)
[8.31]
Por ejemplo, según la Tabla 8.19, en el mes de enero el promedio de la
irradiación en una inclinación de 40° fue de 3240 W·h/m2; el número de HSP
es de 3,24 h.
Para calcular la inclinación óptima se recurre a la denominada
“Tabla de cocientes” (Tabla 8.19), que se obtiene dividiendo el consumo
diario (W∙h), multiplicado por 1000, por la irradiación (W∙h/m2). Mientras mayor sea el cociente, mayor es la relación entre consumo e irradiación disponible, por lo que se requiere asegurar el mayor consumo
de energía para ese mes, que en este caso será diciembre, mes de bajas
irradiaciones y temperaturas bajas del lugar seleccionado, lo que significa que para los otros meses de menor consumo se producirá un excedente
de energía. El mes de mayor consumo se considera el mes crítico y,
para tener un menor sobredimensionamiento, se escoge, para el sistema fotovoltaico, la inclinación que produce el menor valor del cociente
consumo/irradiación para ese mes, que en este caso es 829,82 para la
inclinación de 60°.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
294
08 ENERGÍA SOLAR
TABLA 8.19. COCIENTES CONSUMO/IRRADIACIÓN
Mes
Inclinación
30º
Inclinación
40º
Inclinación
50º
Inclinación
60º
Enero
850,31
850,31
810,29
791,67
Febrero
758,95
719,32
701,02
699,24
Marzo
566,87
555,44
557,69
573,96
Abril
524,76
533,91
556,57
595,03
Mayo
485,04
507,37
543,39
598,91
Junio
450,16
477,47
519,81
582,45
Julio
435,92
459,93
497,29
555,44
Agosto
459,93
472,56
498,19
540,2
Septiembre
513,99
509,24
517,86
540,2
Octubre
655,95
627,56
617,71
623,3
Noviembre
888,71
827,33
793,95
780,45
Diciembre
991,01
906,25
855,59
829,82
Para calcular el número de módulos necesarios para satisfacer la
energía requerida (NT), se considera la diaria demandada promedio diario
mensual (Lmdcrit), que en este caso es de 2755 W∙h, y la energía generada por
cada módulo (Ep) (ecuación [8.32]).
NT = Lmdcrit / EP
[8.32]
La energía fotovoltaica generada por cada módulo se calcula mediante
la ecuación:
EP = PMPP • HPScrit • PR
[8.33]
Donde: PMPP es la potencia pico del módulo medida en condiciones estándar. Se considera en este ejemplo el panel solar Brisban, monocristalino,
modelo BS 180S5 de 180 W de potencia pico. HPScrit es el número de horas
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
295
pico de sol del mes crítico, calculado de la Tabla 8.19 para el mes de diciembre
e inclinación de 60° con la ecuación [8.31]:
HSPcrit = 3.320/1000 = 3,32
PR es el factor global de funcionamiento del módulo que varía entre
0,65 y 0,90. Por defecto se considera, en este ejemplo, el valor de 0,90.
Reemplazando los valores anteriores en la ecuación [8.33] se obtiene:
EP = 180 · 3,32 · 0,90 = 537,84 Wh
Y por lo tanto el número de módulos será:
NT = 2755/537,84 = 5,12 => 6
Por seguridad se considera el número entero superior, esto significa
que serán necesarios 6 módulos para satisfacer la demanda requerida.
Los módulos fotovoltaicos pueden ir conectados en serie o en paralelo y para calcular el número de ellos que deben ir en serie o en paralelo
se considera la tensión máxima nominal del módulo (Vmax), que para el modelo utilizado en este ejemplo es de 36,55 V, y la tensión de la batería que se
va a usar, que será de 24 V.
El número de módulos en serie (Ns) se determina mediante la
ecuación:
NS = VBat / VMod
[8.34]
En este ejemplo se tiene:
NS = 24 / 36,55 = 0,656 => 1
El número de módulos en paralelo se calcula dividiendo el número
total de módulos (NT) por el número de módulos en serie:
NP = NT / NS
[8.35]
NP = 6/1 = 6
Por lo tanto se conectarán 6 ramas en paralelo con 1 módulo por rama.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
296
08 ENERGÍA SOLAR
Cuadro de distribución: es un equipo que permite dividir la alimentación entrante en circuitos independientes, que se protegen y controlan
mediante interruptores y fusibles. Según el tipo de energía eléctrica utilizada
en este ejemplo, se usarán dos cuadros de distribución: uno para corriente
continua y uno para corriente alterna. Para definir las características de los
cuadros por utilizar se debe considerar la tensión y la intensidad de cada
corriente.
Regulador de carga: la corriente máxima de entrada del regulador
depende de la intensidad máxima que produce el generador fotovoltaico, y
la corriente máxima de salida de éste dependerá de la intensidad máxima
de las cargas. Se recomienda tomar en cuenta los picos de irradiancia y los
cambios de temperatura al definir el regulador, considerando que sea uno
con intensidad de entrada un 15 a 20% superior a la corriente de cortocircuito
del generador o de la corriente de salida (consumo de la carga); será el mejor
aquél que soporte la mayor de las dos corrientes.
Batería: como ya se ha dicho, las baterías más utilizadas para instalaciones fotovoltaicas son las de plomo ácido, con vasos de 2 V cada uno,
instaladas en serie y/o paralelo para entregar la tensión que sea requerida:
12, 24 ó 48 V.
Se utiliza el criterio descrito en la Tabla 8.20 para definir la tensión
requerida por las cargas para el sistema en estudio.
TABLA 8.20. CRITERIO PARA DEFINIR LA TENSIÓN DE TRABAJO
Potencia de las cargas (W)
Tensión de trabajo (V)
Menor de 1500
12
1500 - 5000
24 ó 48
Mayor de 5000
120 ó 300
La carga eléctrica de una batería es el número de amperios hora
(A∙h) o miliamperios hora (mA∙h) que es capaz de almacenar. A mayor carga almacenada, mayor tiempo demorará en descargarse. Asimismo, mientras mayor sea la carga, el tiempo de descarga será menor. El tiempo que
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
297
demora una batería en descargarse por el consumo se calcula mediante la
ecuación:
Tiempo de descarga = Carga / Consumo
[8.36]
En el presente caso, como la demanda de energía es menor de 3000
W∙h/día, se utilizará batería de 24 V.
Para proteger la duración de la batería se permite un nivel máximo
de descarga antes de la desconexión del regulador, que se denomina profundidad de descarga máxima y que usualmente se considera para un
ciclo diario (PDmax,d) alrededor de 15 a 20%; para un ciclo estacional, el
número máximo de días (Nmaxd) que una batería puede estar descargándose,
tiempo de autonomía, al no recibir suficiente radiación solar, es de 4 a 10
días con una profundidad de descarga estacional (PDmax,e) del orden
de 70%. Normalmente, en este tipo de instalaciones se utilizan baterías con
descarga máxima de 100 horas, pues mientras mayor es la descarga, menor
será la energía que entrega la batería. Para el caso en estudio se considerarán
los siguientes valores:
PDmax,d = 15%;
PDmax,e = 70% ;
Nmaxd = 6
En primer lugar es necesario calcular la capacidad nominal de las
baterías en función de la descarga diaria y estacional y se escogerá la
mayor de ellas. Considerando que se debe generar con las baterías una energía diaria Lmd, permitiendo sólo un 15% de descarga máxima diaria con un
factor de corrección de temperatura (FCT) igual a 1, la capacidad nominal diaria, Cnd en W∙h, se calcula en función de la profundidad de descarga máxima
diaria y se obtiene mediante la siguiente ecuación:
Cnd (W∙h) =
[8.37]
Donde: Cnd (W∙h) = capacidad nominal diaria de la batería; Lmd = consumo medio de energía diario = 2755 Wh; PDmax,d = profundidad de descarga
diaria = 0,15; FCT = factor de corrección de temperatura = 1.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
298
08 ENERGÍA SOLAR
Reemplazando estos valores en la ecuación [8.37], se obtiene que Cnd
= 18 367 W∙h. La capacidad nominal diaria en amperes hora {Cnd(A∙h)} se
calcula mediante la ecuación:
Cnd (A∙h) =
[8.38]
Donde: Vbat = tensión de la batería = 24 V, de modo que la capacidad mínima que necesita el sistema de acumulación en estudio es Cnd (Ah) = 765,3 A∙h.
Para generar con las baterías una energía diaria, Lmd, durante un número N de días, 6 en este caso, se requiere una capacidad de la batería dada
por la ecuación [8.39] y, utilizando los valores de la profundidad de descarga
estacional (PDmax,e) de 70% y el factor de corrección de temperatura (FCT) de 1,
se obtiene que la capacidad nominal en función de la descarga máxima estacional de la batería en vatio-hora, Cne (W∙h), es 23 614,3 W∙h.
Cne (W∙h) =
[8.39]
Para expresar la capacidad nominal estacional en A∙h, Cne (Ah), se utiliza la ecuación [8.40], análoga a la ecuación de la capacidad nominal diaria
(ecuación [8.38]):
Cne (A∙h) =
[8.40]
Considerando la tensión de la batería (Vbat) de 24 V, Cne(A∙h) tiene el
valor de 983,9 A∙h. De acuerdo a lo dicho anteriormente, se escoge la mayor
capacidad entre la diaria y la estacional; por lo tanto, para el caso en estudio,
el sistema de baterías que se va a utilizar debe tener una capacidad mínima
de 984 A∙h.
El cálculo del número de baterías del sistema de acumulación está
dado por la relación entre la capacidad nominal estacional del sistema de
acumulación y la capacidad nominal Cnom de la batería según la expresión:
Nbat = Cne / Cbat100
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[8.41]
Alfaomega
8.9 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
299
en la cual: Nbat = número de baterías del sistema de acumulación; Cne = capacidad nominal estacional del sistema de acumulación de la instalación solar
FV en A∙h; Cbat100 = capacidad nominal de la batería a C100 horas: significa
que proporciona una carga de una potencia P amperios-hora durante 100 horas. Así pues, para el caso de una batería de 250 A∙h que se descarga durante
100 horas sin que la tensión baje, su capacidad se indica como 250 AH C100.
Considerando el valor de la capacidad nominal estacional, Cne, calcu-
lado de 984 A∙h y la capacidad C100 del ejemplo, esto es, una batería de 250
A∙h, el número de baterías (Nbat) requeridas será de:
Nbat = 984/ 250 = 4 baterías
Regulador: el cálculo del regulador requiere determinar la corriente
máxima que debe resistir el regulador tanto a la entrada como a la salida.
El cálculo de la corriente de entrada (Ientrada) se efectúa mediante la siguiente
ecuación:
Ientrada = 1,25 ∙ IMOD,CC ∙ NP
[8.42]
Donde: Fseg = factor de seguridad para evitar daños en el regulador =
1,25; IMod,cc = corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico.
El módulo que se va a utilizar es el ya dicho: Brisban, modelo BS 180S5,
que tiene una IMod,cc de 5,30 A y corresponde a la máxima corriente que puede
ser generada por el módulo para disminuir posibles pérdidas de rendimiento.
Np = número de ramas en paralelo (calculado anteriormente) = 7.
Considerando que la corriente es básicamente la misma para cada
rama en paralelo, e introduciendo estos datos en la ecuación [8.42], se obtiene que la corriente de entrada es de 46 A.
Para el cálculo de la corriente de salida se deben estimar las potencias
de las cargas de corriente continua y las de corriente alterna. La ecuación
[8.43] permite calcular la corriente de salida:
Isalida =
Alfaomega
[8.43]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
300
08 ENERGÍA SOLAR
Donde: PCC = potencia de las cargas en corriente continua (Tabla 8.8) =
15 W; PCA = potencia de las cargas en corriente alterna (Tabla 8.8) = 350+110
= 460 W; ηinv = rendimiento del inversor, se considera alrededor de 95%; Vbat
= tensión de la batería = 24 V.
Reemplazado los valores dados en la ecuación [8.43], se obtiene que la
intensidad de la corriente de salida que debe tolerar el regulador es de 26 A.
Inversor: en la sección 8.9.2 se definió un inversor de corriente como
un dispositivo electrónico cuya función es la de convertir una CC de entrada
a una CA de salida. Esta función permite obtener la magnitud y frecuencia
que se desea para el dispositivo que se va a alimentar. Los inversores más
comunes son para corrientes continuas que tienen una tensión de 12, 24 ó 48
V y, según el número de fases requeridas, pueden ser monofásicos para instalaciones eléctricas de viviendas y oficinas, o trifásicos para operar en líneas
eléctricas de instalaciones industriales o de sistemas de transporte. La potencia de los inversores puede ser inferior a 2000 W, llamados de baja potencia,
o superior a 2000 W o de alta potencia. El dimensionamiento del inversor
debe ser un 20% superior a la potencia total demandada por las cargas de CA,
suponiendo que todas funcionan al mismo tiempo.
Para calcular el inversor se consideran solamente las cargas que utilizan corriente alterna. Según la Tabla 8.8, el consumo es de 350 W para una
lavadora y 110 W para calefacción, lo que suma 460 W, y se aplica un margen
de seguridad de 20%, lo que da un valor de 552 W de carga que debe absorber
el inversor. Además, como algunos aparatos electrodomésticos con motor
tienen “picos de arranque” y requieren una potencia 4 ó 5 veces superior a su
consumo nominal para su arranque, se recomienda sobredimensionar el inversor considerando estos picos de arranque. En este caso se considerará un
factor de 4 para la lavadora. La ecuación [8.44] permite calcular la potencia
requerida por el inversor:
Pinv = Mseg · (Plav · 4 + Pcal)
[8.44]
Donde: Pinv = potencia requerida por el inversor; Mseg = margen de seguridad sobre el consumo = 20%; Plav = potencia de lavadora = 350 W; Fpa =
factor de pico de arranque = 4; Pcal = potencia de la calefacción = 110 W.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.10IMPACTOS
8.10
IMPACTOS
AMBIENTALES
AMBIENTALES
DELADE
ENERGÍA
LA ENERGÍA
SOLARTÉRMICA
SOLAR TÉRMICA
YSOLARFOTOVOLTAICA
Y ...
301
Reemplazando los valores en la ecuación [8.44], se obtiene que la potencia que debe cubrir el inversor será de 1812 W.
8.10 IMPACTOS AMBIENTALES DE LA ENERGÍA SOLAR
TÉRMICA Y SOLAR FOTOVOLTAICA
Tanto un tipo de energía como el otro presentan impactos ambientales
comunes debido a su fuente, el sol. Impactos ambientales positivos
de esta energía renovable son sus propias características: limpia, por lo
que no contamina la atmósfera con los gases de efecto invernadero que se
producen en la quema de combustibles fósiles para producir electricidad.
Se estima que una central eléctrica termosolar evita, o ahorra, unas 2000
t de CO2 al año por cada MW instalado. Además de renovable y limpia,
la energía solar es gratuita durante las horas de radiación solar útil y
se puede convertir directamente la energía solar en eléctrica empleando
el efecto fotovoltaico, lo que implica menos intervenciones en el medio
ambiente.
Los impactos ambientales negativos tanto de la energía solar térmica como de la fotovoltaica son también propios de su naturaleza: requieren
grandes superficies de terrenos para captar la radiación solar puesto que ésta
es débil y difusa. Así, en cada una de las tres centrales con cilindros parabólicos de Andasol, de características muy similares, sus espejos captadores
ocupan una superficie de 510 120 m2 dispuestos en 7500 colectores, con una
potencia generada de 50 MW. La superficie total de cada central es de 195 ha
(1,95 km2). Otro impacto muy negativo es el consumo de agua para enfriar
el circuito de vapor. El agua que se pierde por evaporación en las torres de
enfriamiento es 870 000 m3/año.
Lógicamente, la radiación solar está sujeta a las horas de luz, las estaciones del año y las condiciones atmosféricas. Es difícil almacenarla y si
se hace hay que convertir la energía solar térmica en calor o, si es energía
solar fotovoltaica, debe transformarse en energía electroquímica (capítulo 4).
Si las centrales eléctricas termosolares están alejadas de poblaciones, hecho
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
302
08 ENERGÍA SOLAR
que no es inusual, las torres de transmisión de electricidad tienen un impacto
ecológico y visual negativo.
Asimismo, la energía solar fotovoltaica presenta otros impactos negativos, propios de su naturaleza. Los pocos casos de centrales fotovoltaicas de
elevadas potencias, 70 y 34,2 MW, ocupan extensiones de terrenos de 1,2 y 3,3
ha por cada MW instalado, respectivamente. Para los requerimientos básicos
de una familia y de pequeñas poblaciones, la cantidad de energía eléctrica
producida es limitada. Durante la noche, la energía consumida se almacena
en acumuladores o baterías que producen residuos, después de su vida útil,
que pueden ocasionar contaminación si se dejan abandonados a la intemperie porque sus constituyentes son plomo y ácido sulfúrico. Otro impacto
negativo de esta energía es la fabricación de las celdas que requieren de gran
cantidad de energía para reducir el mineral de óxido de silicio a silicio de
muy alta pureza, como se ha afirmado (sección 8.9.2). Además, la obtención
de dichas celdas de grosores extradelgados exige una tecnología que da lugar
a cantidades significativas de residuos de silicio.
8.11 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR
EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
De la descripción de los fundamentos y tecnologías de aplicación de la energía solar térmica y de la solar fotovoltaica se deduce que la primera tiene la
gran ventaja de no sólo poder generar electricidad sino también de calentar
agua para usos industriales y domésticos y entregar calefacción a diferentes
ambientes. El aprovechamiento de la energía solar en México, Colombia, Argentina y Chile, tanto de un tipo como del otro, se puede calificar de exiguo en
relación a su potencial (sección 8.5). Es común en estos países que la energía
solar térmica sólo se haya aplicado, prácticamente, en calentar agua, por lo
que no se ha aprovechado para producir electricidad. La generación de electricidad sí ha utilizado la energía solar fotovoltaica, pero para necesidades de
poblaciones aisladas, con la excepción de Argentina. Todos estos antecedentes se detallan a continuación.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
8.11APROVECHAMIENTO
8.11
APROVECHAMIENTO
DELADE
ENERGÍA
LA ENERGÍA
SOLARENSOLAR
ALGUNOS
ENPAÍSES
ALGUNOS
LATINOAMERICANOS
PAÍSES... 303
8.11.1 MÉXICO
A finales del 2007, el total mundial de superficie instalada de calentadores solares para agua era 208 000 000 m2, mientras que México aportaba 1 000 000 m2
y una energía solar térmica, para este fin, de 41 MJ per cápita, en tanto que
Brasil lo hacía con 380 MJ por habitante. Para el empleo de energía solar
térmica para generar electricidad sólo cabe mencionar el proyecto que se va a
ejecutar en el municipio de Agua Prieta, Sonora: la construcción una central
solar termoeléctrica de la Comisión Federal de Electricidad y primera generadora de electricidad que utilizará la radiación solar en el país y funcionará
en combinación con una generadora de ciclo combinado a gas natural. El
campo solar aportará energía térmica a través de un sistema de captadores
del tipo canal parabólico y fluido térmico como transmisor de calor.
En lo que respecta al uso de la energía solar fotovoltaica, la capacidad
mundial instalada es 13 GW en conexión con la red eléctrica, y de aproximadamente 2,7 GW fuera de la red. En México, prácticamente todos los sistemas
fotovoltaicos se encuentran en comunidades rurales aisladas y sin conexión
a la red eléctrica; muchos de ellos fueron instalados por medio de programas
gubernamentales de electrificación rural. Se estima que la capacidad total de
estas instalaciones es de 18,5 MW.
8.11.2 COLOMBIA
Las aplicaciones más difundidas de la energía solar térmica en Colombia son
el calentamiento de agua para uso doméstico e industrial y el calentamiento
de agua para piscinas. El desarrollo alcanzado hasta 1996 indicaba que se
habían instalado 48 901 m² de calentadores solares, principalmente en Medellín y en Bogotá. Hacia fines de la década recién la industria de calentadores
solares en el país seguía con baja actividad a la espera de un mayor apoyo del
Estado para el desarrollo de las fuentes de energías renovables.
La generación de electricidad con energía solar empleando sistemas fotovoltaicos ha estado siempre dirigida al sector rural, en donde los
altos costos de generación, originados principalmente por el precio de los
combustibles, y de operación y mantención en las distantes zonas remotas
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
304
08 ENERGÍA SOLAR
hacen que la generación solar resulte más confiable y económica en el largo plazo. Actualmente se emplean sistemas solares en repetidoras de microondas, boyas, estaciones remotas, bases militares, entre otras aplicaciones.
Estos sistemas son hoy esenciales para las telecomunicaciones rurales del
país. El Instituto para la Promoción de Soluciones Energéticas (IPSE) es en la
actualidad la institución que lidera las acciones del Estado en la energización
del campo colombiano. Según esta institución, hay en la actualidad más de
15 000 sistemas instalados para estas aplicaciones. Además, este organismo
tiene en desarrollo sistemas híbridos, en donde se combinan la energía solar fotovoltaica y las plantas Diesel para emplear éstas como generador de
respaldo.
8.11.3 ARGENTINA
El aprovechamiento de la energía solar térmica en Argentina es muy bajo en
el presente. Así, los calentadores solares se instalan mayormente en casas
particulares para la producción de agua caliente. Se estima que hay sólo unos
20 000 m² de colectores instalados en la actualidad, la mitad de ellos para
calentamiento de piscinas. Un obstáculo importante para la difusión de los
calentadores solares es su baja rentabilidad debido al alto precio de inversión
y a los bajos costos de los combustibles que son la alternativa energética. La
energía solar no puede competir en estas condiciones; hace falta un marco
legal e institucional favorable para difundir la tecnología y un programa de
incentivos para el usufructo de esta energía.
Sin embargo, el desarrollo de la energía fotovoltaica es prometedor,
como se aprecia por la inauguración en el año 2011 de la primera Planta Fotovoltaica Piloto San Juan I, que está ubicada en Ullum, a 30 Km de la capital
de la provincia de San Juan, en una de las zonas con mayor cantidad de horas
anuales de radiación solar del país como es la región de Cuyo. Está conectada
a la red eléctrica y fue diseñada para inyectar 1,2 MW en el sistema eléctrico nacional. Una de sus principales características es que tiene paneles fijos
y móviles con placas de silicio monocristalino, policristalino y amorfo. La
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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8.11APROVECHAMIENTO
8.11
APROVECHAMIENTO
DELADE
ENERGÍA
LA ENERGÍA
SOLARENSOLAR
ALGUNOS
ENPAÍSES
ALGUNOS
LATINOAMERICANOS
PAÍSES... 305
nueva planta es parte de un plan del gobierno provincial llamado Solar San
Juan, que busca desarrollar allí un polo tecnológico fotovoltaico.
8.11.4 CHILE
Para el año 2004 Chile había instalado sólo 400 m2 de calentadores solares, situación que subió significativamente a 7 000 m2 en el año 2008, según últimas
estadísticas: un 73% corresponde instalaciones en viviendas urbanas, 15%
a condominios, 7 % a apartamentos y sólo 5% al sector rural. A 190 Km de
Antofagasta, cerca de Sierra Gorda, en el desierto de Atacama, se construye
una planta termosolar de colectores cilindros parabólicos, que será capaz de
entregar al menos un 55% de la energía anual necesaria para el proceso de
extracción por solventes y electroobtención de cátodos de cobre de la Minera
el Tesoro. Con ella se generará una potencia térmica de 7 MW. En el mundo
existen otras plantas de concentración solar. Sin embargo, entre las de calentamiento de soluciones industriales, ésta será la de mayor envergadura
con 16 742 m2 y un total de 1280 módulos colectores. La planta, está proyectada para funcionar durante 2013. Consiste en un circuito cerrado de calor,
donde el agua es calentada a medida que pasa a través del campo solar hasta
alcanzar temperaturas de hasta 150 °C. Luego es almacenada en estanques
térmicos para finalmente transferir la energía térmica a la solución de sulfato
cúprico del proceso de electroobtención.
El desarrollo de la tecnología fotovoltaica en el país incluye los siguientes tipos de usos: aplicaciones efectuadas por empresas de telecomunicaciones, aplicaciones en retransmisión de televisión en sectores aislados,
sistemas de iluminación de faros con paneles fotovoltaicos y electrificación
rural. Entre 1992 y 2000 se han instalado cerca de 2500 soluciones individuales con sistemas fotovoltaicos para abastecer de energía eléctrica a viviendas
rurales, escuelas y postas de salud. Aplicaciones industriales de la energía
fotovoltaica se han ejecutado en pequeña escala en agricultura para riego y
secado de frutos. En gran escala, durante año 2013, comenzará a operar la
planta fotovoltaica La Huayca, para proveer de electricidad a Pica y Pozo
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
306
08 ENERGÍA SOLAR
Almonte, Desierto de Atacama, con una potencia de 1,4 MW que inyectará al
Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) a través de 5835 paneles.
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
8.1.
Realice un análisis comparativo de los climas de las capitales de México, Colombia, Argentina y Chile y explique las causas de las diferencias.
8.2.
Para calentar agua de uso industrial se emplean colectores planos. El
agua está inicialmente a 18 °C y se quiere calentar a 90 °C. Determinar:
a) las características del colector solar; b) la superficie del colector si la
cte. de radiación es 0,5 cal/min·cm2 y se requiere un caudal de 600 L/h;
c) qué cantidad de calor captura el colector si funciona 4 h al día.
8.3.
Un colector solar plano que tiene una superficie de 4 m2 debe calentar
agua para empleo doméstico. Si la radiación solar es 0,9 cal/min·cm2
y el consumo de agua es constante, a razón de 6 L/min, determinar el
aumento de temperatura del agua después de 2 h de funcionamiento.
Suponer que el agua está inicialmente a 15 °C y que no hay pérdidas de
calor.
8.4.
Una vivienda dispone de un tanque de agua de 200 L de capacidad, el
cual se vacía y rellena tres veces al día. La temperatura de entrada del
agua es 15 °C y se debe calentar a 55 °C. Se piensa instalar un sistema
solar de agua caliente y se conoce que la energía solar media diaria es
1,53 KJ/cm2 . ¿Cuál debe ser la superficie del colector solar por utilizar
si su eficiencia es 30%?
8.5.
Considere una casa de 150 m2 que tiene 2 pisos, donde habitan 5 personas. Le piden hacer un estudio preliminar de ingeniería para analizar
la factibilidad técnica y económica de instalar un sistema de colectores solares para calentar agua y para calefacción en esa casa. a) Evalúe
técnica y económicamente las opciones que le ofrece el mercado. b)
Seleccione una alternativa explicando las razones.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
8.6.
307
Calcular la energía, en electrón voltios (ev), de un fotón de radiación
infrarroja cuya longitud de onda es 1140 nm, sabiendo que: E = h·c/λ,
donde E: energía expresada en ev; h: cte. de Plank = 4,14 · 10-15 ev/s;
c: veloc. luz = 3· 1010 cm/s; λ: long. onda en cm. Explicar por qué los
fotones con mayor longitud de onda no pueden promover los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción en una celda
fotovoltaica.
8.7.
Explicar por qué una celda fotovoltaica de Si no funciona sin unión p-n.
¿Cómo se forma una p-n por dopaje del Si?
8.8.
Calcular la energía solar anual recibida por m2 en KW·h en una región
cuya intensidad solar es 270 W/m2. Calcular la energía eléctrica producida por una celda fotovoltaica de 1 m2 cuya eficiencia es 15%.
8.9.
Una celda fotovoltaica produce aproximadamente 40 W/m2 de electricidad por área superficial si está directamente frente al sol. ¿Cuál debe
ser su superficie para satisfacer las necesidades de una casa que requiere 22 KW·h /día? ¿Un panel de esta superficie cabría en el techo de una
casa promedio? Suponer que el sol brilla durante 9 h.
8.10.Determinar la potencia mecánica de un motor eléctrico que trabaja con
un rendimiento del 85% si es alimentado por 12 m2 de paneles fotovoltaicos con 0,5 cal/min·cm2 de coeficiente de radiación solar.
8.11. Un panel fotovoltaico de 60·30 cm tiene un rendimiento de 20%. Determinar la cantidad de energía eléctrica (KW·h) que generará para acumular
en una batería si el panel funciona 8 h y si la radiación solar es de 0,9 cal/
min·cm2. Suponer que no hay pérdidas en el transporte ni en la carga.
8.12. Elija una zona del estado o región donde usted vive. Investigue y analice los parámetros que se requiere considerar para el aprovechamiento de la energía solar para producir electricidad en el lugar escogido.
a) Establezca las necesidades energéticas que usted desea cubrir
por una planta solar. Explique su razonamiento para esa decisión.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
308
08 ENERGÍA SOLAR
b) Evalúe las alternativas de producción y seleccione la que usted considere la más adecuada desde el punto de vista técnico para esa zona.
c) Analice la opción seleccionada desde el punto de vista económico.
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09
ENERGÍA DE
LA BIOMASA
Se entiende por biomasa a “el conjunto de materia orgánica renovable de
origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial
de ésta”. Como fuente de energía presenta una enorme versatilidad ya que
permite obtener, mediante diferentes procedimientos, tanto combustibles
sólidos como líquidos o gaseosos. Cualquier tipo de biomasa proviene de la
reacción de la fotosíntesis que produce sustancias orgánicas a partir del CO2
del oxígeno del aire y de otras sustancias simples, aprovechando la energía
del sol. Mediante la fotosíntesis el reino vegetal absorbe y almacena una parte
de la energía solar que llega a la Tierra para formar plantas y árboles y en el
mar forma las microalgas que integran el fitoplancton, hasta donde llega la
luz. Por su cuenta, el reino animal incorpora, transforma y modifica dicha
energía. En ambos procesos de transformación se generan subproductos que
no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de
otros productos, pero que pueden utilizarse como combustible en diferentes
requerimientos energéticos.
9.1 CICLO BIOLÓGICO DEL CARBONO
El ciclo biológico del carbono se inicia con fotosíntesis, la que se define
como “un proceso físico-químico por el cual las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas utilizan la energía de la luz solar para sintetizar compuestos orgánicos”. En plantas, algas y en algunos tipos de bacterias fotosintéticas el proceso implica la liberación de oxígeno molecular y la utilización de
dióxido de carbono atmosférico para la síntesis de compuestos orgánicos. A
este proceso se le denomina fotosíntesis oxigénica. Esta síntesis, catalizada
por la clorofila, es básicamente una transformación no espontánea (sección
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
310
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
1.7.1) del dióxido de carbono (CO2) y del agua en hidratos de carbono que se
representará por su fórmula mínima, CH2O, y oxígeno según la ecuación:
CO2 + H2O → CH2O + O2
∆G = + 477 kJ/mol
[9.1]
Como los hidratos de carbono constituyen básicamente la materia orgánica de dichos organismos, se les denominará así o más simplemente carbono orgánico.
La inmensa mayoría de las plantas, algas y bacterias autotróficas se
procuran la energía necesaria para su existencia mediante la transformación
metabólica de parte del carbono orgánico que consumen, liberando oxígeno
en este metabolismo. Es el fenómeno de la respiración que consiste en la
oxidación del carbono orgánico con desprendimiento de CO2, agua y calor.
Este hecho significa que dicha oxidación es la reacción inversa a la fotosíntesis y por lo tanto, en función de la ley de conservación de la energía, la energía
libre involucrada en el proceso es igual a la de la fotosíntesis pero con signo
contrario:
CH2O + O2 → CO2 + H2O
∆ G = - 477 KJ/mol
[9.2]
De esta manera, la mayor parte del carbono orgánico creado en la fotosíntesis se consume rápidamente mediante la oxidación y vuelve a formar
CO2, ya sea en la respiración metabólica de los mismos organismos fotosintéticos autótrofos que lo crearon (bacterias, algas, plantas) o bien en la respiración de los animales heterótrofos que se alimentan de ellos.
Si el carbono orgánico constituye materia orgánica muerta, biomasa
muerta, ésta se puede oxidar naturalmente con el oxígeno atmosférico o
mediante una quema; en ambos casos se tiene una oxidación cuyo resultado
es idéntico al de la respiración: formación de CO2 y agua. Para el Protocolo
de Kioto (sección 2.5), la biomasa tiene un factor de emisión de dióxido
de carbono (CO2) igual a cero. La combustión de biomasa produce agua y
CO2, pero la cantidad emitida de dióxido de carbono fue captada previamente por las plantas durante su crecimiento. Su uso contribuye a reducir
las emisiones de CO2 a la atmósfera, pero siempre y cuando sustituya a un
combustible fósil.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.1 CICLO BIOLÓGICO DEL CARBONO
311
Si las dos reacciones bioquímicas opuestas, fotosíntesis y oxidación,
se hubiesen producido siempre con la misma intensidad, no habría en este
ciclo ni pérdidas ni ganancias de CO2 atmosférico. Tampoco nunca se habría
acumulado oxígeno en la atmósfera como sucedió en el pasado. El carbono
orgánico, creado en la fotosíntesis y transmitido por la cadena alimentaria
a la vida animal, sería devuelto a la atmósfera en forma de CO2, tras la oxidación ocasionada en la respiración y en la descomposición de la materia
orgánica, biomasa muerta. Pero no todo el carbono orgánico formado en la
fotosíntesis es consumido, pues una cierta cantidad contenida en los restos
de materia orgánica muerta suele quedar enterrado en las rocas sedimentarias, sin posibilidad, al menos en el corto plazo, de ser oxidado y convertido
de nuevo en CO2.
El ciclo de la fotosíntesis y la respiración es parte integrante de un ciclo biogeoquímico del carbono más complejo que incluye sedimentación, enterramientos y procesos tectónicos. Este gran ciclo se puede dividir
en dos ciclos conectados por la molécula de CO2; uno de ellos es el ciclo
biológico del carbono, que involucra el equilibrio fotosíntesis/respiración
y combustión, y el enterramiento de la materia orgánica, conjuntamente con
su reoxidación cuando queda expuesta a la atmósfera a través de los movimientos geológicos. El otro ciclo es el ciclo geológico del carbono, que
implica la erosión de las rocas de silicatos, la precipitación del carbonato de
calcio (CaCO3) en los océanos y finalmente la conversión, mediante la actividad tectónica, del carbonato de calcio a silicato de calcio (CaSiO3). Las fases
geológicas de este ciclo transcurren en millones de años, pero aun así controlan los niveles de CO2 en la atmósfera.
Gran parte de la fotosíntesis en la biósfera es llevada a cabo por el
fitoplancton marino que vive hasta donde llega la luz. Estos organismos
microscópicos transforman los nutrientes en materia orgánica vegetal que
continuamente es cosechada y engullida por el zooplancton. El zooplancton
metaboliza el alimento, respira y devuelve al agua parte del CO2, pero produce también residuos orgánicos fecales que caen hacia el fondo del mar. La
masa de estos residuos y de la materia orgánica blanda que muere y no se ha
oxidado representa aproximadamente el 25% de la biomasa producida. A esta
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
312
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
masa blanda se le debe agregar la de los esqueletos y caparazones del propio
plancton muerto, constituidos por carbonato de calcio (CaCO3), que también
van cayendo hacia las profundidades, restando continuamente carbono a la
zona superficial del océano. Eso hace que disminuya la presión del dióxido de
carbono del agua superficial y que, para paliarlo, el mar absorba CO2 del aire
atmosférico, por lo que la concentración atmosférica de CO2 disminuye cuando aumenta la productividad biológica marina. Durante la caída hacia las
profundidades, casi toda la materia orgánica blanda se atrapa y oxida pronto por microbios heterotróficos, que también respiran y desprenden CO2. La
concentración de CO2 en el interior del océano se multiplica por 2 o por 3 con
respecto a la superficial porque las aguas profundas son más frías. Así pues,
la introducción de carbono orgánico desde la zona eufótica hacia las profundidades del océano, seguida de la transformación del carbono orgánico en
CO2, produce un gradiente en la concentración del CO2 disuelto en el agua, el
cual aumenta con la profundidad. Se produce así una bomba biológica que
succiona carbono orgánico. De todas maneras, una pequeña cantidad de la
materia orgánica logra llegar hasta el fondo, queda definitivamente enterrada y pasa a formar parte de las rocas sedimentarias.
Esta materia, en estado concentrado, puede transformarse, en extensos períodos de tiempo, en depósitos de hidrocarburos gaseosos (gas natural)
o líquidos (petróleo) que rellenan los poros de rocas o pueden impregnar de
carbono orgánico sedimentos minerales, como las arcillas. Este carbono orgánico que no sedimenta de forma compacta sino que únicamente impregna
de carbono dichos sedimentos contiene, en conjunto, más carbono que todos
los yacimientos de carbón y petróleo juntos, pero se encuentra muy esparcido, impregnando diversos tipos de rocas cuya explotación como combustible
es mucho más difícil.
9.2 PRODUCCIÓN Y PRODUCTIVIDAD DE BIOMASA
La producción de biomasa es el incremento de ella en un nivel trófico por
unidad de tiempo y representa la cantidad de energía que fluye por ese nivel
trófico. Se mide en unidades de biomasa por unidad de tiempo.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.2 PRODUCCIÓN Y PRODUCTIVIDAD DE BIOMASA
313
La producción primaria es la elaboración de materia orgánica que
realizan los organismos autótrofos (sección 7.7) a través del proceso de fotosíntesis que sintetiza moléculas orgánicas a partir de dióxido de carbono
(CO2) y agua, por medio de la luz, según se vio en la sección anterior. La producción primaria es el incremento de biomasa de los productores por unidad
de tiempo y es el punto de partida de la circulación de nutrientes y energía a
través de las cadenas tróficas.
La Producción Primaria Bruta (PPB) es la cantidad total de energía fijada por los productores mediante fotosíntesis. Si se descuenta la energía
consumida para el mantenimiento de las funciones vitales, respiración celular
(R), se obtiene la Producción Primaria Neta (PPN), que representa la cantidad de biomasa que está a disposición del siguiente nivel trófico. En teoría,
en un ecosistema que ha alcanzado su madurez la producción neta es nula o
muy pequeña; el ecosistema simplemente renueva su biomasa sin crecimiento.
PPN = PPB – R
[9.3]
La producción secundaria es el incremento de biomasa por unidad
de tiempo de los consumidores y descomponedores, organismos heterótrofos, y representa la cantidad de materia asimilada por éstos en su nutrición.
La biomasa generada en la producción primaria se utiliza por los propios productores para la obtención de energía o para la construcción de sus
estructuras; son las plantas y árboles, la base de la cadena trófica (sección
7.7). Una parte pasa a los consumidores primarios, aproximadamente un
10%, los llamados herbívoros, que a su vez producen sus propias moléculas
—producción secundaria— para fabricar sus componentes o las degradan
para obtener energía; son los denominados productores secundarios.
La productividad es “la velocidad con que se renueva la biomasa” o
su tasa de renovación. La productividad permite conocer el límite de explotación de un ecosistema y de esta manera se puede evitar su sobreexplotación. La biomasa que puede mantenerse en un determinado nivel trófico no
depende de la biomasa del nivel anterior sino de su productividad. Dicho de
otro modo, un nivel trófico con una biomasa pequeña pero una gran productividad puede mantener una biomasa mayor de un nivel trófico superior.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
314
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Aunque el avance industrial ha desplazado a la biomasa como fuente
de calor mediante el empleo de combustibles fósiles, ésta sigue siendo aún
un recurso atractivo. La densidad energética de la biomasa —monto de energía entregada por unidad de masa— es significativamente inferior que la de
los combustibles fósiles debido a que en su composición abunda el oxígeno
y otros elementos distintos de carbono e hidrógeno, característicos de estos combustibles. Esta baja densidad y las dificultades de recoger, acopiar
y transportar la biomasa a los sitios de aprovechamiento de ella constituyen las causas que hacen que este tipo de energía no sea competitiva con los
combustibles fósiles. Sin embargo, si algún día la emisión de CO2 se regula
y/o penaliza en escala mundial, entonces el empleo de la biomasa cambiaría
fundamentalmente.
Por lo general, el campo de la biomasa se encuentra condicionado por
una fuerte heterogeneidad, tanto por el tipo de materia prima que se emplea
como por los posibles usos energéticos derivados, así como por su interferencia con el mercado de los frutos agrícolas. Además, su crecimiento está
fuertemente condicionado por la entrega oportuna y constante de materia
prima a los centros donde se aprovecha. Con la crisis energética de principios
de los 70 volvió el interés por la biomasa y en la última década este interés se
está potenciando por otros factores cada vez más prioritarios para la sociedad
como son la necesidad de disminuir las emisiones de efecto invernadero y la
reducción, en general, de las emisiones del sector energético tradicional, la
disminución de la dependencia energética del exterior y la necesidad de sustituir los combustibles fósiles tradicionales por otras energías para prevenir
los efectos de su eventual agotamiento.
9.3 CLASIFICACIÓN DE LA BIOMASA
La principal biomasa explotable por el hombre como fuente de energía es la
materia vegetal: los árboles y las plantas. Sin embargo, cantidades inferiores de biomasa que se utilizan como energético son los residuos forestales,
agrícolas y los que provienen de diferentes actividades industriales. Su disponibilidad varía de región a región, de acuerdo con el clima, el tipo de suelo,
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9.3 CLASIFICACIÓN DE LA BIOMASA
315
la geografía, la densidad de la población y las actividades productivas; por
eso los correspondientes aspectos de infraestructura, manejo y recolección
del material deben adaptarse a las condiciones específicas del proceso en el
que se deseen explotar. El conjunto de toda esta biomasa se puede clasificar
de diferentes maneras. En esta obra se hará en función de la producción de
energía en gran escala, que reúne la Tabla 9.1.
TABLA 9.1. CLASIFICACIÓN DE LA BIOMASA EN FUNCIÓN DE LA ENERGÍA
Tipos de biomasa
Características
Residuos
forestales
Son una importante fuente de biomasa. Se considera que, de cada árbol extraído para la producción maderera, sólo se aprovecha comercialmente un porcentaje cercano al 20%. Se estima que un
40% es dejado en el campo, en las ramas y raíces;
el otro 40% queda en el proceso de aserrío, en
forma de astillas, corteza y aserrín.
Desechos agrícolas
Representan cantidades considerables de desechos o rastrojos. Se estima que los desechos
de campo son más del 60%, y los desechos de
procesos agrícolas, entre 20% y 40%. Al igual que
en la industria forestal, muchos residuos de la
agroindustria se dejan en el campo. Aunque es
necesario reciclar un porcentaje de la biomasa
para proteger el suelo de la erosión y mantener
el nivel de nutrientes orgánicos, una cantidad
importante puede ser recolectada para la producción de energía. Ejemplos comunes de este tipo
de residuos son el arroz, el maíz, el café y la caña
de azúcar.
Plantaciones
energéticas
Para ello se seleccionan árboles o plantas de crecimiento rápido y bajo mantenimiento, las cuales
usualmente se cultivan en tierras de bajo valor
productivo. Su período de cosecha varía entre los
tres y los diez años. También se utilizan arbustos
que pueden ser podados varias veces durante su
crecimiento para extender la capacidad de cosecha de la plantación.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
316
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Tipos de biomasa
Características
Plantaciones
energéticas
Existen también muchos cultivos agrícolas
que pueden ser utilizados para la generación
de energía: caña de azúcar, maíz, sorgo y trigo.
Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas
como palma de aceite, girasol o soja y algas para
producir combustibles líquidos como el bioetanol
y el biodiesel.
Desechos
industriales
La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos que pueden ser
usados como fuentes de energía: los provenientes
de todo tipo de carnes (avícola, vacuna y porcina) y vegetales tales como cáscaras y pulpa, cuyo
tratamiento como desechos representan un costo
considerable para la industria. Estos residuos
son sólidos y líquidos, con un alto contenido de
azúcares y carbohidratos, los cuales pueden ser
convertidos en combustibles gaseosos.
Desechos urbanos
Generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por ejemplo: residuos alimenticios,
papel, cartón, madera y aguas negras que si no
se recogen y procesan generan grandes problemas de contaminación de suelos y cuencas. Por
otra parte, la basura orgánica en descomposición
produce compuestos volátiles tales como metano
y dióxido de carbono que contribuyen a aumentar
el efecto invernadero si se liberan; pero si el metano se retiene se puede usar como un excelente
combustible (biogás).
9.4 CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA APROVECHABLE
Para evaluar el posible aprovechamiento de la biomasa como fuente de energía es necesario considerar ciertos parámetros y condiciones que la caracterizan, los cuales se exponen en la Tabla 9.2.
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9.4 CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA APROVECHABLE
317
TABLA 9.2. CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA
Propiedad
Características
Tipo de
biomasa
Sus diferentes estados físicos determinan la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión energética
que pueden aplicarse a cada tipo en particular. P. ej., los
desechos forestales indican el uso de los procesos de combustión directa o procesos termoquímicos; los residuos animales indican el uso de procesos bioquímicos anaeróbicos.
Composición
química y
física
Determina el tipo de combustible o subproducto energético que se puede generar; p.ej., los desechos animales producen altas cantidades de metano, mientras que la madera
puede producir el denominado “gas pobre”: mezcla rica en
monóxido de carbono (CO) e hidrógeno. Por otra parte, las
características físicas influyen en el tratamiento previo que
es necesario aplicar.
Contenido de
humedad
(ch)
Es la relación de la masa de agua contenida por kilogramo
de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión energética exigen un ch < 30%. Muchas veces, los residuos salen del proceso productivo con un ch muy superior,
que obliga a implementar operaciones de acondicionamiento antes de ingresar al proceso de conversión de energía.
Porcentaje
de ceniza
Indica la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. En la combustión es importante conocer el porcentaje de generación de ceniza y su composición,
pues, en algunos casos, ésta puede ser utilizada; p. ej,, la
ceniza de la cascarilla de arroz es un excelente aditivo en la
mezcla de concreto o para la fabricación de filtros de carbón
activado.
Poder
calorífico
Parámetro que determina la energía disponible en la biomasa. Está relacionado con su contenido de humedad. Un
elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la
combustión debido a que una gran parte del calor liberado
se usa para evaporar el agua.
Densidad
aparente
(da)
Peso por unidad de volumen del material en su estado físico, bajo condiciones dadas. Combustibles con alta da favorecen la relación de energía por unidad de volumen, de
modo que se requieren menores tamaños de los equipos y
se aumentan los períodos entre cargas. Los materiales con
baja da necesitan mayor volumen de almacenamiento y
transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir
por gravedad.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
318
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Aparte de las características recién señaladas, la biomasa debe contar
con condiciones apropiadas para su recolección, acopio, transporte y manejo
en planta que son factores determinantes en la estructura de costos de inversión y operación en todo proceso de conversión energética. La ubicación
del material con respecto a la planta de procesamiento y la distancia hasta
el punto de utilización de la energía convertida deben analizarse detalladamente para lograr un nivel de operación del sistema por encima del punto de
equilibrio en relación con el proceso convencional.
9.5 COMPOSICIÓN Y COMBUSTIÓN DE LA MADERA
Los principales componentes del reino vegetal en la Tierra son las plantas y los
árboles y, de estos últimos, la madera proveniente de bosques y plantaciones.
Ésta posee un alto valor como materia prima para las más variadas aplicaciones industriales. La madera está constituida por tres tipos de materiales poliméricos: celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa es un polímero lineal
compuesto por la unidad glucosa (C6H12O6) que se repite unas 8000 a 10 000
veces en la macromolécula cuya masa molecular es del orden de 1 000 000 g/
mol. La hemicelulosa es un polímero de bastante menor masa molecular
compuesto por unas 200 unidades de xilosa (la más abundante), glucosa, manosa, arabinosa y cantidades menores de otras. Por ser un polímero pequeño
y heterogéneo se descompone con mayor facilidad que la celulosa. La lignina es un polímero entrecruzado, muy complejo, constituido por unidades de
fenilpropano (C6H5C3H7), las cuales están unidas entre sí a lo menos por diez
tipos de enlaces C-C y C-O. Pese a todos los estudios hechos, la estructura de la
lignina no se conoce completamente y su separación de la madera es todavía
un problema. La lignina está unida mediante enlaces químicos a la hemicelulosa y se cree que también a la celulosa, motivo por el cual contribuye a la
estabilidad dimensional de la madera, condicionada por la absorción de agua.
La celulosa contribuye con una proporción aproximada de 35%, la cual es mayoritaria; la hemicelulosa, con 25%, así como también la lignina. La Tabla 9.3
resume las características de los constituyentes de la madera.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.5 COMPOSICIÓN Y COMBUSTIÓN DE LA MADERA
319
TABLA 9.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONSTITUYENTES DE LA MADERA
Constituyente
%*
Unidades
Celulosa
35
Glucosa (C6H12O6)
Estable, 8000-10 000
unidades.
Hemicelulosa
25
Xilosa (C5H10O5)
Poco estable, ≈ 200
unidades en total.
Arabinosa (C5H10O5)
Estructura
Glucosa (C6H12O6)
Manosa (C6H12O6)
Lignina
25
Fenilpropano
(C6H5C3H7)
Muy estable, estructura
muy compleja.
* Otros: 15%
La combustión de la leña, constituida por trozos de ramas y de troncos
de los árboles, es una reacción de oxidación de la madera que se puede representar por la fórmula general de sus principales componentes: celulosa y hemicelulosa. Según la Tabla 9.3, las unidades constituyentes de estos polímeros tienen las fórmulas C5H10O5 y C6H12O6. La fórmula mínima de estas dos es
[CH2O], de manera que para efectos de cálculo se puede asignar a la madera
esta fórmula mínima, en primera aproximación (ecuación [9.4]). Nótese que
esta ecuación es igual que la [9.2] (sección 9.1), pero como se expresa en función del calor de reacción en unidades de KJ/Kg, que son más prácticas, se ha
optado por darle un número distinto a esta ecuación química. Los dígitos s y
g representan el estado sólido y el gaseoso con que participan los reactantes:
[CH2O](s) + O2(g) → CO2(g) + H2O(vapor) ΔH ≈ - 17 000 ( KJ/Kg )
[9.4]
Las maderas con elevado contenido de resina, como por ejemplo las de
pino y abeto, tienen el mayor poder calorífico.
Al comparar el calor liberado, o entalpía, de la combustión de la leña
—17 000 KJ/Kg— con el poder calorífico —41 800 KJ/Kg— del queroseno, fórmula mínima [CH2] (Tabla 5.4, sección 5.3), se deduce que el primer valor es
menos de la mitad del queroseno debido a que la fórmula mínima de la leña
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320
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
contiene oxígeno además de carbono e hidrógeno. Asimismo, la leña no sólo
tiene menor poder calorífico que los hidrocarburos fósiles (ver sección 5.3)
sino que también contribuye el contenido de agua o humedad del combustible biomásico. La biomasa forestal correspondiente a árboles recién cortados
contiene alrededor del 50% de agua. Si la madera va a ser usada en combustión directa, el calor necesario para reducir la humedad a un nivel del 15% es
equivalente al 20-25% del poder calorífico de la madera seca; por cada kilogramo de agua que se desea eliminar se requiere de 3500 a 4500 KJ de energía
térmica. La Tabla 9.4 da cuenta de la relación entre humedad y la energía que
contiene la madera, medida a través de su poder calorífico.
TABLA 9.4. HUMEDAD Y PODER CALORÍFICO DE LA LEÑA
Humedad
(%)
Poder calorífico
KJ/Kg
0
18 810
20
12 540
40
6270
La humedad no sólo perjudica a la leña porque disminuye su energía
útil neta sino que también aumenta la emisión de material particulado, pues
su combustión se hace más incompleta debido a que las partículas desprendidas están compuestas principalmente por carbón, en este caso carbón vegetal, finamente disperso. Si el diámetro medio de estas partículas es del orden
de 2,5 micrones (2,5·10-6 m) se forma un humo que no sólo perturba la visión
sino además produce un serio daño en los pulmones. Por otra parte, la emisión de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx; x = 1,2) en la combustión de la madera es mucho menor que la de los hidrocarburos fósiles, por
lo que se requieren menos controles sobre la contaminación.
El peso agregado de la humedad de la leña hace que colectar, mover
y transportar la madera sea muy costoso, situación que es más pronunciada
cuando estas operaciones se realizan en el interior de los bosques. De los
bosques naturales y plantaciones de árboles se extrae una gran cantidad de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.5 COMPOSICIÓN Y COMBUSTIÓN DE LA MADERA
321
residuos de madera provenientes de podas, raleos o clareos y cosechas de
dichos recursos forestales que proporcionan un combustible que es aprovechado por los habitantes de zonas cercanas. Si el costo de acopio y transporte
de estos residuos resulta menor que el de combustibles fósiles o de la electricidad, entonces se convierten en una buena alternativa para calefacción. Sin
embargo, la quema de estos residuos produce monóxido de carbono (CO),
gas tóxico, material particulado y otros productos que contaminan interiores
y exteriores. Para lograr una combustión lo más limpia posible es necesario
que las estufas alimentadas con leña posean una cámara en la cual el tiempo,
temperatura y turbulencia produzcan una combustión eficiente y con muy
baja emisión de contaminantes.
Un combustible alternativo a la leña destinada a calefacción son las
briquetitas o pellets Los pellets son aglomerados fabricados a partir de
astillas (chips) de madera y aserrín. Tienen forma cilíndrica, miden entre 1 y
2 cm de largo y hasta 8 mm de diámetro. Su fabricación comienza con la molienda de las astillas u otros desechos forestales hasta que son transformados
en partículas no superiores a 2 mm de longitud. Luego, se homogeniza su humedad mediante un proceso de secado y finalmente el material es prensado
y reconstituido en pequeños bloques. Al comprimirse, se produce la cohesión
del material gracias a la lignina presente en la madera y por eso no es necesario utilizar adhesivos adicionales. Se emplean principalmente en calefacción,
aun en ciudades alejadas de los bosques, porque la utilización de astillas y
aserrín residuales y la compactación de estos materiales aumenta su densidad, lo cual permite un menor costo de transporte. La humedad promedio
de este biocombustible es 10%, mientras que su poder calorífico es alrededor
de 17 000 KJ/Kg y desprende 5 g de ceniza por kilogramo.
Los pellets no sólo son un combustible más barato porque provienen de
residuos forestales sino que permiten regular el fuego ya que, por su tamaño,
es la propia estufa la que puede añadir los pellets automáticamente según la
demanda de energía, a diferencia de la leña. En una estufa normal, el añadido
manual de la leña ahoga parte del fuego, lo que perjudica la eficiencia de la
combustión y produce mayor emisión de monóxido de carbono (CO). Debido
a las pequeñas dimensiones de los pellets, el tamaño de la estufa se reduce,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
322
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
pudiendo ser en algunos casos portátil, autónoma y programable en su encendido y apagado. Asimismo, los pellets ocupan un menor espacio para su
almacenamiento.
9.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS
El término biocombustibles denota a combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que se producen a partir de la biomasa, destinados a la producción
de alternativas a los combustibles fósiles tradicionales. Por tanto, se entiende por biocombustible aquel “combustible de origen biológico que no se ha
fosilizado”. Se clasifican dependiendo de la materia prima que los origina o
de su estado de agregación. Según su origen vegetal, se clasifican en cultivos
de especies vegetales energéticas, restos de cultivos agrícolas tradicionales,
restos de tratamientos silvícolas y de plantaciones forestales y restos de actividades agroindustriales. Según el estado de agregación los biocombustibles
pueden ser gaseosos como el biogás, líquidos como el bioetanol, biodiesel,
aceite vegetal y líquido piroleñoso y sólidos como la ya tratada leña y pellets
o el carbón vegetal. En esta sección se tratarán los bioalcoholes: metanol,
etanol, y butanol, y el biodiesel, que son los principales biocombustibles
líquidos. El propanol, alcohol de tres átomos de carbono, no se emplea corrientemente como combustible en motores Otto, a diferencia del metanol,
etanol y butanol, motivo por el cual no se incluirá en esta sección.
Respecto de los bioalcoholes, cabe referirse a algunas propiedades vinculadas a su empleo como bioenergéticos. En la combustión que se produce en motores Otto (sección 5.4.3) ocurre el fenómeno de la detonación si
el combustible utilizado no es apropiado para el motor. La detonación es
“una inflamación anormal que se produce al generarse velocidades explosivas mucho mayores, en el interior del cilindro, que las que ocurren en una
combustión normal”. Como resultado, el pistón recibe un golpe brusco en vez
de un empuje suave y progresivo propio de una combustión normal. Mediante ensayos se verificó que los hidrocarburos lineales se comportan en forma
detonante y los hidrocarburos ramificados y aromáticos no lo hacen así. Con
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS
323
este conocimiento se adoptó una escala arbitraria en la cual al hidrocarburo ramificado isooctano se le asignó el número 100 y al hidrocarburo lineal
n-heptano el valor 0; ambos hidrocarburos forman parte de los numerosos
compuestos que constituyen la gasolina. Por lo tanto, el comportamiento de
la gasolina puede expresarse por el índice de octano, u octanaje, que “expresa aquella proporción de isooctano mezclado con n-heptano que se comporta igual que la de una gasolina de ensayo”. Los combustibles con alto octanaje trabajan en motores con mayores relaciones de compresión sin originar
detonación.
Aunque los bioalcoholes mencionados en el párrafo anterior son químicamente diferentes a los hidrocarburos, poseen altos índices de octano que
dependen de sus estructuras. La Tabla 9.5 muestra dichos índices para los
tres alcoholes que se pueden utilizar de diferentes maneras como biocombustibles en motores Otto.
TABLA 9.5. ÍNDICE DE OCTANO DE ALCOHOLES
Alcohol
Estructura
Índice de octano
Metanol
CH3OH
92-106
Etanol
C2H5OH
89-108
Butanol
C4H9OH
71-92
Estos alcoholes poseen un alto índice de octano, hecho que indica que
pueden compararse con las gasolinas de octanaje alto.
9.6.1 BIOMETANOL
El biometanol, metanol de origen biológico, o alcohol metílico, CH3OH, es un
líquido incoloro, de olor suave, tóxico, miscible en agua y soluble en la mayoría de los disolventes orgánicos. Arde con llama débilmente luminosa y su
vapor forma mezclas explosivas con el aire. El punto de ebullición y densidad
de este alcohol, etanol, propanol y butanol se reúnen en la Tabla 9.6.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
324
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
9.6.2 BIOETANOL
El bioetanol, etanol de origen biológico, C2H5OH, es un líquido incoloro, inflamable, de olor agradable, que se disuelve en la mayoría de los disolventes
orgánicos y se mezcla con agua en todas las proporciones. Puede utilizarse
como combustible, solo, o bien mezclado con cantidades variadas de gasolina como combustible para motores Otto (sección 5.4.3). La mezcla de
etanol y gasolina se conoce como gasohol. El etanol puro tiene un octanaje
mucho más alto que la gasolina común, por tanto requiere cambiar la relación de compresión del motor convencional para obtener el rendimiento
máximo. Por este motivo, el etanol se emplea en motores fabricados específicamente para este combustible, como es el caso de automóviles fabricados
en Brasil, principal productor de bioetanol con un 45% de la producción
mundial. Los motores convencionales pueden funcionar bien con una mezcla, en volumen, de 10-30% de alcohol y gasolina, sin necesidad de modificar
el motor. La mezcla de bioetanol con gasolina corriente en las proporciones
porcentuales de 5/95 y 10/90 se denominan E-5 y E-10, respectivamente.
9.6.3 BIOBUTANOL
El biobutanol, butanol de origen biológico, 1-butanol o alcohol 1-butílico,
C4H9OH, es un líquido incoloro, de olor característico, su solubilidad relativa
en agua es 8%, pero es miscible en todos los disolventes orgánicos comunes.
Se inflama con mayor dificultad que el metanol y etanol. Tiene más energía
que el etanol: un litro de butanol contiene alrededor de un 90% de la energía
de un litro de gasolina, mientras que el etanol sólo tiene el 70%. Se puede
mezclar con gasolina en porcentajes más elevados que el etanol sin necesidad
de realizar ninguna modificación en los motores.
Algunas características físicas del butanol se indican en la Tabla 9.6
junto con las de los otros bioalcoholes. También se incluye la propiedad de
punto de inflamación en relación con la inflamabilidad de estos combustibles
cuando actúan como tales. El punto de inflamación es “la temperatura
más baja en la que se forma una mezcla inflamable con el aire en presencia
de llama”. En la Tabla 9.6 se puede apreciar la correlación entre punto de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS
325
ebullición y de inflamación; a mayor punto de ebullición corresponde uno de
mayor inflamación.
TABLA 9.6. ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE ALCOHOLES
DE ORIGEN BIOMÁSICO
Alcohol
Punto
ebullición
°C
Densidad
g/L
Punto
inflamación
°C
Metanol
64,6
0,789
12
Etanol (96%)
78,4
0,789
17
Butanol
117,7
0,810
37
9.6.4 BIODIESEL
De la destilación del petróleo (sección 2.3.1) se obtiene una fracción denominada gasóleo, gas-oil o petróleo Diesel, en el rango 250-350 °C, que se utiliza
como combustible para motores Diesel (sección 5.4.3). Se llamará biodiesel
al “combustible derivado de biomasa, principalmente vegetal, que se utiliza
remplazando total o parciamente al mencionado combustible fósil”. El biodiesel es un combustible producido a partir de aceites vegetales, materia prima renovable, que puede ser usado puro o mezclado con petróleo Diesel en
diferentes proporciones; el más común tiene 20% de biodiesel y 80% del combustible gas-oil; por este motivo se denomina B-20. También puede derivarse
de biomasa forestal a través del gas de síntesis (sección 9.8.2.2.3). El biodiesel
es muy similar al petróleo Diesel y se puede utilizar en casi cualquier tipo de
motor Diesel, sin modificaciones importantes. El principal productor de biodiesel en el mundo es Alemania.
La utilización de este biocombustible presenta ventajas medioambientales importantes porque no contiene compuestos azufrados responsables de
la emisión de dióxido de azufre (SO2), sustancia que provoca la “lluvia ácida”,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
326
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
y su biodegradabilidad es muy superior a la presentada por los derivados del
petróleo.
9.7 CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
GASEOSOS
Los biocombustibles gaseosos se obtienen a partir de la transformación de
materia orgánica mediante procesos que entregan mezclas gaseosas con un
contenido variable de biogás o biohidrógeno, que son los principales bioenergéticos, al estado gaseoso.
9.7.1 BIOGÁS
La digestión de la biomasa en condiciones anaerobias da origen al llamado biogás, cuya composición es variable, pero está formado principalmente
por metano (55-65%) y CO2 (35-45%) y, en menor proporción, por nitrógeno (0-3%), hidrógeno (0-1%), oxígeno (0-1%) y sulfuro de hidrógeno (H2S;
trazas). El biogás es entonces principalmente gas metano y se produce a
partir de la degradación anaeróbica de la materia orgánica contenida en
los residuos de sólidos urbanos, lodos del tratamiento de aguas servidas y
efluentes agropecuarios y agroindustriales. Su contenido calórico está en
torno a 5500 Kcal/m3.
9.7.2 BIOHIDRÓGENO
El hidrógeno, H, número atómico 1, peso atómico 1,008, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido y es la sustancia más liviana de
todas las conocidas. Su punto de ebullición es -252,6 °C; densidad crítica:
31,2 g/L. Los límites de inflamabilidad del hidrógeno con aire son: límite
inferior = 4%; límite superior = 74 %. Existe libre en la naturaleza en una
proporción menor a 1 ppm. El H2 posee un alto rendimiento energético,
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES327
2,75 veces mayor que el de los hidrocarburos. En la sección 5.3 se estableció que la reacción del hidrógeno con oxígeno produce agua con desprendimiento de calor y, según la sección 4.5.3, la reacción de combustión
del hidrógeno con oxígeno realizada en una celda de combustible puede
producir electricidad. Aparte de ser una reacción muy eficiente, también
es una reacción limpia: sólo produce agua. Por lo tanto, el hidrógeno tiene
un gran atractivo para convertirse en un combustible ideal para generar
energía eléctrica desde el punto de vista ambiental, especialmente si su
fuente es la biomasa.
Los métodos actuales de producción del hidrógeno resultan costosos
y se basan principalmente en la gasificación de combustibles fósiles a altas
presiones y temperaturas. Los procesos basados en energías renovables no
se encuentran suficientemente desarrollados y a nivel industrial su costo
es aún mayor. Para encarar la demanda global de este tipo de energía se
necesitaría el desarrollo de un sistema de distribución de hidrógeno similar
al que existe hoy en día para la gasolina porque el almacenamiento supone
un reto no resuelto ya que, debido a su baja densidad energética, se necesitan enormes volúmenes de hidrógeno para alimentar procesos con alta
demanda.
El biohidrógeno se obtiene de los procesos anaeróbicos como la fermentación, fotosintéticos como los de las algas y también puede ser obtenido
a partir de procesos termoquímicos como la gasificación (sección 9.8.2.2).
9.8 TECNOLOGÍAS PARA EL APROVECHAMIENTO
DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
Los procesos de aprovechamiento de la biomasa para fines energéticos más
relevantes, se pueden clasificar en tres categorías: procesos de combustión
directa, procesos termoquímicos y procesos bioquímicos. Estos procesos y
los productos a que ellos dan lugar se presentan, mediante diagrama de bloques, en la Figura 9.1.
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328
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Horno
Combustión
Directa
Biomasa
seca
Combustión biomasa
Electricidad
Combustión mixta
Pirólisis
Carbón
vegetal
Gasificación
Gas
pobre
Procesos
Termoquímicos
Biodiesel
Gas de síntesis
Bioetanol
Biohidrógeno
Almidón, Sacarosa
Bioetanol
Madera
Aceites vegetales
Procesos
Bioquímicos
Biodiesel
Madera
Residuos urbanos
Biogás
Lodos, aguas servidas
Figura 9.1. Procesos de aprovechamiento de biomasa en biocombustibles
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES329
9.8.1 COMBUSTIÓN DIRECTA
Corresponde a la quema directa de biomasa en un horno o caldera. Ésta
es la forma más antigua y más común, hasta el presente, para extraer la
energía de la biomasa. Los sistemas de combustión directa se aplican para
generar calor, el cual puede ser utilizado directamente, por ejemplo para la
cocción de alimentos o para el secado de productos agrícolas. Además, éste
se puede aprovechar en la producción de vapor para procesos industriales y
generación de electricidad. Las tecnologías de combustión directa van desde
sistemas simples, como estufas, hornos y calderas, hasta otros más avanzados como combustión de lecho fluidizado. Los procesos tradicionales de este
tipo, generalmente, son muy ineficientes porque mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando no se realizan
bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían disminuir considerablemente con prácticas mejoradas de operación y un diseño adecuado
del equipo.
9.8.1.1 COMBUSTIÓN EN HORNOS PARA SECADO
Previo a la combustión en estos equipos, la biomasa combustible se dispone en un lugar cerrado y habilitado específicamente para este fin; a
continuación se prepara el combustible trozando, picando y/o astillando la biomasa sólida para luego someterla a un proceso de secado. El
horno, para secado de granos, madera o productos agrícolas, consiste
básicamente en una cámara de combustión, construida con material refractario, donde se quema la biomasa combustible dispuesta sobre una
parrilla fija o móvil; en la parrilla móvil el combustible avanza al tiempo
que arde. Para lograr una combustión más completa se debe regular la
entrada de aire. La biomasa combustible puede ser leña, cascarilla de
arroz o café, bagazo, cáscara de coco, etcétera. El calor desprendido se
puede emplear de forma directa o indirecta; en este último caso se usa un
intercambiador de calor. En esta ocasión el horno es parte de una caldera
(sección 5.5.1.1).
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
330
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
9.8.1.2 COMBUSTIÓN EN CALDERAS PARA GENERAR ELECTRICIDAD
El combustible biomásico, cuyo tamaño fue previamente disminuido al monto apropiado, se seca en un secador rotatorio que utiliza aire caliente o vapor
seco. El tamaño de la biomasa puede ser clasificada mediante unos discos de
clasificación de material, los cuales pueden ajustarse de acuerdo al requerimiento de la caldera. La biomasa así acondicionada se lleva, mediante una
cinta trasportadora, al horno donde se producirá la combustión. La energía
proveniente de la combustión de la biomasa se transfiere al agua para producir vapor, transferencia que se realiza en la propia caldera. El vapor mueve
una turbina que, conectada a un generador, produce energía eléctrica (sección 5.5.1).
La tecnología más difundida para llevar a cabo la combustión de la
biomasa en calderas es la tradicional de parrilla, utilizándose tanto parrillas
fijas, horizontales e inclinadas, como móviles y vibratorias. Además de la tecnología de parrilla, en los últimos veinte años ha tomado auge la tecnología
de lecho fluidizado para grandes equipos que se está utilizando tanto en grandes plantas térmicas como en termoeléctricas alimentadas con biomasa. La
tecnología de lecho fluidizado presenta la ventaja de trabajar a temperaturas
inferiores, unos 800ºC frente a los alrededor de 1000ºC en los que trabajan los
equipos de parrilla, lo que disminuye las emisiones de óxidos de nitrógeno y
la formación de aglomerados y escorias producidos en la combustión de la
biomasa.
Después de la energía hidráulica, la electricidad se genera de la biomasa más que cualquier otra fuente de energía renovable en varios países. Una
característica destacada de la biomasa es su disponibilidad frente a la demanda; la energía se almacena en la biomasa hasta que se requiere, mientras que
otras formas de energía renovable dependen de las condiciones ambientales
tales como el viento y la luz solar.
La potencia de las centrales de energía de biomasa está típicamente en
el rango 20-50 MW, comparado con el de las centrales termoeléctricas, que
es 100-1500 MW. La menor capacidad de estas centrales tiende a que tengan una menor eficiencia por la falta de economía de escala; los equipos de
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES331
eficiencia mejorada son demasiado caros para centrales pequeñas. Aunque
existen tecnologías para elevar la eficiencia en la generación de vapor con
biomasa sobre el 40%, las actuales eficiencias son inferiores al 20%.
9.8.1.3 COMBUSTIÓN MIXTA
Los sistemas de combustión mixta implican la sustitución parcial de biomasa por carbón en la caldera de centrales termoeléctricas ya existentes. Es la
opción económica más adecuada para introducir la biomasa en la generación
de energía eléctrica. Puesto que muchos de los equipos de las centrales a carbón existentes pueden ser usados sin mayores modificaciones, la combustión mixta es mucho menos cara que construir una nueva central basada en
bioenergía.
Comparada con el carbón que reemplaza, la biomasa reduce la emisión de dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx) y otras emisiones
atmosféricas. Después que la caldera logra su pleno funcionamiento, existe
poca o ninguna pérdida de eficiencia al agregar biomasa, lo cual permite que
la energía de la biomasa se transforme en electricidad con la alta eficiencia
(33-37%) de una moderna central a carbón.
9.8.1.4 COMBUSTIÓN DE RESIDUOS FORESTALES PARA CENTRALES
TERMOELÉCTRICAS
Aparte del empleo de la madera como material de construcción, el mayor
uso de la madera de árboles de plantaciones es la obtención de celulosa,
materia prima para el papel. Si se consideran los constituyentes de la madera (sección 9.5), la fabricación de celulosa consiste en separarla eficientemente de la hemicelulosa, lignina y otros materiales presentes, lo que
implica un uso intensivo de energía y agua. Se requiere una cantidad muy
importante de energía térmica para lograr dicha separación mediante reacciones químicas en fase acuosa (pulpeo). Además, se necesita gran cantidad de energía eléctrica para alimentar numerosos motores que accionan
los equipos industriales de una planta de celulosa. Si la proporción de celulosa en la madera es 20%, significa que el porcentaje restante es material de
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332
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
desecho. Este material sólo se puede aprovechar en parte para producir
el calor requerido para las reacciones químicas del pulpeo y para generar
energía eléctrica. El método más utilizado por las plantas de celulosa para
ejecutar el pulpeo es el método Kraft, que consiste en hacer reaccionar astillas de madera con reactivos químicos apropiados con los que se logra una
celulosa impura (“pulpa sucia”) y un residuo en forma de líquido oscuro
y espeso (“licor negro”) que contiene los residuos de la degradación de la
hemicelulosa, lignina y otros productos. La evaporación del agua del licor
negro deja como resultado un producto constituido principalmente por
materia orgánica combustible que es, aproximadamente, el 65% del monto
inicial de biomasa.
Por su cuenta, las astillas, materia prima del pulpeo, se obtienen del rollizo —tronco del árbol deshojado y desramado—, que debe ser descortezado
para lograr dicha materia. En todo este proceso de separación y selección va
quedando una cantidad de residuos biomásicos que constituyen aproximadamente un 80% de la biomasa original del árbol. De lo expuesto se deduce que
la fabricación de celulosa deja una gran cantidad de materia orgánica proveniente del árbol y del pulpeo, que en parte se aprovecha como combustible
para poder disponer no sólo de la gran cantidad de energía requerida sino
para eliminar estos desechos; de lo contrario, la fabricación de celulosa no
sería viable desde el punto de vista económico y ambiental.
Una de las características del proceso Kraft utilizado en casi todas
las plantas industriales de celulosa en el mundo es su autosuficiencia
energética. Cabe mencionar que el 90% de la energía eléctrica generada
por las plantas de celulosa proviene del vapor de la combustión de los
residuos del árbol, corteza, aserrín y licor negro, lo cual sitúa a esta industria dentro de los estándares del Mecanismo de Desarrollo Limpio
(MDL), definido por la convención de Kioto para el abatimiento de los
Gases de Efecto Invernadero (GEI), a través de la captura de carbono (sección 2.5). Un proyecto de planta de celulosa en el ámbito del MDL reduce
las emisiones de GEI a través de la sustitución de generación eléctrica a
partir de combustibles fósiles por generación desde biomasa renovable.
En la actualidad muchos proyectos de ampliación de plantas existentes o
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES333
de nuevas plantas consultan inversiones para producir más energía que la
que consumen, por lo que han instalado equipos generadores de energía
eléctrica para aportar al sistema eléctrico de generación, transformándose, adicionalmente, en generadoras de energía eléctrica. El motivo no sólo
es económico sino que también mejorar la imagen de una industria sujeta
a cuestionamiento.
La generación de electricidad en una fábrica de celulosa comprende,
principalmente, la quema del licor negro, previamente seco, en una caldera
de recuperación para producir energía contenida en el vapor. La electricidad es generada por dos turbinas de vapor: una de contrapresión que reduce
la presión del vapor, generando al mismo tiempo energía, y descarga el vapor
a una presión aún elevada para ser utilizado en otro proceso; la otra turbina,
con condensación, tiene una presión de descarga que puede ser inferior a la
atmosférica debido a la condensación del vapor de salida.
Los residuos que deja el árbol después de obtener las astillas, materia
prima del pulpeo, son cortezas de rollizos, aserrines y astillas subdimensionadas que se transportan a una caldera de poder para ser aprovechados
como combustible y generar vapor con el cual se genera electricidad o se produce calor.
9.8.2 PROCESOS TERMOQUÍMICOS
Los procesos termoquímicos producen la transformación química de la biomasa por aplicación de calor, que implica una gasificación de ella o una
pirólisis para dar productos. Cuando la biomasa se quema de manera incompleta su estructura se rompe en compuestos gaseosos, líquidos y sólidos, dependiendo de la tecnología utilizada, que pueden ser usados como
combustible. Los procesos termoquímicos principales son la pirólisis y la
gasificación.
La biomasa, para ser tratada en procesos termoquímicos, requiere una
reducción de su tamaño, especialmente si ésta se deriva de la madera, de
manera que el proceso sea eficiente, así como también debe ser secada. Si la
biomasa es forestal, se somete a astillado para lograr un tamaño de partícula
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
334
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
que posibilite el manejo de carga, transporte, almacenaje y posteriormente su
introducción en el equipo que la transformará.
9.8.2.1 PIRÓLISIS
El proceso de pirólisis consiste en la ruptura de la materia orgánica por la
acción del calor, en ausencia o cantidad restringida de aire, realizada generalmente en un horno. Esta ruptura se produce a través de una serie compleja
de reacciones químicas, las cuales a su vez están sujetas a una serie de variables operacionales; entre ellas están: naturaleza de la biomasa, temperatura,
tiempo total de retención en el horno y presión en su interior. La pirólisis
comienza a unos 275 °C y se completa a los 450 °C para lograr un producto sólido: el carbón vegetal. Sobre este valor se incrementa la proporción
de gases producidos y lógicamente disminuye la de combustibles líquidos y
sólidos:
Biomasa + calor → Carbón vegetal + gases
[9.5]
El residuo sólido que se usa como carbón vegetal tiene mayor densidad energética que la biomasa original, no produce humo y es ideal para uso
doméstico. Usualmente este carbón se produce de la madera pero también
se usan otras fuentes como cáscara de coco y algunos residuos agrícolas. La
forma más antigua, y probablemente aún la más empleada para producirlo, son los hornos de barro. Los hornos modernos, conocidos como retortas y fabricados con acero, se utilizan para la obtención industrial de este
combustible
9.8.2.2 GASIFICACIÓN
Comprende aquellos procesos que producen principalmente gases de la
biomasa sólida sometida a la acción del calor, en condiciones de defecto de oxígeno, en un reactor gasificador. En este equipo se produce
la transformación de la biomasa, que ocurre en tres etapas térmicas: a)
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9.8 TECNOLOGÍAS
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ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES335
evaporación del agua residual de la biomasa; b) pirólisis de la biomasa quemada a temperaturas superiores a 400 °C, con formación de gases y alquitrán; c) gasificación total a temperatura mayor de 700 °C y
obtención de nuevos gases y cenizas. Estos gases principalmente son:
monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2)
y metano (CH4) en diversas proporciones según materia prima y condiciones del proceso. El alquitrán contiene, principalmente, compuestos
orgánicos condensables que hierven entre 80-350 °C. Los productos volátiles formados en la primera etapa dan una segunda serie de reacciones
con los gases reactivos para formar una compleja mezcla de compuestos
orgánicos y los componentes del gas de síntesis: monóxido de carbono
(CO) e hidrógeno (H2).
La biomasa empleada puede ser madera, cascarilla de arroz o cáscara de coco. Para obtener un buen rendimiento de la mezcla gaseosa
resultante, con altos contenidos de CO y H 2, se procesa ésta a una temperatura mínima de 700-800 °C y máxima de 1000 °C. Estas temperaturas
permiten desarrollar la gasificación como una combustión muy controlada, cuyo límite de oxígeno es 10-50% del necesario para una combustión
completa.
Biomasa + calor → CO + H2 + CO2 + CH4 + otros gases + cenizas
[9.6]
Cuando en el reactor sólo se admite oxígeno, el gas producido contiene monóxido de carbono (CO) e hidrógeno, “gas de síntesis”. El CO es
un gas inodoro, incoloro, inflamable y altamente tóxico. El CO y H2 son los
combustibles principales, mezclados con dióxido de carbono, lo cual da al
gas de síntesis un poder calorífico de 14 000-19 000 KJ/m3, comparado con
el del gas natural, que es de 34 800 KJ/m3. Cuando la reacción se realiza con
aire como oxidante hay un 42% de nitrógeno en la mezcla y el poder calorífico disminuye a valores de 7000 KJ/m3; es el denominado “gas pobre”.
Esta acción tiene ventajas respecto de la quema de la biomasa porque el gas así formado puede limpiarse y filtrarse para remover compuestos
químicos indeseables. El gas puede ser usado en sistemas de generación de
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336
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
energía tal como el de ciclo combinado, que combina una turbina a gas en
una primera etapa con turbina a vapor en la segunda etapa (sección 5.5.2). La
eficiencia de estos sistemas puede alcanzar un 60%.
Los sistemas de gasificación pueden acoplarse con las celdas de
combustible para futuras aplicaciones. Cabe recordar que estas celdas
convierten el gas hidrógeno en electricidad empleado un proceso electroquímico, tal como se explicó en la sección 4.5.3. Es de suponer que
cuando los costos de generación de energía de gasificadores y celdas
de combustible bajen, el acoplamiento de ambos sistemas comenzará a
proliferar.
Los estudios realizados con biomasa forestal en escala industrial
consisten en calentar astillas de madera, chips, que se introducen de manera fluida en un gasificador; el más común de los empleados es el de
lecho fluidizado porque es el más apropiado para la madera que forma
ceniza altamente corrosiva. La Figura 9.2 muestra, en forma de esquema,
un gasificador de lecho fluidizado. Los chips se introducen junto con oxígeno, vapor de agua y producto gaseoso reciclado. El empleo de oxígeno
disminuye la formación de materia inerte en la reacción y mantiene alta las
presiones parciales de CO y H2. Las condiciones operacionales básicas
son:
Temperatura: 950 °C; Presión: 20 bar; Tamaño partícula: 20 mm
El alquitrán formado, 15-20% de la biomasa de alimentación, tiene
muy baja reactividad, por lo que requiere alta temperatura para su transformación, que se produce a 800-850 °C. Cuanto más baja sea la temperatura
de reacción, mayor será el rendimiento energético: energía del gas formado/
energía del combustible para la gasificación. Las temperaturas bajas también favorecen la formación de CH4 y residuos carbonosos, que pueden disminuirse significativamente a temperaturas superiores a 1000 °C, así como
la aglomeración de la ceniza, que es álcali formado por la fusión de las sales
alcalinas que contiene la madera. Por lo tanto, la temperatura de operación
es una situación de compromiso.
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9.8 TECNOLOGÍAS
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PARAEL
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APROVECHAMIENTODE
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BIOCOMBUSTIBLES337
Gas de
síntesis
Ciclón
Gasificador
Carbón de
biomasa
Aire/O2/vapor
Lecho
fluidizado
Aire/O2/vapor
Remosión de
cenizas del fondo
Figura 9.2. Gasificador de lecho fluidizado que produce gas de síntesis
La ceniza de biomasa gasificada tiene un alto contenido de potasio (K)
y cloro (Cl), que se desprenden como ácido, base y sales alcalinas: HCl, KOH,
KCl, NaCl, y otros gases tales como H2S, NH3, HCN, COS, junto con residuos
carbonosos y material particulado. En consecuencia, hay que someter esta
compleja mezcla de gases, sales, ácidos, bases, partículas, productos carbonosos y polvos muy finos a una limpieza para removerlos.
Por el costado inferior izquierdo de la Figura 9.2 se introduce la biomasa en forma de partículas hacia el interior del gasificador; simultáneamente, se está inyectando oxígeno y vapor por el centro del fondo del equipo,
de forma cilíndrica, de manera que esta mezcla se comporta como un fluido. Tanto la biomasa como la mezcla de gas y vapor convergen en el centro
del reactor, donde comienzan las etapas térmicas de la transformación de la
biomasa, según se describió anteriormente. Estas etapas suceden a medida
que los productos de esta transformación van ascendiendo. Los productos
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338
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
gaseosos y partículas constituyentes de la ceniza emergen finalmente por el
extremo superior luego de la etapa de gasificación. Esta mezcla se conduce a
ciclones, donde se recogen las partículas más grandes por el efecto de precipitación centrífuga. A continuación de los ciclones la mezcla no retenida viaja
por equipos, que no muestra la figura, para continuar con la purificación,
pasa por aborbedores (scrubbers) con agua para que este líquido atrape los
ácidos, bases y sales hidrosolubles y condense la materia orgánica no gaseosa
y posteriormente se introduce en precipitadores electrostáticos constituidos por campos eléctricos potentes donde las partículas se cargan y luego
se retienen (sección 5.6).
La Tabla 9.7 muestra una composición típica de biomasa de madera
gasificada después de limpiar el producto según se describió.
TABLA 9.7. COMPOSICIÓN TÍPICA DE BIOMASA DE MADERA GASIFICADA A
950 °C, 20 BAR CON OXÍGENO Y VAPOR
Composición
del gas
Volumen
%
H2
29,6
CO
30,3
CO2
28,3
CH4
6,8
H2S
0,0024
N2
4,6
H2O
0,4
C6H6
0,06
COS
0,0014
HCN
0,001
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La Tabla 9.7 pone en evidencia que entre los tres mayores volúmenes de gases están los componentes del gas de síntesis: H2 y CO. Esta
mezcla, de gran importancia en la industria petroquímica, se ha estudiado especialmente para obtener hidrocarburos parafínicos utilizando el
proceso Fischer-Tropsch que emplea, principalmente, hierro (Fe) y
cobalto (Co) como catalizadores. Dichos hidrocarburos poseen estructura
lineal, igual que la de los hidrocarburos constituyentes del combustible
Diesel derivado del petróleo. El proceso o síntesis Fischer-Tropsch en el
cual el gas de síntesis (CO + H2) se convierte en líquidos combustibles se
puede representar así:
CO + 2H2 → [CH2] + H2O
∆H25°C = - 165 KJ/mol
[9.7]
Donde [CH2] representa la unidad repitente de un hidrocarburo combustible. Nótese que la reacción es exotérmica; fue descubierta en Alemania
en la década de los años 20 del siglo pasado. Este proceso es válido empleando materia prima carbón, gas natural o biomasa. El mayor desarrollo de este
proceso ha ocurrido operando con gas natural o carbón y es conveniente para
producir petróleo Diesel de alta calidad.
Con un catalizador en base a CO, 2,1 moles de H2 reaccionan aproximadamente con un mol de CO para formar un mol de la unidad [CH2] y un
mol de agua. Esta relación molar se denomina relación usual H2/CO cuyo
valor es 2,1.
Con catalizador en base a Fe ocurre también la reacción de desplazamiento agua-gas (WGS, Water Gas Shift), ecuación [9.8], que corresponde
a una reacción de equilibrio (↔):
CO + H2O ↔ CO2 + H2
∆H25°C = - 41 KJ/mol
[9.8]
Reacción que ocurre simultáneamente con la reacción anterior en
el reactor, por lo tanto se produce la disminución de la relación usual, lo
cual hace posible alimentar el reactor Fischer-Tropsch con una relación
H2/CO menor que 2,1, tal como ocurre con biomasa forestal cuyo valor
promedio es 1.
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340
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Además de estos hidrocarburos, con el gas de síntesis derivado de biomasa se pueden fabricar productos de interés industrial como biometanol y
biohidrógeno.
9.8.2.2.1 BIOMETANOL VÍA GAS DE SÍNTESIS
Ya se vio que los principales gases de la biomasa gasificada son CO, H2, CH4
y CO2, cuyas concentraciones se pueden ajustar aplicando los siguientes
procedimientos: el reformado o transformación del CH4, el desplazamiento
agua-gas (WGS) y/o la remoción de CO2. El reformado del CH4 se hace para
aumentar el rendimiento del gas de síntesis, el WGS se hace para ajustar la
relación H2/CO y la remoción de CO2 es crucial para lograr el reciclaje del gas
de síntesis no reaccionado.
Para obtener biometanol (CH3OH) es necesario operar con catalizador
de Fe para que así ocurra la reacción WGS (ecuación [9.8]) y con ella disponer
de H2 porque la reacción de este gas con CO2 da el alcohol:
3H2 + CO2 → CH3OH + H2O
[9.9]
La mezcla de la reacción WGS está compuesta principalmente de H2,
H2O y CO2, que luego se comprimen en sucesivas etapas de compresión y
condensación para secuestrar el vapor de agua. La mezcla resultante se hace
reaccionar en un reactor para formar CH3OH.
9.8.2.2.2 BIOHIDRÓGENO VÍA GAS DE SÍNTESIS
De lo expuesto en la sección anterior, resulta evidente que una manera de
generar hidrógeno es desplazar parte del CO del gas de síntesis de la reacción de Fischer-Tropsch mediante la inyección de vapor de agua en un equipo de WGS, como se presentó anteriormente. Si bien el producto principal
es hidrógeno, este gas queda impurificado con CO, CO2 y H2O, por lo que
el problema principal de este método es la separación de estos tres gases
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BIOCOMBUSTIBLES341
y el vapor de agua. Uno de los procedimientos más empleados es la separación y purificación de hidrógeno mediante ciclos de adsorción/desorción
por cambio de presión (PSA, Pressure Swing Adsorption) sobre un adsorbente, como la zeolita, que permite obtener H2 de alta pureza, el cual luego
se comprime.
9.8.2.2.3 BIODIESEL VÍA GAS DE SÍNTESIS
La siguiente ecuación química ilustra el proceso para obtener hidrocarburos constituyentes de petróleo Diesel, CnH(2n+2), aplicando el proceso FischerTropsch, donde n es un número entero:
(2n+1) H2 + n CO → CnH(2n+2) + n H2O
[9.10]
En esta ecuación la relación molar entre los reactivos H2/CO es prácticamente 2/1; por lo tanto, los gases generados en la gasificación de biomasa
forestal, que poseen una relación usual con el valor promedio de 1, debe ser
necesariamente tratada con la reacción WGS para aumentar la proporción de
H2 y así lograr dichos hidrocarburos (ecuación [9.10]).
9.8.3 DISEÑO DE PLANTA PILOTO PARA GENERAR ELECTRICIDAD VÍA
GAS DE SÍNTESIS
En esta sección se analizará el proceso de gasificación de biomasa en un
equipo de lecho fijo de corriente descendente para producir electricidad. El
caso está basado en el proyecto final de carrera Piloto de gasificador downdraft operado con biomasa, de Carlos Guillermo Cuba Arroyo, de la Universidad Politécnica de Cataluña, España, febrero 2011, (http://upcommons.
upc.edu/pfc/handle/2099.1/11591). El proceso global está integrado por tres
fases: gasificación, acondicionamiento del gas y generación de electricidad
(Figura 9.3).
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342
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Gasificación de la biomasa
Gas impuro
Acondicionamiento del gas
Ciclón
Intercambio de calor
Filtro de mangas
Lavador venturi
Gas purificado
Generación de electricidad
Figura 9.3. Etapas del proceso de generación de electricidad vía gas de síntesis
9.8.3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Proceso: el proceso de gasificación se realiza en un reactor de lecho fijo de
flujo descendente con los flujos y condiciones que se describen más adelante
en esta sección. Se produce gas de síntesis impuro, el cual pasa a la fase de
acondicionamiento, que comprende un ciclón, un intercambiador de calor,
un lavador Venturi y un filtro de mangas, del cual sale el gas purificado que
luego entra al motor de combustión interna (sección 5.4.3), que activa un
generador de potencia eléctrica.
La biomasa que entra al gasificador se somete a un aumento progresivo
de temperatura mediante aire, oxígeno o mezclas de éstos a altas temperaturas (700-1000 °C), donde sufre procesos de secado, combustión y pirólisis.
Las reacciones químicas básicas que ocurren en el gasificador son:
Combustión:
C + O2 → CO2
ΔH = - 406 MJ/Kmol
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Pirólisis:
C + ½ O2 → CO
ΔH = - 268 MJ/kmol
Gasificación:
C + CO2 → 2 CO
ΔH = 78,3 MJ/kmol
C + 2 H2 → CH4
ΔH = - 87,4 MJ/kmol
C + H2O → CO + H2
ΔH = 118,9 MJ/kmol
Reacción WGS: CO + H2O → CO2 + H2
Metanización:
ΔH = - 42 MJ/kmol
CO + 3 H2 → CH4 + H2O ΔH = - 206,3 MJ/kmol
En la sección 9.8.2.2 se vio que la reacción WGS es una reacción exotérmica entre monóxido de carbono y vapor de agua utilizada en la producción
de hidrógeno.
El gas de síntesis producido es impuro porque es una mezcla de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), hidrógeno
(H2) y nitrógeno (N2), principalmente del aire.
Capacidad de la planta: para definir el diseño de una planta de gasificación de biomasa para generar energía eléctrica se puede representar el
proceso en forma esquemática como se muestra en la Figura 9.4 y definir
las condiciones de entrada, cantidad de biomasa y aire, lo cual da como resultado una generación de una potencia eléctrica cuya magnitud dependerá
del rendimiento del proceso. Otra forma es establecer la potencia requerida
de salida y calcular las materias primas de entrada. Para esta planta se definió, de acuerdo a la literatura, una capacidad de tratamiento de biomasa de
15 kg/h con un flujo de aire de 24,5 kg/h.
Entrada Biomasa
(15 Kg/h) +
Aire (24,5 Kg/h)
Planta de
gasificación
de biomasa
Salida
Electricidad (KW)
+ Calor (KW)
Figura 9.4. Esquema básico para definir la capacidad de la planta
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344
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Biomasa: como materia prima se usaron pellets de madera residual
de una granulometría comprendida en el rango de 0,5 a 1,2 mm con la siguiente composición inmediata:
Humedad: 8,7%; Carbono fijo: 16,4%; Cenizas: 0,5%; Volátiles: 74,4%
El análisis elemental de la biomasa se muestra en la Tabla 9.8.
TABLA 9.8. ANÁLISIS ELEMENTAL DE LOS PELLETS
Elemento (%)
Base seca (%)
Base húmeda (%)
C
50,1
45,74
H
6,07
5,54
O
43,2
39,44
N
0,09
0,08
Humedad
-
8,7
Cenizas
0,54
0,5
Total
100
100
El poder calorífico se define como “la energía liberada por la combustión total a presión constante de 1 Kg de combustible tras llevar los productos
de combustión a 25 ºC, cuando la temperatura inicial de combustible también es de 25 ºC”. Se denomina poder calorífico inferior cuando el agua
generada en la combustión está en fase vapor; si el estado final del agua es
fase líquida, se llama poder calorífico superior. El poder calorífico superior y el inferior se presentan en la Tabla 9.9.
TABLA 9.9. PODERES CALORÍFICOS NOMINALES DE LOS PELLETS
Poder calorífico
Base seca (KJ/Kg)
Base húmeda (KJ/Kg)
Superior
19 931
18 197
Inferior
18 607
16 775
Potencia disponible: la potencia disponible de la biomasa,
Ppel, se calcula mediante la relación:
Ppel = PCI ∙ mpel
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[9.11]
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BIOCOMBUSTIBLES345
donde PCI es el poder calorífico inferior y mpel es el caudal biomásico de los
pellets. En el presente caso, el caudal es 15 Kg/h y el poder calorífico inferior
en base húmeda de los pellets es 16 775 KJ/Kg (4,66 kW/kg) (Tabla 9.9), por
lo que la potencia disponible en los pellets es de 69,9 KJ/Kg.
9.8.3.2 CÁLCULO DEL GASIFICADOR DE FLUJO DESCENDENTE
En este tipo de gasificador la biomasa es alimentada por la parte superior del
reactor, donde se producen, de manera sucesiva, los procesos de secado y pirólisis del sólido por el incremento de temperatura derivado de la combustión
parcial del material. Los productos generados: gases, alquitranes, carbones, al
llegar a la zona de oxidación a alta temperatura, se queman o craquean parcialmente con el oxígeno introducido, desprendiendo calor, que mantiene el proceso. Los productos sufren reacciones de oxidación y reducción que aumentan
la calidad combustible del gas de síntesis. La Figura 9.5 representa las distintas
fases del proceso de gasificación. El equipo empleado es de acero inoxidable,
apropiado para una capacidad de gasificación de 15 Kg/h de biomasa, y utiliza el
aire caliente que proviene del intercambiador de calor como fuente de oxígeno.
Combustible
Secado
Pirólisis
Aire
Oxidación
Aire
Reducción
Ceniza
Gas
Figura 9.5. Esquema de un gasificador de lecho fijo con flujo descendente
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346
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Cálculo del oxígeno necesario: se consideran como base de
cálculo 100 Kg de material combustible, calculando el número total de Kmol
de material de los diferentes elementos (C, H, O, N, H2O) que componen el
combustible por Kmol de biomasa (Tabla 9.8) y los moles de O2 necesarios
para su oxidación completa, considerando que los productos gaseosos son
CO2, H2O y N2. El resultado de este cálculo es 7,929 Kmol de O2/100 Kg de pellets. En el proceso analizado se utiliza como agente gasificante aire caliente
proveniente del intercambiador de calor aire-gas.
Las condiciones de operación de la planta se resumen en la Tabla 9.10.
La Razón Equivalente (RE) es “la masa de oxígeno utilizado en relación a la
cantidad estequiométrica para la combustión completa”. La razón equivalente se define mediante la ecuación:
[Caudal de aire]
Re =
[9.11]
[Caudal de biomasa]
[Caudal de aire] estequiométrico
[Caudal de biomasa consumida] esteqiométrico
En procesos de gasificación este cociente varía aproximadamente dentro del intervalo 0,2 al 0,4. En la planta en estudio la razón equivalente es de
0,3. Para calcular el flujo de aire necesario para la gasificación de la biomasa
utilizada se multiplica el RE por la masa de aire estequiométrico. El cálculo
realizado arroja un flujo de aire estequiométrico de 82 Kg aire/h, y aplicando
la RE de 0,3 da 24,5 Kg aire/h. Las características del aire proveniente del
intercambiador de calor se resumen en la Tabla 9.10.
TABLA 9.10. CARACTERÍSTICAS DEL AIRE PROVENIENTE DEL
INTERCAMBIADOR DE CALO
Valor*
Variable
Flujo
24,50 Kg aire/Kg pellets
Temperatura
646 °C
Presión
108,686 KPa
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Valor*
Variable
Densidad (923 K; 99,3 kPa):
1,092 Kg/m3
Densidad (273 K; 101,325 kPa):
3,676 Kg/m3 N
Proporción aire/biomasa
1,633 Kg aire/Kg pellets
0,444 m3 N de aire/Kg pellets
1,495 m3 N de aire/Kg pellets
Potencia disponible en el aire
5,43 KW
(*) N: indica condiciones normales de presión (1 atm) y temperatura (273 K).
Gas de síntesis: mediante un balance de las especies que componen
el gas de síntesis se calculó la cantidad y composición volumétrica del gas.
Para ello se consideró el coeficiente de reparto de las especies de carbono,
calculados experimentalmente, los cuales son: CO: 61%; CO2: 34%; CH4: 5%.
El balance de especies se resume en la Tabla 9.11. Con estos valores se puede calcular el PCI del gas de síntesis, que resulta ser 5833 KJ/m3 N de gas
seco.
TABLA 9.11. BALANCE DE ESPECIES DEL GAS DE SÍNTESIS
Composición del
gas % en volumen
CO
H2
CO2
CH4
N2
H 2O
Base húmeda
20,83
22,1
11,61
1,71
40,11
3,67
Base seca
21,6
22,9
12,1
1,8
41,6
----
El volumen de gas de síntesis necesario para una combustión completa
se obtiene, una vez conocida la composición del gas, utilizando la ecuación de
estado de los gases ideales en condiciones normales de presión y temperatura
(273 K y 1 atm), por lo que el volumen molar es de 22,41 m3/Kmol, correspondiente a 2,5 m3/Kg de biomasa. Las densidad del gas de síntesis y los caudales
másicos y volumétricos en base húmeda y seca de cada componente del gas
se calculan a partir de estos datos considerando la composición del gas de la
Tabla 9.11. Los resultados obtenidos, resumidos en la Tabla 9.12, permiten
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348
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
calcular el poder calorífico del gas (PCI) utilizando los poderes caloríficos de
cada componente, que resulta ser 5833 KJ/m3 N de gas seco.
TABLA 9.12. DENSIDAD Y CAUDALES DEL GAS DE SÍNTESIS
Densidad
(Kg/m3 N)
Caudal
volumétrico
(m3 N/h)*
Caudal
másico
(Kg/h)
Gas húmedo
1,051
37,53
39,43
Gas seco
1,06
36,15
38,32
Tipo de gas
Vapor de
agua **
1,11
(*) N: indica condiciones normales de presión (1 atm) y temperatura (273 K).
(**) Se obtiene por diferencia entre el caudal másico húmedo y el seco.
Potencia del gas de síntesis: la potencia que proporciona el gas proviene de dos fuentes: del calor que produce como combustible y del calor sensible que transfiere (potencia térmica). El calor sensible que puede ceder el gas
se calcula mediante la ecuación:
Q = mgas ∙ cp ∙ Dt
[9.12]
donde: Q es calor cedido por unidad de tiempo (KJ/h); mgas es el caudal másico del gas (Kg/h); cp es calor específico del gas que varía con la temperatura
(KJ/Kg ∙ °C); Dt es la diferencia de temperatura que experimenta el gas entre
la entrada y la salida del gasificador (°C).
La potencia total del gas (PTotal) es la suma de la potencia de gas seco
(Pgs) como combustible y de la potencia térmica del gas (Ptg):
PTotal = P
gs
+P
tg
[9.13]
A su vez, la potencia térmica del gas es la suma de la potencia térmica
del gas seco (Ptgs) y la potencia térmica del vapor de agua contenido en el gas
de síntesis (Ptgh):
Ptg = Ptgs + Ptgh
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[9.14]
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Potencia térmica del gas: el proceso de cálculo de la potencia térmica total del gas es el siguiente:
1) Cálculo de la entalpía del gas síntesis (Hi,s): por tratarse de una
mezcla de gases de diferentes calores específicos que varían con la
temperatura, el cálculo de la potencia total requiere calcular las entalpías del gas mediante la integración de los calores específicos de
cada uno de los componentes usando la ecuación [9.15a] en función
de la temperatura de salida, 850 °C (Hi,s):
Hi,s =
[9.15a]
donde cpi es el calor específico del componente i que tiene la forma cp
= a+bt+ct2+dt3.
2) Cálculo de la entalpía a la temperatura de referencia (Hi, r): la temperatura es 25 °C y se aplica la ecuación [9.15b] para cada uno de los
compuestos del gas de síntesis:
Hi,r =
[9.15b]
3) Cálculo de la entalpía total del gas (Ʃái, GAS): se obtiene multiplicando la diferencia de las entalpías (Hi,s−,i,r) por la fracción molar (Xi/
Mi) de cada componente según la ecuación:
Ʃ Hi, GAS = (Hi, s − Hi, r) ·
[9.15c]
4) Cálculo de la potencia térmica: la potencia térmica del gas de síntesis (Ptgs) se obtiene multplicando la entalpía total del gas (Ʃ Hi GAS) por
su caudal másico (mms):
Ptgs = mms · Ʃ Hi, GAS
[9.15d]
Potencia de la humedad: ésta se obtiene calculando la diferencia de
entalpías del agua entre la entalpía de salida (Hagua) en función de la temperatura de salida del gas, que en este caso es de 850 °C, y la entalpía del agua a
la temperatura de rocío (a la cual el vapor comienza a condensar), que para el
gas de síntesis es de 27,5 °C. Para el cálculo de la potencia del vapor de agua
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350
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
contenido en el gas de síntesis se sigue el mismo procedimiento anterior sólo
para el agua. Los resultados son: la potencia térmica disponible en el gas de
síntesis seco (Ptgs) 12,31 KW y la potencia térmica disponible en la humedad
(Ptgh) 1,23 KW; por lo tanto, Ptg es 13,54 KW (Tabla 9.13).
Potencia del gas como combustible: la potencia como combustible del gas seco se calcula mediante la relación:
Pgs = PCI ∙ Vvs
[9.16]
Donde: PCI es el poder calorífico calculado anteriormente, de 5833 KJ/
m NyV
3
vs
es el caudal volumétrico de gas seco igual a 36,15 m3/h N (Tabla
9.12), de modo que la potencia del gas seco como combustible es 58,57 KW.
La potencia total disponible en el gas de síntesis (PTotal) es 72,11 KW. La Tabla
9.13 resume los valores de las potencias calculadas.
TABLA 9.13. POTENCIAS CALCULADAS DEL GAS DE SÍNTESIS
Origen
Símbolo
Potencia (KW)
Térmica gas seco
Ptgs
12,31
Térmica gas húmedo
Ptgh
1,23
Térmica gas total
Ptg
13,54
Combustión de gas seco
Pgs
58,57
PTotal
72,11
Total disponible del gas
Rendimiento de la gasificación: el rendimiento del proceso de gasificación se calcula mediante la siguiente ecuación:
η = Energía del gas / Energía de la biomasa
[9.17]
La energía del combustible es el poder calorífico inferior del gas en
base seca, cuyo valor es 18 607 KJ/Kg (Tabla 9.9). La energía de gas se calcula multiplicando el volumen del gas en base seca (2,5 m3/Kg de biomasa)
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por el PCI, 5833 KJ/m3 N del gas seco, como se señalara anteriormente,
por lo cual la energía del gas es 14 582 KJ/Kg. El rendimiento η es entonces de 78,4%.
9.8.3.3 DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES
Una vez definido el gasificador y determinados los flujos de entrada y salida,
el cálculo de los equipos adicionales al gasificador requiere de la determinación del balance de materias del proceso completo considerando los valores
de salida de un equipo como el valor de entrada en el siguiente de acuerdo a
los rendimientos de cada aparato. La Figura 9.6 y la Tabla 9.14 resumen los
balances de materia del proceso que se muestran más adelante en la sección
9.8.3.4.
Ciclón: el gas proveniente del gasificador contiene una cantidad
importante de partículas que deben ser eliminadas para el adecuado
funcionamiento del proceso y duración de los equipos. El cálculo del
ciclón considera la distribución del tamaño de partículas menores de 60
μm que arrastra el gas, determinada experimentalmente. En este caso,
y considerando un rendimiento del ciclón que se va a utilizar de 80%, se
calculó que el diámetro del ciclón es 146,4 mm; la altura de entrada al
ciclón es 73,2 mm; el ancho de entrada es 29,3 mm y la altura de salida
es de 73,2 mm.
Recuperador de calor aire-gas: el recuperador de calor es un
intercambiador de carcasa-tubo de acero inoxidable donde el gas de síntesis es enfriado en contracorriente desde los 850 °C hasta 518 °C y el aire que
entra a 50 °C se calienta hasta 646 °C con un caudal másico de 39,43 Kg/h.
Se supone una pérdida de 5% en el intercambiador. La potencia térmica
correspondiente cedida por el gas es de 5,45 KW y el calor recuperado por
él equivale a 4,3 KW; la diferencia entre estas magnitudes corresponde a la
potencia de la humedad. El dimensionamiento del intercambiador requiere el cálculo de la superficie de intercambio necesaria, que fue realizado
mediante el método Media Logarítmica de Diferencias de Temperaturas
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
352
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
(MLDT) en el calentamiento y enfriamiento de un gas y arrojó un valor de
1,9 m2 de superficie.
Lavador Venturi: este equipo, construido en acero inoxidable para
evitar corrosión, permite lavar el aire con agua en contracorriente. En éste
el gas sucio entra por la parte inferior y sale limpio por la parte superior;
por su parte, el agua entra por la parte superior en forma de lluvia y sale
por la zona inferior. El cálculo de este equipo fue realizado con un programa
informático, Aspen Plus©, que permite la simulación de procesos químicos. El gas entra al lavador con un caudal de 39,32 Kg/h y una potencia de
66,66 KW; a su vez, el conjunto de cenizas y alquitranes dan un caudal de
0,1114 Kg/h y una potencia de 0,03755 KW. El caudal másico del gas que
se obtiene del lavador es 37,38 Kg/h, su temperatura es 33,63 °C, con una
presión de 98,3 hPa .
Antorcha: la antorcha tiene como función quemar el gas no adecuado para el motor durante la fase de puesta en marcha del gasificador.
La combustión en la antorcha utiliza aire como comburente, el cual se
considera, para el cálculo, a temperatura de 25 °C, 1 atm de presión y
un flujo másico de 37,38 Kg/h; además, se considera un 30% de exceso
de aire, que ocurre una combustión completa y que no se forman óxidos
de nitrógeno (NOx). El caudal másico del aire que utiliza la antorcha es
de 56,19 Kg/h. La producción de humos de la antorcha es de 93,57 Kg/h
y su caudal es de 117,74 m3/h a temperatura de 200 °C. El cálculo de la
potencia total (Ptotal) de entrada, tanto a la antorcha como al motor, es la
suma de la potencia del aire (Paire) y la del gas de síntesis (Pgas), por lo que
Ptotal es:
Ptotal = Pgas + Paire
[9.18]
Paire = cp ∙ t ∙ mAire
[9.19]
Donde cp es el calor específico del aire a 25 °C y 1 atm; t es la temperatura en °C y mAire es el caudal másico de aire a la entrada del motor en Kg/h.
De acuerdo a las ecuaciones [9.18] y [9.19], la potencia del gas en la antorcha
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES353
es de 55,17 KW y la del aire es 0,4 KW, por lo tanto la potencia total tanto en
la antorcha como en el motor es de 55,57 KW.
Motor-generador: el motor para producir energía eléctrica utiliza
37,38 Kg/h de gas de síntesis como combustible y 46,8 Kg/h de aire a 25° C
y 1 atm como comburente. Se emplea como hipótesis que se produce una
combustión completa, que se usa un exceso de aire de 20% y que no se forman
óxidos de nitrógeno. De acuerdo a lo señalado, la potencia de entrada al motor es de 55.57 KW, con un rendimiento normal (RM) de 20%, que producirá
una potencia eléctrica de 11,1 KW de acuerdo a la expresión:
Peléctrica = RM ∙Ptotal
[9.20]
La producción de humos del motor es 84,18 Kg/ , equivalente a 105,1
m /h a temperatura de 200 °C.
3
9.8.3.4 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Las condiciones de operación definidas para la planta de gasificación se resumen en la Tabla 9.14.
TABLA 9.14. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA PLANTA DE GASIFICACIÓN
Condiciones de operación nominales
Valores
Presión del sistema (KPa)
101,3
Caudal de biomasa (Kg/h)
15
Temperatura de la gasificación (ºC)
850
Razón Equivalente (RE)
0,3
Agente gasificante
Aire
Temperatura del gas a la entrada del motor (ºC)
< 80
En la Tabla 9.15 se consignan los balances de materia por equipos de
la planta y en la Tabla 9.16, los balances de energía correspondiente a cada
equipo. La Figura 9.6 es un diagrama de bloques del proceso que incluye los
flujos másicos.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
354
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Pellets
mpel=15 Kg/h
Gasificador
mcen=0,067 Kg/h
mmh=39,32 Kg/h
mcenv=0,007 Kg/h
malq=0,11 Kg/h
taire=850°C
maire=24,5 Kg/h
taire=646°C
mcen=0,056 Kg/h
Ciclón
mmh=39,32 Kg/h
mcenv=0,0014 Kg/h
malq=0,11 Kg/h
Intercambiador
de calor
magua=160 L/h
maire=24,5 Kg/h
taire=50°C
mmh=39,32 Kg/h
mcenv=0,0014 Kg/h
malq=0,11 Kg/h
taire=50°C
Lavador
Venturi
magua=162 L/h
mgas=37,38 Kg/h
mcenv=0 Kg/h
malq=0,056 Kg/h
tgas=33,6°C
Filtro de
mangas
malq=0,056 Kg/h
mgas=37,38 Kg/h
maire=56,19 Kg/h
tgas=33,6°C
Antorcha
maire=46,8 Kg/h
mhumos=93,57 Kg/h
Motor
RM=20%
mhumos=84,18 Kg/h
Electricidad
Figura 9.6. Diagrama de flujo del proceso de generación de electricidad por gasificación
de biomasa
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES355
TABLA 9.15. BALANCES DE MATERIA POR EQUIPOS DE LA PLANTA
Equipo
Gasificador
Masa de entrada
(Kg/h)
Símbolo
Aire a 646°C maire
Pelets
mpel
Total
Ciclón
Masa de salida
(Kg/h)
Símbolo
24,50 Gas húmedo
Cenizas
15,00
volátiles
Cenizas no
volátiles
Alquitranes
Gas húmedo mgash
39,32 Gas húmedo
Cenizas
volátiles
mcenv
0,007
Alquitrán
malq
Cenizas
volátiles
0,11 Alquitrán
Total
39,44 Total
Intercambiador Gas húmedo mgash
de calor
Cenizas
mcenv
volátiles
Alquitrán
malq
39,32 Gas húmedo
Aire a 50 °C
maire
Total
Total
Alfaomega
mcenv
0,007
mcen
0,067
malq
0,11
Cenizas
volátiles
0,11 Alquitrán
0,0014
24,50 Aire a 846 °C
39,50
mgash
39,32
mcenv
0,0014
malq
0,11
mcen
0,0056
39,44
mgash
39,32
mcenv
0,0014
malq
0,11
maire
24,50
63,93 Total
Gas húmedo mgash
Cenizas
volátiles
mcenv
Alquitrán
malq
Agua
magua
Total
Filtro de
mangas*
39,32
39,50 Total
Cenizas no
volátiles
Lavador
Venturi
mgash
39,32 Gas húmedo
Cenizas
0,0014
volátiles
63,93
mgash
37,38
mcenv
0,0
0,11 Alquitrán
160,00
Agua con
partículas
0,0560
magua
199,44 Total
162,00
199,44
Gas húmedo mgash
37,38 Gas húmedo
mgash
37,38
Alquitrán
0,056 Alquitrán
malq
0,056
malq
37,44 Total
37,44
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
356
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Masa de entrada
(Kg/h)
Símbolo
Equipo
Antorcha
Gas seco
mgas
37,38 Humos
Aire
maire
56,19
Total
Motor
Masa de salida
(Kg/h)
Símbolo
mhumos
93,57
93,57 Total
93,57
Gas seco
mgas
37,38 Humos
Aire
maire
46,80
Total
mhumos
84,18
84,18 Total
Total Planta
84,18
557,50
557,50
*El balance de energía se considera despreciable.
TABLA 9.16. BALANCES DE ENERGÍA POR EQUIPOS DE LA PLANTA
Equipo
Gasificador
Energía de entrada
(KW∙h)
Símbolo
Energía de salida
(KW∙h)
Símbolo
Aire a 646 °C Paire
5,43 Gas húmedo
Pgash
72,11
Pelets
69,9 Cenizas no
volátiles
Cenizas
volátiles
Alquitranes
Pcen
0,027
Pcenv
0,003
Palq
0,04
Ppérd
3,15
Ppel
Pérdidas
Total
Ciclón
75,33 Total
Gas húmedo Pgash
Cenizas
volátiles
Pcenv
Alquitrán
Palq
72,11 Gas húmedo
Pgash
72,11
0,003 Cenizas
volátiles
Pcenv
0,0006
0,04 Alquitrán
Cenizas no
volátiles
Total
75,33
72,15 Total
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Palq
0,04
Pcen
0,0024
72,15
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES357
Equipo
Energía de entrada
(KW∙h)
Símbolo
Intercambiador Gas húmedo Pgash
Aire a 50 °C Paire
de calor
Cenizas
volátiles
Alquitranes
Pcenv
Palq
Total
Lavador
Venturi
Gas húmedo Pgash
Cenizas
volátiles
Alquitrán
Pcenv
Palq
Total
0,0006 Pérdidas
0,04 Cenizas
volátiles
Alquitranes
66,66
5,43
Ppérd
0,27
Pcenv
0,0006
Palq
0,037
72,40
66,66 Gas seco
Pgas
55,17
0,00055 Alquitrán
Palq
0
0,037 Agua a 71 °C
4,65 Pérdidas
Gas seco
Pgas
55,17 Gas seco
Pagua
13,33
Ppérd
2,85
71,35
Pgas
55,17 Total
Gas seco
Pgas
55,17 Humos
Aire
55,17
55,17
Phumos
55,57
0,4
Total
Motor
Pgash
Paire
71,35 Total
Total
Antorcha
72,11 Gas húmedo
0,25 Aire a 656 °C
72,40
Agua a 25 °C Pagua
Filtro de
mangas*
Energía de salida
(KW∙h)
Símbolo
55,57 Total
Gas seco
Pgas
Aire
Paire
Total
55,17 Potencia
eléctrica
0,33 Humos
55,50 Total
Total Planta
55,57
Pelect
11,1
Phumos
44,4
55,50
457,47
*El balance de energía se considera despreciable.
9.8.4 PROCESOS BIOQUÍMICOS
Los procesos bioquímicos, como lo indica su nombre, son procesos que implican
el empleo de reacciones bioquímicas, generalmente usando microrganismos
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
358
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
como promovedores de estas transformaciones. Las unidades químicas fundamentales provenientes de la biomasa vegetal son los hidratos de carbono:
sacarosa, o azúcar común, que se extrae de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera; el almidón, extraído de papas y granos de maíz, trigo, cebada,
centeno y la celulosa y hemicelulosa, extraídas de la madera (sección 9.5).
Para que los cultivos de vegetales destinados a servir de fuente de biocombustibles sean una alternativa energética real, se necesita que en el conjunto de los procesos de obtención de éstos se consigan balances energéticos
positivos, es decir, que se requiera menos energía para producirlos que la
que se pretende sustituir y que lleguen al mercado a un costo similar al de
los productos derivados del petróleo a los que sustituyen. La falta de cultivos
específicos seleccionados para fines energéticos ha hecho que se utilicen los
cultivos tradicionales, como los de cereales, de remolacha o de caña de azúcar para la producción de bioetanol o los de aceite de girasol o de soja para la
producción de biodiesel. Es necesario entonces hacer cultivos con plantas no
tradicionales o mejorar los procesos de transformación de los cultivos tradicionales pero con mayores rendimientos, con el fin de conseguir tecnologías
más competitivas desde el punto de vista económico y energético. Ambas soluciones agrícolas constituyen los cultivos energéticos, aunque la primera
es la mejor opción para la preservación ambiental.
9.8.4.1 BIOETANOL
Desde la antigüedad el etanol se ha obtenido por fermentación anaeróbica de
azúcares con levadura en solución acuosa y posterior destilación para lograr
bebidas alcohólicas, método que también se utiliza para fabricar bioetanol.
Se puede obtener también a partir de papas y los mencionados granos en
base al almidón que contienen; su transformación, mediante fermentación,
produce etanol. La purificación del etanol, conseguido en ambos casos, requiere de una destilación.
El almidón es “un polisacárido entrecruzado formado por unidades de
glucosa que se unen entre sí para formar un enorme polímero” cuyo peso molecular varía entre 10 000 000 y 500 000 000 según su procedencia. Para obtener
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES359
bioetanol es preciso romper esta macromolécula para disponer de la glucosa
que forma este alcohol mediante una hidrólisis enzimática del almidón. Para
catalizar esta reacción se utilizan enzimas que dan mejor rendimiento que el
empleo de ácidos. Las enzimas son “proteínas que actúan como catalizadores muy selectivos de reacciones químicas”. El proceso se realiza en dos fases,
denominadas licuefacción y sacarificación. La harina de cereal obtenida tras
molienda se introduce en primer lugar en un tanque de licuefacción, donde
se mezcla con agua a alta temperatura (88 °C) y con la enzima α-amilasa. Esta
enzima produce maltosa, dímero de glucosa y polímeros superiores. Después
de la licuefacción, la masa resultante se calienta brevemente a 110 °C y a continuación se enfría a 60 °C. Seguidamente se realiza la sacarificación mediante la adición de la enzima glucoamilasa. Luego del ataque con una tercera
enzima se logra la conversión casi completa del almidón en glucosa.
Tanto el monosacárido glucosa, proveniente del almidón, como el disacárido sacarosa, de la caña de azúcar o remolacha azucarera, se someten
a un proceso de fermentación, que es “un proceso biológico por el cual
microorganismos convierten azúcares sencillos en compuestos químicos de
bajo peso molecular, tales como ácidos orgánicos y compuestos neutros”.
Estos microorganismos, entre los que se encuentran bacterias, levaduras y
hongos, son capaces de utilizar los azúcares para producir la energía y los
compuestos químicos que necesitan para vivir y reproducirse y, al mismo
tiempo, generar subproductos como dióxido de carbono, ácidos orgánicos,
hidrógeno, etanol y otros. Las fermentaciones industriales se realizan en
grandes depósitos de temperatura controlada denominados fermentadores.
Los azúcares se mezclan con agua para formar el caldo de fermentación, en
el cual se ajusta la concentración de azúcares para satisfacer las necesidades del microorganismo. Asimismo, deben añadirse otros nutrientes, como
una fuente de nitrógeno apropiada, para posibilitar y favorecer el proceso.
La fermentación comienza cuando el caldo es inoculado con el microorganismo y transcurre paralelamente al crecimiento de éste, y finaliza cuando
todos los azúcares fermentables han sido consumidos o cuando los productos
o subproductos de la fermentación inhiben o matan a los microorganismos.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
360
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
La conversión de los azúcares en bioetanol ocurre en las siguientes condiciones operacionales:
Concentración de azúcares: < 22%; Temperatura: 27-32 °C; Tiempo:
2-3 días; pH: 4-5
En estas condiciones se alcanza una concentración de bioetanol inferior al 14%. Para la separación y purificación del bioetanol, la mezcla de la
reacción bioquímica se somete a destilación. Así se obtiene bioetanol al 96%
de pureza. Si se requiere al 99,5% debe destilarse junto con benceno en una
destilación azeotrópica.
Una desventaja importante de las fermentaciones es que la concentración final del bioetanol en el caldo de fermentación es relativamente baja
—14%—, lo que supone una dificultad añadida durante la purificación de éstas. Sin embargo, la gran ventaja de los procesos de fermentación es que las
reacciones son altamente específicas.
Las fases de sacarificación y fermentación se han realizado tradicionalmente de un modo separado y consecutivo según lo descrito anteriormente.
Sin embargo, se ha desarrollado un adelanto en la configuración de dicho
sistema realizando ambas fases simultáneamente. Es lo que se denomina sacarificación y fermentación simultánea, que se consigue mediante la
adición al caldo de fermentación de las enzimas hidrolíticas requeridas, seguida de la inoculación en el mismo caldo del microorganismo, de modo que
éste pueda fermentar los azúcares según van siendo liberados de la biomasa
por la acción enzimática. De lo expuesto, es previsible que haya lugar para
más desarrollos biotecnológicos en los comentados procesos enzimáticos.
Para el caso de la caña de azúcar, la experiencia ha demostrado que
se obtienen 85 L de etanol/t de caña. La producción de bioetanol de
caña tiene un balance energético muy favorable: energía producida:
567 900 Kcal/t de caña; energía utilizada: 50 702 Kcal/t de caña. Por lo tanto:
Energía producida / Energía utilizada = 11,2.
Por otra parte, el balance de CO2 es neutro, porque para formar bioetanol se capturan 12 moléculas de CO2 para la fotosíntesis y luego se liberan
4 moléculas de CO2 en la fermentación del azúcar (C12H22O11), y cuando este
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES361
alcohol se usa como biocombustible, se liberan otras 8 moléculas de CO2 en
la combustión:
Formación de bioetanol:
12CO2 + 11H2O → C12H22O11 + 4CO2
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2
Combustión de bioetanol: 4C2H5OH + 3O2 → 8CO2 + 12H2O
El diagrama de bloques de la Figura 9.7 resume los procedimientos
descritos y la ecuación [9.21], la bioquímica de la obtención de etanol.
Caña azúcar,
Remolacha
Maíz, Trigo
Papas
Zumo
Trituración
Hidrólisis
enzimática
Fermentación
Destilación
Etanol
Figura 9.7. Esquema de obtención de bioetanol a partir de azúcares o almidón de granos
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
362
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Los azúcares como el almidón de grano forman glucosa (C6H12O6), cuya
fermentación produce etanol (C2H5OH) y dióxido ce carbono (CO2):
Azúcares o almidón →
C6H12O6 →
2C2H5OH + 2CO2 + otros
[9.21]
El bioetanol también puede obtenerse de biomasa forestal tratando astillas de madera mediante un pretratamiento químico de hidrólisis
ácida que afecta sólo a la celulosa y hemicelulosa, seguido de una fermentación biológica de los azúcares producidos en la hidrólisis química. La
hidrólisis enzimática de la celulosa se realiza mediante un grupo de enzimas denominadas celulasas. Sin embargo, como ya se sabe, la celulosa
se encuentra de modo natural recubierta por una capa de hemicelulosa y
lignina (sección 9.5) que la protege de la hidrólisis, por lo que es necesario
un tratamiento previo de la lignocelulosa para facilitar la acción de las
celulasas. La enzima conocida como celulasa es en realidad un sistema
complejo de enzimas que actúan conjunta y sinérgicamente sobre la celulosa nativa. Las etapas de este proceso bioquímico del material se ilustran
en la Figura 9.8.
Biomasa
Trituración
Fermentación
Hidrólisis ácida
Destilación
H. enzimática
Etanol
Figura 9.8. Esquema de obtención de etanol a partir de biomasa forestal
9.8.4.2 BIOBUTANOL
Este bioalcohol puede conseguirse utilizando la bacteria Clostridium, cuyas
enzimas dividen los componentes de la materia vegetal, que pueden ser celulosa y hemicelulosa o el almidón, para producir una combinación de butanol,
acetona y etanol, mezcla de la que se separa el butanol por destilación. Como
se aprecia, el método es semejante al empleado para fabricar bioetanol y se
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES363
utilizó a comienzos del s. XX para fabricar butanol, aunque el método actual
es más eficiente.
9.8.4.3 BIODIESEL
Ha quedado establecido que algunos biocombustibles se pueden obtener a
través de cultivos vegetales orientados a su producción. Así, el biodiesel se
puede lograr mediante el proceso llamado transesterificación, que consiste en una reacción entre un aceite vegetal con un alcohol, generalmente
metanol o etanol, la cual da como producto alquilésteres, que constituyen
el denominado biodiesel, y glicerina. Se fabrica en base a aceites vegetales,
sean nuevos o usados, a partir de las semillas de plantas tales como la soja,
raps (canola), maravilla, palma, jatropha, las cuales se cultivan para este propósito, permitiendo a la agricultura y a la industria aceitera otro rubro de
producción. También se pueden incorporar aceites y grasas de origen animal
o de pescado.
Los aceites vegetales están contenidos en las semillas de algunas
plantas en cantidades muy significativas. Así, las semillas de la soja contienen 18% de aceite contra un 47% de la palma y un 45% del girasol. Químicamente, todos estos aceites vegetales son triésteres de la glicerina, denominados triglicéridos, en los cuales la parte conectada a la glicerina
es una mezcla de ácidos grasos que a su vez son ácidos de cadenas largas
saturados o insaturados. La química de la fabricación del biodiesel consiste básicamente en la reacción catalizada de un aceite vegetal, triglicérido,
con metanol, que produce biodiesel y glicerina (ecuación [9.22a]), la cual
debe separarse.
Aceite vegetal
(triglicéridos)
+ metanol
→ Biodiesel + glicerina
[9.22a]
(metilésteres)
La ecuación [9.22b] muestra la misma reacción pero detalla la transformación química, denominada transesterificación, la cual implica una reacción de equilibrio que está catalizada usualmente por una base.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
364
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
O
O
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
O
C R2
O
C
Triglicéridos
CH3
O
OH catalizador CH
3
O
R1
+ 3 CH3
C
O
R1
CH2
OH
C
R2 + CH
OH
CH2
OH
O
R3
CH3 O C R3
Metil ésteres de ácidos
grasos
Metanol
Glicerina
[9.22b]
Un estudio realizado por el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) de Argentina, país que es uno de los mayores productores de
soja en el mundo, muestra los siguientes resultados en la transformación de
semillas de soja en biodiesel:
Soja
1000 Kg
Extracción
aceite
Aceite
190 Kg
Transesterificación
Biodiesel
170 Kg
En la Tabla 9.17 se muestran los balances de masas del proceso de
producción de biodiesel a partir de semillas molidas de soja en estudios hechos por el INTA. Esta transformación se ejecutó con hidróxido de sodio como
catalizador. De la extracción de aceite de las semillas resulta una harina que
se destina a consumo animal por las proteínas que contiene. El ácido sulfúrico
(H2SO4) se utiliza para neutralizar la basicidad del producto de la reacción.
TABLA 9.17. BALANCE DE MASAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL
POR TRANSESTERIFICACIÓN
Insumos
Soja (Kg) NaOH (Kg)
5880
6
Producto Producto
(Kg)
(Kg)
Aceite
Biodiesel
1000
930
(Kg)
CH3OH (Kg)
355,5
Subproducto
(Kg)
Glicerina
110
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
H2SO4 (Kg)
6
Subproducto
(Kg)
Harinas
470
H2O (Kg)
320
Desecho
(Kg)
H2O
63
Alfaomega
9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES365
El balance energético indica que la relación entre las energías generadas y consumidas dio un resultado positivo, mayor que uno. Sin embargo,
el estudio no consideró el valor del subproducto harinas, que representan el
80% de la extracción de soja, poder calorífico inferior. Se produce un mayor
consumo energético en la fase industrial, pero su valor depende de la tecnología empleada.
9.8.4.4. BIOGÁS
El biocombustible gaseoso por excelencia es el biogás, compuesto principalmente por el más simple de los hidrocarburos: el metano (CH4) que a su
vez, es el gas constituyente del gas natural (sección 2.3.3). Comúnmente, el
biogás se extrae de la descomposición de la materia orgánica contenida tanto
en aguas servidas como en los residuos sólidos domésticos —basura— que se
generan en las viviendas.
El tratamiento de las aguas servidas consiste en remover los sólidos insolubles mediante filtración y sedimentación y eliminar el material
flotante como aceites, grasa y jabones por remoción. Las aguas así tratadas
se someten a un tratamiento biológico, generalmente el de lodos activados, en piscinas aireadas; este tratamiento biológico es una oxidación de la
materia orgánica biodegradable, contenida en aguas servidas, con bacterias
aeróbicas que emplean esta materia como nutriente para su desarrollo y forman CO2. Con este proceso, que se ejecuta para acelerar un proceso natural,
se evita la contaminación de las aguas naturales, formándose así una biomasa —lodo biológico— mediante filtración que contiene nuevas bacterias y
residuos sólidos de la descomposición de la materia orgánica original, según
lo expresa la ecuación:
Materia orgánica + bacterias + O2
→ lodo biológico + CO2 + H2O + calor
[9.23]
La Figura 9.9 es un esquema del proceso de tratamiento biológico
aeróbico de aguas servidas mediante el cual se genera un efluente de aguas
tratadas que pueden utilizarse para regadío agrícola, previa desinfección con
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
366
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
cloro, y los mencionados lodos. Las etapas comprenden un tratamiento preliminar que consiste en retener los sólidos gruesos, seguido de una sedimentación para eliminar las partículas finas, el tratamiento biológico aeróbico
que descompone la materia orgánica, la cual genera CO2, y lodos biológicos
que pasan a la etapa de sedimentación. Parte de la materia orgánica que no
decantó se hace recircular a la etapa de sedimentación primaria y de tratamiento preliminar para completar el proceso biológico.
Aguas
servidas
Tratamiento
preliminar
Sedimentación
primaria
Tratamiento
aeróbico
Sedimentación
secundaria
Disposición de lodos
o Aprovechamiento
Desinfección
Aguas
tratadas
Figura 9.9. Esquema del tratamiento biológico aeróbico de aguas servidas
Con el objetivo de disminuir el impacto ambiental muy negativo de
estos lodos biológicos, éstos se someten a un tratamiento biológico, pero esta
vez en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno), en el cual estos barros
se suspenden en agua en un biodigestor, aplicando calor y en presencia
de bacterias anaeróbicas. El lodo así tratado se descompone porque dichas
bacterias lo usan como alimento para su existencia. La descomposición anaeróbica de la biomasa de los lodos produce considerablemente menos biomasa
final que el tratamiento aeróbico. El biodigestor se diseña para favorecer el
crecimiento de bacterias anaeróbicas, principalmente aquellas productoras
de metano que disminuyen los sólidos orgánicos, en este caso los lodos biológicos, reduciéndolos a sustancias solubles, una biomasa diferente y gases,
mayoritariamente CH4 y CO2.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES367
La biodegradación ocurre en cuatro etapas en las que participan distintos tipos de bacterias que transforman las macromoléculas orgánicas, proteínas, polisacáridos y triglicéridos (Tabla 9.18).
TABLA 9.18. ETAPAS DE LA BIODEGRADACIÓN DE LODOS DE AGUAS
SERVIDAS
Etapa
Descripción
1ª Hidrólisis
de las macromoléculas por medio de enzimas que
secretan las propias bacterias.
2ª Fermentación
acidogénica
formadora de ácidos volátiles, entre los cuales el
principal es el ácido acético (CH3COOH), además
de CO2 y H2.
3ª Acetogénesis
es la ruptura de los ácidos volátiles que produce
acetato (CH3COO) y H2.
4ª
Metanogénesis
el acetato, formaldehido (HCHO) y CO2 se convierten en metano y agua.
Estas cuatro etapas se pueden representar por la siguiente ecuación
bioquímica:
Lodo biológico + microorganismos + calor → CH4 + CO2
[9.24]
+ residuos sólidos
La estabilidad del proceso es muy frágil porque, entre otros motivos,
debe haber un balance entre las diferentes poblaciones microbianas, cada
una de las cuales tiene tareas diferentes. El pH, como la temperatura, es una
condición crítica; así, cambios en la temperatura afectan negativamente a las
productoras de metano. Las diferentes temperaturas de la materia contenida
en el reactor biológico que exigen las distintas etapas del proceso se controlan
mediante un sistema de calentamiento que genera calor, controla las temperaturas de las etapas y transfiere calor mediante un intercambiador de calor.
Las condiciones operacionales del proceso bioquímico de digestión son: temperaturas: rango del proceso total: 10-69 °C; temperaturas
intermedias: 30-40 °C y 40-49 °C, para las diferentes bacterias; pH: 6,8-8,0;
tiempo: 10-90 días, dependiendo del sistema.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
368
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Como en todo desarrollo microbiano, deben existir nutrientes nitrogenados que aportan el vital elemento nitrógeno. El nivel óptimo de relación
entre los elementos carbono y nitrógeno, C/N, es 30/1; relaciones superiores
suponen una escasez de N y por lo tanto una fermentación más lenta.
A medida que la biomasa original se va transformado, los gases CH4,
CO2 y trazas de sulfuro de hidrógeno, H2S, salen por la parte superior; el sobrenadante, formado por materia menos densa que el agua, va acumulándose en el medio del digestor sobre el agua generada en el proceso y el agua
introducida junto con el lodo. Parte de esta agua se extrae, si es necesario,
para retornarla a la planta de aguas servidas y el lodo digerido, producto de la
biodigestión, se extrae del fondo del biodigestor para llevarlo a un proceso de
secado. La formación de metano, gas inflamable, exige un cuidadoso control
de las operaciones en el digestor y en las etapas de su empleo.
La Figura 9.10 muestra, en forma esquemática, un biodigestor anaeróbico de una etapa.
Salida de gas
Cúpula de gas
Almacenamiento de gas
Salida de espuma
Espuma
Sobrenadante
Salida de sobrenadante
Entrada de lodo crudo
Digestión activa
Calentador
de lodos
Almacenamiento
de lodo digerido
Salida de lodo crudo
Figura 9.10. Esquema de un biodigestor anaeróbico de una etapa
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.8 TECNOLOGÍAS
TECNOLOGÍASPARA
PARAEL
ELAPROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODE
DELOS
LOSBIOCOMBUSTIBLES
BIOCOMBUSTIBLES369
La composición de biogás formado de lodos de aguas servidas aparece
en la Tabla 9.19.
TABLA 9.19. CONCENTRACIONES USUALES DE DISTINTOS COMPONENTES DE
BIOGÁS RECUPERADO EN LODOS DE AGUAS SERVIDAS
Componente
Fórmula
Concentración
Metano
CH4
55-70%
Dióxido de carbono
CO2
25-40%
Nitrógeno
N2
2-7%
Hidrógeno
H2
1-5%
Sulfuro de hidrógeno
H2S
50-5000 ppm
La basura doméstica que se deposita en vertederos —depósitos de
residuos sólidos domésticos— se va recubriendo con tierra y otros materiales
a medida que se deposita por seguridad e higiene. Esta cobertura produce
en el interior un ambiente anaeróbico que favorece la descomposición de la
materia orgánica, restos de comida y otros por microorganismos que forman
un ecosistema complejo en el que la acción de unos es aprovechada como nutrientes por otros, lo que da como resultado una mezcla gaseosa constituida
fundamentalmente por metano. El paso crítico de este proceso es la hidrólisis,
porque los microorganismos necesitan que la materia orgánica —nutrientes—
esté disuelta o suspendida en agua. La concentración usual de estos componentes en el biogás recuperado en un vertedero, expresada en tanto por ciento
en volumen de gas seco o en mg/m3 N y se muestra en la Tabla 9.20.
El contenido de metano en el biogás es el parámetro más importante,
pues de él depende su poder calorífico que, según dicha tabla, está entre 40
y 60%. Al comparar las concentraciones de metano de aguas servidas (Tabla
9.19) con las de la basura (Tabla 9.20) se deduce de inmediato que el biogás
procedente de aguas servidas es mejor combustible que el de la basura.
El metano, como se afirmó anteriormente, es inflamable y explosivo
cuando se mezcla con oxígeno en determinadas proporciones. Además, es un
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
370
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
gas de efecto invernadero (sección 2.5) mucho más potente que el CO2; por
ambas razones debe evitarse la filtración desde el vertedero.
TABLA 9.20. CONCENTRACIONES USUALES DE DISTINTOS COMPONENTES DE
BIOGÁS RECUPERADO EN UN VERTEDERO
Componentes
Fórmula
Concentración
Metano
CH4
40-60%
Dióxido de carbono
CO2
40-60%
Nitrógeno
N2
5%
Monóxido de carbono
CO
0,001%
Amoníaco
NH3
30 mg/m3 N
Sulfuro de hidrógeno
H2S
0,015 mg/m3 N
Es obvio que en grandes ciudades la cantidad de aguas servidas emitidas y basura recogida da lugar una gran cantidad de lodos y materia orgánica
sólida, respectivamente. Por lo tanto, toda esta materia generará inevitablemente un enorme monto de biogás que se puede y debe aprovechar como
combustible, motivo por el cual este gas se envía a la red de gas de ciudad
para viviendas o se utiliza para producir electricidad.
9.9 PRODUCCIÓN Y APROVECHAMIENTO DE
BIOCOMBUSTIBLES EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Una característica común de estos países es el bajo aprovechamiento de la
biomasa de origen primario y de la secundaria, por ejemplo, la de los residuos
domésticos, para producir bioenergéticos. Una razón plausible de este hecho
es la existencia de petróleo y gas natural en estos países, con excepción de Chile, que exhibe un mayor desarrollo relativo de la industria de biocombustibles.
9.9.1 MÉXICO
Según la Secretaría de Energía de México (SENER), para el año 2006 la bioenergía representaba el 8% del consuno de energía primaria del país. De los
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.9PRODUCCIÓN
9.9
PRODUCCIÓN
YAPROVECHAMIENTO
Y APROVECHAMIENTOS
DEBIOCOMBUSTIBLES
DE BIOCOMBUSTIBLES
ENALGUNOSPAÍSESLATINOAMERICANOS
...
371
bioenergéticos, la leña es la principal fuente de energía, la cual se emplea para
cocinar alimentos y calentar viviendas con un 3% del consumo energético del
país. Se estima que este bioenergético es consumido por una cuarta parte de
la población por medio de los tradicionales fogones. Después de la leña, la
principal fuente de bioenergía es el bagazo, residuo leñoso de la caña de azúcar que se usa en los ingenios azucareros para producir calor y electricidad,
de manera que son autosuficientes en estos tipos de energía. En el año 2004
se consumieron 250 petajulios (1 PJ = 1015 julios) de leña y 92 PJ de bagazo
de caña. La industria azucarera producía 45 millones de litros de bioetanol
pero que se no empleaba como biocombustible sino en la industria química.
Otros bioenergéticos empleados son el biogás y el biodiesel, aunque
en cantidades muy limitadas. El biogás liberado del relleno sanitario en el
municipio de Salinas, Nuevo León, se emplea para generar energía eléctrica
con una potencia neta de 7 MW, producida por siete motores de combustión
interna. El gas captado desde pozos perforados en el interior del relleno está
formado por un 50% de CH4 y CO2, los cuales se conducen hacia la planta
eléctrica mediante una red de tuberías. Posteriormente, la planta aumentó
su capacidad en 5 MW. La primera planta de biodiesel en México, situada en
Cadereyta, Nuevo León, se inauguró en el año 2005 y fabrica dicho energético
a partir de sebo de animal como materia prima, de la cual se pueden conseguir 3,2 millones de L/año.
9.9.2 COLOMBIA
Los balances energéticos reportados por la Unidad de Planeación Minero
Energética (UPME) consignan los datos oficiales de los bioenergéticos, entre
los cuales está la leña. En el año 2000 el consumo de leña fue de 24 801 Kt
en tanto que en el 2008 fue 21 568 Kt, datos que significan una disminución
del 13%. El consumo calculado para 2008 fue de 124 Kg/mes/hogar y el uso
principal fue para cocción y calefacción, lo que coincide con las tendencias de
otros países.
Mediante estímulos legales y tributarios, desde el año 2004 el país inició la producción y comercialización de los biocombustibles bioetanol, que
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372
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
proviene exclusivamente del procesamiento de la caña de azúcar del valle
geográfico del río Cauca, que por sus condiciones agroclimáticas ideales permite cosecha y molienda de esta caña durante todo el año. En esta región se
encuentran localizados los trece ingenios azucareros y las cinco destilerías
de etanol. Estas cinco plantas proporcionan al país una capacidad instalada
de producción de 1 050 000 L/día de alcohol, con una producción promedio
cercana a los 700 000 L/día. De acuerdo con los niveles de producción la destilería del Ingenio del Cauca aporta el 31% de la producción nacional de etanol,
seguida del Ingenio Providencia, el cual suministra el 25%, mientras que el
Ingenio Manuelita da cuenta del 20%. En menor proporción están los ingenios Mayagüez y Risaralda, los cuales producen 16% y 8% respectivamente.
El bioalcohol así producido se mezcla con un 90% de gasolina, constituyendo
la ya dicha mezcla E-10.
La producción industrial de biodiesel se inició en 2008 y se optó por
la utilización del aceite de palma como materia prima, dado los buenos resultados obtenidos con este árbol en Malasia y corroborados en el país. El
aceite de palma es uno de los principales aceites vegetales y se ha convertido
en el de mayor producción mundial como fuente de biodiesel. Posee un alto
contenido de ácidos saturados en los triglicéridos, entre 40 y 50%, por lo que
es muy ventajoso para emplearlo en motores Diesel, pero, según algunos, es
menos apropiado para la salud humana. En el año 2009 existían dos plantas
con una capacidad de producción de 300 000 L/día que permitían suministrar
la mezcla de petróleo Diesel y biodiesel, 5%, en forma de B-5, a usuarios situados básicamente en la costa atlántica. Paralelamente, se estaban construyendo otras cinco plantas con capacidad total de 1 800 000 L/día.
9.9.3 ARGENTINA
En el año 2009, el Departamento Forestal de la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura) estimó que el consumo
de biomasa con fines energéticos en Argentina fue 7,9 millones de toneladas,
equivalentes a 2380 Ktep/año, de los cuales 2,1 millones de toneladas provienen del sector residencial, 3,9 millones de toneladas se deben al sector
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.9PRODUCCIÓN
9.9
PRODUCCIÓN
YAPROVECHAMIENTO
Y APROVECHAMIENTOS
DEBIOCOMBUSTIBLES
DE BIOCOMBUSTIBLES
ENALGUNOSPAÍSESLATINOAMERICANOS
...
373
comercial y 1,9 millones de toneladas se utilizan en el sector industrial. Desde
el año 2008 uno de los aprovechamientos de la biomasa lignocelulósica es el
dedicado a la fabricación de carbón vegetal, del cual se hace uso casi exclusivo en la industria siderúrgica instalada en la provincia de Jujuy, en los Altos
Hornos Zapla, que se obtiene fundamentalmente de plantaciones de eucalipto realizadas con ese fin.
En 2006 se publicó la Ley de Biocombustibles 26.093, que establece
mezclas obligatorias de 5% de biodiesel para el petróleo Diesel, B-5, y de 5%
de bioetanol para la gasolina, E-5, a partir del 1º de enero de 2010. Un reglamento de la ley decidió las nueve empresas que entregarán dicho bioetanol
así como sus volúmenes. Sin embargo, el cupo asignado llegó a 180 400 metros
cúbicos, equivalente a 180,4 millones de litros, mientras que para la mezcla
de E-5 son necesarios unos 282 000 m3 para cubrir la demanda del mercado.
Por otra parte, la industria nacional de biodiesel, que fue anterior a
la de etanol, se ha desarrollado de manera menos ordenada. De hecho, la
ley de biocombustibles no ha logrado el impacto esperado en el mercado: de
las veinte plantas de biodiesel actualmente autorizadas por la Secretaría de
Energía para producir este bioenergético, todas las operativas se enfocan al
mercado de exportación.
La totalidad del alcohol que se produce en la Argentina es de tipo hidratado, más del 60% se dirige al mercado doméstico y, en particular, a la
industria. Cerca del 90% de la producción doméstica se destila en los ingenios
azucareros del noroeste argentino en las provincias de Salta, Jujuy y Tucumán, utilizando el bagazo de la caña de azúcar como combustible para sus
calderas. El alcohol producido por destilación contiene una parte significativa de agua, que debe ser eliminada para su uso como combustible, para lo
cual se requiere el proceso de deshidratación que utiliza tamices moleculares
para separar el agua. Para el año 2010, una minoría de las empresas contaba
con esta tecnología.
Cervecería y Maltería Quilmes implementó en su planta de Zárate, provincia de Buenos Aires, un sistema para generar calor a partir de subproductos de la industria maderera de Corrientes y Entre Ríos como chips de eucalipto y pino. Dicho sistema permite reducir un 90% el consumo de petróleo
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
374
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Diesel. Así, Planta Zárate suma esta experiencia a la ya exitosa en Planta Corrientes. La misma empresa puso en práctica el aprovechamiento del gas metano, en este caso biogás, que se genera durante el proceso de tratamiento de
efluentes líquidos ya que se beneficia de este subproducto en sus plantas de
Corrientes y Zárate. El biogás representa cerca del 2,5% de las necesidades
energéticas de estas plantas.
9.9.4 CHILE
Actualmente, la biomasa forestal constituye un combustible relativamente
importante en el actual parque de cogeneración de algunas plantas de celulosa, aun cuando es inferior al 5% de generación de la matriz termoeléctrica
nacional. La Tabla 9.21 muestra la cogeneración eléctrica con biomasa de la
industria forestal chilena en 2008, entregada al Sistema Interconectado Central (SIC), parte del sistema de distribución eléctrica nacional.
TABLA 9.21. ENERGÍA ELÉCTRICA ENTREGADA AL SIC POR PLANTAS DE
CELULOSA, 2008
Planta de celulosa
Capacidad
instalada, MW
Excedentes
al SIC, MW
Arauco
96
9
Constitución
40
8
Licancel
29
4
Trupán
29
13
Valdivia
140
61
Nueva Aldea, Paneles
30
14
Nueva Aldea Celulosa
140
25
Total
504
134
La Tabla 9.21 muestra que aproximadamente un 25% de la energía eléctrica generada a partir de la biomasa residual de celulosa se destina, como
excedente, a generar electricidad para una parte minoritaria del país.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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9.10 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
375
Aparte de la biomasa forestal como combustible para generar electricidad, el país dispone muy recientemente del biogás (sección 9.8.4.4) proveniente de la descomposición de la materia orgánica de la basura. En el
relleno sanitario Loma Los Colorados, que recibe 6000 t/día de basura de
25 comunas, situado en Tiltil, región metropolitana, se construyó una planta
termoeléctrica que utiliza biogás cuya combustión actual mueve 9 de las 20
turbinas proyectadas, generando una potencia de 11,8 MW. Para el año 2012
lleva acumulados 25 millones de residuos domésticos capaces de generar un
flujo de 9000 m3/día de biogás.
9.10 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
Uno de los grandes problemas que enfrenta la humanidad en la actualidad es
el cambio climático que se está produciendo como consecuencia del aumento
de concentración de los Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la atmósfera,
entre ellos el CO2, principal contribuyente que se produce en la quema de
combustibles fósiles. Sin embargo, antes del advenimiento de la Revolución
Industrial con el desarrollo de la máquina a vapor durante la segunda mitad
del siglo XIX, la concentración de CO2 se mantuvo prácticamente constante
durante miles de años en la atmósfera del planeta Tierra. Este gas se produce naturalmente cuando se descompone la materia orgánica cuya mayor
cantidad forma parte de los vegetales, materia a la que se le puede asignar la
fórmula [CH2O] (sección 9.2). Dicha descomposición es una oxidación promovida por microorganismos que emplean esta materia como nutriente. Entonces, esta acción destructiva de la materia orgánica se puede representar
por la ya conocida ecuación [9.2] (sección 9.1):
[CH2O] + O2
→ CO2 + H2O
[9.2]
A su vez, en la naturaleza la materia vegetal se forma del CO2 y del agua
por el proceso de fotosíntesis (sección 9.1) que, tal como lo indica su nombre,
es un proceso asistido por la luz solar (ecuación [9.1]):
CO2 + H2O →
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CH2O + O2
[9.1]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
376
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
Al comparar la ecuación [9.2] con la [9.1] se aprecia que en la naturaleza se emite tanto CO2 como el que se consume, como ya se ha afirmado
precedentemente, motivo por el cual el consumo de biomasa para obtener
biocombustibles es neutro, siempre que se cumplan las condiciones naturales. Estas ecuaciones muestran, asimismo, que la biomasa es una fuente
renovable y por lo tanto inagotable. Existen otros impactos ambientales
positivos, cuando se incorporan cultivos de vegetales con fines energéticos
en áreas marginales o actualmente improductivas. Además, si los productos
que se cosechan de estos cultivos no se destinan a alimentación, entonces no
hay sustitución de alimentos por combustibles, lo que significa también un
impacto favorable. En el caso de cultivos de especies arbóreas, como también
en la mantención de bosques naturales, se logra un impacto muy positivo
cuando se ejecutan raleos o clareos que de no realizarse propician incendios
forestales que sí son de terrible impacto negativo. En lo que se refiere al manejo de los residuos sólidos domésticos, se logra un gran beneficio ambiental
cuando se recogen los materiales que puedan reutilizarse o reciclarse, como
por ejemplo papel, cartón, latas y vidrios, antes de su vertido.
En cuanto a impactos ambientales negativos, se puede decir que
los cultivos energéticos exigen grandes espacios y empleo de abonos para así
poder abastecer sólo una parte de la demanda de biocombustibles. A su vez,
el monocultivo intensivo propicia la aparición de plagas con el consiguiente uso de pesticidas. Además, para lograr el combustible se precisa de una
transformación química previa que es compleja y deja residuos. Respecto a
la biomasa forestal, debe anotarse que su aprovechamiento en centrales eléctricas representa altos costos por acopio y transporte de residuos forestales,
aun cuando el bosque esté relativamente cerca.
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
9.1. La fotosíntesis produce anualmente una cantidad media de materia orgánica vegetal de 0,32 Kg/m2, correspondiente a un porcentaje de 50% de carbono (C). a) Calcular la cantidad de C fijado por la
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
377
materia vegetal presente en un área de 1000 m2. b) Si la reacción de la
fotosíntesis produce glucosa (C6H12O6): 6CO2 + 6H2O → glucosa + 602,
calcular mediante esta ecuación los moles de glucosa producidos por
la materia vegetal de la parte a). De la glucosa producida por la fotosíntesis, un 25% lo utiliza la planta para sus procesos de respiración; el
resto lo utiliza para fabricar materia vegetal. c) Calcular el porcentaje
de radiación solar incidente que se transforma en energía química en el
área de 1000 m2. Considerar que la energía diaria entregada por esta radiación solar es de 1527 KJ/cm2 y que cada mol de glucosa absorbe 2800
KJ de energía solar. d) Indicar cuál de los procedimientos: biomasa o
colectores solares, proporciona más energía. Suponer una eficiencia del
15% del colector solar.
9.2. Una industria elaboradora de maderas aserradas de pino produce diariamente 300 Kg de aserrín, producto que se aprovecha para generar
electricidad cuyo rendimiento en la transformación de energía térmica en eléctrica es del 40%. Determinar el valor económico mensual que
se genera si la planta opera 25 días al mes y su gasto de mantenimiento es el 20% de la energía eléctrica producida. El valor de mercado de
esta energía es US$ 0,2/KW·h. El poder calorífico del aserrín de pino es
18 600 KJ/Kg.
9.3. Calcular la cantidad de calor producida en la combustión de 0,5 m3 de
biogás a presión de 1,5 atm y temperatura de 25 °C. Poder calorífico del
biogás: 4500 Kcal/m3.
9.4. En un biodigestor se introducen 300 Kg de excremento vacuno y
600 Kg de paja de trigo cuyas fermentaciones rinden un 80% de biogás
luego de 30 días. ¿Cuánta energía se producirá en KW·h si el excremento
genera 0,315 m3/Kg y el de paja, 0,300 m3/Kg de biogás? El poder calorífico del biogás es 4500 Kcal/m3.
9.5. Según la ecuación [9.21], la fermentación de 1 mol de glucosa da dos
moles de bioetanol. Calcular la cantidad de calor desprendido en la
combustión de bioetanol al 94%, obtenido en la fermentación de 3 Kg
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
378
09 ENERGÍA DE LA BIOMASA
de glucosa. Suponer una eficiencia del 90% de la fermentación. Poder
calorífico del bioetanol: 6000 Kcal/Kg.
9.6. Calcular la cantidad de energía adicional que contiene por tonelada una
biomasa vegetal almacenada a 5 °C en invierno, cuando la temperatura
de almacenamiento aumenta a 25 °C en verano. La biomasa contiene un
20% de agua; el calor específico de la biomasa es 1920 J/Kg/K y el del
agua es 4180 J/Kg/K y se suponen constantes en ese rango de temperatura. Nota: la letra K en la línea anterior denota grado Kelvin.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10
LA ATMÓSFERA Y LA
ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica es la energía proveniente del movimiento de masas de
aire que se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en
distintos lugares de la atmósfera, masas que se mueven desde zonas de alta
presión a otras de baja presión. Los fundamentos y aplicaciones que esta
energía tiene, especialmente como alternativa limitada a la energía térmica
en la generación de electricidad, constituye el centro de este capítulo. Puesto
que el viento es uno de los componentes del clima, el capítulo se inicia con
el estudio de este tema que además abarca la contaminación del aire y el
cambio climático.
10.1 ATMÓSFERA: ESTRUCTURA, COMPOSICIÓN Y
PROPIEDADES
La atmósfera es “una capa gaseosa de aproximadamente 10 000 Km de espesor que rodea la litósfera e hidrósfera”. Está compuesta de gases y de partículas sólidas y líquidas en suspensión atraídas por la gravedad terrestre. Como
consecuencia de la compresibilidad de los gases y de la gravedad, la mayor
parte de la masa de la atmósfera se encuentra comprimida cerca de la superficie del planeta, de tal manera que en los primeros 15 Km se encuentra el 95%
del total de su masa. Sin embargo, las proporciones de los diferentes gases
que constituyen el aire se mantienen casi inalterables hasta los 80-100 Km
de altitud. El límite superior de la atmósfera se estima alrededor de los
10 000 Km de altura, donde la concentración de gases es prácticamente despreciable, por lo que se asemeja a la del espacio exterior.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
380
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
10.1.1 ESTRUCTURA
La atmósfera está dividida, según las variaciones de la temperatura, en una
serie de capas superpuestas que desde la superficie terráquea al universo son:
Tropósfera
Su espesor varía entre los 9 Km sobre los polos y los
18 Km sobre el ecuador, con una altura media de 12 Km.
Contiene la mayoría de los gases de la atmósfera. A los
500 m iniciales se les denomina capa sucia, porque en
ellos se concentra el polvo en suspensión procedente
de los desiertos, volcanes y contaminación. Este polvo
actúa como núcleos de condensación que facilitan el
paso del vapor de agua atmosférico a agua líquida; la
tropósfera contiene prácticamente todo el vapor de
agua atmosférica. Hay importantes flujos convectivos
de aire, verticales y horizontales, producidos por
las diferencias de presión y temperatura que dan
lugar a los fenómenos meteorológicos tales como
precipitaciones, viento y nubes. El aire de la tropósfera
se calienta a partir del calor emitido por la superficie
terrestre. La temperatura de la tropósfera es máxima
en su parte inferior, alrededor de 15 °C de media, y
a partir de ahí comienza a descender con la altura
según un Gradiente Térmico Vertical (GTV) de 6,5 ºC
de descenso por cada kilómetro que se asciende en
altura hasta llegar a -70 ºC en el límite superior de la
tropósfera: la tropopausa.
Estratósfera
Se extiende desde la tropopausa hasta los 50 Km de
altura, límite de la estratósfera llamado estratopausa.
En esta capa se genera la mayor parte del ozono
atmosférico que se concentra entre los 15 y 30 Km
de altura; esta zona es la llamada capa de ozono.
La temperatura asciende con la altura hasta llegar
próxima a los 0 ºC en la estratopausa. Este incremento
de temperatura está relacionado con la absorción por
el ozono de la radiación solar ultravioleta (UV), por lo
que esta capa actúa como pantalla protectora frente
a los perjudiciales rayos UV. Dentro de esta capa hay
movimientos horizontales de aire, pero no verticales,
como sucede en la tropósfera.
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10.1 ATMÓSFERA: ESTRUCTURA, COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES
381
Mesósfera
Se extiende hasta los 80 Km de altura. La temperatura
disminuye hasta alcanzar los -140 ºC en su límite superior, llamado mesopausa.
Termósfera
o ionósfera
Se denomina así porque gran parte de las moléculas
presentes están ionizadas por la absorción de las radiaciones solares de alta energía (rayos gamma, rayos X y
parte de la radiación UV), provocando que el nitrógeno
y el oxígeno pierdan electrones y queden ionizados con
carga +; los electrones desprendidos originan campos
eléctricos por toda la capa. La interacción de las partículas subatómicas procedentes del Sol con los átomos
ionizados da lugar a fenómenos luminosos llamados
auroras polares: aurora boreal en polo norte y aurora austral en polo sur, que suceden cerca de los polos
magnéticos. En la ionósfera rebotan las ondas de radio
y televisión usadas en las telecomunicaciones. La temperatura de la termósfera va ascendiendo en altura al
absorber las radiaciones de alta energía, pudiendo alcanzar más de 1000 ºC. Su límite superior se denomina
termopausa, entre los 600 – 800 Km de altura, continuándose con la exósfera.
Exósfera
Situada desde los 600 – 800 Km de altura hasta unos
10 000 Km. Tiene una bajísima densidad de gases hasta
llegar a ser similar a la del espacio exterior, casi vacío,
con lo que el cielo se oscurece porque prácticamente no
hay materia que absorba la luz.
10.1.2 COMPOSICIÓN
Hasta los primeros 80-100 Km la composición del aire es homogénea y se
mantienen las mismas proporciones en los gases, aunque la concentración
de éstos decrece; por esta característica se le llama homósfera a esta capa;
a partir de esta altura la composición varía, con gases que predominan según
una altura determinada; a esta capa se le llama heterósfera.
En la actualidad, la atmósfera está compuesta por tres gases fundamentales: nitrógeno, oxígeno y argón, los cuales constituyen el 99,95% del
volumen atmosférico. De ellos, el nitrógeno y el argón son geoquímicamente
inertes, lo que implica que permanecen en la atmósfera sin reaccionar con
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382
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
ningún otro elemento. En cambio, el oxígeno es muy reactivo y su presencia
está determinada por la velocidad de las reacciones del oxígeno libre con los
depósitos existentes en las rocas sedimentarias.
Los restantes componentes de la atmósfera están presentes en cantidades muy pequeñas y se expresan en volumen en partes por millón (ppm) o
en partes por billón (ppb). El dióxido de carbono llega a la atmósfera por la
acción de los organismos vivos y en menor medida por la descomposición de
elementos orgánicos y la quema de combustibles fósiles. Mantiene su equilibrio gracias al proceso de fotosíntesis y a la absorción de la biósfera y los
océanos. La presencia de ozono es relativamente pequeña y está determinada
por el balance entre las reacciones que lo producen y destruyen. Se origina en
la atmósfera superior por la acción de la radiación UV que disocia las moléculas de oxígeno, permitiendo su recombinación en ozono (O3). Los aerosoles
son partículas en suspensión: humo, polvo, cenizas, sales y materia orgánica.
La Tabla 10.1 muestra la composición gaseosa de la atmósfera.
TABLA 10.1. COMPOSICIÓN GASEOSA DE LA ATMÓSFERA
Componente
Nitrógeno
Oxígeno
Argón
Dióxido carbono
Neón
Helio
Metano
Criptón
Hidrógeno
Oxido nitroso
Xenón
Monóxido carbono
Ozono
Fórmula
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
H2
N2O
Xe
CO
O3
Volumen % *
78,08
20,95
0,93
350
ppmv **
18,2
“
5,24
“
2
“
1,1
“
0,5
“
0,3
“
0,08
“
0,05-0,2 “
0,02-0,03 “
*En base aire seco; ** ppmv: partes por millón en volumen
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10.1 ATMÓSFERA: ESTRUCTURA, COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES
383
10.1.3 PROPIEDADES
Las principales propiedades físicas de la atmósfera son: la presión y la temperatura. La presión atmosférica “es el peso ejercido por la masa de aire
atmosférico sobre la superficie terrestre”. Casi la totalidad de la masa de la
atmósfera se encuentra en los primeros kilómetros por encima de la superficie terrestre (debido a la fuerza de atracción gravitatoria sobre los gases), por
lo que la presión atmosférica disminuye rápidamente con la altura; por ejemplo, en los primeros 5 km de altura se encuentra el 50% de su masa y a los
15 Km de altura se encuentra el 95% de su masa. El valor de esta presión se
mide con el barómetro. A nivel del mar es 1 atm ó 1013 mbar y es equivalente
al peso de una columna de mercurio de 760 mm de altura y 1 cm2 de base.
En los mapas meteorológicos, la presión atmosférica suele representarse mediante las isóbaras, que son líneas que unen los puntos de igual presión. En
la Figura 10.1 se muestran isóbaras de alta y bajas presiones.
1005
Alta
1010
1005
1000
Baja
1015
995
1020
1025
Alta
Isóbaras
Figura 10.1. Isóbaras de altas y bajas presiones
La temperatura atmosférica varía en función de la altitud. El aire
de la tropósfera se calienta a partir del calor emitido por la superficie terrestre. La temperatura es máxima en la superficie terrestre, alrededor de 15 ºC
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384
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
de media, y a partir de ahí comienza a descender con la altura según un Gradiente Térmico Vertical (GTV) de 6,5 ºC de descenso por cada kilómetro
que se asciende en altura hasta llegar a -50 ºC a los 12 Km de altura. A partir
de aquí, la temperatura asciende con la altura hasta llegar próxima a 0 ºC
sobre los 50 Km. Este incremento de temperatura está relacionado con la absorción por el ozono de la radiación solar ultravioleta. De los 50 a los 80 Km
de altura, la temperatura disminuye hasta alcanzar los -90 ºC; a partir de
aquí, la temperatura va ascendiendo en altura al absorber las radiaciones de
alta energía, pudiendo alcanzar más de 1000 ºC a unos 600 Km de altura; a
partir de aquí la baja densidad de gases impide la transmisión del calor. La
Figura 10.2 corresponde al gradiente térmico vertical.
100
TERMÓSFERA
Mesopausa
MESÓSFERA
60
ESTRATÓSFERA
Gr
ad
ien
te
40
Zona de máxima
concentración de ozono
20
Tropopausa
Altura máxima
de las nubes
TROPÓSFERA
Capa
límite
0
-100 -80 -60 -40
HOMÓSFERA
co
Estratopausa
tér
mi
Altitd (Km)
80
HETERÓSFERA
120
-20
0
+20 +40 +60
Temperatura (°C)
Figura 10.2. Gradiente térmico vertical de la atmósfera
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10.2 CLIMA Y TIEMPO ATMOSFÉRICO
385
El GTV se altera por variados procesos tales como calentamiento intenso del suelo, movimiento turbulento de aire, vientos fuertes o descenso violento de la temperatura del suelo. Otra causa de las variaciones de temperatura son los cambios de la presión atmosférica, los cuales provocan cambios
adiabáticos que son “cambios térmicos que se deben exclusivamente a la
variación de la presión que actúa sobre un gas, y se realizan sin intercambio
o mezcla de calor con el gas circundante”. Un aumento del volumen del gas
implica expansión a expensas del consumo de la energía interna, y por lo tanto deriva en una disminución de la temperatura; en cambio, la compresión
incrementa la energía interna y se traduce en un calentamiento, fenómeno
conocido con el nombre de subsidencia.
10.2 CLIMA Y TIEMPO ATMOSFÉRICO
En la tropósfera, sobre la superficie terrestre se puede apreciar en muchos
momentos que ocurren cambios en la temperatura, presión, humedad, precipitaciones, cobertura de nubes, dirección y velocidad del viento, entre otros
fenómenos. Estos cambios a corto plazo en las propiedades de la tropósfera
son llamados tiempo, más precisamente, tiempo atmosférico o temperie. En la sección 8.4 se afirmó que el clima es el estado habitual de la atmósfera y se establecieron los factores que lo condicionan. En esta sección
se añadirá que el clima es la temperie promedio de una región o, más precisamente, es “el patrón general de las condiciones atmosféricas, variaciones
estacionales y extremos del tiempo atmosférico en una región durante un
período de al menos 30 años”. Conviene recordar que en la sección 8.4 se
escribió que los dos factores más importantes que determinan el clima de un
área son su temperatura, con sus variaciones de las estaciones anuales, y la
cantidad y distribución de las precipitaciones durante el año.
10.2.1 FACTORES QUE DETERMINAN EL CLIMA Y EL TIEMPO ATMOSFÉRICO
Los patrones de temperatura y precipitaciones promedio que conducen
a diferentes climas en todo el mundo son ocasionados principalmente
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386
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
por la forma de la circulación global del aire sobre la superficie de la
Tierra. Varios factores determinan estos patrones de la circulación global
del aire:
Diferencias
de energía
solar
Inciden sobre la superficie terrestre de modo que el aire
se calienta mucho más en el ecuador que en los polos.
Estas diferencias explican por qué las regiones ecuatoriales son más calientes que las polares y que a latitudes
intermedias las temperaturas también estén entre estos
extremos geográficos.
Propiedades
del aire
Sus cambios de temperatura hacen que se expanda o se
contraiga, se eleve o descienda y retenga o libere parte
de su humedad evaporada desde la superficie de la Tierra. Esto causa que el aire se mueva en gigantes celdas
de convección que circulan en la tropósfera y así distribuyen calor y humedad.
Rotación
de la Tierra
sobre un eje
inclinado
Si el planeta fuera una esfera lisa y no girara en su eje
inclinado, en el ecuador ascendería calor y aire húmedo,
que se movería hacia el norte y hacia el sur, hasta los
polos; allí se enfriaría, descendería y regresaría cerca de
la superficie del ecuador. Entonces los vientos soplarían
en gran parte en dirección norte-sur. Sin embargo, esta
circulación general N-S está separada en seis grandes
celdas de masas de aire que fluyen y se arremolinan, tres
al norte y tres al sur del ecuador, debido a las fuerzas
creadas en la atmósfera cuando la Tierra gira sobre su
eje. Este movimiento de dichas celdas establece la dirección de los vientos prevalecientes este y oeste, que distribuyen calor y la humedad sobre la superficie terrestre.
Este fenómeno afecta el clima de varias regiones, que es
el principal factor que determina los tipos generales de
vegetación que se encuentran a distintas latitudes. Las
variaciones climáticas estacionales en partes del mundo
que se alejan del ecuador son causadas por la revolución
anual de la Tierra alrededor del Sol y su rotación diaria
sobre su eje inclinado.
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10.2 CLIMA Y TIEMPO ATMOSFÉRICO
Variaciones
a largo plazo
de la energía
solar
387
La energía solar que recibe la Tierra experimenta
variaciones a largo plazo que ocurren debido a cambios
ocasionales de la emisión solar, cambios ligeros en la
forma en que el eje solar se balancea —ciclo de 22 000
años— y se inclina —ciclo de 44 000 años— cuando el
planeta gira alrededor del Sol, y cambios pequeños en la
forma de la órbita de la Tierra alrededor del Sol —ciclo
de 100 000 años—.
La rotación de la Tierra, la inclinación de su eje, los vientos prevalecientes y las diferencias en la densidad del agua marina originan corrientes
oceánicas y derivas superficiales que generalmente se mueven paralelas
al ecuador. Los vientos alisios (circulan desde los 30-35° de latitud hacia el
ecuador), que soplan casi continuamente del este hacia el ecuador, empujan
las aguas oceánicas superficiales hacia el oeste en los océanos Atlántico, Pacífico e Índico hasta que las aguas lleguen al continente cercano. Lo anterior
produce grandes movimientos circulares llamados giros marinos, que se
mueven en sentido de los punteros del reloj en el hemisferio norte y en sentido contrario en el hemisferio sur. Estos giros desplazan aguas calientes al
norte y al sur del ecuador.
Las corrientes oceánicas y derivas superficiales, como las corrientes de aire, redistribuyen el calor y, por tanto, influyen en el clima y en
los tipos de vegetación terrestre que puede sostenerse, en especial cerca
de las regiones costeras. Sin la cálida corriente del golfo de México, que
transporta 25 veces más agua que todos los ríos del mundo, el clima de
Europa noroccidental sería más parecido al subártico. El clima moderado del Pacífico noroeste es principalmente un resultado de la corriente
de California. Las corrientes oceánicas y las derivas superficiales también
ayudan a mezclar las aguas oceánicas y a distribuir nutrientes solubles y
oxígeno que requieren los organismos marinos. Los cambios recurrentes
a corto plazo en el clima y en la temperie mundial pueden modificar las
corrientes oceánicas.
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388
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
10.2.2 CONTAMINACIÓN DEL AIRE
Se ha visto recientemente que en la tropósfera la temperatura disminuye con
la altura, 6,5 ºC/Km; en la parte más baja el aire es más cálido y, por lo tanto,
menos denso, por lo que tiende a ascender, y en la parte más alta el aire frío
es más denso y tiende a descender por otro lugar donde no haya ascenso de
aire cálido. Sin embargo, se pueden encontrar zonas en la tropósfera en las
que la temperatura aumente con la altura; a este hecho se le llama inversión
térmica, que impide el ascenso del aire situado abajo, más frío y por tanto
más denso. Las inversiones térmicas son muy negativas para los episodios de
contaminación atmosférica porque el aire frío situado a menor altura pesa
más y no puede ascender, impidiendo la dispersión de dicha contaminación.
Se entiende por contaminación atmosférica “la presencia en el
aire de materias o formas de energía en concentraciones elevadas sobre su
nivel ambiental normal como para que impliquen riesgo, daño o molestia
grave para las personas y bienes de cualquier naturaleza”. Las sustancias
contaminantes pueden ser naturales o artificiales y presentarse sólidas, líquidas o gaseosas. Los contaminantes que proceden directamente de las fuentes
de emisión de denominan contaminantes primarios; son los principales
responsables de la contaminación atmosférica. Éstos son: partículas, compuestos azufrados, compuestos nitrogenados, compuestos halogenados, hidrocarburos, monóxido de carbono y los compuestos de metales pesados.
Partículas
Son sólidos pequeños y gotitas líquidas que presentan
gran variación tanto por su composición química como
por el tamaño. Las de tamaño mayor, 10 micrómetros (1
micrómetro: 10-6 m), se denominan partículas sedimentables porque precipitan pronto. Ejemplos: polvo
del suelo, trituración y pulverización de rocas y áridos,
movimientos de tierra. El material de menor tamaño
son las partículas en suspensión porque pueden
permanecer mucho tiempo en la atmósfera, aunque en
general son eliminadas por la lluvia. Ejemplos: polvo
del suelo, erupciones volcánicas, incendios, combustión
de combustibles fósiles, sal marina, canteras, minería,
industrias cementeras.
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10.2 CLIMA Y TIEMPO ATMOSFÉRICO
389
Compuestos
azufrados
El más abundante es el dióxido de azufre (SO2), gas
incoloro, no inflamable, olor picante e irritante, que resulta principalmente de la oxidación del azufre presente en los combustibles fósiles al quemarse, sobre todo
del carbón, que es rico en azufre; también procede de
incendios y volcanes. Otro compuesto de azufre es el
sulfuro de hidrógeno (H2S), que es un gas incoloro,
fuerte olor desagradable, olor a huevos podridos; procede principalmente de la descomposición anaeróbica de
la materia orgánica (sección 9.8.4.4); de forma natural
se oxida a SO2 en poco tiempo.
Compuestos
nitrogenados
Monóxido de nitrógeno (NO), que es un gas incoloro, inodoro, tóxico; dióxido de nitrógeno (NO2), que
es un gas pardo rojizo, olor asfixiante, muy tóxico. Ambos gases se forman por reacción del nitrógeno (N2) y
oxígeno (O2) del aire durante la combustión de combustibles fósiles y en la tropósfera por acción de la luz solar.
Esta mezcla se representa por la abreviatura NOx (donde
x = 1 ó 2). Otros compuestos nitrogenados son: el óxido
de dinitrógeno (N2O), que es un gas incoloro, no tóxico, que procede de la desnitrificación bacteriana, cada
vez más abundante por el uso de abonos nitrogenados
a gran escala; el amoníaco (NH3), gas de olor irritante, incoloro, tóxico, que se emplea principalmente como
gas para producir frío en frigoríficos industriales.
Compuestos
halogenados
Sustancias que contienen cloro (Cl) y flúor (F), entre las
que destacan: el cloro gaseoso (Cl2) que es un gas muy
tóxico; el cloruro de hidrógeno (HCl), de olor fuerte
e irritante, la familia de compuestos que contienen cloro, flúor y carbono (Cl, F y C) denominados clorofluorocarbonos (CFC), que no son tóxicos ni inflamables
y por ser químicamente muy estables se emplean en
aerosoles y además en la fabricación de espumas, en refrigerantes y frigoríficos. El inconveniente de los CFC es
que provocan la destrucción de la capa de ozono en la
estratósfera.
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390
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Hidrocarburos (HC)
El más abundante y menos reactivo de los HC es el
metano (CH4), pero produce efecto invernadero. Las
plantas liberan los HC terpenos, que son componentes
volátiles de resinas y esencias. Los de origen antrópico
se forman en arrozales, depuradoras y vertederos, como
es el caso del CH4, y por la evaporación de disolventes
orgánicos usados en pinturas, barnices, lacas y sobre
todo en industrias petrolíferas y vehículos. Los HC son
muy abundantes en las ciudades. Además del efecto invernadero producido por el metano, el principal efecto de los HC es que pueden reaccionar en la atmósfera
por procesos de oxidación fotoquímica y dar contaminantes secundarios muy perjudiciales como el
ozono troposférico, que a su vez induce la formación
de otros oxidantes fotoquímicos que intervienen en el
smog fotoquímico.
Monóxido
de carbono
(CO)
Gas incoloro, inodoro, insípido, inflamable, tóxico, es
el contaminante del aire más abundante porque proviene de la combustión incompleta de los hidrocarburos
fósiles y de biomasa, que genera CO. Si hay suficiente
oxígeno, se forma CO2. Este último gas no se considera
contaminante propiamente dicho, porque existe en la
naturaleza desde millones de años puesto que se produce en la respiración y es usado en la fotosíntesis (sección
9.1).
Compuestos
de metales
pesados
Generalmente no se encuentran como tales, sino en forma de compuestos derivados de ellos, corrientemente
como óxidos y/o sales. Los metales pesados son elementos químicos de masa atómica y densidad elevada.
Sus compuestos están presentes en la atmósfera como
partículas y en pequeñas concentraciones. Se consideran muy peligrosos, puesto que no se degradan ni química ni biológicamente; su vida media puede ser de miles de años, por lo que se acumulan en los seres vivos
transfiriéndose a través de las cadenas alimentarias. Entre los más nocivos destacan: el plomo (Pb), el cadmio
(Cd) y el mercurio (Hg).
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10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
391
Contaminantes secundarios
Se forman por interacción química entre contaminantes
primarios o entre éstos y los componentes normales de
la atmósfera, especialmente el vapor de agua y la radiación solar, que produce nuevos compuestos por transformación de los ya existentes.
Trióxido de
azufre y ácido sulfúrico
El trióxido de azufre (SO3), que se forma por oxidación atmosférica del SO2, es un gas incoloro que participa en el smog fotoquímico clásico; es corrosivo y peligroso para el aparato respiratorio. En la atmósfera,
donde existe agua, se hidroliza y forma el ácido sulfúrico (H2SO4), el cual es un contaminante secundario
responsable de la lluvia ácida, junto con el ácido nítrico (HNO3).
Ozono troposférico
(O3)
Gas azul pálido, irritante y picante. Se descompone fácilmente, en oxígeno molecular (O2) y oxígeno atómico
(O), lo que explica su poder oxidante. Se origina en la
tropósfera, principalmente por acción de la luz ultravioleta (UV) sobre el dióxido de nitrógeno (NO2), que libera
oxígeno atómico, el cual se combina con el oxígeno molecular (O2) para dar ozono (O3). Ver, a continuación, la
ecuación [10.1].
NO2 + luz UV → NO + O
;
O + O2 → O3
[10.1]
10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
En la sección 10.2 se vio que el clima es la temperie promedio de una región
o, dicho de otra forma, es la síntesis de las condiciones meteorológicas de una
zona geográfica durante un período de tiempo dado, 30 años. Las condiciones
meteorológicas varían continuamente, los anticiclones se suceden a las borrascas, las temperaturas suben o bajan; no obstante, a escala de tiempo de
la vida humana, el clima en un lugar determinado permanece prácticamente
constante. Sin embargo, el clima de la Tierra no es constante. En realidad ha
venido variando continuamente desde la formación de nuestro planeta, hace
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392
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
unos 4500 millones de años. A lo largo de su historia, el clima de la Tierra ha
pasado por sucesivas épocas de glaciaciones y períodos interglaciares. Los
cambios experimentados por el clima a lo largo del tiempo como resultado
de procesos naturales se denominan variabilidad del clima. La principal
causa natural de estos cambios se debe al forzamiento radiativo, que es
el “cambio en el flujo neto de energía radiativa hacia la superficie de la Tierra medido en el borde superior de la tropósfera como resultado de cambios
internos en la composición de la atmósfera, o cambios en el aporte externo
de energía solar”. Su correspondiente potencia se expresa en W/m2. Un forzamiento radiativo positivo contribuye a calentar la superficie de la Tierra,
mientras que uno negativo favorece su enfriamiento. Este forzamiento es el
factor responsable de la temperatura media del planeta. Dichas perturbaciones se pueden deber a una variación en la energía solar que llega al planeta o
bien a las propias modificaciones e interacciones entre los componentes de la
geósfera: atmósfera, hidrósfera, litósfera y biósfera.
Las variaciones en el clima afectan a estos componentes, lo que provoca una serie de cambios en ellos que, a su vez, influyen en el clima. Esto se
conoce como procesos de retroalimentación, que pueden ser positivos, amplificando la perturbación inicial, o negativos, atenuando o anulando dicha
perturbación. Por ejemplo, al calentarse la Tierra parte de los hielos polares
se funden; éstos son más brillantes que los océanos, por lo tanto al fundirse
se oscurece ligeramente la Tierra y aumenta la absorción de luz solar, con lo
cual se incrementa la temperatura. Un ejemplo de retroalimentación negativa es que al aumentar la cantidad de CO2 en la atmósfera las plantas, a través
del proceso de la fotosíntesis, lo absorben y crecen más, por tanto consumen
más CO2, lo que hace disminuir la cantidad de este gas en la atmósfera. Otras
veces las perturbaciones causan efectos contrapuestos: por ejemplo, al aumentar la cantidad de CO2 en el aire se calienta la Tierra, y con ella los océanos, por lo que se evapora más agua. Por una parte el vapor de agua actúa
como un Gas de Efecto Invernadero (GEI) (sección 2.5) porque retiene calor
y contribuye a que se caliente más la Tierra pero, por otra, se generan más
nubes, que reflejan parte de la radiación procedente del Sol, lo que actúa en
sentido opuesto.
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10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
393
10.3.1 GASES DE EFECTO INVERNADERO
Dentro de las variaciones internas del sistema climático cabe citar por su importancia el forzamiento radiativo debido a los GEI y a los aerosoles. Los GEI
absorben parte de la energía procedente del Sol, contribuyendo a aumentar la temperatura de la Tierra. Por su cuenta, los aerosoles, partículas en
suspensión en la atmósfera, procedentes en gran medida de las erupciones
volcánicas, reflejan parte de la radiación solar y provoca una disminución
de la temperatura del planeta. En los últimos años se ha constatado que las
emisiones de contaminantes producidas por actividades humanas (sección
10.2.2) están haciendo aumentar sustancialmente las concentraciones de los
GEI en la atmósfera, potenciando el efecto invernadero. También la emisión
de aerosoles a la atmósfera debido a determinadas actividades humanas es
significativa, lo cual puede contribuir al enfriamiento del planeta, paliando
en parte el efecto anterior.
De lo expuesto, se concluye que la actividad humana está influyendo en
el clima a través de las siguientes acciones: a) aumento de la concentración
de GEI en la atmósfera; b) desertificación y deforestación porque la pérdida
de cubierta vegetal produce modificaciones en la cantidad de energía reflejada por la Tierra, albedo (sección 8.3), además de influir sobre el equilibrio
del CO2 presente en la atmósfera; c) emisión de aerosoles que aumenta la
reflexión de las nubes, provocando una disminución de las temperaturas; d)
reducción de la capa de ozono estratosférico debido a la emisión de los clorofluorocarbonos (sección 10.2.2) porque absorben la radiación UV proveniente del Sol.
Las concentraciones en la atmósfera de los GEI han variado a lo largo
de la historia de nuestro planeta por causas naturales, como lo demuestran
los análisis del aire atrapado en el hielo del Antártico. Sin embargo, durante
los mil años anteriores a la Revolución Industrial su concentración fue relativamente constante. A partir de mediados del siglo XVIII, tras la Revolución Industrial, las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera
han ido aumentando sin control debido fundamentalmente a la utilización
de combustibles fósiles. A mediados de los años 50 se inició una serie de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
394
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
mediciones de la concentración de CO2 en la atmósfera, para lo que se eligieron ubicaciones alejadas de las fuentes de emisión, entre ellas el volcán
Mauna Loa en la isla de Hawái. La curva de las concentraciones allí medidas
durante las últimas décadas muestran sin lugar a dudas un aumento constante en la concentración de CO2 en la atmósfera, pasando de 300 ppmv en 1900 a
375 ppmv en 2000 (Figura 10.3). Los picos en esta gráfica reflejan la variación
de CO2 estacional debido a la absorción de las plantas de hoja caduca.
14.5
390
14.3
370
350
14.1
ppm 330
CO2
310
°C
13.9
290
13.7
270
250
13.5
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Figura 10.3. Variación de la concentración atmosférica de CO2 según el IPCC (Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático)
En la estación rusa Vostok en la Antártica se realizaron experimentos
de sondeo profundo en los hielos que ocluyen gases, a partir de los cuales
se pudo conocer la variación experimentada en la concentración de CO2 en
la atmósfera durante los últimos 160 000 años y su estrecha relación con la
variación en la temperatura media del planeta. Se calculó que la concentración de CO2 al comienzo de la era industrial era del orden de 290 ppmv y que
anteriormente había variado entre 190 ppmv y 280 ppmv. Nunca antes se
habían registrado concentraciones superiores a los 300 ppmv, como ocurre
en la actualidad.
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10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
395
Por otra parte, la temperatura de la atmósfera medida en el transcurso
de los últimos cien años ha registrado un calentamiento entre 0,3 ºC a 0,6
ºC; además, se ha constatado un retroceso de los glaciares de montaña y un
aumento de 1 a 2 mm/año del nivel del mar en diferentes zonas del planeta.
Todos estos antecedentes daban cuenta de un comportamiento anómalo del
clima respecto de la era preindustrial.
Ante esta delicada situación, en 1988 se estableció el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), bajo los auspicios del
Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y de la Organización Meteorológica Mundial, con el objetivo de que los científicos evaluasen
la información científica disponible sobre el problema y estableciesen sus
conclusiones para la revisión por parte de los gobiernos.
El Convenio Marco sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas define a éste como “aquellas variaciones del clima que se puedan achacar
directa o indirectamente a las actividades humanas que modifican la composición de la atmósfera terrestre y se suman a la variabilidad natural del clima
observada durante períodos de tiempo comparables”.
En 1990 el IPCC presentó su primer informe de evaluación. En este
informe se afirma que, efectivamente, las emisiones producidas por las actividades humanas aumentan las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera, intensificando el efecto invernadero y se prevén las
consecuencias que se derivarían si no se limitasen estas emisiones. A pesar
de la dificultad que suponen la confrontación con los intereses creados y el
establecimiento de políticas que hoy pueden ser consideradas impopulares,
se ha conseguido un consenso internacional y se han establecido acuerdos
primarios de actuación tendientes a la limitación de estas emisiones.
Con objeto de evaluar la situación, el IPCC estableció una serie de hipótesis de emisiones de GEI y estudió la evolución prevista de la concentración
de estos gases en la atmósfera. De continuar las emisiones al ritmo actual,
las concentraciones de estos gases en la atmósfera seguirán aumentando, y
cuanto mayores sean éstas, mayor será el esfuerzo que se debe realizar para
conseguir su estabilización en algún momento. Resulta absolutamente necesario y urgente la implantación de medidas y políticas eficaces en el control
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
396
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
de las emisiones de gases de efecto invernadero ya que, de no intervenir sobre
ellas, los cambios previstos en el clima para este siglo harán que las temperaturas medias mundiales sean superiores a las registradas en los últimos
150 000 años y su velocidad de variación sería superior a la sucedida naturalmente en la Tierra en los últimos 10 000 años; asimismo, el nivel del mar
aumentaría entre 3 y 6 veces más rápidamente que en los últimos 100 años.
De los párrafos anteriores queda claro que la causa del cambio climático son los GEI, es decir, aquellas sustancias presentes en la atmósfera que
absorben parte de la radiación solar y originan un calentamiento de la atmósfera. A continuación se presenta una descripción general de estos compuestos, cómo operan y su importancia en el contexto del cambio climático como
potenciales contribuyentes al cambio del clima.
Vapor de
agua
Su concentración viene determinada internamente por
el sistema climático y no se ve afectado por fuentes o
sumideros de origen antropogénico, no se incluye en los
inventarios de gases de efecto invernadero (ei). Sin embargo, el vapor de agua contribuye fuertemente al ei. Se
estima que el forzamiento radiativo debido al vapor de
agua produce un calentamiento de unos 20 ºC. El calentamiento de las capas bajas de la atmósfera aumenta la
evaporación, lo que a su vez contribuye a incrementar la
temperatura: retroalimentación positiva.
Dióxido de
Carbono
(CO2)
Compuesto que más contribuye al ei después del vapor
de agua por ser el más abundante en la composición de
la atmósfera. Se calcula que su presencia en la atmósfera
supone un calentamiento terrestre del orden de 15
ºC. Sus principales fuentes naturales son los océanos,
volcanes e incendios, así como la respiración de los
seres vivos o la descomposición de materia orgánica.
Como fuentes antropogénicas se encuentra la utilización
de combustibles fósiles, los procesos industriales y la
deforestación. La fotosíntesis de las plantas actúa como
su principal sumidero junto con los océanos, que a su
vez constituyen la principal fuente de origen natural. La
permanencia de este gas en la atmósfera se evalúa en
más de 100 años.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
397
Metano
(CH4)
Gas de ei más importante; sólo se conocen sus fuentes
semicuantitativamente. En la naturaleza las fuentes más
importantes son los incendios, los océanos y la fermentación anaeróbica que se produce en pantanos y en la
digestión de los rumiantes. De origen antropogénico son
los incendios, la agricultura (por ejemplo en los cultivos
de arroz y la ganadería), así como las emisiones fugitivas
de combustibles o los escapes de biogás en los vertederos de residuos domésticos. Su principal sumidero es el
radical hidroxilo (HO), presente en la atmósfera, que lo
oxida y da lugar a CO2 y vapor de agua, dos GEI importantes. Su permanencia en la atmósfera es de unos 11
años.
Óxido
nitroso
(N2O)
Sólo se conocen las fuentes de este compuesto a nivel
cualitativo, tanto las naturales —emisiones de suelos y
océanos, desnitrificación de suelos, tormentas y volcanes— como las antropogénicas —utilización de combustibles fósiles, fertilizantes nitrogenados, procesos industriales, deforestación—. Este gas es fuente primaria de
otros óxidos de nitrógeno, y da origen a nieblas de contaminación fotoquímica. Los sumideros más conocidos
son la fotólisis en la estratósfera y otros no estudiados.
El óxido nitroso permanece mucho tiempo en la atmósfera, alrededor de 130 años.
Hidrofluorcarbonos
(HFC)
Compuestos fabricados como sustitutos de los CFC para
evitar el daño a la capa de ozono. Sin embargo, su comportamiento como GEI es similar a los CFC.
Ozono (O3)
troposférico
Contaminante secundario. Se forma en presencia de la
luz solar a partir de las emisiones de NOx, CO y compuestos orgánicos volátiles. Tiene una creciente importancia en las ciudades debido a las emisiones de los automóviles. El ozono absorbe la radiación infrarroja (IR)
y ultravioleta (UV). De este modo, el ozono presente en
la estratósfera es beneficioso para la vida ya que protege
de los rayos UV, pero cuando se encuentra en la tropósfera absorbe la radiación IR procedente de la Tierra y
da lugar al efecto invernadero. La falta de observaciones
impide cuantificar su efecto sobre el clima.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
398
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Clorofluorocarbonos
(CFC)
Se trata de compuestos de origen exclusivamente antropogénico, con una permanencia en la atmósfera muy
larga debido a su estabilidad química. Aunque la concentración de estos compuestos en la atmósfera es baja,
poseen un gran poder como GEI y además causan la destrucción del ozono estratosférico. Los CFC se utilizan en
sistemas de refrigeración, aire acondicionado y extintores de espuma. Sus fuentes son conocidas cuantitativamente. No se conocen sumideros. Se destruyen en la estratósfera mediante complejas reacciones fotoquímicas.
La intensificación del efecto invernadero producida por el aumento de
la concentración de estos gases en la atmósfera lleva asociados una serie de
cambios en el clima que resulta sumamente complejo calcular debido al gran
número de procesos implicados. Sin embargo, sí es posible calcular con bastante exactitud el forzamiento radiativo debido a los distintos GEI, por lo
que se utiliza esta magnitud para comparar los efectos de estos gases. A la
hora de evaluar la contribución de los distintos gases al efecto invernadero no
sólo es importante su capacidad para intensificar este efecto, sino su tiempo
de permanencia en la atmósfera. Para ello se define un índice llamado Potencial de Calentamiento Global (PCG), que se define como “el efecto
de calentamiento integrado a lo largo del tiempo que produce la liberación
instantánea en la actualidad de 1 Kg de un GEI, en comparación con el causado por el CO2”. Así, se tienen en cuenta los efectos radiativos de cada gas,
así como sus diferentes tiempos de permanencia en la atmósfera. En la Tabla
10.2 se muestran los potenciales asociados a los GEI más importantes y su
contribución relativa para un período de 100 años.
TABLA 10.2. POTENCIALES DE CALENTAMIENTO GLOBAL (PCG) DE GASES
DE EFECTO INVERNADERO (GEI)
GEI
CO2
CH4
N2O
PCG*
(a 100 años)
1
25
298
Emisiones en 100
años (Kg∙1012)
26 +
0,3
0,006
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Contribución relativa
para un período de
100 años, %
61
15
4
Alfaomega
10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
GEI
PCG*
(a 100 años)
CFCs
HFCs
Otros
4750-14 400
12-14 800
----
399
Emisiones en 100
años (Kg∙1012)
0,0009
0,0001
----
Contribución relativa
para un período de
100 años, %
11
0,5
8,5
* http://www.ghgprotocol.org/files/ghgp/tools/Global%20Warming%20Potentials.pdf
10.3.2 CAMBIO CLIMÁTICO PRODUCIDO POR LOS GEI
La velocidad de respuesta del sistema climático a la variación en la concentración de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la atmósfera es lenta, debido
fundamentalmente a la inercia térmica ejercida por el océano. Esto quiere decir que los GEI que ya están en la atmósfera causarán una serie de efectos sobre
el clima. Cuanto más tiempo continúen las emisiones, mayor será el esfuerzo
que habrá que realizar para hacer disminuir en un futuro la concentración de
GEI en la atmósfera hasta un nivel adecuado y más se tardará en alcanzar esta
estabilización de la atmósfera. Mientras tanto, los cambios se seguirán produciendo. Los cambios en el clima afectarán a la salud humana, los ecosistemas
terrestres y acuáticos y también los sistemas socioeconómicos. Sectores básicos en el desarrollo de la humanidad, como la agricultura, silvicultura, pesca y
recursos hídricos, son especialmente sensibles al cambio climático.
Para evaluar la capacidad de adaptación de los sistemas al cambio climático se definen tres parámetros: a) sensibilidad: grado de respuesta de un
sistema a un determinado cambio en el clima; b) adaptabilidad: grado en que
un sistema se anticipará o adaptará a un cambio en el clima; c) vulnerabilidad que estima hasta qué punto un cambio en el clima puede dañar un sistema, y depende no sólo de la sensibilidad del sistema al cambio, sino también
de su capacidad de adaptación.
En función de estos parámetros se puede afirmar que aquellos ecosistemas que ya sufren una presión importante por la actividad humana son
especialmente vulnerables al cambio climático a causa de sus escasas posibilidades de adaptación natural. En cuanto a los países, tendrán más dificultades para adaptarse a los cambios en el clima las poblaciones que habitan
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
400
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
territorios áridos, zonas costeras o pequeñas islas, sobre todo en aquellos
casos en los que la densidad poblacional sea especialmente alta, hecho que
afecta particularmente a los países en vías de desarrollo.
10.3.3 IMPACTOS GLOBALES PRODUCIDOS POR EL CAMBIO CLIMÁTICO
El IPCC realiza una serie de previsiones de carácter global acerca de los impactos previstos; al descender a nivel regional estas previsiones se hacen más
inciertas y, a nivel local, no es posible definir cuál será el comportamiento
exacto de los sistemas. Para ello, hace un análisis de la sensibilidad de los
sistemas que se resume a continuación:
• Ecosistemas terrestres y acuáticos
La composición y distribución geográfica de muchos ecosistemas,
bosques, pastizales, desiertos y otros variará cuando las especies respondan a los cambios en el clima, lo cual puede tener una especial
incidencia, entre otros factores, en la producción de alimentos.
– Bosques: se prevén importantes cambios en los tipos de vegetación
en aproximadamente 1/3 de la superficie mundial de bosques como
consecuencia de los cambios de temperatura y disponibilidad de
agua.
– Desiertos: se destaca que la desertificación de zonas semiáridas se
intensificará.
– Ecosistemas montañosos: se prevé que la distribución en altitud de la
vegetación se desplazará a mayor altura.
– Ecosistemas costeros: son particularmente vulnerables, especialmente a la subida del nivel del mar, y pueden tener graves repercusiones sobre el abastecimiento de agua dulce, la pesca y otros.
• Hidrogeología y recursos hídricos
En los modelos se prevé que entre un tercio y la mitad de la masa
de glaciares montañosos desaparezca en los próximos 100 años. El
cambio climático supondrá una intensificación del ciclo hidrológico
global, con importantes repercusiones en los recursos hídricos regionales. Los cambios en la cantidad total de precipitación y en su
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.3 CAMBIO CLIMÁTICO
401
frecuencia e intensidad influyen directamente en la magnitud y en
el momento de la escorrentía, así como en la intensidad de las crecidas y las sequías, pero los efectos regionales concretos son, de momento, inciertos. La cantidad y la calidad de los abastecimientos de
agua plantean ya graves problemas en numerosas regiones, incluidas
algunas zonas costeras bajas, deltas e islas pequeñas, lo que deja a
ciertos países de estas regiones particularmente vulnerables.
• Infraestructura humana
Con el cambio climático aumentará la vulnerabilidad de algunas poblaciones costeras a las inundaciones y a las pérdidas de tierras debido a la erosión. Se estima que unos 50 millones de personas están
expuestas cada año a inundaciones a causa de mareas de tempestad. Si no se adoptan medidas de adaptación y no se tiene en cuenta
el crecimiento previsto de la población, con una elevación del mar
de 50 cm, esta cantidad de personas expuestas crecería a unos 100
millones.
10.3.4 ENERGÍA Y CAMBIO CLIMÁTICO
Es indiscutible que la producción y el consumo de la energía tiene claras repercusiones sobre el medio ambiente, contribuyendo por una parte a agravar
problemas generales, como por ejemplo el agotamiento de los recursos naturales o la generación de residuos radiactivos y, por otro lado, produciendo
afecciones a escala local, como pueden ser la contaminación de ríos y suelos.
Mención aparte merece, por su importancia, la contaminación atmosférica.
Según la Agencia Europea de Medio Ambiente, los problemas más significativos en este campo son: el cambio climático, la acidificación, la calidad del
aire urbano, el ozono troposférico y la reducción de la capa de ozono estratosférico. El continuo incremento del consumo energético tiene una responsabilidad importante en todos ellos. En el problema del cambio climático, el
sector energético es el principal responsable de las emisiones de GEI, emitiendo grandes cantidades de CO2, acompañadas de emisiones menores de
CH4 y N2O procedentes de la extracción minera del carbón y del escape de gas
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
402
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
natural. Por esta razón, el sector energético es clave en la definición de las estrategias políticas orientadas a la consecución de las limitaciones acordadas
en el Protocolo de Kioto.
Puesto que no es posible impedir que las emisiones de GEI lleguen a la
atmósfera una vez producidas, por ejemplo utilizando filtros, para limitarlas
es indispensable evitar que se produzcan. Dentro de las medidas que pueden
implantarse, sin perjuicio del desarrollo económico de los países, existen dos
posibles líneas de actuación:
• Fomento del ahorro y la eficiencia energética (capítulo 14)
para obtener los mismos servicios, producción industrial, confort
en la vivienda, movilidad, etcétera, utilizando menos energía y por
lo tanto reduciendo las emisiones. Según el IPCC 7, es viable reducir el consumo energético entre un 10% y un 30% con un beneficio
económico asociado, aplicando técnicas de conservación y mejores
prácticas de gestión durante los próximos 20 a 30 años. La eficiencia
podría aumentar entre el 50% y el 60% en muchos países durante
el mismo período si se utilizase la tecnología apropiada. Por su parte, el informe de 1996 al Club de Roma titulado Factor 4 defiende la
filosofía de que no sólo es posible, sino técnica y económicamente
viable, multiplicar por cuatro, en algunos casos por un factor mayor,
la productividad de los recursos. La “revolución de la eficiencia” se
presenta en este informe como una opción rentable y aplicable en
todos los sectores: procesos industriales, transporte, edificación, climatización, iluminación, electrodomésticos, etcétera.
• Utilización de fuentes de energía más “limpias”, es decir,
aquellas que emiten menos CO2. En este sentido se debe aplicar la
más avanzada tecnología para reducir en lo posible las emisiones
de GEI procedentes del uso de combustibles fósiles; entre éstos,
el gas natural produce menos CO2 que el petróleo, y éste menos
que el carbón. Quizá el aspecto más importante en este apartado
es el fomento de las energías renovables, que aportan otra serie de
beneficios además de contribuir a reducir el problema del cambio
climático.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.4CLASIFICACIÓN
10.4
CLASIFICACIÓN
YDISTRIBUCIÓN
Y DISTRIBUCIÓN
DELOSCLIMAS
DE EN
LOS
ALGUNOS
CLIMAS
PAÍSES
... LATINOAMERICANOS403
10.4 CLASIFICACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS CLIMAS
EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Para clasificar los distintos tipos de climas que existen en México, Colombia,
Argentina y Chile, se empleó la clasificación de Köppen (sección 8.4).
10.4.1 MÉXICO
En México el clima está determinado por varios factores, entre los que se
encuentran la altitud sobre el nivel del mar, la latitud geográfica, las diversas
condiciones atmosféricas y la distribución existente de tierra y agua. Por lo
anterior, el país cuenta con una gran diversidad de climas, los cuales de manera muy general pueden ordenarse en seco, cálido y templado. El Servicio
Meteorológico Nacional indica que el clima seco se extiende en la mayor
parte del centro y norte del país, incluyendo la península de Baja California,
región que comprende el 28,3% del territorio nacional. En este clima las temperaturas son extremas; durante el día llegan a estar por arriba de los 40 ºC y
durante la noche pueden disminuir por debajo de los 0 ºC; se caracteriza por
la circulación de los vientos, lo cual provoca escasa nubosidad y precipitaciones de 300 a 600 mm anuales, con temperaturas en promedio de 22 a 26 °C en
algunas regiones, y en otras de 18 a 22 °C. El clima muy seco registra temperaturas en promedio de 18 a 22 °C, con casos extremos de más de 26 °C, y
presenta precipitaciones anuales de 100 a 300 mm en promedio; se encuentra
en el 20,8% del país. El clima cálido se subdivide en cálido húmedo y cálido
subhúmedo. El primero de ellos ocupa el 4,7% del territorio nacional y se
caracteriza por tener una temperatura media anual entre 22 y 26 °C y precipitaciones de 2000 a 4000 mm anuales. Por su parte, el clima cálido subhúmedo
se encuentra en el 23% del país; en él se registran precipitaciones entre 1000
y 2000 mm anuales y temperaturas que oscilan entre 22 y 26 °C, con regiones
en donde superan los 26 °C. El clima templado se divide en húmedo y subhúmedo; en el primero de ellos se registran temperaturas entre 18 y 22 °C y
precipitaciones en promedio de 2000 a 4000 mm anuales; comprende el 2,7%
del territorio nacional. Respecto al clima templado subhúmedo, se encuentra
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
404
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
en el 20,5% del país y se observa en su mayoría temperaturas entre 10 y 18 °C
y de 18 a 22 °C; sin embargo, en algunas regiones puede disminuir a menos de
10 °C y registra precipitaciones de 600 a 1000 mm/año en promedio.
10.4.2 COLOMBIA
El clima colombiano es característico de la zona ecuatorial, esto es, posee
un clima tropical que mantiene una temperatura elevada, pero uniforme, la
mayor parte del año. No obstante, la conjugación de una serie de factores
como sus cordilleras y montañas, de acuerdo con la altura, le dan variedad
de climas que influyen en la vegetación y en la fauna. En Colombia no hay
estaciones como en otros países, pero el relieve condiciona tierras con distintas temperaturas; la orientación del relieve determina así mismo la mayor o
menor influencia de otros factores, tales como las grandes masas de agua de
los océanos Atlántico y Pacífico y los vientos que soplan sobre ellos.
En términos generales, la temperatura durante el año es bastante pareja en un mismo lugar. Sin embargo, los grados del calor atmosférico varían sustancialmente de un punto a otro, de acuerdo con la mayor o menor
altitud sobre el nivel del mar, oscilando entre 0 °C y 35 °C respectivamente
en los casos extremos. La humedad ambiental es bastante diversa, fenómeno que obedece a las características tan especiales que presentan cada una
de sus regiones y localidades afectadas por factores tales como la altura,
la temperatura, la vegetación, las masas de agua próximas o la ausencia
de ellas, los vientos planetarios y los locales y las lluvias. Las regiones de
Colombia donde se registran las mayores lluvias, que coinciden con un altísimo grado de humedad atmosférica, son las costas selváticas del Chocó,
donde el promedio de lluvias es de 12 000 mm/año, por lo cual figuran entre
las más elevadas del mundo; la Amazonia y la Orinoquía le siguen en este
orden. En situación se encuentra en Uribia (Guajira), donde el pluviómetro
señala escasos 333 mm al año. En épocas de sequía, la humedad registrada
en algunos lugares del valle del Cauca, la sabana de Bogotá y Girardot es
aún inferior.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.4CLASIFICACIÓN
10.4
CLASIFICACIÓN
YDISTRIBUCIÓN
Y DISTRIBUCIÓN
DELOSCLIMAS
DE EN
LOS
ALGUNOS
CLIMAS
PAÍSES
... LATINOAMERICANOS405
Los principales tipos de clima predominantes en Colombia son: clima
tropical lluvioso: uno de los climas más rigurosos, no sólo del país sino
también de la Tierra, pues en él se dan los extremos tanto de temperatura,
siempre por encima de 27 °C, como de humedad, traducida en permanentes
y abundantes lluvias. Las selvas chocoanas del Catatumbo y las de la cuenca
Amazónica, la región central del Magdalena, la costa pacífica, la vertiente
oriental de la cordillera oriental en su borde exterior, la serranía de Perijá y
las estribaciones de la cordillera occidental y de la central, donde comienza la
llanura del Caribe, poseen este clima inhóspito. Clima tropical de sabana:
de temperaturas siempre por encima de los 24 °C con una fluctuación hasta
los 27 °C; posee una época de lluvias y una de sequía, las cuales se distribuyen
en períodos de seis meses. La mitad seca del año corresponde al paso de los
vientos alisios del noreste. Este clima se da en los llanos orientales, buena
parte de la llanura del Caribe en sus zonas costeras, el final de las estribaciones de la cordillera occidental, en el norte, y en extensas porciones de los
valles de los ríos Cauca y Magdalena, en especial en su curso medio y bajo.
Clima de estepa: en el cual altas temperaturas, la escasa vegetación representada en pastos poco desarrollados y las precipitaciones mínimas son sus
características sobresalientes. Participa del clima desértico durante los cinco
meses de sequía. Este clima corresponde a parte de las sabanas de Bolívar
y del norte de La Guajira, a la parte central del llano y a las partes altas de
las cordilleras, bordeadas de montañas que impiden el paso de los vientos
húmedos y también a regiones bajas en los cañones montañosos. Clima desértico: es el clima de la alta Guajira, caracterizado por sus elevadas temperaturas, escasas precipitaciones de sólo 802 mm anuales en promedio debido
al relieve llano. Es la región menos lluviosa de Colombia porque durante más
de siete meses al año no llueve. Esto se debe especialmente a su ubicación
de frente a los vientos alisios del noreste, los cuales, al absorber la humedad
ambiental y no encontrar a su paso barreras montañosas donde depositarla, resecan la tierra. Las temperaturas sobrepasan los 29 °C. Clima de las
regiones andinas: aunque este término no pertenece a la clasificación de
Köppen, se le denominará así para caracterizar el conjunto de climas propios
de estas regiones: las cordilleras, mesetas y valles de los Andes y la Sierra
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
406
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Nevada de Santa Marta, en donde el clima está determinado por la altura. Las
diferencias en el relieve dan lugar a los denominados niveles o pisos térmicos
hasta los cuales predomina un tipo de clima; se distinguen cuatro niveles
térmicos: cálido (0-1000 m, 27-29 °C), templado (1000-2000 m, 17-22 °C), frío
(2000-3000 m, 10-17 °C) y glacial (3000-4000 m, 0-8 °C).
10.4.3 ARGENTINA
La región continental argentina está comprendida entre las latitudes 22° y
55° Sur y los accidentes de su relieve determinan la existencia de una amplia
variedad de climas, que van desde el cálido hasta el frío del sur del país, con
diversos climas templados entre un extremo y otro. Los principales tipos de
clima de la Argentina son: tropical, templado, árido y frío. Las subdivisiones
de estos climas no se adaptan, en algunos casos, a la clasificación de Köppen,
por lo que en este caso se indican entre comillas los términos particulares que
utiliza la fuente consultada.
Así, el clima tropical abarca las provincias de Misiones y Corrientes,
la zona norte de Entre Ríos y la sección oriental de la región chaqueña. Tiene como características temperaturas elevadas y precipitaciones abundantes todo el año. El clima tropical “con estación seca sabana” incluye parte
de Salta, del oeste de Formosa y del Chaco, la planicie oriental tucumana,
casi todo Santiago del Estero y el noroeste de Santa Fe. Es de características
similares al anteriormente mencionado, con la diferencia que presenta un
período seco que dura hasta la mitad del año. En el noroeste, el conjunto
montañoso que comprende las sierras subandinas, los valles y quebradas se
considera de clima tropical “serrano”.
La zona de clima templado abarca la provincia de Buenos Aires, gran
parte de Entre Ríos, centro y sur de Santa Fe, la franja oriental de Córdoba y
un sector al noreste de La Pampa. Entre ellos se encuentra el clima templado
“pampeano”, representado especialmente por la franja ribereña del Paraná–
Plata. En la franja limítrofe con el clima subtropical está la variedad clima
templado “sin invierno”, caracterizado por la falta de período frío definido. El
templado con influencia oceánica se halla en el litoral bonaerense, en la zona
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.4CLASIFICACIÓN
10.4
CLASIFICACIÓN
YDISTRIBUCIÓN
Y DISTRIBUCIÓN
DELOSCLIMAS
DE EN
LOS
ALGUNOS
CLIMAS
PAÍSES
... LATINOAMERICANOS407
de Mar del Plata y Necochea, donde la influencia del mar origina temperaturas moderadas. El templado de las sierras se ubica en las sierras cordobesas y
en sus valles. Por último, está la franja de transición hacia el poniente, donde
la zona de clima templado deriva a la región de clima árido.
Los climas áridos comprenden la Puna, los Andes de Catamarca, La
Rioja y San Juan, la zona vecina preandina y la Patagonia extraandina. Entre
sus variedades tenemos el árido “de montaña”, que reina en la Puna y en los
Andes, desde Catamarca hasta Mendoza. Al Este de los Andes áridos se extiende el clima árido de las sierras y campos, que coincide aproximadamente
con la región de las sierras pampeanas. El clima árido de estepa continúa
al sur de la región climática de las sierras y llanos; por el occidente termina al
píe de la cordillera, que pierde su carácter árido en el sur de Mendoza; por el
oriente limita con la franja de transición y por el sur, entre los 40º y 42º Sur,
la transformación del régimen térmico origina otro tipo de clima: el clima
frío “árido de la Patagonia”.
Entre los climas fríos está la franja húmeda de los Andes patagónicos,
caracterizada por una progresión de lluvias que opera de norte a sur, a partir
de los 34º Sur, en este sector cordillerano. El clima árido “ventoso” de la Patagonia se destaca por sus bajas temperaturas, con precipitaciones escasas y en
invierno hay temporales de nieve. El clima “húmedo austral” comprende una
franja de la provincia de Santa Cruz, al sur de la zona anterior, y la provincia
de Tierra del Fuego, salvo el clima de hielo de alta montaña; tiene mayores
precipitaciones y la falta del período estival de temperaturas templadas que
se registran en las mesetas patagónicas.
El clima níveo es de tipo glacial y abarca la franja de cordillera austral,
en la zona de hielo continental de Santa Cruz y en manchas glaciares que hay
en la alta cordillera patagónica.
Con respecto al clima de las islas australes, la isla de los Estados posee
un clima oceánico frío. El tiempo es brumoso y frío gran parte del año y son
frecuentes los temporales. Abundan las precipitaciones níveas. En las islas
Malvinas está mejor definido el tipo oceánico. No hay excesos de temperaturas; el verano es apenas templado y el invierno no es muy acentuado. En
las islas Orcadas reina el clima níveo; casi toda la superficie de las islas está
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
408
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
cubierta por glaciares, y el mar de hielo sólo franquea acceso durante pocas
semanas de enero.
10.4.4 CHILE
Como en los países precedentes, se empleará la clasificación de Köppen para
describir los climas de Chile, que contiene una gran diversidad de tipos debido a su característica de gran extensión meridional del territorio y a su particular topografía. Por el este, el país es recorrido a todo lo largo por la imponente Cordillera de los Andes, donde en el tramo central, que se extiende
desde Santiago hasta Puerto Montt, presenta alturas cercanas a los 6000 m.
Al oeste, se encuentra la Cordillera de la Costa, que toma sus mayores alturas
en la zona central, y entre el océano Pacífico y la Cordillera de la Costa se
sitúan las planicies litorales; finalmente, entre la Cordillera de la Costa y la
de los Andes se encuentra la depresión intermedia, que es una faja de relieve deprimido que se extiende longitudinalmente, encerrada entre estas dos
cordilleras, desde el límite con Perú hasta la península de Taitao y el Golfo
de Penas. Por estas variadas características topográficas del país, el clima de
Chile se ve notoriamente influenciado por factores como las corrientes atmosféricas y oceánicas, la latitud y la altura.
Los climas del país pueden agruparse en: clima tropical, árido y semiárido; clima templado, cálido con lluvias suficientes y lluviosos; clima de hielo
o polar. El clima tropical árido, que tiene como característica primordial
la escasez de precipitaciones, se localiza desde el extremo norte del país hasta
las proximidades del río Aconcagua, latitud 32°, 50’ S. En ellos es posible distinguir, al menos, dos variedades: árido desértico y árido de estepa. El clima
tropical desértico se desarrolla de preferencia en las provincias de Tarapacá y Antofagasta. Se caracteriza por su gran homogeneidad de temperaturas
en la costa, alta oscilación en el interior y una marcada sequedad atmosférica.
El clima tropical semiárido se sitúa a continuación de los nombrados y se
diferencia por un aumento de las precipitaciones.
El clima templado lo posee gran parte del territorio nacional, desde
los 32° y 50’ S hasta los 56° S, o sea, desde la proximidad de Santiago por el
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.5 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL USO DEL VIENTO
409
norte hasta el Cabo de Hornos por el sur. Se presenta en forma de variedades
de este tipo de clima a todo lo largo y ancho del país, con la sola excepción
del clima frío de la alta cordillera y el clima semiárido austral. La variedad de
estos climas templados se presenta porque se consideran como tales todos
aquellos en los que la temperatura media del mes más frío oscila entre 18 y
-3 °C. En el dominio templado es posible diferenciar dos grupos: el clima
templado cálido con lluvias suficientes en el sector septentrional y el clima templado lluvioso en el meridional. El término suficiente se refiere
al período anual globalmente y no excluye la posibilidad de existencia de un
período seco que se sitúa en los meses estivales como consecuencia de la interacción producida entre el anticiclón del Pacífico y el régimen de los vientos
del oeste. La duración de la estación seca es muy variable pero en términos
generales disminuye de norte a sur.
El clima de hielo o polar presenta tres variedades: clima polar
por efecto de altura, que varía considerablemente según la línea de nieves
eternas de norte a sur del territorio nacional y está determinada o bien por
las bajas temperaturas o por la abundancia de precipitaciones; clima polar
propiamente tal, que caracteriza al territorio antártico chileno y el clima
de tundra por efecto de altura, que se desarrolla en la parte más alta de
la Cordillera de los Andes.
De las regiones insulares de Chile, la más relevante es la Isla de Pascua, situada a los 27°, 07´ S y los 108°, 35´ de longitud oeste, a unos 3700 km
de la costa de Caldera. Es el único lugar de Chile que tiene clima tropical; su
temperatura media anual es de 21 °C y su precipitación anual alcanza los 1114
mm/año.
10.5 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL USO DEL VIENTO
El aprovechamiento del viento se inició con los primeros barcos a vela, que
comenzaron a ser usados por el hombre miles de años antes de Jesucristo
(a.C.). Otra utilización del viento fue la molienda de granos con molinos de
viento. La primera información con que se cuenta sobre la construcción de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
410
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
tales herramientas data de 200 años a.C. Este aparato, usado en Persia, poseía
un eje de rotación vertical y su estructura estaba hecha con troncos de árboles. Un muro construido a su alrededor servía para orientar al flujo de aire.
Posteriormente aparecieron los primeros molinos de eje horizontal con unos
10 rayos de madera que sostenían las velas. Éstas eran enrolladas sobre cada
rayo según la velocidad del viento. Su uso se extendió en el siglo XI, sobre
todo en Oriente Medio, y apareció en Europa en el siglo XII, traídos por quienes volvían de las Cruzadas. Estos equipos se desarrollaron especialmente en
Holanda, donde su aplicación se extendió al bombeo de agua, y pasaron luego
a ser utilizados en las primeras industrias del papel. Holanda y Dinamarca
fueron los países que más explotaron la utilización industrial de estos aparatos y la introdujeron en América en la época de la colonia.
Posteriormente, en 1701, los molinos de viento fueron puestos en funcionamiento en las Antillas por los daneses para mover los trapiches usados
en el procesamiento de la caña de azúcar. Con el correr del tiempo, el que más
se difundió en América fue el molino bombeador de agua utilizado en el campo para extraer aguas subterráneas, alimentando los bebederos de animales,
y también un pequeño cargador de batería de menos de 1 KW, que fundamentalmente proveía la energía eléctrica para los aparatos de radio. Luego,
con la aparición de las radios a transistores de escaso consumo que funcionan
con pequeñas pilas desapareció esta necesidad de energía y los aerogeneradores redujeron su uso a la carga de las baterías de los vehículos de campo.
La industria de estos aparatos fue creciendo significativamente hasta la
aparición de la máquina de vapor y el motor de explosión. Este motor permitía
la obtención de energía a menores costos gracias a los combustibles baratos,
desalentando a los constructores de molinos. Sin embargo, al mismo tiempo,
con el declive del molino de viento como una fuente de energía industrial, el
molino eólico multipalas de baja velocidad que bombea agua encontró aplicación importante en los EE.UU. Este mercado alcanzó su máximo alrededor
de 1900 con aproximadamente un millón de sistemas en servicio.
La transición de molinos de viento que suministran energía mecánica
hacia turbinas eólicas productoras de electricidad comenzó alrededor de 1900
con máquinas experimentales en los EE.UU. y Dinamarca. El interés en la
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.5 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL USO DEL VIENTO
411
aplicación de la energía eólica para integrarla a la red de electricidad empezó
en los años treinta del siglo XX, durante el cual se diseñó y fabricó un número
limitado de prototipos de turbinas eólicas. El ejemplo más famoso es la turbina eólica de 1,25 MW que operó en Vermont, EE.UU., intermitentemente
durante la Segunda Guerra Mundial hasta 1945. Este aparato fue el precursor
de las grandes máquinas desarrolladas posteriormente por la National Aeronautics and Space Administration (NASA). También deben mencionarse
las turbinas de eje vertical, patentadas por Darrieus en 1931. Posteriormente
figuran las construidas por la NASA, la MOD-0 de 38 m de diámetro y 100 KW
de potencia; la MOD-1 de 61 m y 2 MW construida por Boeing e instalada en
Goodnoe Hills, Washington, que compone el primer parque de grandes turbinas, con una potencia sumada de 75 MW. Estos aerogeneradores eran de
eje horizontal, tecnología que se encuentra en continuo desarrollo. En Europa deben mencionarse las turbinas danesas Twind de 2 MW con un diámetro
de la hélice de 54 m y las de Nibe de 630 KW y 40 m de diámetro.
Las turbinas de eje vertical también comenzaron a probarse; varios
países lo hicieron desarrollando prototipos, en especial Canadá y Estados
Unidos. Por último, la torre aletada con vértice confinado, que teóricamente
aparece con magnificas posibilidades, debe aún confirmarse experimentalmente para dimensiones de cierta magnitud ya que los pequeños modelos
probados en túneles de viento han demostrado una gran dependencia de las
dimensiones geométricas del aparato.
Todos estos experimentos se detuvieron debido al hecho de que los
combustibles fósiles en ese tiempo estaban muy baratos y por esta razón la
atención por las fuentes renovables de energía era pequeña. Sin embargo, estas circunstancias cambiaron abruptamente con la crisis del petróleo en 1972
y el encarecimiento cada vez mayor de este combustible.
En 1973 surgió un renacimiento de la energía eólica tanto en Europa
como en EE.UU. ante la disminución del stock mundial de hidrocarburos,
la creciente demanda energética, el temor por la inseguridad en la provisión
del petróleo y la contaminación que produce la combustión de sus derivados. La energía eólica volvió al primer plano de actualidad por ser una fuente
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412
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
renovable y no contaminante de energía. En la actualidad se están experimentado y construyendo máquinas de potencia superior a 2 MW.
10.6 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
Se llama circulación general de la atmósfera al sistema de vientos de
escala planetaria que se conocen a partir de dos fuentes: con valores de presión y viento observados en todo el mundo y por estudios teóricos de la dinámica de fluidos geofísicos.
El viento, que se define como “el movimiento horizontal o parahorizontal de la masa gaseosa que es el aire”, es causado por las diferencias de
temperatura existentes que producen un calentamiento desigual de las diversas zonas de la Tierra y de la atmósfera. Las regiones alrededor del ecuador, a
0° de latitud, son calentadas por el sol más que las zonas del resto del globo.
El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar
una altura aproximada de 10 Km, sin escapar a causa de la existencia del
campo gravitatorio terrestre, y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si
el planeta no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur,
para posteriormente volver al ecuador. La transformación de energía calorífica en energía cinética puede implicar un ascenso o descenso del aire, pero
los movimientos verticales son generalmente mucho menos evidentes que los
horizontales. Las masas de aire más calientes tienden a ascender, y su lugar
es ocupado entonces por las masas de aire circundante, más frío y, por tanto,
más denso, es decir, aumenta su masa por unidad de volumen (a la presión
atmosférica normal y a 15 °C el aire pesa alrededor de 1,225 Kg/m3). Por lo
tanto, se denomina viento propiamente tal a la corriente de masa de aire que
se desplaza en sentido horizontal, como se expresó anteriormente, reservándose la denominación de “corriente de convección” para los movimientos de
aire en sentido vertical.
El modelo primitivo más elemental de circulación general en la atmósfera sugiere la existencia de una sola celda de circulación vertical llamada
Celda de Hadley, en honor a George Hadley (1795 – 1868), quien fue el
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10.6 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
413
primero en desarrollar un modelo clásico. En la actualidad el modelo plantea
que entre el ecuador y aproximadamente los 30º de latitud sur y norte se produce una circulación vertical con el nombre de Celda de Hadley (Figura 10.4).
En el ecuador el aire más cálido que se eleva se condensa, liberando calor latente y formando grandes cúmulos, nubes acumuladas que producen abundante precipitación en las selvas tropicales. El aire de niveles superiores en
esta celda se mueve hacia los polos y entre 25-35º de latitud sur y norte se produce un movimiento descendente del aire —subsidencia— por dos razones:
a) el flujo asciende siempre desde la región ecuatorial, donde la liberación del
calor latente de condensación mantiene el aire cálido, pero en el tope de las
nubes el enfriamiento radiativo aumenta la densidad del aire superior, que
comienza a moverse hacia los polos y a descender hacia superficie; b) debido
a que el efecto de Coriolis (ver en esta sección) se hace más fuerte cuando se
aleja del ecuador, los vientos en altura que inicialmente se movían hacia los
polos son desviados en dirección aproximadamente oeste a este cuando alcanzan la latitud de 25º, así se restringe el flujo del aire hacia los polos. Como
resultado de ambas causas, se produce subsidencia en la zona entre 25-35º de
latitud. Esta subsidencia, por la liberación de la humedad cerca del ecuador,
es de aire muy seco, y por el efecto de calentamiento adiabático durante la
compresión por el descenso del aire, se reduce la humedad relativa. En estas
regiones de subsidencia se encuentran los grandes desiertos subtropicales
del mundo: el desierto de Atacama en Chile, el desierto del Sahara del norte
de África, el de Namibia del suroeste de África, el gran desierto australiano
y el de Baja California del suroeste de Estados Unidos. En el centro de estas
zonas de subsidencia los vientos son leves y variables, en torno a los 30° latitud S o N. Desde esta latitud el flujo se separa en una rama hacia el ecuador
y otra hacia los polos. El flujo de superficie hacia el ecuador es desviado por
la fuerza de Coriolis, generándose los vientos alisios, que soplan del sureste
en el hemisferio sur y del noreste en el hemisferio norte y convergen en el
ecuador en una región con un gradiente de presión muy débil, llamada zona
de calmas ecuatoriales.
El aire frío de niveles superiores en las zonas polares genera subsidencia sobre los polos, produciendo por compresión altas presiones en superficie
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
414
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
y divergencia, división del movimiento del aire. A su vez, la divergencia produce un flujo de aire en superficie desde los polos hacia latitudes subpolares,
que es desviado por la fuerza de Coriolis, generando un sistema de vientos
polares entre los polos y los 60º de latitud. Alrededor de los 60º de latitud se
produce convección y flujo hacia los polos en altura, cerrándose una celda
de circulación directa que se le llama Celda Polar. Entre esta celda y la de
Hadley se sitúa la Celda de Ferrel.
Vientos
del oeste
Vientos polares
del este
60° N
Vientos alisios
del noroeste
Celdas polares
Celdas
de Ferrel
30° N
Celdas
de Hadley
Zona de
convergencia
intertropical
Ecuador
Vientos alisios
del sureste
Celdas
de Hadley
30° S
Vientos
del oeste
60° S
Celdas
de Ferrel
Celdas polares
Vientos polares
del este
Figura 10.4. Circulación general en la atmósfera, Celda de Hadley y Celda Polar
En la superficie, el viento está definido por dos parámetros fundamentales: la dirección en el plano horizontal y la velocidad. La dirección del
viento depende de la distribución y evolución de los centros de igual presión
o isobáricos; se desplaza de los centros de alta presión —anticiclones— hacia los de baja presión —depresiones— y su fuerza es tanto mayor cuanto
mayor es el gradiente de presiones. Las diferencias barométricas ponen en
movimiento las masas de aire, que entran en una constante pero inalcanzable
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.6 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
415
“búsqueda del equilibrio bárico”. Por otra parte, el descenso de la presión
del aire al aumentar la altura está compensado por la fuerza de la gravedad,
hecho que se conoce como equilibrio hidrostático.
La estabilidad general de la atmósfera y su escaso espesor limitan en
gran manera los movimientos verticales del aire. Por término medio, la velocidad de los vientos horizontales es del orden de varios centenares de veces
mayor que la de los movimientos verticales, aunque se producen algunas excepciones, particularmente en las tormentas convectivas.
Las diferentes masas de aire, así como los ejes de depresión (60°) y
anticiclónicos (30°), se desplazan según las estaciones en el sentido del movimiento aparente del sol; en el hemisferio norte existe, en invierno, una traslación general hacia el norte y en verano, hacia el sur. En el hemisferio sur
sucede al revés; estos vientos se denominan monzones.
No obstante, las condiciones generales de los vientos son modificadas
localmente por temporales y gradientes de temperatura originados por los
desiguales calentamientos de superficies de tierra y agua o por diversos accidentes orográficos. Se puede considerar que los vientos vienen dirigidos por
determinados centros de acción de la atmósfera; lo más frecuente es que su
desplazamiento sea en sentido horizontal.
La atmósfera no es homogénea: está fraccionada en un número bastante grande de masas de aire más o menos calientes; la transición entre dos masas de aire puede ser lenta y continua o, por el contrario, brusca, constituyendo entonces una superficie frontal que forma una cierta pendiente en la que
el aire caliente, más ligero, está por encima del aire frío. La proyección sobre
el suelo de una superficie frontal se denomina frente. Los frentes no son estacionarios porque el aire frío tiende a descender hacia el ecuador, mientras
que el aire caliente tiende a remontar hacia el polo, originándose en un punto
una ondulación que se desarrolla y acentúa, al tiempo que es apresada por
las corrientes de aire del oeste, acompañada de una depresión móvil. Cuando el aire caliente remonta se crea un frente cálido; cuando el aire frío desciende se crea un frente frío. El conjunto frente cálido-frente frío constituye
una perturbación; el frente frío alcanza al frente cálido, y el aire caliente
es proyectado hacia arriba, lo que forma un frente ocluido. Una sucesión de
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
416
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
perturbaciones, o familia de perturbaciones, suele estar ligada a diferentes
sistemas nubosos característicos, que determinan así los diferentes tipos de
vientos.
El movimiento del aire en las proximidades de la superficie terrestre
está controlado, especialmente, por tres fuerzas: la fuerza del gradiente de
presión, la fuerza de Coriolis y la fuerza de rozamiento. De éstas, la fuerza de
Coriolis es, en rigor, ficticia, pero conviene atribuirle ciertos efectos sobre el
movimiento del aire en las proximidades de la tierra.
Fuerza del gradiente de presión: las variaciones de presión producen una fuerza, llamada fuerza del gradiente de presión, que contribuye a
la formación del viento. Cuando una masa de aire es sometida por un lado a
una mayor presión que por el otro, se produce una fuerza dirigida desde la
zona de alta presión a la de baja presión en forma perpendicular a las isóbaras (sección 10.1.3, Figura 10.1), cruzándolas en ángulo recto. Esta diferencia
de presión entre las altas y las bajas presiones produce el viento, y mientras
mayor es la diferencia entre dos lugares, mayor es el viento en esa región.
Los datos de presión en superficie se dibujan por medio de isóbaras
sobre mapas, cuyo resultado se llama carta sinóptica, carta de tiempo o
carta de presión. La separación entre las isóbaras indica las variaciones de
presión sobre el mapa; a estas variaciones de presión se les llama gradiente
de presión. En el mapa, el lugar donde las isóbaras están más juntas indica
un gradiente de presión grande que produce vientos más fuertes, y en donde
las isóbaras están más separadas el gradiente de presión es más pequeño y el
viento es más débil.
De modo general puede afirmarse que el viento se intensifica con la altura por dos razones básicas: en primer lugar, por el proceso de disminución
de la densidad del aire al subir, lo cual contribuye a que aumente la fuerza
del gradiente; en segundo lugar, por la disminución de la fuerza de rozamiento terrestre. Además, complementando lo señalado, se puede indicar que el
viento aumenta con la altura debido a las diferencias horizontales de temperatura, también llamado viento térmico.
Fuerza de Coriolis: si bien la fuerza del gradiente de presión está
dirigida desde las altas a las bajas presiones, perpendicular a las isóbaras, el
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10.6 CIRCULACIÓN GENERAL DE LA ATMÓSFERA
417
viento no cruza las isóbaras en ángulo recto sino que se produce una desviación del viento debido a la rotación de la Tierra. A esta desviación se le llama
fuerza o efecto de Coriolis, nombre puesto en honor de Gaspard de Coriolis
(1792 – 1843), quien derivó las ecuaciones de movimiento de los cuerpos sobre un sistema de referencia en rotación, como es la Tierra. El efecto o fuerza
de Coriolis hace que un cuerpo que se mueve sobre el radio de un disco en
rotación tienda a acelerarse con respecto a ese disco según si el movimiento
es hacia el eje de giro o hacia la periferia. Este efecto se da cuando las masas
de aire se desplazan siguiendo los meridianos terrestres, y su trayectoria y
velocidad se ven modificadas por éste. En efecto, los vientos que se desplazan
siguiendo un meridiano se desvían acelerando en la dirección de giro —este,
si van hacia los polos— o al contrario —oeste, si van hacia el ecuador—. El
desplazamiento de las masas de aire se efectúa desde las zonas en las que la
presión de la atmósfera, y por lo tanto la del aire, es más elevada —anticiclones— hacia las zonas de presión más baja —depresiones o ciclones— por la
aceleración de Coriolis. Las depresiones y los anticiclones están representados en las cartas meteorológicas por el trazado de las isóbaras.
La magnitud de la desviación producida por la fuerza de Coriolis tiene
las siguientes características: a) depende de la latitud: disminuye desde los
polos, donde es máxima, hacia el ecuador, donde se anula y no se produce
desviación; b) siempre está dirigida en forma perpendicular a la dirección del
flujo; c) afecta sólo la dirección del flujo, no su rapidez; d) es proporcional a
la velocidad del viento. Finalmente, cabe destacar que la interacción entre el
gradiente de presión y la fuerza de Coriolis da origen al viento geostrófico.
Éste es un viento que circula por los canales isobáricos y que se aproxima al
viento real en niveles bajos de la tropósfera, cerca de la superficie terrestre,
debido principalmente a las fuerzas de fricción del terreno.
Fuerza de rozamiento: es la fuerza debida al rozamiento del aire con
la superficie terrestre que ejerce un importante efecto sobre su movimiento.
Se encuentra en las proximidades de la superficie, por debajo de unos 500
m en los terrenos llanos. El rozamiento hace que disminuya la velocidad del
viento por debajo del valor geostrófico. Esto influye sobre la fuerza deflectora, que depende de la velocidad y que, por consiguiente, también disminuye.
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10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
A medida que continúan estas dos tendencias, el viento atraviesa cada vez
más oblicuamente las isóbaras en la dirección del gradiente de presión. El
grado de oblicuidad aumenta a medida que crece el efecto de rozamiento, es
decir, en las proximidades de la superficie terrestre, y se aproxima 25°-35°
sobre tierra y a 10°-20° sobre el mar; como consecuencia, el viento sigue una
trayectoria en espiral.
10.7 DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO
En cuanto a la dirección y sentido de giro del viento, existe el axioma de
Bjerknes, que indica: “cuando el gradiente de presión y el gradiente de temperatura tienen distinta dirección, se produce una circulación de aire cuyo
sentido es el camino más corto desde el gradiente de presión al de temperatura”. En general, los desplazamientos verticales del aire son pequeños en
relación a los desplazamientos horizontales, por lo que se puede considerar
que la dirección del desplazamiento del viento es sensiblemente horizontal y
se determina y refiere mediante el ángulo que conforma respecto a una dirección fija, que es la del norte geográfico. Tanto los vientos generales como los
sinópticos (vientos de gran escala) están ligados a la circulación atmosférica y
mantienen las mismas características sobre grandes extensiones de terreno.
El viento sinóptico, de gran escala, sopla prácticamente en la horizontal, lo
que permite esquematizar la dirección por un vector orientado en el sentido
hacia el cual sopla y cuyo origen está situado en el lugar de observación. Los
vientos regionales están regidos también por desplazamientos a la escala sinóptica de las masas de aire. La dirección del viento a nivel del suelo, medida
generalmente a algunos metros sobre éste, está fuertemente influenciada por
la situación topográfica del lugar considerado. La frecuencia de las direcciones no es siempre una característica general en consonancia con la situación
isobárica media, como puede ser la posición respectiva media de los anticiclones y de las depresiones en el transcurso de los años.
La dirección del viento corresponde al punto desde el cual sopla
el viento; así, un viento del oeste (O) es un viento que viene del O y va hacia
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10.7 DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO
419
el este (E). Se mide mediante la veleta, que es una pieza metálica que gira
sobre un eje vertical impulsada por el viento. Se expresa a partir de las direcciones indicadas en la Rosa de los Vientos (Figura 10.5) o bien en grados,
medidos sobre un círculo graduado en el sentido de giro de las agujas del
reloj tomando como origen la dirección norte (N). Se ha dividido la rosa en
doce sectores; cada uno abarca 30° del horizonte para completar 360°. Convencionalmente, a la dirección N se le asigna el valor 360°; así, un viento del
SE equivale a 135º; uno del S, a 180º; uno del NO, a 315º.
N
NO
NNO
NNE
ONO
NE
ENE
O
E
ESE
OSO
SO
SSO
SSE
SE
S
Figura 10.5. Dirección del viento según la Rosa de los Vientos
La velocidad del viento, o su intensidad, se representa mediante un
vector cuya longitud corresponde a la velocidad. Se mide en unidades de velocidad tales como m/s, Km/h o nudos. La unidad del viento en el Sistema
Internacional es m/s; sin embargo, aún se usan los nudos y Km/h:
1 m/s = 2 nudos = 3,6 Km/h
Tanto en la dirección como en la velocidad del viento nunca se consideran los valores instantáneos registrados por las magnitudes, sino valores
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10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
medios de un período de varios minutos, normalmente diez. Ello se debe a
las continuas fluctuaciones que el viento experimenta por el hecho de ser un
flujo turbulento y no laminar.
En la tropósfera, entre los 0 y 5 Km de altura, los vientos tienen velocidades medias comprendidas entre 2 y 15 m/s y corresponden a vientos
moderados, mientras que de 5 a 12 Km de altura los vientos pueden llegar a
ser mayores a 50 m/s y se les denomina corriente en chorro. La velocidad
media del viento varía entre 3 y 7 m/s, según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las costas —más de 6 m/s— así como en algunos valles
más o menos estrechos. En otras regiones es, en general, de 3 a 4 m/s y bastante más elevada en las montañas, dependiendo de la altitud y de la topografía. La velocidad media del viento es más débil durante la noche y varía muy
poco; aumenta a partir de la salida del sol y alcanza un máximo entre las 12
y 16 horas solares.
La velocidad del viento se mide mediante un anemómetro, el cual
tiene un eje vertical rotatorio que soporta tres semiesferas equidistantes que
capturan el viento. Registra el número de revoluciones por segundo que expresan la velocidad del viento en m/s. Además, el anemómetro está provisto
de una veleta para detectar la dirección del viento (Figura 10.6).
Figura 10.6. Anemómetro que mide velocidad y dirección del viento
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10.7 DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO
421
La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma:
vh= v10 (h/10)α
[10.2]
vh es la velocidad del viento a la altura h, v10 es la velocidad del
viento a 10 m de altura y α es el exponente de la ecuación de Hellmann, que
en la que
varía con la rugosidad del terreno y cuyos valores vienen indicados en la Tabla 10.3.
TABLA 10.3. VALORES DEL EXPONENTE α PARA ESTIMAR LA VELOCIDAD DEL
VIENTO EN DIFERENTES LUGARES
Lugar
Lugares llanos con hierba o hielo
Valor α
0,08 – 0,12
Lugares llanos: mar o costa
0,14
Terrenos poco accidentados
0,13 – 0,16
Zonas rústicas
0,2
Terrenos accidentados o bosques
0,20 – 0,26
Terrenos muy accidentados y ciudades
0,25 – 0,40
Para conocer el monto de energía eólica requerida para un determinado proyecto de instalación de una turbina eólica, es necesario conocer la
velocidad media del viento en el sitio establecido. Usualmente esta velocidad abarca un período de algunos meses, por lo que el grado de confianza
es bajo, puesto que el viento atmosférico está afectado por las estaciones del
año. En consecuencia, es necesario conocer la distribución de la velocidad
del viento a través del tiempo, al menos un año. Dada la característica aleatoria de la energía eólica, la manera de estudiar si el emplazamiento de un
proyecto eólico es adecuado o no es utilizar la estadística. La variación del
viento suele describirse mediante la distribución de Weibull, que representa la velocidad del viento como una variable aleatoria con una cierta función de distribución. Este parámetro describe la densidad de probabilidad de
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422
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
velocidades medias horarias de viento y por lo tanto corresponde a un conjunto de curvas. La Figura 10.7 muestra una gráfica típica que tiene una velocidad de 7 m/s y la forma de la curva está determinada por el llamado parámetro 2. La distribución de probabilidad del área bajo la curva vale 1, puesto
que la probabilidad que el viento sople a cualquier velocidad debe ser 100%.
En la Figura 10.7 la mitad del área está a la izquierda de la línea vertical a 6,6
m/s, que equivalen a la media de la distribución, lo que significa que la mitad
del tiempo el viento soplará a menos de 6,6 m/s y la otra mitad a más de 6,6
m/s. Se puede ver que la distribución de las velocidades es asimétrica. A veces
habrá velocidades muy altas, pero escasas. Por otra parte, las velocidades del
viento más comunes son de 5,5 m/s, monto que es el valor modal de la distribución. Como las condiciones climáticas varían, la distribución de Weibull
varía tanto de forma como de valor medio. Si esta distribución toma la forma
Frecuencia
de la Figura 10.7, entonces se la denomina distribución de Raleigh.
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Velocidad del Viento
Figura 10.7. Forma de la distribución de Weibull sobre velocidades medias de vientos
10.8 TIPOS DE VIENTOS INMEDIATOS A LA SUPERFICIE
En estas capas de aire inmediatas a la superficie la fuerza de rozamiento adquiere tal relevancia que los vientos, además de reducir en gran medida su
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10.8 TIPOS DE VIENTOS INMEDIATOS A LA SUPERFICIE
423
velocidad, suelen fluir guiados por la fuerza del gradiente, lo que se traduce
en la existencia de vientos perpendiculares a las isóbaras y orientados desde
las altas a las bajas presiones. Pero a esta modificación general cabe añadir las modificaciones derivadas de hechos importantes: por una parte, la
aparición de distribuciones isobáricas específicas originadas por fenómenos
térmicos de escala local derivados de la naturaleza de la superficie y, por otra
parte, el efecto ejercido por los obstáculos que se oponen localmente al viento. Entre los primeros destacan las circulaciones térmicas que se originan a
lo largo de las líneas de costa o entre valles y laderas de una cadena montañosa. Entre los segundos se destacan las modificaciones impuestas en el viento
cuando atraviesa una cadena de montañas o cuando experimenta un proceso
de encajonamiento en un valle.
10.8.1 VIENTOS O BRISAS COSTERAS
El diferente comportamiento térmico existente entre el mar y la tierra determina que en las líneas de costa se generen habitualmente diferencias de
temperatura muy acusadas; durante el día la tierra se calienta mucho más
que el mar, en tanto que por la noche el mar conserva su calor mucho más
que la tierra debido al alto valor del calor específico del agua (sección 5.1.2).
Estas diferencias térmicas originan diferencias de densidad que propician la aparición de circulaciones del aire: circulaciones térmicas. Durante el
día, el aire más frío y denso del océano se dirige hacia la superficie terrestre,
en la cual el aire cálido y ligero tiene tendencia a subir. Se organiza así una
circulación dirigida desde el mar a la tierra en superficie y contrarrestada
por una circulación de sentido opuesto en las capas más altas del aire. Se
trata de la brisa marina, que se inicia después de la salida del sol y alcanza
su máxima intensidad en las horas centrales del día. Puede penetrar varios
kilómetros tierra adentro y determina en la costa la existencia de vientos racheados, con frecuentes cambios de dirección y una suavización notable de
las temperaturas.
Durante la noche la situación es justamente inversa de la descrita.
Ahora las máximas temperaturas se sitúan sobre la superficie oceánica y las
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424
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
mínimas sobre la continental. En consecuencia, se establece una circulación
dirigida en superficie de la tierra al mar y sobremontada en altura por la inversa de ésta. Se está, en este caso, ante la brisa de tierra, que se desarrolla
durante la noche y alcanza su máxima intensidad antes del amanecer. Pero
ahora las diferencias térmicas entre la tierra y el mar no suelen ser tan marcadas como durante el día; de ahí que la brisa de tierra presente en general
menos intensidad y potencia. El fenómeno de las brisas costeras no es un
fenómeno cotidiano ni se presenta siempre que exista la misma intensidad.
Tiene que haberse producido una diferencia térmica importante entre la tierra y el mar, y esto sólo es posible con cielos predominantemente despejados
y en ausencia de fuertes vientos.
10.8.2 VIENTOS DE MONTAÑA
Los valles encajonados entre montañas también generan circulaciones térmicas derivadas del distinto calentamiento experimentado por cada una de sus
laderas. Durante el día, las laderas de solana, que reciben la radiación solar
con un elevado ángulo de incidencia, son las que experimentan un calentamiento más intenso. El fondo del valle permanece frío porque apenas recibe
alguna radiación solar, y el aire situado en el mismo plano horizontal que la
ladera de solana, pero lejos de ella, también permanece más frío dado que
el aire se calienta esencialmente a partir de la radiación de onda larga emitida por el suelo. En consecuencia, se genera un gradiente de presiones que
orienta al viento hacia las laderas, más caldeadas, remontándolas. Simultáneamente, tiene lugar un flujo de vientos que remonta el valle y se denomina
precisamente viento de valle, que está sobremontado por un viento de retorno de sentido contrario.
Durante la noche las laderas sufren un intenso proceso de enfriamiento como consecuencia de las pérdidas de calor por irradiación nocturna, y
el gradiente de presiones entonces apunta hacia el fondo del valle. En este
caso el aire, ayudado además por la fuerza de la gravedad, desciende por las
laderas. Este aire, al confluir en el fondo del valle, genera un flujo de viento
que se desliza desde la cabecera hasta zonas bajas del valle y que se denomina
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.8 TIPOS DE VIENTOS INMEDIATOS A LA SUPERFICIE
425
viento de montaña, sobremontado por un viento igual, pero de sentido
contrario. En consecuencia, durante el día se asiste en las zonas de montaña a
brisas de ladera acompañadas de vientos de valle. Por la noche la situación se
invierte y se producen brisas de ladera acompañadas de vientos de montaña.
10.8.3 VIENTOS ORIGINADOS POR UNA BARRERA OROGRÁFICA
Cuando el flujo de viento superficial encuentra en su recorrido un obstáculo,
tiene que remontarlo adhiriéndose en cierta medida al perfil de dicho obstáculo. Ello origina corrientes ascendentes en la ladera de barlovento (parte
de donde viene el viento respecto a un punto determinado) y descendentes
en la de sotavento (parte opuesta de donde viene el viento, con respecto a un
punto o lugar determinado), acompañadas de desviaciones horizontales de
los flujos de aire que tienden a rodear el obstáculo.
Cuando el obstáculo tiene unas dimensiones reducidas, los movimientos horizontales son los predominantes y el viento tiende a contornear el
trazado del obstáculo. Cuando es amplio, sobre todo en anchura, los movimientos verticales se imponen y con ellos ciertas modificaciones en el flujo
de viento. Estas modificaciones determinan la aparición de remolinos de
eje horizontal en la ladera de barlovento, que conducen a flujos descendentes
en dicha ladera y a remolinos similares en sotavento, pero esta vez con flujos
ascendentes. Estos remolinos hacen su aparición cuando las pendientes de
las laderas son suficientemente marcadas (más de 40°) y se ausentan en los
casos de pendientes suaves.
10.8.4 VIENTOS EN VALLES ENCAJONADOS
Los valles estrechos y encajonados constituyen auténticos pasillos por los que
el viento se canaliza modificando su dirección y su intensidad. En la zona de
máximo estrangulamiento se produce una acumulación de aire que conduce a una aceleración de los vientos y a una ondulación con ascenso vertical.
Cuando el valle se abre se produce un descenso compensatorio y una expansión horizontal del aire que da lugar a remolinos dirigidos hacia las laderas
del valle.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
426
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
En resumen, las circulaciones térmicas que se originan a lo largo de
las líneas de costa o entre valles y laderas de una cadena montañosa o cuando
el viento atraviesa una cadena de montañas o experimenta un encajonamiento en un valle son las zonas más favorables para extraer energía eólica.
10.9 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA EÓLICA
EN ELÉCTRICA
La energía eólica, como se ha escrito, se origina del movimiento de las masas
de aire, es decir, el viento, y constituye una fuente de energía renovable. Al
igual que la mayoría de la fuente de estas energías, ésta proviene del sol.
Los aerogeneradores son máquinas que transforman la energía cinética del flujo del viento en energía eléctrica, o bien, son turbinas de viento que accionan un generador eléctrico. Los equipos actuales más empleados
están compuestos esencialmente por un rotor con tres aspas, un eje horizontal rotatorio, compartimiento que contiene una caja multiplicadora de
velocidad, un generador eléctrico, un transformador y líneas de trasmisión
de la energía eléctrica así generada para llevarla al usuario. El esquema de
los principales componentes de un aerogenerador se ilustra en la Figura 10.8.
Viento
Eje
Aspas
Caja
multiplicadora
Línea de
Transmisión
Transformador
Generador
Figura 10.8. Proceso de transformación de energía eólica en energía eléctrica en un
aerogenerador
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.9 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA EÓLICA EN ELÉCTRICA 427
El viento pasa sobre la superficie de las aspas ejerciendo una fuerza
de sustentación sobre ellas que hace girar el rotor compuesto por tres aspas.
Este movimiento de rotación es transferido al eje principal y en la mayoría
de los aerogeneradores es amplificado mediante una caja multiplicadora que
aumenta la velocidad de rotación desde el valor de 20-30 revoluciones por
minuto (rpm) hasta unas 1500 rpm, con las que se produce electricidad. Esta
velocidad debe ser alta y constante para que la energía eléctrica generada
tenga una frecuencia de 50 Hz, que es la que requiere la red eléctrica. Tanto
la caja multiplicadora como el generador están dispuestos en una góndola.
La energía eléctrica producida por el generador pasa a través de un transformador, que eleva la tensión desde el nivel de generación (690 V) hasta el de la
tensión de la red eléctrica a la que se conecta.
La energía máxima teórica que puede ser extraída de una masa de aire
en movimiento está dada por la expresión:
[10.3]
Ec = ½ m · v 2
donde Ec = energía cinética [Joule]; m = masa del flujo de aire [Kg/s]; v =
velocidad del viento [m/s].
Si se supone un área de captación a (área barrida por las aspas), perpendicular a la dirección del viento, la masa del flujo de aire circulante que
la atraviesa será:
m= ρ·a·v
Donde: ρ = densidad del aire [Kg/m3]; a = área de captación [m2]; v =
velocidad [m/s].
Introduciendo el equivalente de la masa en la ecuación de la energía
cinética y considerando que el área es: a =
· r2, la energía máxima teórica
que pude extraerse del viento por unidad de tiempo, o sea, la potencia, es:
P = ½ · ρ · v3 ·
· r2
[10.4]
Donde P = potencia del viento, medida en W; ρ = (ro) = densidad del
aire seco = 1,225 en Kg/m3 (a la presión atmosférica promedio a nivel del mar
y a 15 °C); v = velocidad del viento en m/s,
= (pi) = 3,1416; r = radio del
rotor, medido en m.
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428
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
La potencia teórica por unidad de área (a = 1) que se puede extraer de
una masa de aire en movimiento será entonces:
Pm = ½ · ρ · v3
[10.5]
donde Pm = Potencia meteorológica, y se expresa en W/m2.
De estos conceptos se obtienen las siguientes consecuencias: a) la Pm
varía fuertemente con la velocidad v, de modo que es preciso hacer las mediciones de v en el lugar exacto donde se quiera instalar una turbina de viento;
b) la Pm varía con la densidad del aire ρ a causa de las variaciones de presión
y temperatura, en valores que pueden oscilar de un 10% a un 15% a lo largo
del año.
Además, puesto que la relación [10.5] anterior indica que la potencia
meteorológica por unidad de superficie es proporcional al cubo de la velocidad del viento, para una velocidad del viento de 8 m/s se obtiene una potencia de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor), es decir, 314 W/m2. A 16 m/s
se logra una potencia ocho veces mayor, esto es, 2509 W/m2. La magnitud de
este valor expresa la densidad de potencia, que es la “potencia del viento
que actúa por unidad de área”.
Como la velocidad del viento no es nula luego de atravesar la superficie
de captación, no se aprovecha toda la energía cinética que entrega al rotor;
esta pérdida de energía queda expresada por la ley de Betz: “Sólo puede
convertirse menos de 16/27 (0,593; 59%) de la energía cinética en energía
mecánica usando un aerogenerador”. La potencia teórica obtenible (Pt), por
unidad de área, del aerogenerador, medida en W/m2, puede expresarse entonces por la expresión [10.6], que implica una eficiencia teórica del 59%:
Pt = ½ · 0,593 · ρ · v3 (W/m2)
[10.6]
y la Potencia total teórica ( Pt), medida en W, para el área descrita por las
aspas al girar (ver ecuación [10.4]), a = π·r2 = π·d2/4, donde d = diámetro,
queda como:
Pt = ½ · 0,593 · ρ · (π ·d2/4) · v3 (W)
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10.9 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA EÓLICA EN ELÉCTRICA 429
Multiplicando la densidad (ρ) del aire (1,225 kg/m3) por π/4, se obtiene un valor cercano a 1, por lo que la anterior expresión se transforma en la
ecuación:
Pt ≈ ½ · 0,593 · d2 · v3 (W)
[10.7]
La potencia total teórica obtenible (Pt) de un aerogenerador, medida
en W, es directamente proporcional a la eficiencia teórica de esta máquina
(59%) al cuadrado del diámetro de las aspas, medido en metros, y al cubo de
la velocidad del viento medida en metros por segundo.
No obstante lo anterior, para evaluar la real eficiencia (η) se deben
considerar otros parámetros que dependen de las características del aerogenerador y del régimen de vientos que ocurren en la zona donde está instalado. Así, la altura de la torre también puede afectar la potencia extraída o la
energía extraída en el tiempo, porque la velocidad del viento generalmente
aumenta en la medida que se incrementa la altura sobre el nivel del suelo. En
consecuencia, la potencia real (Pr) que se logra en un aerogenerador es:
Pr = ½ · η · d2 · v3 (W)
[10.8]
Donde η es la eficiencia real, que incluye el valor 0,593 de la eficiencia
teórica. En la práctica le eficiencia real (η) es alrededor de 0,4 (40%).
Por otra parte, la velocidad del viento no es constante durante las 24
horas del día ni en las estaciones del año; en consecuencia, la eficiencia está
condicionada por el factor de planta que depende de la coyuntura, en este
caso de la velocidad del viento. El término Factor de Planta (FP) (o factor
de capacidad o de carga) es una indicación de la utilización de la capacidad
de la planta en el tiempo. Se define como el cociente entre la energía real (Er)
generada por la central eléctrica durante un período (generalmente anual) y
la energía generada a plena carga durante ese mismo período (En), según los
valores nominales de los equipos (ecuación [10.9]). No se debe confundir con
la eficiencia o rendimiento.
FP = Er / En
[10.9]
Por los motivos dichos en el párrafo anterior, el factor de planta de un
aerogenerador en su entrega de energía, por año, es alrededor del 25%.
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430
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Para efecto de comparación de este factor de planta con el de otros
sistemas de generación de energía eléctrica, en la Tabla 10.4 se reúnen los
porcentajes de centrales eléctricas según formas de energía que utilizan.
TABLA 10.4. FACTORES DE PLANTA (FP) DE CENTRALES ELÉCTRICAS SEGÚN
FORMAS DE ENERGÍA QUE UTILIZAN.
Forma de Termoeléctrica
Nuclear
Energía
de carbón
FP %
90
95
Solar
térmica
Eólica
Hidroeléctrica
de embalse
15
25
70
10.10 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
DE LOS AEROGENERADORES
Los proyectos eólicos se pueden componer de uno o varios aerogeneradores,
conjunto que forma un parque eólico cuya suma de potencias individuales
determinará la capacidad de generación del proyecto. Los tamaños de los aerogeneradores individuales varían entre 5 KW y 6 MW de potencia. Mientras
los generadores pequeños actualmente sólo se usan para aplicaciones en redes eléctricas aisladas, las turbinas eólicas de 4,5-6 MW corresponden a prototipos de desarrollo más reciente diseñados para aplicaciones costa afuera.
La evolución de la potencia de los aerogeneradores modernos ha aumentado significativamente en los últimos años. Los parques eólicos conectados a sistemas eléctricos que hoy existen, en su mayoría, están compuestos
por aerogeneradores individuales de potencias entre 500 KW y 2,5 MW. Actualmente, ha surgido una tendencia hacia las unidades más grandes, principalmente por restricciones de disponibilidad de terreno para emplazamientos en países europeos, de mayor aplicación y demanda. En 1995 los equipos
eólicos más grandes alcanzaron una potencia nominal de 500-600 KW, con
diámetros de rotor de 34-44 m, mientras que en el año 2000 los aerogeneradores llegaron a una potencia de 1,5 MW con diámetros de rotor de 70-72 m.
Actualmente, éstos se ven rápidamente reemplazados por aerogeneradores
con potencia nominal de más de 2 MW y diámetros de rotor de hasta 100 m.
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10.10 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS AEROGENERADORES
431
De las Energías Renovables No Convencionales (ERNC), la energía
eólica es la que ha tenido un mayor progreso tecnológico en los últimos
años en los países desarrollados. De acuerdo al Global Wind Energy Council
(GWEC), la potencia total instalada a nivel mundial, a fines del 2012, sobrepasaba 280 000 MW, con las mayores instalaciones en Europa, Asia y
Norteamérica.
La generación de energía eléctrica con energía eólica posee una ventaja significativa respecto de las energías convencionales pues, como ya se
describió, no genera emisiones de contaminantes atmosféricos. Además, en
general, es compatible con el uso del terreno junto a otras actividades, tales
como la agrícola y, con limitaciones, la ganadera.
La Tabla 10.5 muestra la evolución de tamaños y potencia de aerogeneradores, según la Asociación Federal de Energía Eólica (BWE), Alemania.
TABLA 10.5. EVOLUCIÓN DE TAMAÑOS Y POTENCIAS DE AEROGENERADORES
1980
1985
1990
1995
2000
2005
Potencia
anual, KW
30
80
250
600
1500
5000
Diámetro del
rotor, m
15
20
30
46
70
115
Altura de la
torre, m
30
40
50
78
100
120
Producción
anual, KW·h
35·103
95·103
4·105
1,25·106 3,5·106
≈ 1,7·107
10.10.1 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL
El aerogenerador más utilizado es de la clase “megavatios”, es decir, aquel
con potencia nominal de 1 MW o superior, de eje horizontal con tres aspas
(ver Figura 10.8, sección 10.9), de velocidad variable y de regulación del cambio del ángulo de paso (permite girar las aspas en torno a su eje longitudinal)
para el control de la potencia.
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432
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Cada tipo de aerogenerador tiene su propia curva de potencia, la cual
muestra la relación entre la velocidad de viento y la potencia generada por el
aerogenerador. La Figura 10.9, de la Comisión Nacional de Energía (CNE) de
Chile, muestra la curva de potencia de un aerogenerador con potencia nominal de 2 MW.
2500
Potencia [Kw]
2000
1500
Potencia nominal
1000
Velocidad
de partida
500
0
Velocidad
de potencia
nominal
Velocidad
de freno
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Velocidad de viento [m/s]
Figura 10.9. Curva de potencia de un aerogenerador de 2 MW
Si la velocidad de viento excede la velocidad de partida, el aerogenerador empieza a producir electricidad. La potencia generada crece con el cubo
de la velocidad del viento hasta llegar a la potencia nominal cuando se alcanza la velocidad de potencia nominal, que equivale, en la mayoría de los
casos, a aproximadamente 14 m/s. Sobre esta velocidad, si bien la energía del
viento aumenta, el aerogenerador limita la potencia generada a la nominal o
de diseño con la finalidad de evitar sobrecargas mecánicas y eléctricas. Por
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.10 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS AEROGENERADORES
433
su parte, la velocidad de freno indica la velocidad de viento máxima para una
operación segura del aerogenerador. Si se excede esa velocidad, por ejemplo
durante una tormenta, el sistema de control del aerogenerador frena el rotor
hasta detenerlo. El mínimo de velocidad del viento para que el aerogenerador
entregue energía eléctrica es, en la práctica, 5 m/s, por lo tanto esta máquina
opera en el rango 5-14 m/s y su eficiencia (η) es alrededor de 25%, como fue
establecido.
Para el control de potencia y para evitar sobrecargas mecánicas y eléctricas en el caso de vientos fuertes, los aerogeneradores modernos usan un
sistema de regulación aerodinámica que permite ajustar la potencia extraída
a la nominal del generador. Los dos sistemas hoy en uso son: la regulación
por pérdidas aerodinámicas y la regulación por cambio del ángulo de ataque
o de paso. La Figura 10.10 de la Comisión Nacional de Energía (Chile) muestra el funcionamiento de ambos sistemas.
Control por cambio de
ángulo de paso
Control por pérdidas
aerodinámicas
aspa
plano de
rotación
líneas de acción
del viento
eje
longitudinal
remolinos
disminuyen la
superficie activa
de la aspa
α
ángulo de ataque
del viento
Figura 10.10. Funcionamiento del control de potencia en las aspas de aerogeneradores
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
434
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Los aerogeneradores de regulación por control de pérdidas aerodinámicas tienen las aspas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo. Sin
embargo, las aspas han sido diseñadas de tal forma que al aumentar la velocidad de viento el flujo alrededor del perfil del aspa se separe de la superficie por remolinos, produciendo así menor sustentación y mayores fuerzas de
arrastre que actúan contra un incremento de la potencia.
En los aerogeneradores de regulación mediante control por cambio
del ángulo de paso, un controlador electrónico comprueba varias veces
por segundo la potencia generada. Cuando ésta alcanza un valor mayor a la
potencia nominal, el controlador, a través de motores eléctricos, inmediatamente hace girar las aspas del rotor ligeramente fuera del viento. Este cambio
del ángulo de paso, es decir, del giro de las aspas a lo largo de su eje longitudinal, reduce el ángulo de ataque del viento, por lo que disminuyen las fuerzas
impulsoras aerodinámicas y en consecuencia la extracción de potencia del
viento.
La velocidad de giro de los aerogeneradores puede ser fija y variable.
Ambos conceptos han mostrado su confiabilidad y eficiencia durante años,
pero la nueva generación de turbinas de megavatios tiene una fuerte tendencia a la velocidad variable del rotor combinada con el control del ángulo de
paso.
La velocidad de giro del rotor es una característica importante de
un aerogenerador porque influye directamente en la emisión de ruido. En
principio, el nivel de ruido de un rotor aumenta con la quinta potencia de la
velocidad de la punta de la pala. Por esta razón los diseñadores reducen la
velocidad rotacional en sus diseños. Esto hace que los aerogeneradores con
diámetro de rotor grande tengan una velocidad de giro mucho más lenta que
aparatos con diámetro de rotor pequeño. Valores típicos del número de revoluciones por minuto (rpm) y del nivel del ruido se muestran en la Tabla 10.6
para aerogeneradores de diferentes tamaños.
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10.10 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS AEROGENERADORES
435
TABLA 10.6. VELOCIDAD DE ROTOR Y NIVEL DE RUIDO PARA DISTINTOS
AEROGENERADORES
Potencia instalada,
KW
Velocidad de giro,
rpm
Nivel del ruido,
dB(A)‫٭‬
30
~ 71
~ 93
300
~ 20 – 46
~ 99
1500
~ 9 – 20
~ 104
3000
~ 8 – 19
104 – 107
4500
~ 8 – 13
~ 107
*La unidad dB(A) es adimensional y expresa los niveles de presión del sonido. El punto de
referencia para la medición de un nivel de sonido (ruido) es 0 dB(A), que es el umbral de
audición de una persona joven con muy buena audición. El umbral de dolor es 120 dB(A).
El decibel es la décima del bel, una unidad que emplea logaritmos comunes, llamada así
por Graham Bell.
Los niveles de ruido presentados en la Tabla 10.6 corresponden al sonido máximo emitido por un aerogenerador considerado como una fuente
puntual en el terreno. Puesto que dicho nivel se mide en decibeles dB(A) en
una escala logarítmica, al doblar la presión sonora (o energía del sonido) el
índice aumenta aproximadamente en 3. Así pues, un nivel de ruido de 100
dB(A) contiene el doble de energía sonora que uno de 97 dB(A). Como regla
general, la energía de las ondas sonoras (y por tanto la intensidad del sonido)
disminuirá con el cuadrado de la distancia a la fuente sonora. Quiere decir
que a una distancia de 200 m de un aerogenerador, el nivel de sonido será un
cuarto del que existe a 100 m.
Las aspas de los aerogeneradores deben cumplir una serie de objetivos;
los más importantes son: maximizar la energía obtenida mediante un diseño
aerodinámico apropiado, resistir cargas extremas y minimizar peso y costo.
La Figura 10.11 contiene un esquema con los principales componentes de un aerogenerador con caja multiplicadora, que corresponde al tipo de
equipo mayormente comercializado.
Alfaomega
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436
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Multiplicador de
la velocidad de giro
del eje
Eje motriz que
hace girar el rotor
del generador
Generador
Acoplamiento
eje de baja
velocidad
Conductores
Torre
Pala de rotor
Figura 10.11. Componentes principales de un aerogenerador con caja multiplicadora
Los aerogeneradores disponen de diferentes sistemas de control encargados de manejar los distintos sistemas mecánicos y eléctricos que hacen
posible la generación de energía eléctrica cumpliendo con los parámetros
exigidos tales como tensión, frecuencia, potencia activa y reactiva (sección
3.4.2). Todo lo anterior dentro los márgenes de seguridad de operación del
aerogenerador y de la seguridad y calidad del suministro a la red eléctrica.
Los sistemas de control se traducen físicamente en computadoras que
contienen los programas capaces de actuar sobre los distintos mecanismos
después de haber analizado, en tiempo real, las variables pertinentes a la operación del aerogenerador. Por ejemplo, un sistema de control monitorea la
velocidad y la dirección del viento y la dirección de la góndola para que esté
acorde a la dirección del viento. Otros operan sobre el ángulo de paso de las
aspas del aerogenerador para manejar la velocidad del rotor y la potencia
generada. Otros sistemas se dedican a censar la red eléctrica para sacar el
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10.10 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS AEROGENERADORES
437
aerogenerador de operación de modo que la máquina no sufra daños al verificarse una caída de la red eléctrica. Estos mismos sistemas se dedican a
reestablecer la operación una vez constatada la estabilidad de la red. Asimismo, pueden parar el aerogenerador al detectar la necesidad de mantención
de alguna componente o detenerlo en caso que el viento supere los niveles de
seguridad.
Con excepción de las aspas, el buje —pieza que une las tres aspas al
eje— y la torre, los demás componentes de un aerogenerador se sitúan sobre
la torre en la góndola, como se afirmó precedentemente.
La torre del aerogenerador es la estructura que soporta el rotor y la góndola. Las torres pueden ser de acero o de hormigón. La mayoría de los grandes
aerogeneradores se construyen con torres tubulares de acero, fabricadas en
secciones de 20-30 m con rebordes circulares en el extremo de los tubos metálicos para acoplar unos a otros con pernos en cada uno de sus extremos.
Con la evolución del tamaño de los rotores, la altura de las torres también ha aumentado. Las torres de mayor altura permiten aprovechar vientos
mayores, dado que la velocidad del viento generalmente aumenta con la altura sobre el suelo, aunque ello dependerá de las condiciones topográficas
del terreno en el cual se emplace el aerogenerador. La Tabla 10.7 muestra las
alturas típicas de torres en terrenos llanos en el interior de Alemania, según
la Asociación Federal de Energía Eólica (BWE) de dicho país.
TABLA 10.7. DESARROLLO TÉCNICO DE AEROGENERADORES
Año
Potencia
instalada (KW)
Diámetro del
rotor (m)
Altura de la torre
(m)
1980
30
13 – 15
18 – 27
1985
80
20 – 21
35 – 40
1990
250
29 – 30
42 -50
1995
600
43 – 50
40 – 78
2000
1500
64 – 82
62 – 112
2005
5000
115 – 127
90 – 194
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438
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
La base de los aerogeneradores instalados sobre tierra es generalmente
una estructura de hormigón armado. Sus dimensiones dependen del tamaño
del aerogenerador y de las características del suelo. Hay dos tipos de bases:
cuadrada y circular; por ejemplo, las dimensiones de una fundación cuadrada de un aerogenerador de 1,5 MW pueden ser: 10 m x 10 m x 3 m (300 m3).
En muchos casos, la superficie de los cimientos o bases está cubierta con el
material del terreno, con la finalidad de integrar de mejor forma el aerogenerador al paisaje.
10.10.2 AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL
Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición
perpendicular al suelo. A diferencia de los aerogeneradores de eje horizontal,
son menos empleados que los de eje horizontal, no necesitan un mecanismo
de orientación, pueden operar con vientos de menores velocidades y requieren
altos torques, es decir, fuerzas que permiten el giro. Existen dos tipos de estos
aerogeneradores: a) Darrieus, que está compuesto por dos o tres arcos que
giran alrededor del eje vertical; b) Savonius, que consta de dos o más semicilindros dispuestos de manera equidistante. La Figura 10.12 da cuenta de éstos.
Figura 10.12a. Aerogenerador
Figura 10.12b. Aerogenerador Darrieus. Savonius
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10.11 PARQUES EÓLICOS
439
Las principales ventajas teóricas de los aerogeneradores de eje vertical
es que se pueden situar el generador, el multiplicador y otros elementos a
nivel de suelo y por lo tanto no requieren de una torre. Las principales desventajas son sus bajas velocidades porque, como no existe torre, no captan
vientos veloces y por lo tanto sus eficiencias promedio son bajas.
10.10.3 AEROGENERADORES DE TRACCIÓN DIRECTA
Son aerogeneradores que no poseen caja multiplicadora para aumentar la velocidad de rotación del rotor eólico sino que usan un sistema de transmisión
directa entre el rotor y el generador. Éste consiste en un magneto permanente que convierte directamente la energía del viento en energía eléctrica. En
este caso, el rotor eólico es parte del motor eléctrico (ver sección 3.4), que
gira alrededor del estator. Este diseño, que tiene menos componentes móviles produce menos pérdida de energía mecánica, evita el empleo de aceite
lubricante para el engranaje, reduce los gastos de mantención y disminuye
las dimensiones y el peso de la góndola
10.11 PARQUES EÓLICOS
Un parque eólico es una agrupación de aerogeneradores dispuestos en un
terreno apropiado o en una zona marina próxima a la costa. Si bien los parques eólicos costa afuera tienen la ventaja de disponer de vientos de velocidades mayores y más permanentes que los situados en tierra, presentan
el inconveniente de una construcción y mantención más onerosa. Por esta
razón, son preferibles los que operan en terrenos cerca de la costa. Sin embargo, cuando la disponibilidad de terrenos es escasa y las condiciones de
vientos son desfavorables, se hace necesario instalar aerogeneradores como
los dispuestos en el mar en Dinamarca, cuyo crecimiento ha sido importante
y están a la vanguardia en tecnología. En 2009, prácticamente un cuarto del
consumo de energía eléctrica de este país era proveído por la energía eólica.
Dinamarca, junto con Alemania, España, Italia, Francia y Reino Unido son
los que disponen del mayor número de aerogeneradores en Europa. China,
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
440
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
es el país que más capacidad instalada de generación eólica tiene a nivel
mundial, le siguen Estados Unidos, Alemania y España (Global Wind Energy
Council, report 2012). En Latinoamérica el líder es Brasil, seguido de Méjico
y luego Chile.
El número de aerogeneradores que componen un parque es muy variable y depende fundamentalmente de la superficie disponible y de las características del viento en el emplazamiento. Se aconseja que el conjunto de aerogeneradores, con potencias individuales del orden de 0,6 MW a 3 MW, sumen
en total una potencia entre 1 y 20 MW. Previo a la instalación de un parque
eólico se precisa conocer zonas que posean potencial eólico; si éste existe,
luego se estudia el viento en el emplazamiento elegido durante un tiempo que
suele ser superior a un año. Para ello se instalan anemómetros a diferentes
alturas y con los datos recogidos se confecciona un mapa de vientos. Además,
se clasifican las velocidades de estos vientos según la siguiente escala: 4 m/s:
no sirve; 6 m/s: regular; 8 m/s: buena; 10 m/s: muy buena; sobre 10 m/s:
excelente.
Luego de disponer de la información de zonas con potencial eólico
atractivo y el conocimiento necesario sobre la velocidad del viento durante
un año o más, se requiere conocer la densidad del aire de la zona, la rugosidad del terreno, que es la influencia de los obstáculos de éste, y la influencia del contorno del terreno, también llamada orografía de la zona, para
determinar el emplazamiento de un parque eólico. Con este fin, se eligen
los aerogeneradores según potencia nominal, la cual estará condicionada
por el diámetro de las aspas y por la altura de la torre. A continuación se
construye el conjunto de turbinas de viento que compondrán el parque,
normalmente en etapas crecientes del número de estas máquinas. Estas
deben estar, al menos, a 350 m de distancia si ambas están al lado y en sentido perpendicular al viento. Si un aerogenerador está delante o datrás de
otro, la distancia deberá ser al menos de 800 m, en línea con el viento, para
evitar interferencias. Si bien no se requiere más de una hectárea para el
cimiento y seguridad de un aerogenerador en sí mismo, se necesitan unas
ocho hectáreas para cada uno de manera que capte la máxima energía del
viento.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.12 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS PARQUES EÓLICOS
441
Todas las funciones esenciales de la entrega de energía, que están integradas, corren a cargo de unidades de control electrónico en cada uno de
los sistemas aeroeléctricos: para el arranque del aerogenerado, o para su interconexión a la red; para el seguimiento y desconexión en caso de avería
en la red o interrupciones breves; para seguridad y servicio a la red. De esta
forma permiten la operatividad automática y casi exenta de cuidado y mantenimiento del parque eólico.
Los costos del capital invertido y la producción energética anual constituyen, en términos muy generales, los factores decisivos que influyen sobre
los costos de producción de energía. Los costos de operación tienen menor
importancia, pero para contar con una estimación realista no se deben despreciar; una estimación de los costos previsibles para la generación de electricidad, con base en los costos efectivos de la inversión y la producción de
corriente obtenida, se puede llevar a cabo de acuerdo con los supuestos siguientes: tasa de interés anual: 8% vida útil: 20 años; mantención preventiva
y de reparación: 2% anual de los costos de inversión y un 1% anual en seguros.
10.12 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS PARQUES EÓLICOS
La energía proveniente del viento es una energía renovable que lógicamente no aporta emisiones toxicas al ambiente; este hecho es muy importante,
sobre todo cuando se consideran las emisiones de plantas generadoras de
energía termoeléctrica a gran escala. El gran y grave problema ambiental que
ocasionan estas plantas es la extraordinaria emisión a la atmósfera de dióxido de carbono resultante de la combustión del carbón (u otros combustibles
fósiles), donde se acumula, ocasionando un efecto invernadero muy negativo, que lleva al calentamiento de la Tierra, que a su vez origina cambios
climáticos que ya se están sintiendo.
En general, los beneficios ambientales de la energía eólica se calculan comparándolas con las emisiones de otras fuentes. Estos se calculan por
comparación de la generación de energía, habitualmente en MW·h. Por cada
megavatio·hora generado en una planta termoeléctrica a carbón se desprende
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
442
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
más de 800 Kg de CO2, cantidad que habla por si sola de la magnitud del problema, de manera que si no se aminora esta emisión, el futuro será cada vez
más complicado en términos ambientales. Si bien la energía eólica no es la
solución a este problema ambiental y energético, su aporte y el de otras fuentes de energías renovables disminuirán el problema.
En relación con los aspectos negativos que se desprenden de la construcción y posterior funcionamiento de un parque eólico, se pueden considerar los siguientes impactos:
– Impacto visual de los aerogeneradores.
– Ruido de los aerogeneradores.
– Interacción d las aves con los aerogeneradores.
– Efectos de interferencia electromagnética de los aerogeneradores.
– Impactos en el uso de la tierra por los parques eólicos.
En la actualidad, los tres primeros temas incluyen la mayoría de los
cuestionamientos ambientales.
En comparación con los otros impactos ambientales relacionados con
la energía eólica, el impacto visual es el menos cuantificable. La percepción
del público puede cambiar con el conocimiento de la tecnología, la localización de turbinas de viento y muchos otros factores porque la evaluación de
un paisaje es algo subjetivo. Para la construcción de un parque, el proceso de
diseño debe ser ejecutado en una fase temprana del proyecto. Por ejemplo, el
grado de impacto visual se ve influenciado por el tipo paisaje, el número y el
diseño de las turbinas, su disposición, su color, el número de aspas y otros.
Los problemas relacionados con el ruido de turbinas eólicas han sido,
sin duda, uno de los impactos ambientales más estudiados. Los niveles de
ruido pueden ser medidos, pero, al igual que con otras preocupaciones ambientales, la percepción pública del impacto de los aerogeneradores es, en
parte, una apreciación subjetiva.
El ruido se define como cualquier sonido no deseado. La preocupación por éste dependerá del nivel de intensidad, frecuencia, distribución de
frecuencias y los patrones de la fuente de ruido; antecedentes de los niveles
de ruido; terreno entre emisor y receptor, y la naturaleza del ruido del receptor. El ruido producido a partir de los aerogeneradores es considerablemente
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.12 IMPACTOS AMBIENTALES DE LOS PARQUES EÓLICOS
443
diferente en su nivel y naturaleza que aquellos de plantas de energía, que
pueden clasificarse como fuentes industriales
Las turbinas eólicas están situadas, a menudo, en zonas rurales o remotas cuyo ambiente posee un ruido característico. Por otra parte, mientras
que el ruido puede ser una preocupación para los ciudadanos que viven cerca
de turbinas de viento, gran parte del ruido emitido por las turbinas está enmascarado por el ambiente o por el ruido de fondo del viento. No obstante,
este ruido ha disminuido como resultado de los avances tecnológicos. Por
ejemplo, con mejoras en las aspas y las turbinas se maximiza la conversión
de energía y hay menos pérdida de ondas acústicas. De todas formas, siempre
se va a generar ruido, ya sea por las turbinas, sistemas hidráulicos u otros.
Los problemas ambientales asociados con la interacción entre aves
sistemas eólicos en los Estados Unidos datan de finales de los años 80. La
preocupación por la muerte causada por los aerogeneradores no sólo es de
este país sino también dn Europa. En ésta los principales problemas de mortandad de aves se han reportado en Tarifa, España, que es punto importante
para la migración de aves en todo el Mar Mediterráneo; también en algunos
parques eólicos del Norte de Europa. El desarrollo de parques eólicos puede
afectar negativamente a las aves, de la siguiente forma:
– Mortandad de aves por electrocución y colisión. Cambio de hábitos
en la alimentación de aves. Alteración en la migración de aves. Reducción del hábitat disponible. Alteración en la reproducción, anidación y alimentación.
Asimismo, cabe señalar que el desarrollo de la energía eólica tiene los
siguientes efectos beneficiosos sobre las aves:
– Protección de tierras con hábitat en riesgo. Provisión de sitios de
caza. Provisión y protección de sitios para anidar, como torres e instalaciones auxiliares. Protección de aves con problemas de acoso
indiscriminado.
Los lugares que contienen características para emplazar un parque eólic, también poseen características atractivas para las aves, como son las zonas montañosas y cercanas al mar, ambas con gran presencia de la avifauna.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
444
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Las turbinas eólicas pueden presentar un obstáculo para el caso de las
ondas electromagnéticas, que pueden ser reflejadas, dispersada, o difractadas por el aerogenerador. Cuando un aerogenerador se coloca entre una emisora de radio, televisión o microtransmisor y el receptor, a veces se puede reflejar parte de la radiación electromagnética de tal manera que la onda que se
refleja , interfiere con la señal original que llega al receptor. Este hecho puede
hacer que la señal recibida esté muy distorsionada. Algunos de los principales parámetros que influyen en el grado de interferencia electromagnética
causados por las turbinas eólicas son:
– Tipo de aerogenerador con eje horizontal o con eje vertical. Dimensiones del aerogenerador. Velocidad de rotación de la turbina. Material de construcción de las aspas. Ángulo y la geometría de las aspas.
Geometría de la torre.
En la práctica, los materiales de construcción de las aspas y la velocidad de rotación son parámetros fundamentales. Por ejemplo, en aerogeneradores mayores, con eje horizontal, las aspas han causado interferencias en la
televisión en zonas próximas a la turbina. Sin embargo, el grado de interferencia electromagnética actual de los aerogeneradores es menos probable ya
que la mayoría de las aspas están construidas con materiales compuestos (no
metálicos). No obstante, la mayoría de las máquinas más modernas tienen
protección contra relámpagos en la superficie de las aspas, hecho que puede
aumentar la interferencia electromagnética.
Existe una serie de cuestionamientos sobre la ubicación de los aerogeneradores. Algunos de éstos son propios de las reglamentaciones gubernamentales y permisos (como la zonificación, permisos de construcción y aprobación de las autoridades de aviación, etc.). Otros pueden no estar sujetos a
reglamentación, pero sí tienen un impacto en la aceptación del público. Los
siguientes son algunas de los principales cuestionamientos sobre el uso de
los terrenos:
– Efectividad de los terrenos necesarios por la producción de energía o
de capacidad por unidad de superficie de tierra.
– Cantidad de terreno potencialmente perturbada por un parque
eólico.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.13POTENCIAL
10.13
POTENCIAL
YESTADO
Y ESTADO
ACTUAL
ACTUAL
DELAENERGÍA
DE LAEÓLICA
ENERGÍA
ENPAÍSES
EÓLICA
LATINOAMERICANOS
...
445
– Uso no exclusivo del terreno y su compatibilidad con otros medios.
– Preservación rural. Densidad de la turbina.
– Caminos de acceso, erosión del terreno o emisiones de polvo.
10.13 POTENCIAL Y ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA EÓLICA
EN PAÍSES LATINOAMERICANOS
Para plantear estos temas se ha recurrido a fuentes oficiales: organismos del
estado, asociaciones empresariales dedicadas al rubro, centros de estudios y
universidades, intentando conseguir la información más actual, aunque no
todos los antecedentes que se consignan en esta sección tienen la misma data.
10.13.1 MÉXICO
Se estima que el potencial eólico del país es muy alto, superior a 30 000
MW. De los lugares evaluados los más atractivos están en la Península de
Baja California, donde habría unos 200 MW, en la Costa del Golfo con 700
MW, en el Altiplano Norte y Centro del país, que dispondrían de 900 MW,
Oaxaca, que tendría 2000 MW, y la Península de Yucatán con 1000 MW.
La situación actual del aprovechamiento de esta energía es, sin embargo, bastante menguado y concierne principalmente a abastecer necesidades propias de sus operadores. La capacidad de generación total de potencia,
radicada básicamente en Oaxaca, se reduce a 518,65 MW que se distribuyen
según lo indica la Tabla 10.8.
TABLA 10.8. EMPLEO DE LA ENERGÍA EÓLICA EN MÉXICO, 2010
Nombre del
parque
Capacidad
MW
Lugar
Operador
La Venta I y II
84,9
Oaxaca
Comisión Federal de
Energía (CFE)
Parques
Ecológicos
De México
79,9
Oaxaca
Iberdrola,
autoabastescimiento
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
446
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
Nombre del
parque
Capacidad
MW
Lugar
Operador
Eurus 1ª y 2ª Fase
250
Oaxaca
Cemex,
autoabastecimiento
Gobierno de Baja
California
10
Baja
California
Gobierno de Baja
California
Bii Nee Stipa
26,35
Oaxaca
Cisa,
autoabastecimiento
La Mata-La
Ventosa
67,5
Oaxaca
Eléctrica del
Valle de México,
autoabastecimiento
Total
518,65
Fuente: Asociación Mexicana de Energía Eólica (www.amdee.org)
Del total de 518,65 MW generados en 2010, casi la mitad los produjo el
parque Eurus 1ª y 2ª Fase para sus propias necesidades, y prácticamente el
total de la potencia instalada se generó en Oaxaca.
10.13.2 COLOMBIA
La evaluación del potencial eólico del país se encuentra en estado incipiente. La región más atractiva desde el punto de vista eólico es la costa atlántica
colombiana, donde los vientos aumentan en dirección a la península de La
Guajira. Se han identificado otras regiones de interés como el departamento
de Arauca y algunas zonas de los altiplanos en las cordilleras. Además de la
península de la Guajira, la de Paraguaná es barrida casi todo el año por los
vientos alisios que soplan desde el mar Caribe con rumbo nordeste-suroeste.
La velocidad del viento en la península de Paraguaná oscila entre los 7 y los 9
m/s, y en La Guajira es un poco menor, lo que hace que dichas zonas constituyan escenarios óptimos para la instalación de parques eólicos.
Según el Mapa Eólico de Colombia de 2006, se destacaron seis lugares
de Colombia donde las intensidades del viento son importantes para el aprovechamiento del recurso eólico: tres sitios donde los vientos son persistentes
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
10.13POTENCIAL
10.13
POTENCIAL
YESTADO
Y ESTADO
ACTUAL
ACTUAL
DELAENERGÍA
DE LAEÓLICA
ENERGÍA
ENPAÍSES
EÓLICA
LATINOAMERICANOS
...
447
y superiores a 5 m/s durante todo el año (Galerazamba en el departamento
de Bolívar, Gachaneca en Boyacá y la isla de San Andrés en el mar Caribe colombiano), y otros tres sitios donde las velocidades son persistentes pero en
el rango entre los 4 y 5 m/s (La Legiosa en el Huila, isla de Providencia en el
mar Caribe y Riohacha en La Guajira).
Respecto de la situación actual, la actividad eólica en Colombia se ha
manifestado en la instalación, en los últimos años, de dos grandes parques
eólicos en el departamento de La Guajira: el parque eólico Jepírachi, ubicado
en la alta Guajira, con 15 aerogeneradores, inaugurado en el año 2003, y el
parque eólico Wayúu, ubicado entre el Cabo de la Vela y en Puerto Bolívar
con capacidad para 20 MW. Jepírachi está conformado por 15 aerogeneradores de 1,3 MW cada uno, para un total de 19,5 MW de capacidad instalada.
Los aerogeneradores están compuestos por un rotor de 60 m de diámetro
y una torre de 60 m de altura. El parque eólico Jepírachi puede ser monitoreado y operado vía satélite, en tiempo real, desde el Centro de Control
Generación Energía de Empresas Públicas de Medellín. Las características
técnicas del parque Wayúu son similares a las del parque eólico de Jepírachi.
Este parque quedó registrado como adherido al acuerdo de Mecanismo de
Desarrollo Limpio.
10.13.3 ARGENTINA
El potencial eólico de Argentina es muy elevado; cerca del 70% de su territorio tiene vientos cuya velocidad media anual, medida a 50 m de altura
sobre el nivel del suelo, supera los 6 m/s. La costa atlántica de la provincia
de Buenos Aires tiene vientos similares a los de las costas del Báltico y del
mar del Norte, superiores a los 7 m/s. Vastas zonas en la Patagonia media y
sur cuentan con velocidades promedio que superan los 9 m/s y hasta 12 m/s.
Sus vientos son casi permanentes y es una de las regiones de mayor potencial
eólico del planeta, gracias a la dirección, constancia y velocidad del viento.
Existen también otras regiones en Argentina con vientos de intensidades medias entre 7 y 10 m/s, no sólo en la costa atlántica de la provincia de Buenos
Aires sino también en varias provincias centrales.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
448
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
La situación actual de la energía eólica, según la Asociación Argentina de Energía Eólica, es que el país contaba con sólo 30 MW instalados principalmente por cooperativas eléctricas entre 1994 y 2002, aunque este valor
ha crecido en los últimos años, de acuerdo al GWEC, a 167 MW en 2012. Casi
todos los parques en operación abastecen a una red local cautiva de usuarios
clientes de cooperativas, como distribuidoras locales; los excedentes de energía se envían a la red eléctrica. En la mayoría de los casos, el precio de venta
de estas cooperativas a sus clientes supera el costo de generación. La Tabla
10.9 contiene datos nominales de los parques eólicos.
TABLA 10.9. POTENCIA INSTALADA DE PARQUES EÓLICOS EN ARGENTINA
Nombre del
parque
Lugar
Potencia
MW
Operador
Pehuen Co.
Prov. de
Buenos Aires
0,4
Coop. Eléct. Punta
Alta
Mayor Buratovich
Prov. de
Buenos Aires
1,2
Coop. Eléct. M.
Burate.
Darregueira
Prov. de
Buenos Aires
0,75
Celda Cooperativa
Punta Alta
Prov. de
Buenos Aires
0,6
Coop. Eléct. Pta. Alta
Claromeco
Prov. de
Buenos Aires
0,75
Coop. Eléct.
Claromeco
Tandil
Prov. de
Buenos Aires
0,8
Cretal Cooperativa
Comodoro Rivadavia
Chubut
6,0
SCPL Com. Rivadavia
Comodoro Rivadavia
Chubut
10,56
SCPL Com. Rivadavia
Comodoro Rivadavia
Chubut
0,6
Pecorsa
Rada Tilly
Chubut
0,4
Coagua Cooperativa
Cutral
Neuquén
0,4
Copelco Cooperativa
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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10.13POTENCIAL
10.13
POTENCIAL
YESTADO
Y ESTADO
ACTUAL
ACTUAL
DELAENERGÍA
DE LAEÓLICA
ENERGÍA
ENPAÍSES
EÓLICA
LATINOAMERICANOS
...
449
Nombre del
parque
Lugar
Potencia
MW
Operador
Pico Truncado
Santa Cruz
2,4
Municipalidad Sta.
Cruz
General Acha
La Pampa
1,8
Cosega Ltda.
Total
26,56
Fuente: Asociación Argentina de Energía Eólica (www.argentinaeolica.org.ar)
Según los valores nominales de la Tabla 10.9, se observa que la mayor
capacidad de generación eoloeléctrica instalada está en Chubut.
10.13.4. CHILE
Para evaluar el potencial eólico del país, la Comisión Nacional de Energía
(CNE) realizó el estudio Mejoría del conocimiento del recurso eólico en el
norte y centro del país, el cual actualizó el estudio sobre recopilación y análisis de información meteorológica de superficie para las regiones III, IV y
V del país y desarrolló una evaluación preliminar del potencial eólico entre
las regiones I y IX, basada en el reprocesamiento de resultados disponibles
de modelos meteorológicos de mesoescala. Dado que las observaciones recopiladas no fueron obtenidas con fines de prospección eólica, los resultados
de este estudio deben ser usados con precaución. Por otra parte, el National
Renewable Energy Laboratory de EE.UU. desarrolló para la CNE un mapa
preliminar del potencial eólico del archipiélago de Chile orientado a la evaluación del recurso para aplicaciones rurales no conectadas a red. Este mapa
ha permitido elaborar una cartera de proyectos híbridos eólico-diesel para
abastecer a más de 3100 familias distribuidas en 32 islas del archipiélago. A
pesar de la escasa información disponible sobre el potencial explotable del
recurso, y dadas las características geográficas de Chile, es posible identificar
zonas que pueden contar con niveles de viento que permitan su aprovechamiento con fines de generación eléctrica. Entre ellas están:
– Zona de Calama en la II Región y, eventualmente, otras zonas
altiplánicas.
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450
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
– Sector costero y zonas de cerros de la IV Región y, eventualmente, de
las otras regiones del norte del país.
– Puntas que penetran al océano en la costa de la zona norte y central.
– Islas esporádicas.
– Zonas costeras abiertas al océano y zonas abiertas hacia las pampas
patagónicas en las regiones XI y XII; estas últimas han demostrado
tener un excelente recurso eólico.
La situación actual de la energía eólica en el país proviene de estimular las ERNC en el país mediante la promulgación de la Ley 20 257 en
el año 2008 que fomenta estas energías. Se comenzaron a desarrollar diversos proyectos eólicos, concentrados principalmente en la zona centro-norte.
Como resultado se observa en la Tabla 10.10 que en la actualidad hay 174 MW
de capacidad instalada en operación.
TABLA 10.10. PARQUES EÓLICOS EN OPERACIÓN EN CHILE, 2010
Región
del país
Nombre del
parque
Número de
aerogeneradores
Potencia
total, MW
IV
Canela I
11
19
IV
Canela II
40
60
IV
Totoral
23
46
IV
Monte Redondo
19
38
VIII
Cristoro
5
9
XI
Alto Baguales
3
2
101
174
Total
Fuente: Comisión Nacional de Energía (www.cne.cl)
De la Tabla 10.10 se deduce que las mayores potencias individuales de
los aerogeneradores instalados son las de los situados en Totoral y Monte Redondo con 2 MW. Como información adicional a la de esta tabla cabe mencionar que el parque Alto Baguales comenzó a funcionar en noviembre del año
2001; Monte Redondo y Totoral lo hicieron en diciembre de 2009.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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EJERCICIOS Y PREGUNTAS
451
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
10.1. a) Calcular la potencia del viento por unidad de superficie cuando sopla
a una velocidad de 10 m/s, sabiendo que la densidad del aire es de 1,225
Kg/m3. b) ¿Con qué velocidad debe soplar el viento para poder obtener
una potencia de 2000 W/m2? Si la velocidad del viento se redujese en
un 10%, ¿en qué porcentaje se reduciría la potencia?
10.2. Un aerogenerador sitúa sus palas a una altura de 35 m, donde el viento
sopla con una velocidad media de 45 Km/h. El radio de las palas es de 7
m y la eficiencia de conversión es 40%. Calcular: a) La potencia generada si las palas tienen un radio de 5 m. b) El radio de las palas necesario
para generar una potencia de 50 KW. Densidad aire 1,225 Kg/m3.
10.3. Determinar la energía diaria que produce un aerogenerador sobre el
que actúa un viento de 50 Km/h en sus palas de 4 m de radio. Considerar que la densidad del viento es 0,928 Kg/m3, la eficiencia de conversión del viento es 0,4 y el rendimiento aerodinámico es 80%.
10.4. a) Un aerogenerador de 50 m de altitud, tiene un rotor cuyo diámetro
es 50 m y una eficiencia de conversión de viento de 25%. El equipo opera en un área con una densidad de potencia de 500 W/m2 a una altura
de 50 m. ¿Cuánta energía eléctrica, expresada en KW·h, generará en un
año? b) Los avances tecnológicos posibilitarán que se pueda aprovechar la energía eólica a partir de 300 W/m2 a 50 m de altura. Suponga
que en un cuarto de la superficie de la región o provincia donde usted
vive se instalan parques eólicos donde pueden operar 6 aerogeneradores por kilómetro cuadrado. ¿Cuánta electricidad se podrá generar en
estas condiciones? Asumir la misma eficiencia de conversión que a).
10.5. En un parque eólico se han instalado 40 turbinas de viento. Suponiendo que hubiese un viento de 50 Km/h o mayor, durante 180 días al año
y que el diámetro de las palas de cada turbina de viento fuera 63 m,
determinar: a) Potencia del viento. b) Potencia absorbida por cada uno
de los aerogeneradores si su eficiencia es 0,9. c) Energía generada por
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
452
10 LA ATMÓSFERA Y LA ENERGÍA EÓLICA
cada aerogenerador al año. d) Tiempo que se tarda en amortizar cada
aerogenerador sabiendo que cada uno ha costado US$ 800 000. Cada
KW·h de energía eléctrica vale US$ 0,10. e) Energía total generada al
año en el parque eólico.
10.6. ¿Qué factores meteorológicos intervienen en la generación de energía
eólica?
10.7. Describa las principales causas y el efecto que produce el cambio climático sobre la Tierra.
10.8. Explique el efecto que tienen las corrientes oceánicas sobre el clima.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11
LA HIDRÓSFERA Y LA
ENERGÍA HIDRÁULICA
11.1 LA HIDRÓSFERA
La hidrósfera (del griego hidros, agua) comprende toda el agua contenida en
el planeta Tierra en sus diferentes estados físicos: sólida: casquetes polares,
témpanos de hielo, hielos superficiales (permafrost); líquida: ríos, mares,
océanos y otros cuerpos de agua superficial y subterráneo; gaseosa: vapor
de agua contenido en la atmósfera. El volumen de aguas subterráneas, ocluidas en rocas porosas, es mayor al volumen de lagos y ríos. Si toda el agua
se repartiese uniformemente por todo el planeta, representaría una capa de
3 Km de espesor. Se estima que el contenido total de agua del planeta es
aproximadamente 1,4×1021 L. La cantidad de agua de la hidrósfera se puede
considerar constante. El agua que sale del interior de la Tierra por fuentes
termales o en erupciones volcánicas se compensa con el agua que entra al
interior de la litósfera.
Alrededor del 75% de la superficie de la Tierra está cubierto por agua y
en su mayoría (97%) es agua salada de mares y océanos y aproximadamente
un 3% es agua “dulce”, no salada, la que se encuentra en los continentes,
tanto de manera superficial como subterránea, y una pequeña parte en la atmósfera y en la biósfera. Del 3% de agua dulce, aproximadamente el 98% está
congelada, por lo que su acceso viene a ser un 0,06% de toda el agua del planeta. El agua sólida no sólo se haya en los polos, sino también en las montañas
altas, cuya cantidad varía en verano, cuando disminuye, o en invierno, cuando aumenta. La atmósfera también tiene agua en estado sólido, como nieve o
hielo, cuando nieva o graniza. La mayor parte del agua de la hidrósfera está
en estado líquido, agua que forma los mares y océanos, pero también los ríos
y lagos. El líquido es el estado más importante ya que sus aplicaciones son,
casi siempre, en éste. En la atmósfera, las nubes están formadas por agua
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
454
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
líquida o sólida. El aire de la atmósfera contiene aproximadamente un 4% de
agua en forma de vapor. Este vapor de agua es transparente e invisible y es
el responsable de la humedad del aire. Las nubes son agua líquida o sólida y
se forman por condensación y solidificación del vapor al enfriarse el aire y es
esta agua condensada la que hace visible las nubes.
La Tierra es el único planeta del sistema solar que tiene agua líquida.
Otros planetas también tienen agua pero, por ejemplo, en Venus toda el agua
está en forma de vapor y en Marte sólo hay hielo. Cuando la Tierra se formó,
la actividad de los volcanes era muy intensa y arrojó grandes cantidades de
vapor de agua a la atmósfera. Después, cuando la Tierra se enfrió, ese vapor
se condensó y se formaron los océanos. En principio, el agua condensada no
tenía sales disueltas, pero con el tiempo se transformaron en aguas saladas
debido a la solubilización que el agua de los ríos ejerce sobre la superficie de
la tierra. De esta manera la sal de los océanos y mares procede de los ríos, que
llevan sal disuelta al mar.
11.1.1 PROPIEDADES DEL AGUA Y SU IMPORTANCIA EN LA NATURALEZA
La gran mayoría de los procesos químicos que suceden en la naturaleza, no
sólo en organismos vivos sino también en la superficie de la tierra no intervenida por el hombre, así como los que se llevan a cabo en la industria, tienen
lugar entre sustancias disueltas en agua.
A temperatura ambiente, el agua pura es inodora, insípida e incolora,
aunque adquiere una leve tonalidad azul en grandes volúmenes, debido a la
refracción de la luz que la atraviesa, ya que absorbe con mayor facilidad las longitudes de onda larga (rojo, amarillo, naranja) que las longitudes de onda corta
(azul, violeta), desviando lentamente estas otras, provocando que en grandes
cantidades de agua esas ondas cortas se hagan apreciables. Para estudiar las
propiedades del agua es necesario recordar, previamente, su estructura.
11.1.1.1 ESTRUCTURA DEL AGUA
Estructuralmente, la molécula de agua está compuesta por dos átomos de
hidrógeno y un átomo de oxígeno, que representan tres puntos que definen
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11.1 LA HIDRÓSFERA
455
un plano y generan un dipolo, esto es, una molécula con cargas eléctricas
separadas, donde el oxígeno tiene carga negativa (δ-) y los átomos de hidrógeno, cargas positivas (δ+). El ángulo de los enlaces H—O—H es de 104,5°; la
longitud del enlace O—H es de 0,957 angstrom (1Å = 1,0 × 10-10 m); la energía
de enlace O—H es de 450 KJ/mol. La Figura 11.1 representa un modelo de la
estructura de la molécula de agua.
Átomo de
Oxígeno
Átomo de
Hidrógeno
Átomo de
Hidrógeno
104,5°
Figura 11.1. Modelo de la estructura de la molécula de agua
El momento dipolar (μ) es una característica de las moléculas polares y está relacionado con la fuerza de atracción entre dos átomos. Se define
como el producto vectorial de la carga eléctrica (q) por la distancia (r) entre
los centros de cargas, orientado desde el centro negativo al positivo. El momento dipolar se expresa en debyes (1D = 3,33564×10−30 C ∙ m) y el del agua
tiene el valor 1,85 D.
Los dipolos de la molécula de agua se atraen entre sí y forman uniones
denominadas “puentes de hidrógeno”. Puente de hidrógeno es una atracción
dipolo-dipolo en la cual la carga de cada polo de la molécula de agua está muy
concentrada porque se origina en átomos pequeños: hidrógeno y oxígeno. Algunos autores denominan esta atracción “enlace de hidrógeno” pero la palabra enlace implica energía de atracción considerablemente mayor, por lo que
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
456
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
en esta obra se prefiere el término puente de hidrógeno, que se representará
mediante línea de trazos (Figura 11.2).
H2O
Figura 11.2. Representación de los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua
La energía del puente de hidrógeno (H-O∙∙∙H) es de 21 KJ/mol, en
tanto que la energía del enlace covalente (H-O) es 366 KJ/mol, valores que
indican claramente que la unión puente de hidrógeno es muy débil. Los
puentes de hidrógeno son más fuertes en el agua en estado sólido, formando
una red cristalina en la que cada átomo de oxígeno está ubicado en el centro
de un tetraedro en cuyos vértices se encuentran átomos de hidrógeno (ver
Figura 11.2). Esta disposición hace que cada átomo de oxígeno esté rodeado
por cuatro átomos hidrógenos, de los cuales dos forman enlaces covalentes
O—H de 0,96 Å de longitud y dos forman puente de hidrógeno O∙∙∙H con las
moléculas vecinas y tienen una longitud de 1,77 Å. Esta red cristalina deja
mayores espacios entre las moléculas que en el agua líquida, la cual presenta
una estructura más desordenada y por ende con menos espacio entre sus
moléculas. Por esta razón la densidad del hielo es menor que la del agua
líquida.
Cuando el agua en estado de vapor de las nubes cambia de fase al estado sólido, se forma una red de estructura hexagonal que forma cristales de
diferentes morfologías, según sean las condiciones atmosféricas de presión
y temperatura, humedad, velocidad del viento, polvo en suspensión, entre
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11.1 LA HIDRÓSFERA
457
otros factores. Las formas de los cristales son diferentes, pero todos poseen
la estructura básica hexagonal. Los copos de nieve están formados por entre
2 y 200 cristales de hielo.
11.1.1.2 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA
Densidad: la densidad, o masa por unidad de volumen, de la mayoría
de las substancias en estado sólido es mayor que la densidad en su estado
líquido, contrariamente a lo que ocurre con el agua. Entre 0 °C y 4 °C la
densidad del agua líquida aumenta como consecuencia del paso de las
moléculas de la red cristalina a los huecos de ésta, en tanto sobre 4 °C la
densidad del líquido disminuye porque se expande por calefacción. Estos
dos procesos —ocupación de los huecos hexagonales y expansión térmica— actúan en sentido contrario. De O °C a 4 °C predomina el proceso
de ocupación de huecos y el agua se torna más densa. Sobre 4 °C predomina la expansión térmica con la consiguiente disminución de densidad.
La Tabla 11.1 muestra algunos valores de la densidad del agua a diversas
temperaturas.
TABLA 11.1. DENSIDAD DEL AGUA A DIVERSAS TEMPERATURAS
Temperatura
(°C)
0 (hielo)
0 (líquido)
4
20
40
60
80
100 (líquido)
100 (gas)
Densidad
(Kg/m3)
917,00
999,82
1000,0
998,29
992,25
983,13
971,60
958,05
0,60
Las variaciones de la densidad del agua con la temperatura tienen un
importante efecto en el medio ambiente. En cuerpos de agua, como un lago,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
458
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
el agua más densa a 4 °C desciende hasta el fondo mientras que el agua sobre
4 °C, menos densa, asciende a la parte superior y en climas muy fríos puede
congelarse de modo que el hielo, que tiene menor densidad, flota, formando
una capa aislante que evita que el agua inferior se congele. Cuando el agua se
congela en los intersticios de las rocas, la expansión del hielo que se produce
puede provocar su ruptura en trozos más pequeños. Este proceso a lo largo
de los años logra la formación de partículas y la consiguiente formación de
suelo fértil.
Viscosidad: es una medida de la resistencia a fluir que poseen los
líquidos, lo que significa que a mayor viscosidad un fluido escurre más lentamente. Para un fluido dado la viscosidad disminuye con un aumento de la
temperatura pues está directamente relacionada con las fuerzas de atracción
de las moléculas del fluido. La viscosidad se puede medir por medio de un
parámetro conocido como coeficiente de viscosidad o sólo viscosidad. El coeficiente de viscosidad dinámica (μ) en unidades del Sistema Internacional
(SI) es:
[μ] = [Pa∙s-1] = N∙m-2 = [Kg∙m-1∙s-1]
El agua tiene mayor viscosidad que otros líquidos debido a las fuerzas
de atracción intermoleculares más fuertes de los puentes de hidrógeno. La
viscosidad dinámica del agua es de 1,002∙10-3 [Pa∙s-1].
Tensión superficial: en un líquido, es la energía necesaria para aumentar su superficie en la unidad de área. A nivel molecular, las fuerzas de
atracción entre moléculas son diferentes en el interior del líquido y en la
superficie. Estas fuerzas de atracción de las moléculas de agua en la superficie se ven incrementadas por los puentes de hidrógeno que fuerzan a que
las moléculas de agua sean más atraídas hacia el interior de la masa líquida.
En cambio, en el interior del líquido, las fuerzas de atracción se anulan.
Los valores de la tensión superficial demuestran que las moléculas de la
superficie tienen una energía aproximadamente 25% mayor que las que se
encuentran en el interior del fluido. La tensión superficial se representa
con la letra griega γ, y sus unidades N/m o J•m-2. La tensión superficial del
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.1 LA HIDRÓSFERA
459
agua es 72,75•10-3 N/m. La alta tensión superficial del agua se manifiesta en
el fenómeno de la capilaridad que permite la ascensión de la savia en los
vegetales. La capilaridad es la subida espontánea de un líquido en un tubo
estrecho (tubo capilar). Se debe a dos tipos de fuerzas diferentes: cohesivas,
o fuerzas entre las moléculas del líquido, las que en el agua corresponden
a puentes de hidrógeno, y adhesivas, que son fuerzas de atracción entre
las moléculas del líquido y la pared del capilar, cuyo material posee enlaces polares como los que posee el vidrio. Cuando las fuerzas adhesivas son
mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cóncavo, como
en el caso de vidrio y agua. Por otra parte, cuando las fuerzas cohesivas son
superiores a las adhesivas, el menisco es convexo, como en el caso de mercurio líquido en vidrio.
Transparencia: es una propiedad óptica que influye en la penetración de la luz hacia el interior de la masa de agua. La luz es el factor requerido
para que se efectúe el proceso de fotosíntesis del fitoplancton y de las plantas acuáticas. Cuando un cuerpo de agua recibe radiación solar ésta penetra
hasta cierta profundidad, dependiendo de los materiales en suspensión que
existan y del ángulo de incidencia del rayo luminoso. Parte de la luz que penetra en el agua es absorbida selectivamente, de modo que algunas longitudes
de onda penetran más profundamente que otras. Al incidir la luz sobre la
superficie del agua, otra parte de ella es desviada o reflejada. Las condiciones
ópticas de las aguas son fundamentales para la mantención de la vida acuática y de la productividad biológica.
Poder disolvente: la polaridad de la molécula de agua le permite
disolver muchos compuestos sólidos, líquidos y gaseosos. Desde el punto
de vista energético de la solución (mezcla de una substancia que se disuelve —soluto— y otra substancia —solvente— en la cual el soluto se disuelve,
formando una sola fase homogénea) se requiere que la energía de atracción
entre las moléculas de soluto y solvente sea mayor que la suma de las energías entre soluto-soluto y solvente-solvente.
El agua es capaz de disolver compuestos iónicos como el cloruro de
sodio y compuestos no iónicos como los alcoholes. El proceso de disolución
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
460
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
de un sólido iónico pasa por una disociación de los iones positivos y negativos, los cuales son atraídos hacia los polos (negativo y positivo) del dipolo
de la molécula de agua respectivamente. Este proceso de atracción en el
que las moléculas de agua rodean los iones se denomina hidratación, de
manera que éstos quedan separados entre sí. Se produce porque la energía
de las uniones ion-dipolo es mayor que la suma de las energías de enlace
iónico y dipolo-dipolo. La disolución de compuestos no iónicos con moléculas que forman dipolos a través de puentes de hidrógeno, como es el caso
de la disolución de compuestos como alcoholes de bajo peso molecular y
proteínas de alto peso molecular que poseen el grupo polar amídico (-CONH-). Compuestos inorgánicos no iónicos como las arcillas, que poseen
cargas negativas en la superficie de sus partículas, pueden ser rodeados
por el polo positivo de moléculas de agua, disgregándose sin decantarse ni
aglomerarse debido a las interacciones dipolo-dipolo con las moléculas de
agua.
La solubilización de algunos gases en el agua es indispensable para la
vida de los ecosistemas acuáticos. En ellos se encuentran diversos gases disueltos que participan en procesos biológicos. El origen y el comportamiento
físico-químico de los gases varían. Los más importantes son los del oxígeno,
dióxido de carbono, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, amoníaco y metano, los
cuales son componentes de la atmósfera. Otras fuentes de origen de algunos
gases disueltos en el agua son los procesos catabólicos como la respiración
aerobia y anaerobia y, en menor escala, la fermentación. El oxígeno es producido en el proceso de fotosíntesis de plantas, algas y cianobacterias. El medio
ambiente acuático produce metano, que proviene de la digestión anaerobia
de materia orgánica presente en el cuerpo acuático, y sulfuro de hidrógeno y
amoníaco.
En general, la cantidad de gas que se disuelve en un líquido depende de
la presión externa y de la temperatura del líquido. Según la ley de Henry,
“la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión que ejerce
el gas sobre el líquido”, y se representa por:
C=k∙P
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
[11.1]
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11.1 LA HIDRÓSFERA
461
donde: C = concentración molar del gas en el líquido; k = factor de solubilidad del gas, constante a una temperatura dada; P = presión del gas. Para un
cuerpo acuático, P es la presión atmosférica.
La mayoría de los gases obedecen la ley de Henry, tal como el oxígeno
en agua. No obstante, si el gas reacciona con agua resultan solubilidades y
concentraciones mayores a la que predice dicha ley. El dióxido de carbono,
por ejemplo, reacciona con agua y forma ácido carbónico (H2CO3) según la
ecuación:
CO2 + H2O →
H2CO3
[11.2]
Esto trae como consecuencia que la cantidad de dióxido de carbono en
el agua sea mayor que la pronosticada por la ley de Henry, ya que este compuesto se encuentra disuelto y en forma combinada con el agua, formando el
ácido carbónico (H2CO3).
Otros factores que influyen en la solubilidad de gases en el agua son
altura, temperatura y salinidad. Al aumentar la altura del gas con respecto a
la cual se encuentra el cuerpo de agua, la presión atmosférica disminuye, por
lo que la cantidad de gas disuelto en equilibrio el aire también disminuye. La
temperatura tiene a su vez un efecto importante en la solubilidad de un gas
en el agua, pues si la presión parcial del gas es constante, la concentración
de gas disuelto disminuye al aumentar la temperatura. El aumento de sales
disueltas en el agua, como el agua de mar, disminuye la solubilidad de gases
en ella.
Ósmosis es un fenómeno físico-químico de “difusión de moléculas de
solvente que ocurre cuando dos soluciones de distinta concentración están
en contacto por medio de una membrana semipermeable”. Una membrana semipermeable es aquella membrana sintética, animal o vegetal que el
agua puede penetrar y traspasar con mayor facilidad que los solutos, esto es,
que deja permear las moléculas pequeñas de agua y no las grandes, de soluto.
El desplazamiento de agua se realiza desde un punto de menor concentración
de solutos a uno de mayor concentración de solutos para igualar concentraciones (Figura 11.3).
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462
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Membrana semipermeable
BAJA
CONCENTRACIÓN
Medio hipotónico
Presión osmótica baja
Membrana semipermeable
ALTA
CONCENTRACIÓN
Medio hipertónico
Presión osmótica alta
Medios istónico
igual Presión osmótica
Figura 11.3. Proceso de ósmosis
La ósmosis es un proceso de transporte de materia natural que ocurre
en las células de todos los seres vivos y varía según el medio en que se encuentre la célula. La función de la ósmosis es mantener hidratada a la célula
al inducir que el agua fluya por difusión desde zonas con baja concentración
de sales a zonas donde se encuentran con alta concentración a través de la
membrana de la célula. Dicho proceso no requiere gasto de energía. Si se disuelve azúcar en agua y se pone en contacto con agua pura separada por una
membrana semipermeable (Figura 11.3), las moléculas de agua pasan hacia
la solución. El paso del agua hacia la solución se detiene cuando la presión
de vapor sobre el agua es igual a la presión de vapor sobre la solución y se
denomina presión osmótica (π). Se define como:
π = p – po
[11.3]
donde: p = presión de vapor de la solución; po = presión de vapor sobre el
agua pura.
La presión osmótica se puede calcular mediante la ecuación:
π = nB ∙ R ∙ T / V
donde:
[11.4]
nB = número de moles de soluto; R = constante de los gases idea-
les (0,082 L∙atm/K∙mol), T = temperatura absoluta (K); V = volumen de
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11.1 LA HIDRÓSFERA
463
solvente. Expresión válida para soluciones muy diluidas, aunque en general
es aplicable a soluciones moderadamente diluidas.
Calor específico: se conoce también como capacidad calórica (Cp),
que es “la energía térmica necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de
1 g de una substancia”. En la sección 5.1.2 se afirmó que el calor específico del agua es 4,18 J/g ∙ °C, valor que es el más alto de todos los sólidos y
líquidos, con la excepción del NH3 líquido. Esta propiedad se debe a que
se requiere más energía para romper los puentes de hidrógeno y cambiar
la estructura del agua. Por esta razón el agua tiene una capacidad térmica
amortiguadora que actúa como un amortiguador climático por su propiedad de almacenar y transportar calor. Así, por ejemplo, las áreas cercanas
a las costas tienen temperaturas menos extremas que las de zonas interiores. Cuando baja la temperatura de la atmósfera por ausencia de radiación
solar el agua marina libera calor al ambiente, por lo que en la noche se
siente menos frío en la cercanía del mar que en el interior del territorio.
El agua del mar tiene una alta capacidad de absorber calor de la atmósfera, por lo que con alta exposición solar se siente menos calor. También
esta propiedad es fundamental para los seres vivos, ya que gracias a ella el
agua amortigua el efecto de los cambios bruscos de temperatura, actuando
como un excelente regulador térmico. Además, ayuda a regular la temperatura de los animales y las células permitiendo que el citoplasma acuoso
sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la
temperatura constante.
11.1.2 CICLO HIDROLÓGICO Y PRECIPITACIONES
Los diferentes depósitos de la hidrósfera están conectados y el agua fluye a
través de ellos, configurando un ciclo prácticamente cerrado, que se mantiene
en funcionamiento gracias al aporte de energía solar y a la fuerza gravitatoria.
11.1.2.1 CICLO HIDROLÓGICO EXTERNO E INTERNO
El agua circula permanentemente tanto de un lugar a otro, al igual que de un
estado físico a otro, en una sucesión cíclica de procesos; por ello se considera
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464
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
la hidrósfera como un sistema dinámico con continuos movimientos y cambios de estado, que regula el clima, participa en el modelado del relieve y hace
posible la vida sobre la Tierra. El “proceso de circulación del agua entre los
distintos compartimentos de la hidrósfera” se denomina ciclo hidrológico
externo del agua (Figura 11.4), que implica transferencia de masas de agua,
de forma continua, en diferentes fases. La radiación solar y la gravedad son
los dos factores principales que producen este flujo continuo del agua en el
planeta. Este ciclo es uno de los principales temas que aborda la hidrología,
una rama de las ciencias de la Tierra dedicada al “estudio de la distribución,
espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmósfera y en
la corteza terrestre”.
El llamado ciclo hidrológico interno del agua se refiere al movimiento del agua de origen magmático que ascendió desde el interior de la
Tierra para integrar la hidrósfera por vez primera —agua juvenil—, expulsada del manto de la geósfera, debido al calor, por la actividad de volcanes
en dorsales oceánicas, cordilleras submarinas de gran extensión, y fracturas. El agua juvenil en parte se mezcla con el agua externa y otra parte
vuelve a introducirse en las zonas de subducción (sección 13.2), zonas de
hundimiento o desplazamiento de placas litosféricas (sección 13.2) del manto
terrestre.
11.1.2.2 FASES DEL CICLO HIDROLÓGICO
El ciclo se inicia desde el agua atmosférica en estado vapor, proveniente principalmente de la evaporación del agua de lagos, mares y océanos. El vapor de
agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera,
donde al enfriarse se produce la condensación en forma de pequeñas gotas de
agua formando nubes. La condensación se produce cuando el aire se encuentra saturado de humedad, pero además se requiere la existencia de núcleos de
condensación, partículas muy pequeñas de líquidos o sólidas sobre las cuales
se produce dicho fenómeno. Cuando una masa de aire contiene la máxima
cantidad de vapor de agua admisible a una determinada temperatura, es decir, que la humedad relativa llega al cien por ciento, el aire está saturado.
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11.1 LA HIDRÓSFERA
465
La saturación, como se dijo previamente, se produce por enfriamiento del
aire, el cual se satura con menor cantidad de vapor de agua que el aire caliente. Si una masa de aire se enfría lo suficiente, alcanza una temperatura
llamada punto de rocío, por debajo de la cual no puede mantener toda su
humedad en estado de vapor y éste se condensa, convirtiéndose en líquido,
en forma de gotitas de agua. Si la temperatura es lo suficiente baja se originan
cristales de hielo.
Las raíces de las plantas absorben el agua, que por capilaridad sube
hacia los tallos o troncos, transportando los nutrientes que requiere; en
las hojas y flores el agua se evapora hacia el aire, fenómeno que se denomina transpiración, y pasa a aumentar el vapor de la atmósfera. Cuando las partículas de agua de las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1
mm comienzan a formarse gotas y por gravedad se produce la precipitación, principalmente en forma líquida (lluvia) o sólida (granizo y especialmente nieve). Parte del agua que se precipita se evapora y otra parte
no llega a la superficie del terreno por retención debido a la intercepción de la vegetación, edificaciones, carreteras, etcétera, y luego vuelve
nuevamente a la atmósfera como vapor. Una parte del agua que alcanza
la superficie del terreno es almacenada parcialmente en pozas, embalses,
lagos y en irregularidades del terreno y gran parte regresa a la atmósfera
en forma de vapor. Otra parte del agua que cae circula sobre la superficie
del terreno, formando pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en
arroyos y van a desaguar en los ríos. Este proceso se denomina escorrentía superficial. El agua de escorrentía finalmente vuelve a lagos o al mar,
donde una parte se infiltra en el terreno y otra se evapora. También una
parte del agua precipitada penetra o se infiltra en las capas superficiales
del suelo y parte se resume en el terreno —infiltración—, donde es almacenada como agua freática o subterránea en los poros y fisuras de las
rocas y partículas —zona de saturación—. Esta agua, al igual que el
agua superficial, fluye y se dispersa en corrientes y lagos, o aflora como
manantiales en escorrentía subterránea, o descarga directamente en
el mar u otras grandes superficies de agua, cerrándose así el ciclo hidrológico (Figura 11.4). Parte del agua subterránea puede volver a la atmósfera
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466
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
por evapotranspiración: pérdida de humedad de una superficie por evaporación y por transpiración de los vegetales. Parte del agua infiltrada no
alcanza la zona de saturación y queda en poros y fisuras superiores del terreno, donde se evapora y vuelve a la atmósfera. El tiempo de residencia
medio, o tasa de renovación del agua, es diferente en las distintas fases del
ciclo. Así, por ejemplo, el agua de la superficie se renueva cada 10 a 120 días;
el vapor atmosférico, alrededor de cada 10 a 12 días; en cambio, el agua
oceánica lo hace cada 3000 años.
Masas de aire que se
mueven hacia el continente
Precipitación
Condensación
Precipitación
Evapotranspiración
Evaporación
Escorrentía
superficial
Glaciar
Río
Lago
Océano
Escorrentía subterránea
Figura 11.4. Ciclo hidrológico del agua
11.1.2.3 ALTERACIONES DEL CICLO HIDROLÓGICO
El ciclo hidrológico, además de transferir vapor de agua desde la superficie de la Tierra a la atmósfera, contribuye a reducir la temperatura de la
superficie de la Tierra y a calentar la atmósfera, lo que permite suavizar
las temperaturas y precipitaciones de diferentes zonas del planeta. El ciclo hidrológico es un proceso continuo pero irregular en el espacio y en el
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11.1 LA HIDRÓSFERA
467
tiempo. En una región dada, la acción del hombre en cualquier parte del
ciclo produce una alteración en todo el ciclo. Algunas de estas acciones son:
desecar zonas pantanosas, modificar el régimen de los ríos, construir embalses, retirar grandes cantidades de agua dulce de corrientes, lagos y acuíferos, a veces agotando la capa freática, o produciendo la intrusión de agua
de mar en las napas subterráneas. La tala de la vegetación de la tierra para
obtener campos agrícolas o para establecer faenas mineras, construir caminos, ciudades, etcétera introduce, de manera gradual, cambios importantes
en el ciclo hidrológico de la región circundante, reduciendo la infiltración
hacia las reservas freáticas, con efectos negativos sobre el medio tales como
riesgo de inundaciones o aumento del escurrimiento superficial, con la consiguiente erosión del suelo.
11.1.2.4 PRECIPITACIONES
La precipitación es cualquier producto de la condensación del vapor de
agua atmosférico que se deposita en la superficie de la Tierra. Es el principal
componente del ciclo hidrológico, responsable de depositar la mayor parte
del agua dulce en el planeta. Ocurre cuando el aire atmosférico se satura con
el vapor de agua, por lo que el agua se condensa y precipita por gravedad. Por
su cuenta, el aire se satura por enfriamiento y/o aumento de su humedad.
La precipitación que alcanza la superficie de la tierra puede producirse en
muchas formas diferentes: lluvia, lluvia congelada, llovizna, nieve, aguanieve
y granizo.
La lluvia, según la forma e intensidad, recibe varios nombres y está
afectada por diversas circunstancias y fenómenos físicos y geográficos. Se
denomina lluvia a “la precipitación continua, regular y cuyas gotas poseen
un diámetro superior a 0,5 mm”. Cuando las gotas que caen son menudas,
con un diámetro inferior al citado, y se presentan de forma pulverizada y
flotando en el aire, se conoce como llovizna. Se denomina chubasco,
chaparrón o aguacero si cae de golpe, con intensidad, y por poco tiempo, como cuando ocurre en el verano y en climas tropicales. Si la lluvia es
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468
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
tan violenta y abundante que provoca riadas e inundaciones se denomina
tromba.
Las precipitaciones pueden clasificarse según su génesis. Por lo general
las precipitaciones suelen ser de tipo frontal, convectivo u orográfico. La precipitación frontal ocurre cuando dos masas de aire de distintas presiones
chocan una con la otra. La precipitación convectiva es la formación de
lluvia a partir de la evaporación de grandes cantidades de agua. Este tipo de
precipitación es muy común en los lugares cercanos a las costas. La precipitación orográfica se genera durante el ascenso de una nube sobre un
relieve como lo son las montañas y la cordillera. Esto ocurre porque el vapor
de agua se eleva demasiado y su temperatura baja lo suficiente como para
precipitar en forma líquida.
Las precipitaciones se miden mediante el pluviómetro o un nivómetro. El pluviómetro es un cilindro vertical abierto en su parte superior
para permitir la entrada de la lluvia y calibrado en milímetros o pulgadas,
de modo que mide la profundidad total de la lluvia caída. Por su cuenta, el
nivómetro es también un cilindro que se hinca en la nieve para obtener una
muestra. Después que la nieve se funde, se mide la profundidad equivalente
de agua, permitiendo con ello que su medición sea compatible con la de las
precipitaciones.
11.1.2.5 BALANCE HÍDRICO
El balance hídrico general es la relación entre las entradas, debidas a las
precipitaciones, y las salidas, debidas a las evapotranspiraciones y las escorrentías subterráneas y superficiales. En los océanos, las pérdidas por evaporación superan a las precipitaciones y se obtiene un balance negativo; por
el contrario, sobre los continentes las precipitaciones superan a las pérdidas
por evapotranspiración e infiltración y este excedente es igual a la cantidad
de agua que forma la escorrentía superficial o subterránea y fluye de los continentes a los océanos. De esta manera se puede calcular desde el balance
global del planeta (Figura 11.5) hasta el balance de una cuenca hidrográfica
por muy pequeña que sea.
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11.1 LA HIDRÓSFERA
469
Agua en estado gaseoso
Agua que se intercambia en nuestro planeta
Agua en estado sólido y líquido
(en billones de m3 por año)
EVAPORACIÓN
361
EVAPORACIÓN y
TRANSPIRACIÓN
ATMÓSFERA
62
PRECIPITACIÓN
99
PRECIPITACIÓN
324
SUELOS
OCÉANOS
ESCURRIMIENTO
DEL AGUA
SUBTERRÁNEA
37
Contenido de agua
(en billones de m3)
Atmósfera: 13
Océanos: 1 350 000
Suelos: 33 600
Figura 11.5. Balance hídrico general de la Tierra
El balance hídrico específico se refiere a una cuenca hidrográfica
(sección 11.2). Es el análisis de la distribución de los distintos componentes
del ciclo hidrológico en dicha cuenca o cuencas hidrográficas al cabo de cierto
tiempo, normalmente un año. El período de tiempo considerado es el año
hidrológico, que comprende los doce meses siguientes a la época en que las
precipitaciones y el almacenamiento de agua son mínimos. Ordinariamente
se cumple que las entradas de agua en la cuenca son iguales a las salidas. Las
primeras, en el caso más sencillo, se deben a la precipitación (P), mientras
que las salidas se producen por evapotranspiración (ET) y por escorrentía
(E), tanto superficial como subterránea:
P = ET + E
[11.5]
Los resultados de los balances se suelen expresar en términos relativos, como porcentajes de la precipitación. El cálculo de la precipitación caída
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470
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
sobre una cierta área se realiza a partir de los datos recogidos en estaciones
meteorológicas. Conviene tener en consideración dos aspectos fundamentales en el manejo de los datos de precipitación:
a) El reparto espacial de la lluvia, la cual presenta notables diferencias
incluso en distancias cortas, de manera que las medidas de las estaciones pluviométricas no necesariamente pueden ser extrapoladas
sin error a áreas extensas. Por lo tanto, hay que disponer del máximo número posible de estaciones pluviométricas.
b) Tanto la duración como intensidad de la precipitación ocurren de
manera muy diferente. Con frecuencia se trabaja con datos anuales
o mensuales, que son la suma de diversos acontecimientos lluviosos
de muy diferente intensidad y duración. En consecuencia, debe tenerse presente que esta consideración es una simplificación de una
realidad compleja.
11.1.3 DISTRIBUCIÓN Y CALIDAD DEL AGUA EN LA HIDRÓSFERA
El agua de la hidrósfera está distribuida principalmente en los océanos en
forma de agua salada y en los lagos, glaciares, aguas subterráneas, ríos y
otros espacios situados en los continentes en forma de agua dulce. La Tabla
11.2 da cuenta de las diferentes fuentes donde se encuentra el agua de la
Tierra.
TABLA 11.2. DISTRIBUCIÓN DEL AGUA EN LAS DIFERENTES FUENTES
NATURALES
Fuente
Volumen
(103 Km3)
% Agua total
Agua salada
Océanos
Agua subterránea salina
Lagos salinos
Total agua salada
1 338 000
96,54
12 870
0,93
85
0,006
1 350 955
97,476
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11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
471
Volumen
(103 Km3)
% Agua total
Glaciares, nieve
permanente
24 064
1,74
Agua subterránea
10 530
0,76
300
0,022
91
0,007
Humedad de suelo
16,50
0,001
Vapor atmosférico
12,90
0,001
Humedales y marismas
11,15
0,001
Ríos
2,12
0,0002
Incorporada en la biota
1,12
0,0001
Total agua dulce
35 029
2,5323
Total agua en el
planeta
1 385 984
Fuente
Agua dulce
Hielos superficiales
Lagos
100
La Tabla 11.2 muestra que prácticamente el 97 % del agua de la hidrósfera está en los océanos, o mejor, en el océano pues éste es uno solo, dado que
todos los océanos del planeta esta comunicados entre sí. Por otra parte, esta
Tabla indica que el agua dulce está básicamente en los continentes, hecho
que permite denominar a las aguas dulces como aguas continentales.
11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
El agua dulce accesible para la humanidad representa una pequeña parte de
la hidrósfera, y de ella una ínfima parte es la que se consigue captar, por eso el
término más preciso para evaluar la disponibilidad del agua es el de recursos hídricos renovables, que se refiere a “la cantidad de aguas dulces superficiales y subterráneas de una determinada zona geográfica, normalmente
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
472
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
una cuenca hidrográfica o un país, que se renuevan anualmente”. Se depende
del agua, no sólo para el consumo doméstico, que supone un 10% del consumo total de agua, sino también para diversas actividades como la agricultura que implican aproximadamente un 70% del consumo y para la industria,
con 20% del consumo total. En teoría, la cantidad de agua disponible sobre
la Tierra es capaz de mantener a una población de unos 20 000 millones de
personas pero, a pesar de ser un recurso renovable, es un recurso limitado
por varias razones: a) La cantidad de agua disponible está condicionada por
su desigual distribución en el espacio y en el tiempo. b) El aumento de consumo de agua, debido al aumento de población y a la mayor demanda en la
agricultura, ganadería e industria, ha llevado a su sobreexplotación, que reduce las reservas de agua, fundamentalmente de los acuíferos subterráneos.
c) La pérdida de la calidad del agua por la contaminación hace disminuir los
recursos hídricos disponibles.
Una cuenca hidrográfica es “una región, o área geográfica, delimitada por montañas o elevaciones, que capta aguas que van al mar a través de
un único río, o que vierte sus aguas a un único lago, sin salida al mar”. Una
cuenca hidrológica “se refiere a captaciones, o drenajes, superficiales y
subterráneos”. Las cuencas hidrográficas sirven muy especialmente para regular el uso del recurso hídrico a través de las líneas que unen las cumbres de
las montañas. Estas líneas se denominan divisorias de las aguas.
11.2.1 AGUAS SUPERFICIALES
Se entiende por aguas superficiales todos los cuerpos de agua que se encuentran sobre la superficie de los continentes tales como: ríos, lagos, lagunas,
embalses, humedales, marismas, pantanos y glaciares.
11.2.1.1 RÍOS
Los ríos son corrientes continentales que fluyen de manera continua desde
zonas altas hacia las bajas. El origen de los ríos proviene de las precipitaciones sobre las zonas altas de la Tierra, cordilleras y montañas, que fueron formando pequeños arroyos y a medida que fueron recibiendo constantemente
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
473
agua proveniente de las lluvias, del derretimiento de las nieves y frecuentemente de aguas subterráneas, se convirtieron en torrentes. El escurrimiento
de las aguas recibidas permanentemente a lo largo de la historia geológica
del planeta produjo una erosión del suelo y de las rocas, profundizando los
cauces de los torrentes hasta llegar a la zona de saturación de las aguas subterráneas y generando así los ríos, que pueden considerarse como “líneas de
drenaje natural de las aguas hacia el mar”. La Tabla 11.3 resume diversos
elementos que se distinguen en los ríos.
TABLA 11.3. ELEMENTOS HIDROGRÁFICOS DE LOS RÍOS
Elementos
Definición
Curso
Recorrido que hace el río desde su nacimiento
hasta su desembocadura.
Lecho
Fondo o superficie sobre la cual escurre el río.
Cauce
Área de terreno que ocupa el río en su máximo
nivel de agua.
Cuenca hidrográfica
Región o área geográfica delimitada por montañas
o elevaciones que capta aguas para alimentar las
corrientes.
Vertiente
Conjunto de cuencas hidrográficas que desaguan
hacia un mismo lugar.
Exorreica
Sus aguas fluyen al mar u océano.
Endorreica
Desemboca en lagos o lagunas, pero siempre en el
continente.
Arreica
Las aguas se evaporan o se infiltran en el terreno.
Desembocadura
Lugar por el cual una corriente de agua
desemboca en otra diferente; puede ser en el
mar, en lagos o lagunas, o en otro río.
Delta
Depósitos de material fino en forma de triángulo
y suele dividirse en múltiples brazos, formando
planicies húmedas o lagunas.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
474
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Definición
Elementos
Estuario
Desagüe formado por un solo curso fluvial o brazo,
el cual puede llegar a ser muy ancho y profundo.
Barra
Bancos arenosos que se forman frente a la
desembocadura.
Afluente
Río secundario que desagua en otro río principal y
tiene su propia cuenca, denominada subcuenca.
Otros elementos que caracterizan los ríos son: el perfil longitudinal
de un río, un gráfico que muestra la disminución de cota en su recorrido, indicando la pendiente de cada tramo, la cual es mayor en la cabecera —zonas
más erosivas— y menor en las zonas bajas de mayor sedimentación y desembocaduras; el caudal de los ríos o “volumen de agua que pasa en una unidad
de tiempo por un área determinada”, no es constante a lo largo del tiempo y
depende de las condiciones climáticas de la zona. El caudal mínimo durante
el año se conoce como estiaje y ocurre poco antes del período de lluvias. Los
ríos desérticos pueden perder sus aguas debido a una alta infiltración y evaporación sin desembocar en otro cuerpo de agua superficial. El caudal de un
río puede calcularse por medio de la siguiente relación:
Q= A∙v
[11.6]
donde: Q = caudal en m3/s; A = área en m2; v = velocidad en m/s.
La velocidad de escurrimiento del agua en un río varía según la posición: es mayor en la parte central superior y es más lenta en el fondo y las
orillas. La variación de la velocidad del caudal a lo largo del centro de un río o
cauce se denomina gasto y se calcula dividiendo el volumen de agua entre la
longitud del tramo que recorre el río. El gasto de un río influye en la cantidad
de material sólido que puede arrastrar la corriente de agua del río y es una
medida de su potencialidad para obtener energía eléctrica.
11.2.1.2 LAGOS
La palabra lago proviene del latín lacus, que significa masa o cuerpo de agua.
Un lago “es una masa de agua, dulce o salada, acumulada en forma natural
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
475
en el interior de los continentes, y de superficie y profundidad variables entre
amplios límites”. Normalmente, los lagos son cuerpos de agua superficiales
formados en depresiones del suelo; sin embargo, pueden ser subterráneos en
cavidades calcáreas o calizas, que se forman como resultado de la acción erosiva de las aguas subterráneas. Los lagos se clasifican según su origen como
lo muestra la Tabla 11.4.
TABLA 11.4. CLASIFICACIÓN DE LOS LAGOS SEGÚN SU ORIGEN
Tipo de lago
Tectónicos
Aluviales
Glaciares
De cráter
Endorreicos
Exorreicos
Características
Lagos generados por movimientos telúricos del
suelo que producen un bloqueo en el cauce de un río,
impidiendo su libre curso e inundando las depresiones
y fallas. En general son lagos profundos.
Son generados por la acumulación de aguas de un río
o torrente debido a la obstrucción de su salida natural
por aluviones (materiales o sedimentos transportados
por un río) de variado tamaño que forman barras en
los valles e impiden su desagüe. Estos lagos son de
mediana profundidad.
Se forman cuando las aguas de una cuenca ocupan
los amplios espacios socavados por masas glaciares
que han arrancado la roca del suelo y redistribuido los
materiales excavados.
Estos lagos se forman por la inundación de un cráter de
volcán que ha explotado, creando una gran depresión o
caldera volcánica.
Son aquellos que se forman en cuencas que no tienen
salida hacia el mar. Pueden ser de aguas salobres o
saladas debido a que la evaporación de agua produce
una concentración progresiva de sales.
Son los lagos de cuencas abiertas que desaguan al mar.
Pelágicos
Son restos de mares muy antiguos rodeados de tierra.
Embalses
Lagos artificiales de agua dulce estancada o rebalsada,
grandes y profundos, construidos por el hombre
con el propósito primario de utilizar sus aguas para
generación de energía eléctrica y regadío.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
476
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
En lagos, así como en los océanos, se produce el fenómeno de estratificación, que consiste en una separación de la masa de agua en capas superpuestas por efecto de alguna propiedad física o química. La estratificación
física de estos cuerpos de agua se debe a la variación de la densidad del agua
producida por el calentamiento diferencial de las zonas superficiales en relación a las zonas profundas —gradiente térmico—. Durante el verano, en
regiones templadas, los lagos presentan estratificación debido a que el agua
superficial se calienta más que las aguas profundas de mayor densidad. En
regiones frías, los lagos se congelan en la superficie durante el invierno y por
lo tanto esas capas tienen menor densidad, de manera que las masas de agua
más profundas quedan a mayor temperatura. Se distinguen tres zonas en la
estratificación debida a gradiente térmico de un lago, cuyas características se
describen en la Tabla 11.5.
TABLA 11.5. ZONAS DE ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA DE LAGOS
Zonas
Características
Epilimnion
Es la zona superior, que está a temperatura más
elevada.
Metalimnion
Zona intermedia o de transición entre la zona superior
más caliente y la inferior más fría.
Hipolimnion
Corresponde a la zona profunda de temperatura más
fría, próxima a los 4 ºC.
Los lagos presentan un ecosistema propio, proporcionando nichos ecológicos y hábitats para diversas especies endémicas y otras propias de los
lagos. En la mayoría de los lagos la luz del sol llega hasta el fondo, lo que beneficia el desarrollo de organismos vivos, en particular fitoplancton. El plancton es el “conjunto de seres minúsculos de origen animal (zooplancton) o
vegetal (fitoplancton) en aguas marinas y lagos de agua dulce y constituyen el
alimento básico de diversos animales superiores”. Los lagos presentan zonas
de diferente actividad biológica, o zonas biológicas, que dependen del grado
de luminosidad y de la disponibilidad de oxígeno. Los lagos con alta disponibilidad de nutrientes necesarios para los microrganismos, principalmente
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
477
nitratos y fosfatos, se denominan lagos eutróficos; en algunos casos la proliferación puede llegar al extremo que se consuma todo el oxígeno, lo que
ocurre normalmente en el fondo de estos lagos. Aquellos con baja disponibilidad de nutrientes para los microorganismos se llaman lagos oligotróficos;
debido a la baja productividad biológica, los lagos oligotróficos generalmente
tienen aguas cristalinas transparentes. El proceso de cambios físicos, químicos y biológicos de un cuerpo de agua se denomina eutrofización, que se
puede producir en forma natural por el ingreso de nutrientes y limo provenientes de la erosión natural y el escurrimiento de las aguas de la cuenca, y
también en forma artificial por las descargas de aguas servidas provenientes
de actividades humanas, en particular industriales y agrícolas.
11.2.1.3 GLACIARES
La glaciología es una rama de las ciencias de la Tierra que estudia todos
los aspectos relacionados con los fenómenos pasados y presentes de todas
las formas y ubicaciones naturales del agua en estado sólido, tales como glaciares, hielo, nieve, granizo, etcétera, incluyendo el hielo existente en suelos,
nubes, océanos, lagos, ríos, y las acciones sobre los elementos que lo rodean:
agua, aire, suelo. Los glaciares constituyen la mayor reserva de agua dulce
superficial del planeta; alrededor del 97% del hielo del planeta se encuentra
en la Antártida (84,5%) y en Groenlandia (12%). Un glaciar se define como
“una masa de hielo en la superficie terrestre, que fluye pendiente abajo (por
deformación interna y por deslizamiento en la base), y restringida por la topografía del entorno (por ejemplo, las laderas de un valle o las cumbres que
lo rodean)”. Los glaciares están constituidos por nieve caída a lo largo de
los años que se comprime, formando grandes y gruesas masas de hielo. Los
glaciares se forman cuando la nieve permanece en un lugar el tiempo suficientemente largo para transformarse en hielo. El proceso de crecimiento y
establecimiento de glaciares se denomina glaciación. A la adición de masa
de un glaciar se le denomina acumulación y a la pérdida, ablación. El
proceso de formación del hielo de los glaciares se produce por la acumulación, compactación y recristalización de la nieve en sucesivos estratos, con la
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
478
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
consiguiente pérdida parcial del aire, aumentando la densidad y pasando de
una textura suave y esponjosa a una granular y más dura. La nieve recién
caída puede presentar diferentes formas geométricas de cristales, con una
densidad alrededor de 0,8 g/cm3; la neviza presenta una densidad entre 0,4 a
0,6 g/cm3 y el hielo del glaciar, alrededor de 0,8 g/cm3. Al aumentar la densidad existe una mayor cohesión de las moléculas y partículas; sin embargo, si
la temperatura ambiental aumenta, debido al cambio climático, se producirá
el proceso inverso, esto es, una disminución de la fuerza de cohesión, por lo
que se facilitará el desprendimiento de masas de hielo y se facilitará la fusión,
con la consecuente pérdida de agua dulce por infiltración en el terreno o hacia los océanos.
11.2.2 AGUAS SUBTERRÁNEAS
Un factor importante dentro del ciclo hidrológico es la existencia de las aguas
subterráneas, pues no sólo constituyen una fuente de agua potable para el
hombre sino también son fundamentales para la supervivencia de los ecosistemas acuáticos. Las aguas subterráneas son aquellas aguas existentes
entre los intersticios del terreno, bajo su superficie, y constituyen alrededor
del 26% de la reserva de agua dulce total del planeta y el 98% sin considerar
los glaciares. Representan un porcentaje muy elevado de las aguas dulces
continentales, muy por encima del agua de los ríos y lagos. Si bien el agua
subterránea se renueva, su extracción desde el acuífero suele ser más rápida
que la velocidad de recarga. A medida que el agua drena desde la superficie
forma una capa que se llena parcialmente de agua, llamada zona no saturada
o zona de aireación, y al continuar su descenso se acumula en una zona donde el terreno se satura de agua, llamada zona freática, o también zona de
saturación. El agua de la zona freática se denomina agua subterránea y la
estructura geológica donde fluye el agua se conoce como acuífero. Se denomina nivel freático o napa freática la parte superior de la zona freática, esto
es, la más próxima a la superficie del terreno.
En consideración a su origen, las aguas subterráneas son: aguas de
precipitación, generadas por el ciclo, principalmente en la superficie de
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.2 CUENCAS HIDROGRÁFICAS
479
los océanos; aguas de condensación del vapor bajo la superficie terrestre —condensación interna— y de condensación externa de acuerdo a la permeabilidad del terreno; aguas “juveniles”, que se forman como soluciones
hidratadas calientes en el proceso de enfriamiento de magmas eruptivos cercanos a la superficie.
Según sus características de presión hidrostática, los acuíferos se clasifican en:
a) Acuíferos libres, o no confinados o freáticos: son aquellos
cuya zona de saturación no está confinada por materiales impermeables o existe una superficie libre del agua confinada en contacto
con el aire y bajo la presión atmosférica. La zona no saturada se
encuentra entre el nivel freático y la superficie del terreno. El nivel
freático no es fijo: varía según la época del año de acuerdo a las
condiciones climáticas de lluvia o sequía y coincide con la superficie piezométrica, que es una superficie imaginaria de la altura, o
nivel piezométrico, que alcanza la superficie libre de agua, en el
acuífero, sobre el nivel del mar.
b) Acuíferos confinados: aquellos que se encuentran delimitados
tanto en su parte superior como en la inferior por capas de materiales impermeables limitantes, llamadas también capas confinantes,
sin que exista zona saturada. El agua está sometida a una presión superior a la atmosférica por las capas de confinamiento, que restringen su flujo, saturándolas completamente. Los acuíferos confinados
cuyas capas limitantes son de alta impermeabilidad se denominan
acuícludos; si las capas presentan cierta permeabilidad y permiten
la filtración vertical del agua, se denominan semiconfinados. Si
se hace una perforación en la superficie de este acuífero, el nivel de
agua asciende hasta alcanzar una altura igual al nivel de saturación
del acuífero en el área de recarga. Si la boca del pozo se encuentra
bajo el nivel del agua, por la topografía del terreno, el acuífero se
denomina artesiano o surgente; de lo contrario, no será surgente
pero ascenderá hasta el nivel de equilibrio hidrostático. La Figura
11.6 muestra un esquema de acuíferos libres y confinados.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
480
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Acuífero libre
Acuífero confinado
Ac. libre
Área de recarga
Materiales impermeables recientes
Materiales impermeables antiguos
Superficie piezométrica
Acuífero
Sentido del flujo
Figura 11.6. Relaciones entre acuíferos libres y confinados
Los manantiales, o nacientes, son afloramientos de agua generados por irregularidades de la topografía del terreno y de la constitución
geológica de los materiales subterráneos y que aparecen en la superficie del
terreno o en el lecho de ríos, lagos y mares; en muchos casos dan origen a ríos
y lagos. Su origen es agua de lluvia o nieve que se filtra en el terreno y penetra
en las áreas de mayor altitud y emerge en otra zona más baja; en este caso
se denomina manantial gravitacional. En un manantial artesiano el
agua asciende a través de grietas de las rocas.
Los principales mecanismos de recarga de acuíferos son la infiltración, la percolación y la filtración. La infiltración es el paso lento del agua a
través de los intersticios del suelo; la percolación es la penetración lenta de
las aguas meteóricas en el suelo y la filtración es el paso de del agua a través
de poros de las rocas. Las condiciones que influyen en el caudal y velocidad
de la recarga de aguas subterráneas son fundamentalmente la precipitación,
cantidad de lluvia o nieve, y las condiciones del suelo: su composición, porosidad y permeabilidad para facilitar la entrada de agua. Otras condiciones
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO. HUELLA HÍDRICA
481
que afectan la recarga está relacionada con los tipos de cultivos; por ejemplo,
los bosques y praderas permiten mejor la recarga que los terrenos arados. La
topografía del terreno es importante en la recarga: en terrenos con pendientes fuertes, la escorrentía es muy alta y la infiltración es baja; la infiltración es
más efectiva en las planicies o llanuras con superficies porosas y permeables.
Acuíferos cercanos a la costa pueden recibir agua de mar por intrusión. La
velocidad de recarga de un acuífero se denomina tasa de recarga.
11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO.
HUELLA HÍDRICA
Se ha preferido desarrollar estos dos temas, que corresponden al manejo del
consumo de agua, en dos apartados: la gestión propiamente tal del agua y,
posteriormente, la evaluación más integral del consumo que representa el
concepto de huella hídrica.
11.3.1 GESTIÓN INTEGRADA DEL AGUA
La Gestión Integrada del Recurso Hídrico (GIRH) es un concepto básico y
por lo tanto lógico. Se basa en que los múltiples usos del recurso hídrico son
interdependientes. Puesto que es un recurso escaso, su empleo debe ser regulado; de lo contrario, se desperdicia y se hace insostenible. Gestión integrada
significa que todos los usos diferentes del recurso hídrico deben ser considerados en conjunto. La gestión no solamente debe enfocarse en el desarrollo
del recurso hídrico, sino que se debe tratar de modo tal que asegure el uso
sostenible del recurso a largo plazo y para las futuras generaciones. Por lo
tanto, la GIRH es “un proceso sistemático para el desarrollo sostenible y supervisión del recurso hídrico en el contexto de objetivos sociales, económicos y ambientales”. Cuando la responsabilidad del agua potable recae en una
institución, la del agua de irrigación en otra y la del agua para el ambiente en
una tercera, la falta de relaciones intersectoriales conduce a un desarrollo y
administración del recurso hídrico no coordinados, lo cual resulta en conflictos, desperdicio y sistemas no sustentables.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
482
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
El agua es vital para la supervivencia, la salud y la dignidad humana y
es un recurso fundamental para el desarrollo. Los recursos de agua dulce del
mundo se encuentran bajo presión creciente y muchas personas carecen aún
de un suministro de agua adecuado para satisfacer sus necesidades básicas.
El crecimiento de la población, el aumento de la actividad económica y de los
estándares de vida han conducido a un aumento en la competencia y en los
conflictos relacionados con los recursos limitados de agua dulce. A continuación se presentan algunos motivos por los que el mundo enfrenta una crisis
hídrica inminente:
a) El recurso hídrico se encuentra bajo presión creciente debido al aumento poblacional, la actividad económica y el aumento de la competencia entre los usuarios.
b) Las tomas de agua han aumentado dos veces más rápido que el crecimiento de la población y actualmente un tercio de la población
mundial vive en países que experimentan estrés hídrico entre medio y alto.
c) La contaminación está aumentando aún más la escasez de agua al
reducir su utilidad en lugares “corriente o aguas abajo”.
d) Limitaciones en la gestión del agua, un enfoque en el desarrollo de
nuevas fuentes en lugar de impulsar una mejor gestión de las existentes y propuestas sectoriales de tipo jerárquico para la administración del recurso han dado como resultado un desarrollo y gestión
del recurso hídrico carente de coordinación.
e) Un mayor desarrollo significa un mayor impacto en el ambiente.
f) Las preocupaciones actuales con respecto a la variabilidad y el cambio climático requieren una gestión del recurso hídrico optimizada
para enfrentarse a inundaciones y a sequías más intensas.
Aunque la mayoría de los países le dan máxima prioridad a la satisfacción de las necesidades básicas humanas de agua, una quinta parte de la
población mundial no tiene acceso a agua potable segura y la mitad de la
población mundial no tiene acceso a un saneamiento adecuado. Reducir a la
mitad la porción de la población que carece de agua y de servicios de saneamiento en el 2015 es uno de los Objetivos de Desarrollo del Milenio, que es
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO. HUELLA HÍDRICA
483
una agenda ambiciosa para reducir la pobreza y mejorar la calidad de vida,
acordada por los líderes mundiales en la Cumbre del Milenio, en septiembre
del 2000, organizada por el Programa de la Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD; http://www.undp.org/mdg).
Las proyecciones demográficas indican que en los próximos 25 años se
va a requerir alimentos para centenares de personas adicionales. El agua se
está considerando cada vez más como una limitación clave para la producción de alimentos. La irrigación agrícola es la responsable, en la actualidad,
de más del 70% de todo el consumo de agua. Aun estimando un aumento de
15-20% de agua para irrigación en los próximos 25 años, posiblemente se van
a generar conflictos serios entre el uso de agua para irrigación agrícola y los
otros usos humanos y para los ecosistemas.
La Conferencia Internacional del Agua y el Medio Ambiente
en Dublín, Irlanda (1992) dio lugar a cuatro principios de la gestión del
agua que han sido la base de una parte significativa de la reforma subsiguiente del sector hídrico:
2º. “El agua dulce es un recurso finito y vulnerable, esencial para
mantener la vida, el desarrollo y el medio ambiente”. El argumento de que el agua dulce es un recurso finito se deriva de que
el ciclo del agua en promedio produce una cantidad fija de agua
en un período determinado. El recurso de agua dulce es un activo natural que debe ser mantenido para garantizar que los servicios deseados que provee se mantengan.
7º. “El desarrollo y gestión del recurso hídrico debe fundamentarse
en una propuesta participativa, involucrando a usuarios, planificadores y tomadores de decisiones en todo nivel”. La participación tiene lugar únicamente cuando los interesados son parte
del proceso de toma de decisiones. Una propuesta participativa
es el mejor medio para lograr consenso y acuerdos comunes a
largo plazo. La participación no siempre logra el consenso, por
lo que se requiere la puesta en marcha de procesos de arbitraje u
otros mecanismos de resolución de conflictos. Los gobiernos deben ayudar a crear la oportunidad y la capacidad de participar.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
484
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
10º. “Las mujeres tienen un papel central en la provisión, gestión
y salvaguardia del agua”. El rol múltiple de las mujeres como
proveedoras y usuarias del agua y como guardianas del medio
ambiente, por lo general, se ha reflejado en la organización de
las instituciones para el desarrollo y gestión del recurso hídrico. Ha sido reconocido ampliamente que las mujeres juegan un
papel clave en la recolección y salvaguardia del agua para uso
doméstico y, en muchos casos, para uso agrícola.
14º. “El agua tiene un valor económico en todos sus usos competitivos. Debe ser reconocida como un bien económico y además
como un bien social”. Dentro de este principio, es vital reconocer primero el derecho básico de todos los seres humanos de
tener acceso a agua limpia y a saneamiento por un precio accesible. La gestión del agua como un bien económico es una manera
importante de lograr objetivos sociales tales como el uso eficiente y equitativo y la promoción de la conservación y protección
del recurso hídrico. Varios de los fracasos anteriores en la administración del recurso hídrico pueden ser atribuidos al hecho
de que el valor integral del agua no ha sido reconocido. Valor y
precio son dos conceptos diferentes que se deben distinguir claramente. El valor del agua en los usos alternativos es importante
para la distribución racional de un recurso escaso, ya sea por
medios regulatorios o económicos. El cobro o el no cobro de un
precio por el agua es la aplicación de un instrumento económico
para apoyar a grupos en desventaja, lograr el comportamiento
hacia la conservación y el uso eficiente del agua, proveer incentivos para el manejo de la demanda, asegurar la recuperación de
costos y detectar la disposición de los consumidores para pagar
con el fin de lograr inversiones adicionales en los servicios de
agua.
La mayoría de los usos del agua aportan beneficios para la sociedad
pero además presentan perjuicios que pueden empeorarse por las malas
prácticas de gestión o por la falta de regulación o de motivación debida a los
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO. HUELLA HÍDRICA
485
regímenes de gobierno imperantes del recurso hídrico. La Tabla 11.6 muestra
los efectos del uso del agua por los sectores que la emplean.
TABLA 11.6. EFECTOS DEL USO DE AGUA POR SECTOR QUE LA UTILIZA
Sector
Efectos positivos
Efectos negativos
Medio
ambiente
* Purificación
* Almacenamiento
* Ciclo hidrológico
Agricultura
* Flujo de retorno
* Aumento de
infiltración
* Disminución de
erosión
* Recarga de acuíferos
* Reciclaje de
nutrientes
* Desgaste
* Contaminación
* Salinización
* Anegamiento
* Erosión
Suministro de agua
y saneamiento
* Reciclaje de
nutrientes
* Se requiere un alto
nivel de seguridad del
agua
* Contaminación de
aguas superficiales y
subterráneas
11.3.2 HUELLA HÍDRICA
Si al año 2025 los consumos de agua per cápita no se optimizan y no se introducen mejoras significativas en la productividad agrícola, las extracciones de
agua de los sistemas acuáticos aumentarán entre el 47 y 63% de los recursos
que había disponibles en los sistemas acuáticos en el año 2000, según estimaciones. Paralelamente, el aumento de población y la mayor demanda de
alimentos vendrán acompañados también por una expansión horizontal de la
superficie agrícola, que incrementará la apropiación del agua de los sistemas
terrestres. A pesar de que las estimaciones para el 2025 muestran que las demandas globales de agua pueden satisfacerse, estas previsiones deben interpretarse con cautela. Por una parte, existe una gran variabilidad regional en
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486
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
relación a la oferta y la demanda futura de recursos hídricos, especialmente
en los países en vías de desarrollo, donde se pronostican los mayores incrementos de población y demanda de alimentos, y donde al mismo tiempo se
registran los valores de productividad agrícola más bajos. Por otra parte, las
distintas estimaciones mencionadas no tienen en cuenta el efecto del cambio
climático en la futura disponibilidad de recursos, factor que afectará sobre
todo las regiones más pobladas del mundo.
Otra cuestión crítica es que las distintas estimaciones globales de consumos actuales y futuros pronosticadas difieren en algunos casos hasta en
un 40%. Este margen de variación en parte se debe a que en la actualidad la
mayoría de los países carecen de información precisa sobre el volumen real
de recursos hídricos que se consumen en las distintas actividades socioeconómicas y también sobre la cantidad y calidad de los recursos disponibles
que pueden ser empleados sin causar perjuicios medioambientales. Para hacer frente a este déficit de información hídrica y poder establecer las bases
para una gestión sostenible de los recursos hídricos, es preciso desarrollar
metodologías e indicadores que proporcionen una información fiable sobre
los consumos reales de agua y sobre la disponibilidad de recursos potencialmente disponibles en los distintos países. Históricamente, los datos referentes al consumo de agua siempre se han presentado como una suma de las
utilizaciones de agua en los diferentes sectores de la economía: agricultura,
industria y doméstico. Aunque estos datos son útiles para cuantificar el nivel
de explotación de los recursos hídricos locales o regionales, no proporcionan
demasiada información sobre el modelo de consumo de los habitantes del
país y acerca de la necesidad de recursos hídricos adicionales.
El Informe de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos en el Mundo es el principal documento sobre el tema del agua
en el mundo. Es un estudio exhaustivo que ofrece un panorama global sobre el estado de los recursos de agua dulce del planeta y tiene como objetivo
proporcionar herramientas a los responsables de la toma de decisiones para
la implementación del uso. En su Declaración del Milenio 2000, las Naciones Unidas establecieron ocho metas para el desarrollo, denominadas Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM). Estos objetivos fijaron una agenda
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO. HUELLA HÍDRICA
487
ambiciosa con el fin de mejorar la condición humana para 2015: reducir a la
mitad el porcentaje de personas que carecen de acceso al agua potable respecto del comienzo del milenio (2000). Mil millones de personas carecen de
acceso al agua potable y 2400 millones, a un saneamiento adecuado. Para
alcanzar el objetivo relacionado, 1500 millones de personas más deberán acceder a algún servicio de abastecimiento de agua mejorado para 2015, lo que
supone 100 millones de personas más cada año hasta el 2015.
Los retos en la gestión del agua varían enormemente dependiendo del
tipo de asentamiento humano. El espectro de tipologías de asentamientos va
desde las zonas con viviendas aisladas y diseminadas, de muy baja densidad
y habituales en las zonas rurales, pasando por los pueblos y pequeñas localidades, hasta las ciudades y grandes urbes densamente pobladas. La mitad de
la población del planeta y la mayor parte de la actividad económica mundial
se sitúa en las zonas urbanas. Los asentamientos humanos son los principales contaminadores de los recursos hídricos, por lo que la buena gestión
del agua y de las aguas residuales es esencial para reducir la contaminación.
En las grandes urbes y en las comunidades rurales relativamente pequeñas,
las necesidades de agua para la producción agrícola, el sector energético y el
industrial compiten a menudo entre sí. Los recursos hídricos mundiales deben responder a múltiples demandas: agua potable, higiene, producción de
alimentos, energía y bienes industriales, y mantenimiento de los ecosistemas
naturales. El clima, especialmente las precipitaciones y la temperatura, es el
factor que más influye en los recursos hídricos al interactuar con las masas de
tierra, los océanos y la topografía.
A medida que la población mundial aumenta, los recursos per cápita
disponibles son más restringidos, por lo que se hace necesaria una mayor productividad para poder compensar dicho crecimiento. Se necesitan en promedio 3000 L de agua por persona para generar los productos necesarios para
la alimentación diaria; la agricultura cada vez más está bajo la mira de todos
debido a la merma de los recursos hídricos. Si los escenarios anteriores siguen
como hasta ahora en los sectores descritos, será realmente difícil alcanzar los
Objetivos de Desarrollo del Milenio que pretenden liberar a la humanidad de la
pobreza extrema y el hambre y garantizar la sustentabilidad medioambiental.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
488
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Para hacer frente a estos graves y urgentes problemas, además de la
insuficiente información hídrica, y poder establecer las bases para una gestión sostenible de los recursos hídricos, es preciso desarrollar metodologías
e indicadores que proporcionen una información fiable sobre los consumos
reales de agua y la disponibilidad de recursos potencialmente disponibles en
los distintos países. En este sentido, el creador del concepto de huella hídrica
(en inglés Water Footprint) y director científico de la Red de la Huella Hídrica (Water Footprint Network), Prof. Arjen Y. Hoekstra, estableció en el año
2002 un indicador muy útil para estimar de manera confiable el consumo de
agua invertido en la producción de bienes o asociado a los distintos sectores
de la actividad económica. La Huella Hídrica (HH) corresponde al “volumen de agua fresca que se utiliza para producir un producto determinado,
ya sea un bien o servicio, considerando toda la cadena de suministros”. Esta
huella se mide en términos de volumen de agua consumida en el proceso, incluida el agua evaporada y/o contaminada. Hoekstra ha sostenido que temas
como la escasez de agua y la contaminación pueden ser mejor comprendidos
e internalizados si se considera a la producción y la cadena de abastecimiento
como un todo. La HH es un indicador de consumo que permite cuantificar el
uso directo e indirecto de agua empleada por un individuo, una comunidad
o la producción de un bien. Se suele expresar en volumen de agua usado por
año. Además, la HH es un indicador geográficamente explícito, que no sólo
muestra el volumen de agua usada y contaminada, sino además la localización geográfica y el momento del año en que ésta se usa.
Para calcular la HH se integran la huella hídrica verde, azul y gris: los
denominados “colores del agua”. La huella hídrica verde se refiere al “volumen de agua de lluvia almacenada en el suelo y consumida para la producción de bienes”. La huella hídrica azul es el “volumen de agua captado de
los sistemas acuáticos y aplicado artificialmente a los procesos de producción o al consumo directo”. Finalmente, la huella hídrica gris se refiere al
“volumen de agua que se necesita para diluir los contaminantes generados
en un proceso productivo hasta alcanzar concentraciones que se consideran
ambientalmente tolerables”. Dado que no todos los bienes consumidos en
un país son producidos en su territorio, la HH se compone de dos partes:
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.3 GESTIÓN INTEGRADA DEL RECURSO HÍDRICO. HUELLA HÍDRICA
489
huella hidrológica interna, que se refiere al volumen de agua del país
usada para producir los bienes y servicios consumidos por sus residentes, y
la huella hidrológica externa, que equivale al volumen de agua usada en
otros países para producir los bienes y servicios importados y consumidos
por los residentes en el país de referencia.
Tanto la huella hídrica directa como la indirecta, así como la interna y
externa, tienen su componente verde, azul y gris. La suma del componente
verde y el azul es lo que se conoce como el consumo de agua, mientras que
el componente gris corresponde a la contaminación de agua. La Figura 11.7
muestra el consumo de agua de un alimento que el productor genera hasta
que llega al consumidor, cadena que en estas etapas deja una huella hídrica.
La huella hídrica azul es la que aparece en la cuenta del agua entregada por
la empresa que la suministra, pero no se consideran las otras huellas, que sí
tienen un valor.
Agua
virtual
Productor
Uso
agua
verde
y azul
Agua
gris
Procesamiento
de alimento
Uso
agua
azul
Agua
gris
Distribuidor
Uso
agua
azul
Agua
gris
HH indirecta
Consumidor
Uso
agua
azul
Agua
gris
HH directa
Figura 11.7. Huella Hídrica (HH) de consumidor de alimento
Aproximadamente el 40% de la alimentación mundial depende de la
agricultura de regadío, que consume el 70% del agua que gasta la humanidad.
Como no existen alternativas en el momento para esta situación, cualquier
incremento del consumo de agua para fines que no sean los de producir alimentos repercute negativamente, de manera directa, en la calidad de vida de
la sociedad a escala global.
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490
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Estudios realizados por la Red de la Huella Hídrica sostienen que, sumando los productos básicos que se consumen y el cálculo del agua virtual
o aparente que supone la producción de estos productos, cada persona gasta
entre 2000 y 5000 L/día. Los siguientes datos de un estudio de dicha red (Tabla 11.7) ilustran la cantidad de agua gastada en algunos de los productos de
consumo diario.
TABLA 11.7. HUELLA HÍDRICA DE ALGUNOS PRODUCTOS DE CONSUMO
COMÚN
Producto
(unidad)
Kilogramo de carne
Huella Hídrica
(L)
16 000
Par de zapatos de piel
8000
Camiseta de algodón
4100
Hamburguesa
2400
Vaso de leche
200
Vaso de zumo de manzanas
190
Bolsa de patatas fritas
185
Taza de café
140
Huevo
135
Manzana
70
Naranja
50
Taza de té
35
En esta relación llama la atención que los productos de origen animal, como carne y huevo, posean una HH bastante superior respecto a los
productos de origen vegetal. Por otra parte, estos ejemplos son impactantes
cuando se comparan con el consumo normal de una persona en su hogar, que
tiene un promedio de 150 L/día, ya sea por ingesta, ducha, servicios higiénicos y otros.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA491
El concepto de agua virtual, o aparente, se puede definir como “el
volumen de agua total que se requirió para producir un producto o servicio”. Cuando hay transferencia de productos de un lugar a otro, por ejemplo
de un país a otro, la transferencia de agua física que tiene un determinado
producto es muy pequeña comparada con la transferencia de agua virtual
que se necesitó para producirlo. En ese sentido, se habla de la huella hídrica de un país, que tiene dos componentes, como se dijo anteriormente.
Un método muy simple para calcular de la HH de un país es emplear la
suma de tres valores: la cantidad de agua total utilizada a nivel nacional
para generar todos los bienes y servicios, más el agua virtual importada
en productos, menos el agua virtual exportada. Con este método, la Red
de la Huella Hídrica ha generado una mapa mundial de flujos de agua virtual entre diferentes regiones basado sólo en las transacciones del comercio
agroalimentario.
11.4 APROVECHAMIENTO DEL AGUA PARA GENERACIÓN
DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía hidráulica es la energía cinética (sección 1.2) del movimiento de
masas de agua o la energía potencial (sección 1.2) del agua disponible a una
cierta altura. Como la mayoría de las otras energías renovables, la energía
hidráulica es una consecuencia de la radiación solar. Pues bien, la energía hidráulica es la “energía asociada a las corrientes o saltos de agua”;
las centrales hidroeléctricas son las encargadas de aprovechar esta energía y
transformarla en energía eléctrica. El agua, en su caída entre dos niveles del
cauce (sección 11.2.1.1), se hace pasar por una turbina hidráulica (sección 11.4.2.1), la cual transforma la energía hidráulica en energía mecánica
de rotación, que por acción de un alternador se convierte en energía eléctrica.
La utilización del potencial hidroeléctrico se realiza en sitios específicos que
reúnen las características técnicas, económicas, ambientales y sociales para
la construcción y operación de una central hidroeléctrica.
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492
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
11.4.1 PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA
EN ELÉCTRICA
Las principales características de una central hidroeléctrica, desde el punto
de vista de su capacidad de generación de electricidad, son: a) la potencia de
su funcionamiento, la cual es función del desnivel existente entre el nivel superior de la toma de agua y el inferior de descarga de este líquido, del caudal
que pase por la turbina y de las características de ésta y del alternador; b) la
energía garantizada, en un lapso determinado, generalmente un año, es función del volumen de agua disponible y de la potencia instalada.
La energía de un cuerpo que cae es igual a su peso por la distancia vertical recorrida (altura, h). La energía o fuerza (E) del agua que cae es igual al
producto de su masa (m) por la aceleración de gravedad (g) y por la altura (h)
(ecuación [11.7]). Esta ecuación corresponde a la energía potencial que posee
una masa cuando se eleva a cierta altura (sección 1.2).
E = m · g · h (Joules)
[11.7]
Puesto que la masa es igual al volumen (V) por la densidad (d), la energía es:
E = d · V · g · h (Joules)
La densidad del agua es 1000 kg/m3 y la aceleración de la gravedad es
9,8 m/s2, por lo tanto la energía del agua es:
E = 1000 [kg/m3 ]· V[m3] · 9,8[m/s2] · h[m] (Joules)
[11.8]
Si ambos miembros de la ecuación [11.8] se dividen por el tiempo (t)
en segundos, se tiene que la potencia teórica (Pt) es directamente proporcional al caudal (Q) (volumen de agua por unidad de tiempo) y a la altura de la
caída (h):
E/t = Pt = 1000 · V/t · 9,8 · h (W)
Pt = Q · 9,8 · h (KW)
Esta potencia es teórica (Pt) porque no se ha considerado la pérdida
de energía o carga por la tubería, la turbina y la ineficiencia del generador y
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA493
las transmisiones; por lo tanto, la potencia real (Pr) será igual a la potencia
teórica (Pt) multiplicada por eficiencia o rendimiento (η):
Pr = Q · 9,8 · h ∙ η (KW)
[11.9]
El rendimiento recoge las pérdidas de energía debidas al rozamiento y
turbulencias del flujo del agua en los canales y tuberías. Estas pérdidas varían
mucho de un sistema a otro y se pueden alcanzar rendimientos que oscilan
entre un 75% y un 95%. A estas pérdidas hay que añadir el rendimiento de
los sistemas de transformación de la energía hidráulica en energía eléctrica,
aunque actualmente son muy eficientes. En la práctica η, para las centrales
de pasada, varía entre 0,4 y 0,6, en tanto que la eficiencia de las centrales hidroeléctricas de embalse es superior a 0,85.
11.4.2 CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
La utilización del potencial hidroeléctrico se realiza en sitios específicos que
reúnen las características técnicas, económicas, ambientales y sociales para
la construcción y operación de una central hidroeléctrica. Las centrales hidroeléctricas actuales son el resultado de 2000 años de avances tecnológicos, desde la rueda de madera, que convertía un bajo porcentaje de energía
hidráulica en energía mecánica útil, a los modernos turbogeneradores que
giran a 1500 rpm y producen energía eléctrica con muy altos rendimientos.
A diferencia de las otras energías renovables, la energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy bien establecida. A pesar de la gran diversidad de
los sistemas hidráulicos empleados en la utilización de dicho potencial, las
centrales hidroeléctricas se pueden clasificar en dos grandes tipos: centrales
de embalse del agua y centrales de pasada del agua o de agua fluyente.
11.4.2.1 CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DE EMBALSE
En las centrales de embalse se acumula un volumen considerable de agua
a una cota superior a la de las turbinas hidráulicas mediante la construcción
de una represa o presa que forma un lago artificial. De esta manera, el embalse
permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Lógicamente,
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
494
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
del volumen de agua embalsada depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas y la energía eléctrica que pueda producirse durante todo
el año aunque el río disminuya su caudal. Estas centrales exigen por lo general una inversión mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos
permiten usar toda la energía posible y a costos más baratos.
Los principales componentes de una central hidroeléctrica de embalse
son (Figura 11.8): la presa o represa cuya función es atajar el río y acumular agua, para lo cual se forma una pared de hormigón o una de tierra; tomas
de agua que permiten recoger el líquido y retener cuerpos extraños mediante
rejas (1), para llevarlo por medio de una tubería (2) a una turbina (3), que
mediante un eje de transmisión acciona un generador (4). Tanto 3 como 4
se alojan en una casa de máquinas junto con elementos de regulación y
comando. La electricidad generada a baja tensión se aumenta en un transformador para transmitirla mediante los conductores (5). En el esquema
de la Figura 11.8 se ha omitido la casa de máquinas y los aliviaderos que
tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que ésta pase por la
sala de máquinas.
Rejas
filtradoras
1
2
Agua que desciende
por tubería que se
estrecha para aumentar
su velocidad
Transporte de
energía eléctrica
Transformador
5
Generador
4
Eje de transmisión
Turbina
3
Figura 11.8. Esquema de una central hidroeléctrica de embalse
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA495
Un componente esencial de una central hidroeléctrica es la turbina hidráulica. En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. Las turbinas
de acción aprovechan la presión dinámica debida a la velocidad del agua
en el momento de su acción en ella. Las turbinas de reacción aprovechan
además la presión estática al trabajar en el interior de compartimentos cerrados a presión superior a la atmosférica. La turbina Pelton constituye la
turbina de acción ampliamente utilizada. Consta de una rueda o rodete, que
dispone en su periferia una especie de cucharas o álabes. El chorro de agua,
dirigido y regulado por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas en
dirección tangencial al rodete y perpendicular a su eje de giro, generalmente
horizontal provocando el movimiento de giro de la turbina. Se emplea para
grandes presiones y saltos de agua elevados; debido a su forma de cuchara
el agua se desvía sin chocar, cediendo toda su energía cinética (Figura 11.9).
Dentro de las turbinas de reacción cabe mencionar la turbina Francis.
Esta turbina es la que más se utiliza en las centrales hidroeléctricas. En la
turbina Francis, que puede presentar variedad de formas, el agua es impulsada a los álabes del rodete de manera perpendicular al eje de giro, generalmente vertical, y expulsada axialmente en dirección paralela a dicho eje
gracias a la torsión que presentan los álabes (Figura 11.9). Para orientar el
agua hacia el rodete existe un distribuidor de álabes fijos o móviles, y para
lograr la componente radial del flujo de agua a la entrada del rodete existe
una cámara, que puede ser abierta o cerrada, con forma espiral. Para mantener la diferencia de presiones necesaria para la correcta operación de la
turbina existe un tubo de salida o de aspiración. La turbina Francis se adapta
muy bien para distintos saltos y caudales y presenta un rango de operación
considerable. Estas turbinas se pueden encontrar en instalaciones con saltos
de 2 m o en instalaciones con saltos de 200 m. El rendimiento de una turbina Francis depende del porcentaje de caudal de equipamiento, es decir, del
caudal máximo que puede enviarse a la turbina. En condiciones óptimas de
operación este rendimiento puede ser superior al 90%. Asimismo, es necesario señalar que el rendimiento de las turbinas de reacción aumenta con el
tamaño de éstas.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
496
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Figura 11.9. Esquemas de turbinas hidráulicas: Pelton (izquierda) y Francis
Para transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en
energía eléctrica se utilizan alternadores que están compuestos, como ya se
sabe, por dos partes fundamentales: el rotor o inductor móvil, encargado de
generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina, y el
estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente eléctrica. Los generadores eléctricos de corriente alterna típicamente utilizados se clasifican en
máquinas síncronas y máquinas asíncronas de inducción (sección 3.4.2). La
mayor desventaja de los generadores síncronos es que necesitan una batería
de condensadores conectada a la salida, la cual compensa la energía reactiva
generada. Para la creación del campo magnético el generador asíncrono debe
estar conectado a la red y tomar de ella la corriente. Los generadores síncronos necesitan que se les excite con una corriente continua, que se puede
generar internamente —autoexcitación— o con una dinamo auxiliar.
En la mayoría de los diseños de centrales hidroeléctricas la velocidad
de giro de la turbina es menor que la velocidad a la que debe girar el generador eléctrico. Por este motivo es necesario instalar una caja multiplicadora de
la velocidad entre la turbina y el generador.
Las centrales hidroeléctricas disponen de diversos dispositivos de regulación, control y protección adecuados al tipo de tecnología empleada y al
funcionamiento previsto.
Las presas provocan una notable elevación del nivel de un río mediante
la construción de un embalse. Éstas pueden ser de gravedad, que resisten el
empuje del agua por su propio peso; de bóveda, que tienen forma de arco y
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA497
resisten el empuje del agua apoyándose sobre las riberas y de bóveda múltiple, que son bóvedas de pequeño espesor realizadas en hormigón armado.
Un ejemplo de central hidroeléctrica es la situada en Rapel, VI Región
de Chile (Figura 11.10). El embalse posee un volumen total de 695 millones
de m3 y tiene una presa constituida por una bóveda de hormigón armado que
en su parte superior tiene un radio de curvatura de 174 m y 350 m de largo;
su altura es de 112 m. La generación de energía eléctrica la proveen cinco
turbinas Francis de eje vertical, fabricadas por Hitachi, así como los correspondientes generadores de 75,4 MW de potencia cada uno, con una potencia
total de 377 MW. La tensión de cada generador es de 13,8 KV. Su puesta en
servicio fue en 1968.
Figura 11.10. Embalse y presa de la central hidroeléctrica Rapel (Chile)
Como la generación de electricidad de las centrales hidroeléctricas de
embalse está determinada por el agua disponible y ésta a su vez por los ciclos
de la naturaleza, se emplea el Factor de Planta (FP) (sección 10.9), o sea,
el cociente entre la energía real (Er) generada por la central eléctrica durante
un período, generalmente anual, y la energía generada a plena carga durante
ese mismo período (En):
FP = Er / En
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[10.9]
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
498
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
El FP de las centrales hidroeléctricas de embalse suele ser del 70%,
como quedó consignado en la Tabla 10.4 (sección 10.9).
De lo expuesto, es evidente que el riesgo que poseen las centrales hidroeléctricas de embalse, y también las de pasada, está en el comportamiento
del clima, estrictamente de las precipitaciones. Las ventajas para ambos tipos
de centrales son comunes; sin embargo, las centrales de embalse tienen inconvenientes. Tanto unos como otras se reúnen en la Tabla 11.7.
TABLA 11.7. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CENTRALES DE EMBALSE
Ventajas
Inconvenientes
* Es energía limpia y renovable.
* Depende de precipitaciones.
* Se transforma de manera directa.
* Embalse limitado del agua.
* Gran capacidad de generación.
* Costo elevado de construcción.
* Vida de embalses es mucho
mayor que centrales de
carbón.
* Impacto ambiental
importante.
* Controlan inundaciones y
regulan el agua de riego.
11.4.2.2 IMPACTOS AMBIENTALES DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DE
EMBALSE
Los impactos ambientales más significativos de las centrales hidroeléctricas
de embalse son la alteración de los ecosistemas naturales, la pérdida o degradación del suelo y la alteración significativa del paisaje. Generan impactos
tales como pérdida del ecosistema acuático y terrestre, desplazamiento de
especies y quiebre de circuitos y corredores biológicos. Estos impactos pueden ser relevantes y, en algunos casos, parcialmente mitigados. Respecto a
la pérdida o degradación de suelos y la alteración significativa del paisaje,
ambos impactos están muy vinculados. Las centrales hidroeléctricas de embalse requieren inundar extensas superficies, lo cual implica cambios en el
paisaje. Los embalses retienen cantidades importantes de sedimentos que
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA499
pueden originar problemas aguas abajo y complicar el funcionamiento de
las turbinas; además, sus aguas tranquilas pueden favorecer la eutrofización
o crecimiento acelerado de algas. La calidad del agua embalsada, como la
salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes y otras propiedades, es
diferente que la del río; por otro lado, como los sedimentos se acumulan,
se empobrece de nutrientes el agua que corre por el río. Estos problemas
pueden disminuirse mediante una selección apropiada de los terrenos por
inundar y una gestión que anticipe estos inconvenientes.
11.4.2.3 CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DE PASADA
Una central de pasada, o de agua fluyente, es aquella en la que no existe
una acumulación apreciable de agua por encima de las turbinas, las cuales
deben aceptar el caudal disponible del río con sus variaciones de estación en
estación o, si el agua es excesiva, simplemente lo pierden. Debido a las limitaciones que significa la inundación de grandes superficies para embalsar agua,
los altos costos de construcción de las centrales de embalse y los impactos
ambientales que tienen estas centrales, se ha ido ampliando la construcción
de pequeñas centrales de pasada denominadas centrales minihidroeléctricas para aprovechar la energía hidráulica existente en muchas zonas. No
existe un criterio para seleccionar aquellas que son minicentrales; algunos
países europeos consideran “pequeñas” todas las centrales cuya potencia instalada no supera los 10 MW; en Chile se designan aquellas cuya producción
tiene una potencia inferior a 20 MW, por lo que según la legislación gozan
de los beneficios tributarios de las centrales que utilizan energías renovables
no convencionales. Las centrales hidroeléctricas de embalse se consideran
convencionales.
En la utilización por pasada el agua se desvía, mediante una presa o
azud, en un punto determinado del río y se conduce por medio de un canal o
túnel con una pequeña pendiente para que el agua pueda circular; al final del
canal se instala un depósito de carga que sirve de arranque a la tubería forzada
y esta conducción lleva el agua, siguiendo el costado del río, hasta la casa de
máquinas, donde está(n) la(s) turbina(s) hidráulica(s). Luego de pasar por
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
500
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
éstas el agua se restituye al cauce del río. La Figura 11.11 es un esquema de
una central de pasada. Estas centrales se caracterizan por disponer de un salto
útil prácticamente constante y un caudal utilizado por la turbina muy variable,
dependiendo de la hidrología. Por lo tanto, en este tipo de aprovechamiento la
potencia instalada es función directa del caudal que pasa por el río.
Según el emplazamiento las centrales minihidroeléctricas, se pueden
clasificar así:
– Centrales de pasada: captan una parte del caudal del río, lo trasladan
hacia la central y, una vez utilizado, se devuelve al río.
– Centrales a pie de presa: se sitúan debajo de los embalses destinados
a usos hidroeléctricos o a otros usos, aprovechando el desnivel creado por la propia presa.
– Centrales en canal de riego o asociadas a riego.
Para los efectos de explicación de las centrales minihidroeléctricas,
esta obra se basará en las primeras.
Represa de derivación
Canal
Depósito
de carga
Tubería
forzada
Casa de
máquinas
Figura 11.11. Esquema de una central hidroeléctrica de pasada
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11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA501
Dependiendo del emplazamiento donde se sitúe la central será necesaria la construcción de todos o sólo algunos de los siguientes elementos: presa
o azud, toma de agua, canal de derivación, depósito de carga, tubería forzada, casa de máquinas (donde está la turbina y generador), tablero eléctrico
con protecciones, regulador de velocidad, transformador (en caso de que la
energía eléctrica se deba transportar una gran distancia), canal de descarga,
subestación y líneas eléctricas.
En algunos casos se construye una pequeña presa en la toma de agua
para elevar el plano de ésta y facilitar su entrada al canal o tubería de derivación. El agua desviada se conduce hasta el depósito de carga, de donde
sale la tubería forzada por la que pasa el agua que acciona la turbina en
el punto más bajo de la central. El canal de aducción debe tener una pendiente pequeña (0,5%), de modo que vaya ganando altura con respecto al
río. El depósito de carga al final del canal de aducción tiene la función de
desarenador y empalme de la tubería de presión, manteniendo un nivel
constante.
Para que las pérdidas de carga sean pequeñas y para poder mantener
la altura hidráulica, los conductos por los que circula el agua desviada se
construyen con pequeña pendiente, provocando que la velocidad de circulación del agua sea baja, puesto que la pérdida de carga es proporcional al
cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos casos, dependiendo
de la orografía, la mejor solución sea optar por construir un túnel, acortando
el recorrido horizontal. Se incluyen en este grupo las centrales que se sitúan
en el curso de un río en el que se ha ganado altura mediante la construcción
de una presa, sin necesidad de canal de derivación, depósito de carga ni tubería forzada.
Para el diseño de un aprovechamiento hidroeléctrico es muy importante determinar correctamente las variables altura del salto y caudal del agua
que acciona la turbina puesto que, como ya se sabe, estas variables son directamente proporcionales a la potencia eléctrica.
El diseño de un caudal apropiado es fundamental para definir el
equipamiento que se debe instalar, de manera que la energía producida
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
502
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
sea la máxima posible en función de la hidrología, es decir, del régimen
de caudales del río en la zona próxima a la toma de agua. La medición
de los caudales del río se realiza en las estaciones de aforo, donde
se registran los caudales instantáneos que circulan por el tramo del
río donde está ubicada la estación, y a partir de éstos se determinan
los caudales máximos, medios y mínimos diarios correspondientes a
un gran número de años. La obtención de los datos de estaciones de
aforo puede hacerse a través de organismos estatales o privados. Este
método es cómodo y muy exacto; sin embargo, para recursos hídricos pequeños normalmente no existen estadísticas o los instrumentos
de medición empleados no miden caudales menores que 50 L/s. Existen diversos métodos que pueden utilizarse para medir tanto el caudal
como la altura, unos más exactos que otros. Normalmente, la exactitud
está ligada a la utilización de equipos e instrumentos muy sofisticados
o de elevado costo. Por esta razón, frecuentemente resulta conveniente y necesario sacrificar un tanto la exactitud de la medición por la
comodidad o por el bajo costo resultante de la utilización de métodos
artesanales.
El método de medición de caudales por medio de vertederos se utiliza
cuando la corriente posee un caudal tal que no permite usar otro método y
donde las condiciones del terreno sí lo permitan. Es el más adecuado cuando se desea obtener registros de caudal de la corriente por períodos largos.
Consiste en hacer circular la corriente de agua a través de restricciones de
geometría y perfil conocido, de modo que, por medio de la medición de un
parámetro, normalmente la altura del agua sobre la cresta superior del vertedero, es posible cuantificar la cantidad de agua que fluye. Aunque existen
distintas formas de vertederos, sólo se especificarán las características del
vertedero triangular, que se utiliza preferentemente para la medición de
pequeños caudales, inferiores a 300 L/s (mínimo 3 L/s), en canales de ancho
reducido respecto a su profundidad. Este vertedero de puede apreciar en la
Figura 11.12.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA503
90°
H
H
vista frontal mirando
agua arriba
vista
lateral
Figura 11.12. Vertedero triangular para medir caudales
El caudal (Q) se cuantifica por la fórmula [11.10], donde H es la altura
sobre el vértice del vertedero en metros.
Q = 1,4 ∙ H 5/2 [m3/s]
[11.10]
La medición de la altura de caída disponible se efectúa entre el nivel
del depósito de carga y el nivel de evacuación del agua de la turbina, o sea,
el nivel del canal de evacuación. El nivel de la cámara de carga puede variar
notoriamente de una época a otra, haciendo variar la potencia disponible.
Al igual que en las centrales de embalse, las turbinas más empleadas en
las centrales de pasada son la turbina de acción Pelton y la de reacción Francis. Las turbinas Pelton tienen una alta disponibilidad y bajo costo de mantención, además de que su rendimiento es bastante alto, superior al 90% en
condiciones de diseño; presentan una curva de rendimiento bastante plana
con un rendimiento superior al 80% para un caudal del 20% del nominal. Las
posibilidades que ofrece este tipo de máquina hacen que sea muy apropiada
para operar con carga parcial, además de permitir una amplia variación de
caudales en su funcionamiento. Las turbinas Francis se adaptan muy bien
a todo tipo de saltos y caudales, y cuentan con un rango de utilización muy
grande. El rendimiento de las turbinas Francis es superior al 90% en condiciones óptimas de funcionamiento. Permiten variaciones de caudales entre
el 40% y el 105% del caudal de diseño, y en salto entre 60% y el 125% del
nominal.
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
504
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Análogamente a las centrales de embalse, el generador de las centrales
de pasada puede ser de dos tipos: síncrono o asíncrono. Los generadores síncronos se presentaron en la sección 3.4.1. Como generadores asíncronos se
pueden emplear los clásicos motores eléctricos como tales, debido a la simplicidad, robustez y bajo costo de ellos. Éstos han venido utilizándose como
generadores eléctricos, sobre todo en centrales de pequeña potencia. Para
ello es necesario que el par mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincronismo. Este exceso de velocidad produce
un campo giratorio excitador. Es importante que la diferencia entre la velocidad de funcionamiento y la de sincronismo sea pequeña para reducir las
pérdidas en el cobre del rotor. El generador toma la corriente de la red para
la creación del campo magnético. También es necesaria la colocación de una
batería de condensadores que compense la energía reactiva generada.
El uso de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en
la turbina. Para arrancar el grupo se abre el distribuidor de la turbina hasta que
se llegue a una velocidad superior a la de sincronismo, aunque próxima a ésta,
y en este momento se conecta a la red por medio de un interruptor automático.
En centrales menores de 1000 KW la tensión de trabajo del generador
es de 400 ó 660 V. Para potencias más elevadas la generación se produce en
media tensión: 3000, 5000 ó 6000 V.
11.4.2.4 BASES PARA EL DISEÑO DE UNA CENTRAL MINIHIDROELÉCTRICA
Para este fin se considerará una pequeña población de tipo rural que desea
tener un mejor estándar de vida, para lo cual anhela disponer de energía eléctrica con un costo inferior a aquella lograda con generadores alimentados con
combustibles fósiles. La manera convencional de diseñar una minicentral hidráulica de este tipo comprende los siguientes pasos:
a) Estudio de la capacidad de la planta o central y de la demanda requerida. Para ello es de la mayor importancia contestar las siguientes interrogantes: ¿cuánta energía se necesita?; ¿cuándo se necesita?; ¿dónde se necesita? Por su cuenta, los posibles consumidores:
¿podrán financiar la central con las características requeridas?
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
11.4APROVECHAMIENTO
APROVECHAMIENTODEL
DELAGUA
AGUA
PARA
PARA
GENERACIÓN
GENERACIÓN
DE ENERGÍA
DE ... ELÉCTRICA505
b) Estudio hidrológico e inspección del posible lugar. En este paso es
necesario conocer el potencial hidrológico del lugar seleccionado;
este estudio revelará cómo el caudal de agua varía a lo largo del año
y dónde se debe tomar el agua para lograr un resultado efectivo y
barato. Además, mostrará cuánta es la potencia disponible y cuándo
está disponible. El estudio deberá tener en consideración los diferentes usos del agua: por ejemplo, cuando el agua tiene prioridad en
regadío agrícola sobre la generación de electricidad.
c) Estudio de prefactibilidad. Consiste en evaluar, en términos generales, los costos de opciones de diseño y fuentes alternativas de
energías. Se deberá tener dos o tres opciones para satisfacer la demanda de los consumidores; por ejemplo, puede haber dos diseños
diferentes de minicentrales o de conectarse a la red eléctrica. En
consecuencia, el estudio de prefactibilidad deberá comparar estas
opciones y mostrar sus características principales con sus correspondientes costos para así disponer de una financiación. También
la prefactibilidad deberá comparar el resultado de los estudios de
demanda de energía con los resultados del estudio hidrológico.
El estudio de la demanda dirá cómo varía la demanda de energía,
mientras que el estudio hidrológico dirá cómo varía el suministro de
energía. Por lo tanto, la prefactibilidad tendrá que dejar muy bien
establecida la vinculación entre suministro y demanda.
d) Estudio de factibilidad final. El análisis realizado después del estudio de prefactibilidad indicará cuál de las opciones propuestas es
la mejor, por lo que a continuación se procederá a los cálculos de
ingeniería y costos. Además, es importante incluir un estudio de
operación total de la central y del mantenimiento. La regla de oro
del estudio de factibilidad es: “1° operación y mantenimiento; 2°
economía y factor de planta; 3° diseño de ingeniería”. Es esencial
seguir esta regla de oro debido a que el éxito del proyecto dependerá, al final, de los procedimientos correctos de operación y mantenimiento y de la administración efectiva del sistema cuando esté
operando. Respecto del factor de planta (ecuación [10.9], sección
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
506
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
10.9) es necesario tener presente que una clave del diseño de centrales minihidroeléctricas es: “diseñar con el factor de planta más
alto posible”. El siguiente ejemplo muestra un aspecto de la relación
entre el factor de planta y la hidrografía. Para ello es conveniente
definir, de manera alternativa, el factor de planta (FP):
FP = Potencia empleada ∙ tiempo empleado / Potencia instalada ∙ tiempo considerado
La Figura 11.13 es un histograma simple de la evolución del caudal
de un río (L/s) durante nueve meses “lluviosos” y tres meses “secos” que se
acompaña con la correspondiente potencia generada (KW).
Potencia
(KW)
Caudal
(L/s)
300
37,5
200
25
100
12,5
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic
Figura 11.13. Histograma del caudal de un río durante un año
Según el histograma, con un caudal de 200 L/s se logra durante todo
el año una potencia mínima de 25 KW, pero cuando el caudal baja a 160 L/s,
en los meses “secos”, la energía está disponible sólo nueve meses. En esta
circunstancia, el factor de planta teórico sería 9/12 = 0,75 si toda la potencia
empleada fuese igual a la potencia instalada. Si el FP tuviese un valor más
real, como por ejemplo 0,5 cuando la planta está operando, al no trabajar por
tres meses su valor se reduciría a: (9/12)·0,5 = 0,375. En la práctica, es posible
seguir operando cuando el caudal se reduce empleando una turbina de caudal variable como son las turbinas Pelton (sección 11.4.2.1) que, aunque son
más caras, generan energía con bajos caudales.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
11.5POTENCIAL
11.5
POTENCIAL
YESTADOYACTUAL
ESTADO
DELAENERGÍA
ACTUAL
HIDROELÉCTRICA
DE LA ENERGÍA
ENALGUNOS
HIDROELÉCTRICA
PAÍSESLATINOAMERICANOS
... 507
11.5 POTENCIAL Y ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA
HIDROELÉCTRICA EN ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
Puesto que la mayor parte de la energía hidráulica se emplea en transformarla en energía eléctrica, en esta obra sólo se considerará el potencial y estado
actual de la energía hidroeléctrica de México, Colombia, Argentina y Chile en
este orden de población decreciente (sección 8.5).
11.5.1 MÉXICO
Los recursos hidráulicos mundiales, de acuerdo con el Instituto Mexicano de
Tecnología del Agua (IMTA), representan un potencial de energía hidráulica
por aprovechar que se estima en 36 000 TW∙h. Sin embargo, el margen de
aprovechamiento que se tiene estimado es de 15 000 TW∙h para el año 2011.
De este valor, el 1% aproximadamente es el potencial hidráulico estimado
para México, es decir, 150 TW∙h anuales.
Del total de la capacidad eléctrica instalada, un 22% corresponde a la
energía hidroeléctrica. En junio de 2012, la situación actual de la energía
hidroeléctrica se aprecia, según la capacidad instalada en el país, en la Tabla 11.7, de acuerdo con datos de la Comisión Federal de Energía (CFE), empresa encargada de la generación, transformación, transmisión, distribución
y venta de energía eléctrica que está en manos del gobierno federal.
TABLA 11.7. PRINCIPALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS MEXICANAS
EN FUNCIONAMIENTO, ORDENADAS POR CUENCAS HIDROGRÁFICAS
Cuenca
Nombre de la
(% capacidad)*
central
Río Grijalva
- Belisario Domínguez
(42,3 %)
(Angostura)
- Manuel Moreno
Torres
(Chicoasén)
- Netzuahualcóyotl
(Malpaso)
- Ángel Albino Corzo
(Peñitas)
Alfaomega
Capacidad
Ubicación
instalada, MW
900
- Venustia. Carranza,
Chiapas
2400
- Chicoasén,
Chiapas
1080
- Tecpatán,
Chiapas
420
- Ostuacán,
Chiapas
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
508
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Cuenca
(% capacidad)*
Río Balsas
(16,7 %)
Río Santiago
(15,1 %)
Otras
(6,3 %)
Nombre de la
central
Capacidad
instalada, MW
- Carlos Ramírez
Ulloa
(Caracol)
- Adolfo López
Mateo (Infiernillo)
- José María
Morelos (Villita)
600
1160
300
- Leonar. Rodríguez
Alcaine
(El Cajón)
- Aguamilpa
Solaridad
750
- Luis Donaldo
Colosio
(Huites)
- Fdo. Hiriart
Balderrama
(Zimapán)
422
TOTAL
960
292
Ubicación
- Apatxia,
Guerrero
- La Unión
Guerrero
- Lázaro Cárdenas,
Michoacán
- Sta. María del
Or. Nayarit
- Tepic,
Nayarit
- Choix,
Sinaola
- Zimapán,
Hidalgo
9284 MW
*El 19,6 % restante corresponde a las cuencas de los ríos Papaloapán, Santiago, Pánuco,
Yaqui, El Fuerte, Culiacán y Sinaloa.
11.5.2 COLOMBIA
Colombia ha sido clasificada como el cuarto país en el mundo por su capacidad hidráulica. Según las estadísticas, posee un caudal en los principales ríos
de 52 075 m3/s y un área total de 1 141 748 Km2. El mayor potencial hidroeléctrico se concentra en el oeste del país. Los grandes proyectos cuentan con un
potencial hidroeléctrico de 93 085 MW con unos inventarios de 308 proyectos mayores de 100 MW. De este potencial se ha instalado menos del 10%
(ver Tabla 11.8). Según el Plan Energético Nacional, en pequeñas centrales
hidroeléctricas se ha estimado un potencial global de 25 000 MW instalables,
de los cuales sólo se han construido 197 pequeñas centrales hidroeléctricas
con una capacidad instalada aproximada de 220 MW. La Tabla 11.8 resume la
situación actual de la energía hidroeléctrica.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
11.5
POTENCIAL
ESTADO
ACTUAL
DE LA ENERGÍA
HIDROELÉCTRICA
... 509
11.5POTENCIAL
YESTADOYACTUAL
DELAENERGÍA
HIDROELÉCTRICA
ENALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
TABLA 11.8. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS COLOMBIANAS EN
FUNCIONAMIENTO, ORDENADAS POR DEPARTAMENTOS
Nombre
Guadalupe III
Guadalupe IV
Guatapé
La Pasajera
Playas
Porcce II
Río Grande I
Troneras
Jaguas
San Carlos
Chivor
Miel
Esmeralda
San Francisco
Salvajina
Florida
Urrá
Canoas
Colegio
La Guaca
Guavio
Laguneta
Paraíso
Salto
Betania
Río Mayo
Prado
Prado IV
Alto Anchicayá
Calima
Bajo Anchicayá
TOTAL
Capacidad
Año
instalada, MW
inicio
270
1966
225
1985
560
1980
309
1994
201
1988
411
2001
75
1956
42
1965
170
1987
1988
1240
1000
1977-1982
2002
396
30
1963
135
1969
285
1985
26
1975
344
2000
45
1972
250
1970
315
1987
1992
1150
72
1960
1987
270
127
1963-1998
540
1987
Ubicación
Gómez Plata, Antioquia
Alejandría, Antioquia
Guatapé, Antioquia
Bello, Antioquia
San Carlos, Antioquia
Antioquia
Don Matías, Antioquia
Carolina, Antioquia
San Rafael, Antioquia
San Carlos, Antioquia
Santa María, Boyacá
Norcasia, Caldas
Chinchiná. Caldas
Chinchiná, Caldas
Salvajina, Cauca
Popayán, Cauca
Tierra Alta, Córdoba
Soacha, Cundinamarca
La Mesa, Cundinamarca
La Mesa, Cundinamarca
Ubalá, Cundinamarca
San Antonio, Cundinamarca
La Mesa, Cundinamarca
San Antonio, Cundinamarca
Yaguará, Huila
21
1969
San Pablo, Nariño
45
5
365
132
74
9130 MW
1973
1973
1973
1967
1957
Prado, Tolima
Prado, Tolima
Buenaventura, Valle
Calima, Valle
Buenaventura, Valle
Fuente: Ministerio de Minas y Energía
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
510
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
11.5.3 ARGENTINA
El potencial hidroeléctrico de Argentina se explota sólo parcialmente.
Si bien el potencial identificado es de 170 000 GW∙h al año, la producción
de energía hidroeléctrica apenas alcanzó 42 360 GW∙h en 2006. También
hay recursos minihidroeléctricos sin explotar con un potencial estimado
del 1,81% de la producción total de electricidad. La situación actual de
la potencia hidroeléctrica generada en grandes centrales se presenta en la
Tabla 11.9.
TABLA 11.9. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ARGENTINAS EN
FUNCIONAMIENTO, ORDENADAS POR PROVINCIAS
Nombre
central
Capacidad
instalada,
MW
Provincia
Río
Alicura
Neuquén y Río Negro
Limay
1000
Salto Grande
Entre Ríos
Uruguay
1890
Yacyretá
Corrientes
Paraná
2100
El Chocón
Neuquén y Río Negro
Limay
1200
Piedra del Águila
Neuquén y Río Negro
Limay
1400
Pichi Picun Leufu
Neuquén y Río Negro
Limay
261
Río Hondo
Santiago del Estero
Dulce, Río Salí
Río Grande
Córdoba
Río Grande
750
Planicie Banderita
Neuquén
Neuquén
450
Futaleufu
Chubut
Futaleufú
448
Florentino
Ameghino
Chubut
Chubut
El Nihuil I
Mendoza
Atuel
72
El Cadillal
Tucumán
Salí
12
TOTAL
17,44
46,72
9647,16 MW
Fuente: Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
11.5
POTENCIAL
ESTADO
ACTUAL
DE LA ENERGÍA
HIDROELÉCTRICA
... 511
11.5POTENCIAL
YESTADOYACTUAL
DELAENERGÍA
HIDROELÉCTRICA
ENALGUNOS
PAÍSESLATINOAMERICANOS
11.5.4 CHILE
El potencial hidroeléctrico del país se estima en 20 000 MW, de los cuales
casi 5000 MW se aprovechan en la actualidad según muestra la Tabla 11.10.
De este potencial, aproximadamente un 60% está concentrado en las regiones
IX, X y XI y muy especialmente en esta última, la Región de Aysén, o sea,
en el extremo sur del país, donde el recurso hídrico es muy abundante. La
situación actual de la energía hidroeléctrica se puede apreciar en la Tabla
11.10, en la cual sólo aparecen 9 centrales de embalse y el resto, 23, son centrales pequeñas de pasada.
TABLA 11.10. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS CHILENAS EN
FUNCIONAMIENTO, ORDENADAS POR REGIONES
Nombre
Central
Tipo central
Embalse
Pasada
Capacidad
instalada,
MW
Año
inicio
Ubicación
Localidad, Región
Los Molles
P
18
1952
Coquimbo, IV
Aconcagua
P
85
1993
Saladillo, V
Los Quilos
P
40
1943-1989
San Esteban, V
Sauce Andes
P
1
1909
Los Andes ,V
Rapel
E
378
1968
Las Cabras, VI
Sauzal
P
77
1948
Rancagua, VI
Sauzalito
P
12
1959
Rancagua, VI
Cipreses
E
110
1955
San Clemente, VII
Colbún
E
400
1985
San Clemente, VII
Curillinque
P
89
1993
San Clemente, VII
Isla
P
68
1963-1964
San Clemente, VII
Loma alta
P
40
1997
San Clemente, VII
1985
Colbún, VII
Machicura
E
90
Pehuenche
E
566
1991
San Clemente, VII
San Ignacio
P
37
1996
San Clemente, VII
El Toro
E
450
1973
Antuco; VIII
Mampil
P
49
2000
Santa Bárbara, VIII
Pangue
E
467
1996
Santa Bárbara, VIII
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
512
11 LA HIDRÓSFERA Y LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Nombre
Central
Tipo central
Embalse
Pasada
Capacidad
instalada,
MW
Año
inicio
Rucué
P
170
1998
El Abanico, VIII
Peuchén
P
77
2000
Santa Bárbara, VIII
Abanico
P
136
1948-1959
Antuco, VIII
Antuco
P
320
1981
Antuco, VIII
Ralco
E
690
2004
Santa Bárbara, VIII
Pullinque
P
49
1962
Panguipulli, X
Pilmaiquén
P
39
1944-1959
Río Bueno, X
Canutillar
E
172
1990
Puerto Montt, X
Capullo
P
12
1995
Puyehue, X
Alfalfal
P
160
1991
Sn José de Maipo,
RM
Carbomet
P
11
1944-1986
San Bernardo, RM
Ubicación
Localidad, Región
Florida
P
28
1993-1999
La Florida, RM
Maitenes
P
14
1997
Pirque, RM
Queltehues
P
42
1928
Los Queltehues, RM
Volcán
P
13
1944
El Volcán, RM
TOTAL
4910 MW
Fuente: Centro Económico Despacho de Carga- Sistema Interconectado Central
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
11.1. La profundidad de un embalse, creado por una presa, es 38 m y a través
de las turbinas instaladas en la base de la presa se mantiene un flujo
estable de agua de 32 m2/s. ¿Cuánta potencia eléctrica teórica se puede
generar?
11.2. En una central hidroeléctrica se toma agua desde una altura de 25 m y
sus turbinas tienen un rendimiento de 93%. La demanda diurna hace
que se deba mantener un caudal de 24 m3/s. Calcular: a) la potencia
diurna generada en KW; b) el caudal nocturno si la demanda es del
25% de la diurna.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
Alfaomega
EJERCICIOS Y PREGUNTAS
513
11.3. El salto de agua de una central hidroeléctrica es de 30 m. La sección de
los tubos de conducción de agua hacia las turbinas es de 0,75 m2 y ésta
atraviesa las paletas a una velocidad de 18 m/s. Si el rendimiento de las
turbinas es 90%, determinar la potencia generada en la central.
11.4. El salto de agua de una central hidroeléctrica es de 35 m. Supóngase
que la velocidad a la que incide el agua sobre las turbinas es frenada
por éstas y por los tubos de conducción en un 12% respecto de la velocidad de caída libre y que el rendimiento de dichas turbinas es del
94%. Calcular cuál debe ser la sección de los tubos de conducción para
generar una potencia de 7,5 MW.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
4ª PARTE
OTRAS FUENTES DE ENERGÍAS
RENOVABLES. APLICACIONES
Esta Parte IV, extensión de la Parte III, comprende el estudio de la energía
del mar (capítulo 12) y de la energía geotérmica (capítulo 13), menos desarrolladas que la energía solar, de la biomasa, eólica e hidráulica, motivo por
el cual se tratan ahora. Sin embargo, el potencial que tiene la geotermia es
muy alto debido a la existencia de la zona volcánica que comprende parte del
denominado Cinturón de Fuego donde se sitúan México, Colombia, Argentina y Chile.
El desarrollo de la energía del mar, motivado por la generación de
energía eléctrica, no ha tenido éxito, salvo los casos que se mencionan, por
las dificultades de operar en un medio cambiante e inseguro.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
12
ENERGÍA
DEL MAR
12.1 DISTRIBUCIÓN GEOGRÁFICA Y CARACTERÍSTICAS
DE LAS AGUAS OCEÁNICAS
Las características y el comportamiento de las aguas oceánicas se deben a
tres parámetros: la salinidad, la temperatura y la densidad. La salinidad se
refiere a la cantidad de sales disueltas en el agua marina. Dichas sales proceden de los continentes y llegan al mar por escorrentía, como se afirmó precedentemente, y de las dorsales oceánicas y volcanes submarinos. Como no se
pueden escapar por evaporación, se acumulan en los océanos. La salinidad de
los océanos oscila entre el 3,3% y el 3,8%, y abundan sobre todo sales de Cl- y
Na+ y en menor proporción SO4 2-, Mg2+ y otros iones. La temperatura del
océano varía con la profundidad y con la latitud. En latitudes medias y bajas,
los océanos presentan una estructura en tres capas. En la más superficial el
agua es calentada por la radiación solar, de 12 ºC a 25 ºC, y presenta un grosor de 200 a 500 m. Por debajo de esta zona las temperaturas descienden, más
o menos bruscamente, a lo largo de una segunda capa llamada termoclina.
Sus límites son muy variables, según la latitud y estación del año: puede alcanzar los 1000 m de grosor. Bajo la termoclina se extiende una gran masa
de agua fría profunda, entre los 0 ºC y 5 ºC, según la latitud, con poca o nula
variación térmica. La densidad del agua oceánica depende de la salinidad
y de la temperatura, de modo que aumenta al incrementarse el contenido de
sales y al descender la temperatura, considerando el máximo de densidad
alrededor de los 4 ºC (sección 11.1.1.2).
El término océano se utiliza para designar la parte de la superficie
de la Tierra que está cubierta de aguas marinas, que se formó hace unos
4000 millones de años. Grandes extensiones de tierra (continentes y grandes archipiélagos) dividen el océano, para efectos didácticos, en cinco partes
Alfaomega
Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
518
12 ENERGÍA DEL MAR
llamadas: océano Atlántico, océano Pacífico, océano Índico, océano Ártico
y océano Antártico. El océano Pacífico es el océano de mayor tamaño con
una extensión aproximada de 168 723 000 Km2 y ocupa el 46,6% del área cubierta por los océanos, esto es, aproximadamente 1/3 de la superficie terrestre. El Pacífico se extiende por el norte desde el mar de Bering y el océano
Ártico hasta el mar de Ross por el sur. La mayor profundidad del planeta
se encuentra en este océano. El océano Atlántico separa África y Europa
al este, y América al oeste; tiene una superficie estimada de 85 133 000 Km2,
incluyendo el mar Báltico y el Mediterráneo, lo que corresponde al 23,5% de
la superficie terrestre cubierta por océanos. El océano Índico limita con el
sur de Asia por el norte y con la Antártica por el sur, al este con la península
de Malasia, las Islas de la Sonda y Australia y al oeste con la península Arábiga y África. Su superficie estimada es de 70 560 000 Km2, incluyendo el mar
Rojo y el golfo Pérsico, lo que equivale a 19,5% de la superficie de los océanos.
El océano Antártico, oficialmente llamado Océano del Sur, o Meridional,
cubre una superficie de 21 960 000 Km2, incluyendo el mar de Amundsen, el
mar de Bellingshausen, parte del pasaje de Drake, el mar de Ross y el mar
de Weddell. Su superficie corresponde al 6,1% de la superficie total de los
océanos. Este océano rodea la Antártica con cerca de 18 000 Km de costa. El
océano Ártico, o Glacial Ártico, rodea el Polo Norte, es el océano de menor
tamaño y tiene una superficie de 15 558 000 Km2.
Se denominan mares aquellas zonas de los océanos que están en contacto con las costas de los océanos o al interior de los continentes. El término
“mar” es también usado para designar el conjunto de agua salada que forma
los océanos y mares menores. Mares litorales o costeros son aquellos
mares abiertos, situados normalmente sobre la plataforma continental, que
forman parte de los océanos o que están comunicados con ellos; algunos son
considerados como golfos. Ejemplo de mares litorales son el mar de Noruega y el golfo de México, ambos en el océano Atlántico, o el mar de China en
el océano Pacífico. Mares cerrados son grandes lagos de agua salada que
no tienen comunicación con el océano. Ejemplos de este tipo de mares son:
el mar Caspio y el mar Muerto. Mares mediterráneos o continentales
son aquellos que se encuentran rodeados por tierras y se comunican con el
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12.2 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS MARINAS
519
océano a través de estrechos o canales. El mejor ejemplo es el mar interior
del Atlántico oriental, comprendido entre el sur de Asia occidental y el norte
de África, denominado mar Mediterráneo. Otros ejemplos son el mar Negro
y el mar Báltico.
12.2 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS MARINAS
Olas: en los océanos, mares y lagos se produce, principalmente por la acción del viento, un movimiento de vaivén del agua con formación de ondas
sísmicas, movimientos en un medio material, estacionarias, llamadas olas,
que transportan energía, pero sin traslación de materia, y que se propagan
en la dirección del viento. La altura de las olas depende de la velocidad del
viento, de su duración, y de la permanencia de su dirección. Si la velocidad
y la dirección del viento se mantienen, las olas van adquiriendo altura y a
mayor elevación, mayor influencia del viento, de manera que se pueden generar olas de varios metros de altura. Las olas que se desplazan sobre aguas
profundas disipan su energía lentamente y pueden llegar a regiones alejadas
de la zona donde se formaron, produciendo oleajes de gran altura aun sin
viento. Las llamadas olas de marejada son aquellas que se alejan de la zona
de formación de la ola y se desplazan a zonas de menor intensidad del viento
o de calma, reduciendo su dimensión. Cuando la onda disipa energía cambia
de estacionaria a onda de traslación, produciéndose un desplazamiento de
materia —olas de traslación—. La energía de las olas se disipa en parte al
convertirse en una corriente superficial, por roce con el aire, por una excesiva
velocidad del viento que la genera y rompe las crestas o, cuando el fondo es
poco profundo, se produce interacción con la corteza o se rompe contra las
rocas costeras.
Las olas se caracterizan por los siguientes parámetros, mostrados en
la Figura 12.1: la cresta (A) de una ola corresponde a su parte superior; el
valle es el seno que se forma entre dos olas consecutivas; la longitud de
onda (λ) es la distancia entre dos crestas; la altura (H) es la diferencia de
elevación entre el valle y la cresta adyacente. El período (T) de una ola es el
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520
12 ENERGÍA DEL MAR
“tiempo que transcurre entre dos crestas consecutivas”, y la velocidad de propagación, o velocidad de onda (c), se calcula dividiendo la longitud de onda
por el período (c = λ / T).
La energía por unidad de superficie de las olas, E (KJ/m2) se puede
estimar mediante la relación:
E
≈ 1,25 · H2
=
[12.1]
donde: ρ = densidad del agua de mar (Kg/m3); g = fuerza de gravedad (m/s2);
H = altura de la ola (m).
La potencia por metro lineal de frente de costa, P (KW/m), se estima
por medio de la ecuación:
≈ T · H2
P = cg · E =
[12.2]
donde: cg = velocidad del grupo de olas (m/s); H = altura de ola (m); T =
período (s).
cresta
A
H
valle
λ
Figura 12.1. Parámetros de una ola
Según su origen, o la energía que las genera, las olas se clasifican en:
olas marinas o de viento, que son las generadas por la acción del viento
sobre el agua; olas de fondo: son inicialmente olas de viento que cuando
éste cesa se desplazan hasta muchos kilómetros de su origen sin ser mantenidas por él; las olas de temporal, que son aquellas olas marinas que
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12.2 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS MARINAS
521
se generan y mantienen por el viento en zonas de tormentas y debido a la
gran energía que contienen y a su velocidad de desplazamiento impiden el
retorno con acopio de agua que invade el interior de las zonas costeras. Los
tsunamis (del japonés tsu: puerto o bahía; nami: ola), o maremotos,
son grandes olas causadas por efectos geológicos (terremotos, erupciones
volcánicas o derrumbes submarinos). Estos fenómenos geológicos provocan olas con amplitud pequeña (60 cm a 1 m), gran longitud de onda (50 a
200 Km), mucho mayor que en las profundidades, por donde viajan a velocidades de hasta 900 Km/h que se reducen al disminuir la profundidad,
desplazan una gran masa de agua que puede recorrer miles de kilómetros
antes de llegar a las regiones costeras y pueden provocar cuantiosos daños
en esas zonas.
Mareas: periódicamente los mares y océanos experimentan un ascenso y descenso del nivel del agua con respecto a la costa como resultado
de la fuerza de atracción gravitatoria sobre la Tierra que ejercen tanto el
Sol como la Luna, efecto que concuerda con la ley de Newton de la gravedad: “los cuerpos celestes se atraen con una fuerza proporcional a la masa
e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia”. Este cambio de
niveles del agua del mar se denomina marea y debido a que la Luna ejerce
una mayor fuerza de atracción sobre la Tierra, por estar a menor distancia
que la Tierra del Sol, la atracción lunar es la principal causa de las mareas.
En la generación de mareas interviene también, pero en menor grado que
la atracción lunar y solar, la llamada fuerza de arrastre, que es una fuerza
mecánica ejercida por un fluido en movimiento sobre un cuerpo, inmerso
en el fluido, que se opone al movimiento. En el caso de las mareas la fuerza
de arrastre es la resultante del movimiento mareal. En aerodinámica, la
fuerza de arrastre es la “fuerza que opone el aire al movimiento de un
cuerpo”.
Mareas lunares: el nivel del agua cambia cada seis horas, alcanzando un nivel máximo que se denomina marea alta o pleamar y el nivel
más bajo, marea baja o bajamar. El cambio periódico de niveles durante
un día se debe a la rotación de la Tierra alrededor del eje imaginario en el
que cada giro completo, o día lunar, dura en promedio 24 h y 50 min y 28 s,
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522
12 ENERGÍA DEL MAR
por lo que un punto dado de la superficie terrestre cambiará su distancia
con respecto a la Luna en forma constante y cíclica cada 6 horas, generando dos pleamares y dos bajamares en un día lunar. Cuando este punto está
en línea con la Luna se producen las mareas altas y cuando está en posiciones más alejadas, las mareas bajas. Las variaciones producidas entre
los niveles de marea alta y baja se denominan amplitud de la marea.
El movimiento ascendente y descendente que generan las mareas se caracteriza por dos procesos: flujo es el ascenso progresivo y lento del nivel
de las aguas debido al aumento gradual de la atracción lunar o solar o de
ambas en el caso de luna nueva y de luna llena; reflujo es el descenso de
las aguas, pausado y paulatino, debido a la declinación de la atracción producida por el Sol o la Luna.
La circulación oceánica comprende los movimientos superficiales
permanentes de las aguas de los océanos y mares extensos. Las fuerzas involucradas en la circulación oceánica se pueden clasificar en: fuerzas primarias,
que son las que forjan el movimiento, y fuerzas secundarias, que surgen con
el movimiento generado en las aguas. La circulación atmosférica y la oceánica tienen como fuente principal de energía la radiación solar. Debido al
estrecho contacto que existe entre la atmósfera y los océanos se producen
diferencias de temperaturas en la tropósfera que dan origen a los vientos,
los que a su vez provocan movimiento de las aguas de la superficie oceánica.
Por otra parte, las diferencias de temperatura que la energía solar genera en
las aguas favorece el movimiento de grandes masas de aguas, el cual produce corrientes marinas que se desplazan en el océano siguiendo trayectos
cíclicos y constantes.
La circulación oceánica tiene dos componentes según sea el origen
de las fuerzas que la generan: a) la circulación termohalina, que se
produce por variaciones de la salinidad o de la temperatura del agua que
causan diferencias de la densidad del agua, poniéndola en movimiento y
generando una corriente vertical. La densidad del mar aumenta al disminuir la temperatura o con el aumento de la salinidad, por ello las masas de
agua fría se hunden hasta alcanzar el equilibrio de densidad, desplazando
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12.2 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS MARINAS
523
el agua de menor densidad hacia las zonas superiores —circulación vertical— o hacia zonas laterales, provocando circulación horizontal. La circulación termohalina es la causa principal del movimiento de aguas profundas en las regiones polares y subpolares. En el planeta, se produce un
mayor calentamiento en las latitudes bajas (más cercanas al ecuador), por
lo que existe un flujo hacia los polos, aunque éste no es el único responsable de las corrientes. b) La circulación eólica producida por el viento
que sopla sobre la superficie del mar causa cambios de presión turbulentos
que generan una circulación principalmente horizontal en la capa superficial del océano, denominada también corrientes de arrastre. La capa
superior del océano donde se produce turbulencia activa, que homogeniza
algunos niveles de profundidades, se denomina capa de mezcla oceánica, y cuando la turbulencia es generada por vientos, enfriamiento, o procesos como la evaporación, o la formación de hielo marino, lo cual resulta en
el incremento de la salinidad, se denomina capa de mezcla superficial.
Un criterio utilizado para definir la capa de mezcla superficial es la disminución de temperatura con la profundidad. Este criterio define a la capa de
mezcla como la profundidad donde el cambio de temperatura en relación
a la temperatura superficial es 0,5 °C. Esta capa fluctúa entre 300 y 1000 m
de profundidad y es muy estable, a diferencia de la capa más profunda. La
capa en contacto con el fondo, llamada agua de fondo, presenta propiedades distintas.
El gran volumen de agua y energía calórica que transportan las
corrientes superficiales afectan la temperatura de las zonas circundantes produciendo cambios en el clima. Una de las variables por la que se
clasifican las corrientes es por la temperatura de sus aguas. Corrientes
cálidas son corrientes que se encuentran principalmente en el hemisferio
norte y son las corrientes superficiales originadas en zonas intertropicales
de las costas orientales de América del Norte y Asia que se dirigen hacia
latitudes medias y altas en dirección contraria a la rotación de la Tierra.
Ejemplos de corrientes cálidas son la corriente del Golfo en el océano
Atlántico y la corriente de Japón (o Kuroshio) en el Pacífico. Corrientes
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
524
12 ENERGÍA DEL MAR
frías son corrientes debidas a la rotación terrestre, de aguas profundas y
frías, que se generan desde las costas occidentales de los continentes desplazándose hacia las zonas intertropicales y subtropicales. La corriente de
Humboldt y la de California son ejemplos de corrientes frías en el océano
Pacífico.
La comunicación existente entre todos los mares y océanos del planeta
dio lugar al modelo de la cinta transportadora oceánica. Este modelo
considera el conjunto de las corrientes oceánicas superficiales y profundas,
a lo largo y ancho del océano global, como una corriente oceánica continua
que distribuye el calor por todo el planeta. El inicio de la corriente se halla
en las proximidades de Groenlandia, donde el agua fría y salada, y por tanto
densa, tiende a hundirse. Esta corriente recorre el fondo del océano Atlántico de norte a sur hasta entrar en contacto con las gélidas aguas del océano
Antártico y asciende. Parte de ella retorna a su lugar de origen; el resto se sumerge de nuevo debido al intenso enfriamiento superficial y discurre por el
fondo del océano Índico, donde una parte asciende y otra parte llega hasta el
Pacífico, donde definitivamente asciende y se calienta. Posteriormente, realiza el trayecto en sentido inverso en forma de corriente superficial, arrastrando con ella las aguas cálidas, las nubes formadas en los océanos cálidos,
originando lluvias a su paso y elevando las temperaturas de las costas atlánticas del norte de Europa por las que discurre. Una vuelta completa de circulación global tiene una duración de varios cientos de años. Una interrupción o incluso una disminución de esta corriente oceánica tendría efectos
importantes sobre el clima como el enfriamiento del hemisferio norte al no
recibir el calor que se libera en la generación del agua profunda noratlántica.
Esta situación podría darse si se funden los hielos de Groenlandia debido al
calentamiento global, entonces la salinidad y, por tanto, la densidad de las
aguas disminuirían notablemente, afectando o interrumpiendo la generación de aguas profundas. Además, se podría desencadenar un proceso de
realimentación positiva que incrementaría los niveles de CO2 atmosférico
al disminuir su captación por la menor formación de aguas profundas. La
Figura 12.2 muestra la cinta transportadora oceánica que distribuye el calor
por la Tierra.
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12.2 MOVIMIENTOS DE LAS AGUAS MARINAS
525
S
S
U
menos
profunda
os
menlada
sa
Co
rrie
da
cáli
nte
da
fun
pro
Corriente
salada
fría
S
Corrientes
profundas
de densidad
Flujo de
retorno menos
profundo
Otros
flujos
de retorno
Zonas de
S
Zonas de
de
S subsidencia
U afloramiento
densidad elevada
oceánico
Afloramiento
costero
Permanente
Estacional
Figura 12.2. Cinta transportadora oceánica de calor
La calidad del agua oceánica se puede definir en relación con su estado natural; en este sentido un problema grave es la contaminación del mar
por las llamadas aguas negras producidas por vertidos de petróleo procedentes de operaciones de extracción en plataformas petrolíferas, el trasvase,
descarga y limpieza de buques petroleros, o accidentes de éstos. Los efectos
ambientales de una marea negra son debidos, por una parte, al petróleo que
queda en la superficie, que impide la entrada de luz hasta los organismos
fotosintéticos —fitoplancton—, por lo que desaparecen, y con ellos el resto de
las especies que estaban relacionadas a través de cadenas tróficas y, por otra
parte, a los componentes más pesados: aceites y alquitrán, que caen al fondo,
destruyendo la flora y fauna bentónicas. Este hecho es especialmente grave
en la plataforma continental y en los arrecifes. Además, el petróleo puede
cubrir las plumas de las aves marinas y la piel y el pelo de los mamíferos, dificultando sus movimientos e inutilizando su función de aislante térmico, por
lo que los animales mueren por hipotermia.
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526
12 ENERGÍA DEL MAR
Como ya se ha visto, los océanos y mares constituyen inmensas acumulaciones de energía que se manifiesta en mareas, olas, gradientes de temperatura existentes entre la superficie y la profundidad de las aguas y las
corrientes marinas. Como las dimensiones de los océanos son enormes, la
energía que ellos contienen está muy dispersa y es de baja calidad (sección
1.3), de manera que la explotación es compleja y onerosa. Debido al potencial
de utilización que tiene la energía marina por ser energía renovable y por
el desarrollo de tecnologías emergentes aparecidas en los últimos años, es
conveniente conocer sus alcances en el campo de su mayor interés: la generación de electricidad. Estos temas se tratarán a continuación mediante un
análisis selectivo y no exhaustivo sobre los tipos de la energía del mar. Las
más estudiadas son las debidas a las mareas, olas y térmica oceánica; las de
las corrientes y gradientes salinos están mucho menos desarrolladas.
12.3 ENERGÍA TÉRMICA OCEÁNICA
El agua de los océanos acumula una enorme cantidad de calor proveniente
del sol (sección 2.2), especialmente en las zonas tropicales. Se han efectuado
numerosos experimentos para evaluar la factibilidad tecnológica y económica para utilizar las diferencias de temperaturas entre las aguas frías del fondo
y las aguas superficiales calentadas por el sol en las zonas tropicales con el
objetivo de producir electricidad en centrales fijadas en el fondo de mares
tropicales de sitios adecuados. Pese a que los científicos han estado trabajando desde hace medio siglo, aún la tecnología sigue en etapa de investigación
y desarrollo. No obstante, el interés prosigue porque para estos sistemas de
generación no se necesita respaldo ni almacenamiento de energía eléctrica.
La generación de energía a partir de las diferencias de temperatura del
agua es posible si dicha diferencia es 20 °C. Se logra mediante una máquina
térmica (sección 5.4), en la que el agua superficial actúa como fuente de calor, mientras que el agua extraída de las profundidades actúa como foco frío.
En consecuencia, no existe ninguna diferencia cualitativa entre una central
térmica oceánica y una central térmica convencional. Sin embargo, la central
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12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
527
térmica oceánica opera con energía de baja calidad, al funcionar con un gradiente térmico no superior a 20 °C, frente a los cientos de grados de diferencia
a los que operan las centrales térmicas. Su producción de energía útil neta
es por tanto muy baja. La transformación de la energía térmica en eléctrica
se lleva a cabo mediante un líquido que se evapora para luego pasar por una
turbina. Este ciclo puede ser abierto o cerrado. En el ciclo abierto, el fluido
de operación es la misma agua cálida de la superficie del mar, mientras que
en el ciclo cerrado se utiliza un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición:
amoníaco o propano. Los dos ciclos son igualmente utilizados ya que ambos
presentan tanto ventajas como inconvenientes.
Los analistas de estos sistemas generadores estiman que la extracción
de energía a gran escala de esta diferencia de temperaturas de las aguas marinas nunca podrá competir, en términos económicos, con otras alternativas.
Los costos de construcción y mantención son elevados por la corrosión de
las partes metálicas y por la obstrucción en los conductos de los intercambiadores de calor por algas y otras especies. Además, los huracanes que son
comunes en aguas tropicales calientes provocan severos daños.
12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
En la sección 12.2 se expuso el significado de las mareas, las cuales son cambios periódicos del nivel de los océanos, debida principalmente a la atracción gravitatoria de la Luna y en menor cuantía del Sol y al movimiento de
rotación de la Tierra. La aceleración de gravedad que produce el efecto de
marea aumenta con la masa y disminuye con el cubo de la distancia. Con relación a la Tierra, y teniendo en cuenta las distancias y las masas, sólo el Sol
y la Luna son capaces de producir mareas apreciables; el Sol, más distante,
influye por su masa; la Luna, de masa mucho menor, por su proximidad a la
Tierra. La causa de las mareas proviene de la aplicación de las dos fuerzas
—atractiva y centrífuga— que en el centro de gravedad de la Tierra se neutralizan, es decir, la atracción de la Luna queda compensada por la fuerza
centrífuga originada por la revolución en torno al centro de gravedad del
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528
12 ENERGÍA DEL MAR
sistema Tierra-Luna, de lo contrario la atracción provocaría un acercamiento progresivo entre ellas.
12.4.1 TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS MAREAS
En un punto cualquiera de la superficie terrestre, cuando el astro está por
encima del horizonte, la fuerza atractiva del Sol es mayor que cuando está
por debajo del horizonte, en que la fuerza centrífuga es la que predomina. Si
la Tierra no girara alrededor de su eje, las mareas serían estáticas. Gracias a
la rotación de la Tierra se obtienen, en cada punto del océano, cada día, dos
pleamares y dos bajamares, lo que se conoce como marea de tipo semidiurno. Cuando el punto está situado en una latitud importante y el ángulo
que forma el astro con el plano del ecuador es igualmente elevado, el astro no
alcanza el horizonte, lo que implica la pérdida de una pleamar y una bajamar
por día, es decir, sólo hay una pleamar y una bajamar al día, lo que se conoce
como marea de tipo diurno.
Las mareas están sometidas a una fluctuación rítmica de su nivel y a
una fluctuación en forma de corrientes que son: a) la corriente que acompaña a la llegada de la pleamar —máxima elevación—, que se conoce como
corriente de flujo; b) la corriente que acompaña a la aparición de la bajamar —mínima elevación—, que se conoce como corriente de reflujo y es
más breve en tiempo que la primera. El período de una marea es el tiempo
que media entre dos pleamares o entre dos bajamares sucesivas. La marea
evoluciona, en general, por la superposición de ondas diurnas y semidiurnas que adquieren amplitudes máximas o mínimas a intervalos de 14,8 días,
aproximadamente. La onda total —superposición de las ondas diurnas y semidiurnas— confiere a las oscilaciones del nivel marino una evolución característica oscilante más o menos regular, compuesta frecuentemente por dos
pleamares y dos bajamares al día, cuya amplitud varía con un período de 14,8
días aproximadamente; sin embargo, existen lugares en los que las mareas
varían en forma diferente, con períodos de hasta 24 h, o con períodos de 5 h.
Las mareas son las ondas más largas del océano, con períodos del orden de 12 a 24 horas y longitudes de onda comparables con la longitud de
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12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
529
la circunferencia terrestre en el ecuador. La amplitud de una marea, es
decir, la diferencia entre la altura de pleamar y bajamar, es extremadamente
variable de un litoral marítimo a otro; no es la misma en todos los lugares:
nula en algunos mares interiores, como en el mar Negro, mientras que en el
Mediterráneo sólo alcanza entre 20 y 40 cm, al igual que en el océano Pacífico;
por el contrario, se amplifica y alcanza valores notables en determinadas zonas en donde la profundidad del mar es pequeña, o la costa tiene una escasa
inclinación, o una configuración que origina una interferencia por las costas,
o existen fenómenos de resonancia, como sucede en algunas bahías en las
que el agua puede subir su nivel varios metros debido a que el tiempo de vaciado y llenado de éstas coincide con el período de la marea, etcétera. En el
océano Atlántico se registran las mareas mayores. Así, en la costa meridional
atlántica de Argentina, en la provincia de Santa Cruz, alcanza una amplitud
de 14 m.
La variación del nivel del agua del mar observado durante una marea
u onda total viene dada por la suma de muchas ondas sinusoidales simples
del tipo:
h = a cos ( w t + ϕ )
[12.3]
donde: h = altura; a = amplitud de la marea; w = constante en todo momento y lugar, depende de las condiciones astronómicas; t = tiempo; ϕ = fase de
cada onda. a y ϕ no dependen de las condiciones astronómicas y varían de un
lugar a otro. Cuando se conocen se puede establecer la evolución de la marea
para cada lugar y tiempo.
Como ya se ha indicado, existen un número limitado de lugares donde
es posible la explotación de la energía de las mareas; para ello se requiere de
un amplitud de marea mínima de 5 m, de una bahía o estuario lo suficientemente amplio para que la cantidad de agua por trasvasar durante las mareas
sea grande y dé la facilidad de construir un dique que separe el estuario del
mar para contener y cerrar el paso del agua. El estuario se llena durante la
pleamar y se vacía durante la bajamar a través de unas turbinas y compuertas
auxiliares.
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530
12 ENERGÍA DEL MAR
La energía que teóricamente se puede extraer en un ciclo de marea es
función de la superficie del embalse artificial A(z) y de la amplitud a de la
marea, es decir, de la diferencia entre los niveles de pleamar y bajamar.
La energía entregada por el embalse en el vaciado en la bajamar es:
Eembalse = γ
(z)∙z∙ dz
La energía entregada durante el llenado en la pleamar es:
Emar = γ
(z)∙(a - z)∙dz
La energía potencial estimada para un ciclo de marea de 6,2 h es:
E = Eembalse + Emar = γ ∙ a
(z)∙dz = γ · a ·V =
2,723∙103 a ∙V (KW)
[12.4]
donde: A = superficie del embalse en Km2; a = amplitud de la marea en m;
V = volumen del embalse en m3.
12.4.2 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DE LAS MAREAS
PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD
Si la diferencia de altura del agua entre la marea alta y la baja es lo suficientemente grande, la energía potencial hidráulica de este flujo y reflujo diario puede transformarse en energía cinética capaz de mover una turbina que puede
producir electricidad. Con ese fin se pueden construir diques que cierren una
determinada bahía para conseguir recoger y almacenar el agua cuando sube
la marea. El agua se puede contener mediante compuertas hasta la bajamar y
se libera en las horas intermareales para que, aprovechando la energía potencial originada por el desnivel entre mar y dique, pueda accionar turbinas que,
acopladas a un alternador, produzcan electricidad. Los componentes básicos
de una central mareomotriz son: diques, compuertas, turbinas, generadores
eléctricos, sistema de control y transporte de la energía eléctrica generada.
En la mayoría de las costas del mundo se producen dos pleamares y
dos bajamares cada día. Por lo tanto, en el caso de una bahía acondicionada,
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12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
531
ésta se llenará y vaciará diariamente en dos ocasiones, siempre que el dique
disponga de compuertas para producir el llenado y vaciado. Una central mareomotriz puede diseñarse para operar de distintas formas, las cuales dependen del número de ciclos y del sentido de aprovechamiento de las mareas.
Cuando la instalación se diseña para aprovechar la energía únicamente en la
etapa de vaciado de un estuario, es decir, durante la bajamar, se dice que ésta
opera en un ciclo de simple efecto. En este caso se dispone de un embalse
único y su operación consiste en abrir las compuertas para que se produzca
el llenado y, una vez ejecutado, se procede al vaciado, cuya energía hidráulica acciona la o las turbinas en una etapa de vaciado con turbinación. En
consecuencia, la generación de electricidad ocurre sólo durante la bajamar.
Esta operación requiere de una turbina hélice de flujo axial y alta velocidad
específica. Esta forma de operar limita la energía eléctrica generada, ya que
solamente se aprovecha el flujo de agua en un sentido: del estuario al mar.
Por tanto, solamente se aprovechan los dos períodos diarios en que se vacía el
estuario. Es decir, entre tres y seis horas, como mucho, en cada ciclo.
Con el propósito de incrementar el período de generación eléctrica y
aprovechar mejor la energía de las mareas, se han diseñado instalaciones que
operan según un ciclo de doble efecto. Este tipo de instalaciones aprovechan la energía del agua en dos sentidos: al entrar y al salir del estuario.
Para ello se recurre al empleo de canalizaciones de entrada y canalizaciones
de salida, o a la utilización de un único tipo de canalizaciones, pero equipadas con turbinas que pueden trabajar en los dos sentidos. La generación de
energía se efectúa con ambas mareas, lo que exige que las turbinas operen
eficazmente con un determinado caudal de agua en cualquier dirección. La
energía utilizable es menor debido a que las diferencias de niveles entre el
embalse y el mar son menores que en los ciclos de simple efecto, de manera
que se reduce el rango de variación del nivel embalsado y disminuye también
el rendimiento al no ser posible optimizar las turbinas y el caudal. Aun así, el
factor de utilización de la planta es mayor, lo que proporciona un 18% más de
energía que en los casos de simple efecto. Los tiempos de funcionamiento son
del orden de 6 a 7 horas por marea, lo que supone entre 12 y 14 horas diarias
de generación de energía, con tiempos de espera entre 2 y 3 horas por marea.
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532
12 ENERGÍA DEL MAR
Las instalaciones de ciclo múltiple efecto utilizan varios embalses y
tienen como objetivo paliar los tiempos de baja producción energética que se
producen en las instalaciones de ciclo de simple efecto. Existen muchas propuestas de diseño de embalses múltiples, todas ellas encaminadas a adecuar
la producción energética a las horas de demanda.
En las instalaciones mareomotrices pueden utilizarse turbinas reversibles, las cuales pueden funcionar como bombas en un sentido y como turbinas en el otro. De esta forma cuando exista un exceso de energía puede emplearse para bombear agua desde el mar hacia los embalses, aumentando así
el nivel para disponer de agua extra para la subsiguiente fase de generación.
Las turbinas más adecuadas para las centrales eléctricas de mareomotriz son
las de hélice de flujo axial y de alta velocidad. Los tipos más aceptados de
estas turbinas son: la turbina de bulbo axial, la cual se instala junto con el
generador eléctrico, y la turbina Kaplan de forma tubular que se conecta al
generador, el cual se encuentra en el exterior del conducto de flujo del agua.
La turbina de bulbo es una máquina axial, la cual se instala junto
con el generador eléctrico en un habitáculo en forma de bulbo situado en el
conducto de paso del agua. Posee un conducto hidráulico de formas simples y
dimensiones reducidas, que permiten un aumento de la potencia específica y
una reducción del costo de la obra civil. La turbina Kaplan es una máquina
axial, tubular, que tiene la particularidad de poder variar el ángulo de sus
palas durante su funcionamiento. Está diseñada para trabajar con grandes
caudales; su rodete funciona de manera semejante a la hélice de un barco.
Se conecta al generador que se encuentra en el exterior del conducto de flujo
del agua.
Los conductos hidráulicos de las turbinas bulbo son menos complicadas que los de las turbinas Kaplan y llegan a tener pérdidas relativamente
poco importantes, por lo que para un salto hidráulico dado se pueden conseguir mayores potencias específicas. Para rendimientos iguales, los grupos
bulbo tienen un diámetro de rodete inferior al de las turbinas Kaplan de
la misma potencia; para caídas más pequeñas que el salto de diseño, las
potencias generadas por la turbina bulbo son superiores a las desarrolladas
por las turbinas Kaplan. En suma, las turbinas bulbo han logrado mejores
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
533
resultados que las Kaplan, como se ha demostrado en la central mareomotriz de La Rance, Francia. La Figura 12.3 muestra el esquema de una turbina
bulbo.
MAR
EMBALSE
TURBINA
“BULBO”
Figura 12.3. Esquema de turbina bulbo
El primer intento para el aprovechamiento de la energía de las mareas
se realizó en Francia, en la ría del río Rance, en las costas de Bretaña; en esta
zona la amplitud de la marea puede alcanzar máximos de 13,5 m, una de las
mayores del mundo. El volumen de agua de mar que puede penetrar en el
estuario es del orden de 20 000 m3/s. Un dique artificial cierra la entrada de
la ría y una esclusa mantiene la comunicación de ésta con el mar, asegurando
la navegación en su interior. Todos los elementos de la central maremotriz,
como generadores eléctricos, máquinas auxiliares, turbinas, talleres de reparación, salas y habitaciones para el personal, están ubicados entre los muros
del dique que cierra la entrada del estuario. Fue acabada en 1967 y funciona
con un ciclo de doble efecto con acumulación por bombeo. Su dique tiene 700
m de largo, 24 m de ancho y 27 m de alto (15 sobre el nivel medio del mar), 6
compuertas de 15 m de longitud y 10 m de altura y una esclusa que comunica,
para pequeños barcos, el mar con el estuario.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
534
12 ENERGÍA DEL MAR
Los inconvenientes del dique son que bloquea la navegación, impide la
emigración de los peces y modifica el tamaño y localización de la zona entre
mareas, así como el régimen de mareas aguas arriba. El embalse tiene una
superficie de 20 Km2 y una capacidad de 186 millones de metros cúbicos entre
pleamar y bajamar, es decir, el agua que se puede aprovechar en las turbinas. La central posee 24 turbinas bulbo de 10 MW, por lo tanto su capacidad
total de generación es 240 MW. Cada unidad de explotación está compuesta
por 4 turbinas. La energía neta generada a lo largo del año es del orden de
550 GW∙h, (500 GW∙h en turbinaje directo y 50 GW∙h en turbinaje inverso),
equivalente a 3105 barriles de petróleo, de la que se ha deducido la energía de
65 GW∙h consumida en el bombeo, un 10% de la energía generada. Sus gastos anuales de explotación en 1975 eran competitivos con los de las plantas
hidroeléctricas convencionales. La Figura 12.4 muestra una fotografía de la
central La Rance.
Figura 12.4. Embalse de central eléctrica con energía mareomotriz en el estuario de
La Rance, Francia
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.4 ENERGÍA DE LAS MAREAS
535
En 2011 empezó a generar electricidad la central mareomotriz
Sihwa, aún más grande que La Rance, instalada en el borde del lago artificial
Sihwa conectado al mar, cercano a Seúl (Corea del Sur), con una capacidad
de 254 MW.
Estos y otros ejemplos de aprovechamiento de energía dan cuenta de
que en la actualidad la construcción de estas centrales contribuye poco al
suministro de energía eléctrica y que los costos de construcción y mantención son elevados. Además, la provisión de esta energía está supeditada a las
mareas, por lo que estas centrales eléctricas deben contar con un sistema de
respaldo.
Una alternativa al empleo de embalse o represa marina en zonas donde
haya altas mareas, es el empleo de turbinas hidráulicas de mareas, que
son dispositivos similares a la los aerogeneradores eólicos (secciones 10.9 y
10.10) pero que están sumergidos en el agua, por lo tanto hacen innecesario
construir una represa, con los inconvenientes económicos y ambientales que
éstas tienen. El funcionamiento es similar al de los aerogeneradores eólicos,
pero en este caso el flujo de la corriente marina, producto de la variación de
mareas, hace girar uno o dos rotores, comúnmente de dos aspas. El buje del
rotor gira en 360° alrededor de la columna que lo soporta para orientarse hacia la dirección de la corriente. El hecho de que este generador eléctrico esté
sumergido en el mar constituye un equipo ajeno al medio natural, por lo que
existe el inconveniente de desarrollo de algas e incrustaciones de moluscos
sobre la columna soportante de los rotores y demás componentes de dicho
equipo, que debe controlarse.
Las turbinas de mareas funcionan bien con corrientes costeras superiores a 2 m/s, que les entregan una densidad de energía cuatro veces
superior que el aire, hecho que significa que las hélices de una turbina de
marea de 15 m de diámetro generan tanta energía como la de un aerogenerador con aspas de 60 m de diámetro. Además, las corrientes de mareas
son predecibles y fiables. El sitio ideal para instalar turbinas de mareas es
cerca de la costa, dentro de 1 Km, y a profundidad de 20-30 m. La Figura
12.5 ilustra una turbina de mareas sumergida provista de dos rotores con
dos aspas cada uno.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
536
12 ENERGÍA DEL MAR
Figura 12.5. Turbina hidráulica de mareas con dos rotores
El aprovechamiento de la energía de las mareas tiene dos ventajas
importantes: está disponible todo el año y es absolutamente predecible.
Posee un impacto ambiental muy positivo: es energía renovable y no
contaminante.
Sus inconvenientes son la dificultad de instalación pues existe un número muy reducido de localizaciones que además deben tener una diferencia
entre mareas de al menos 6 m. La generación de electricidad es de alto costo
por la construcción de embalses. Estos embalses tienen impactos ambientales negativos sobre la flora y fauna marítima, contribuyen al depósito de
sedimentos e impiden el paso de embarcaciones.
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12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
537
12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
Esta energía es una forma concentrada de la energía eólica. El viento, al soplar sobre la superficie de las aguas oceánicas, transmite parte de su energía
y forma olas, las cuales son una fuente potencial de energía motriz.
De la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra, una fracción se invierte en un calentamiento desigual de ésta, lo que provoca en la
atmósfera zonas de altas y bajas presiones, generando desplazamientos del
aire, es decir, viento de variada intensidad. El oleaje es una consecuencia del
rozamiento del aire sobre la superficie del mar, que actúa como un acumulador de energía porque la recibe, la transporta y la almacena; la intensidad
del oleaje depende de la intensidad del viento, de su duración y de la longitud
sobre la cual éste transmite energía a la ola. Existen tres posibles procesos
involucrados en la generación de las olas: a) la corriente de aire sobre la capa
externa del agua aplica un esfuerzo tangencial que resulta en la formación y
crecimiento de las olas; b) el flujo turbulento del aire cerca de la superficie del
agua crea rápidamente una variación en el esfuerzo cortante y la presión; c)
finalmente, cuando las olas tienen cierto tamaño, el viento ejerce una fuerza
que causa un crecimiento adicional a la ola.
La generación de las olas es debida, probablemente, a la acción de oscilaciones de la presión atmosférica, de período corto, combinadas con la acción del viento. Por su turbulencia, una corriente de viento que fluye, incluso
paralela a la superficie del mar, se puede asimilar a una sucesión de oscilaciones de la presión atmosférica que actúan en un plano vertical, ortogonalmente a la dirección del viento, comportamiento que se asimila a las ondas.
12.5.1 TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS OLAS
Existen dos tipos generales de ondas marinas: las ondas estacionarias y las
ondas progresivas o transitorias. Una onda estacionaria contiene uno o
varios puntos en los que el movimiento es nulo —puntos nodales— y uno o
más puntos en los que el desplazamiento es máximo —puntos ventrales—.
La distancia entre los nodos y la frecuencia de la oscilación depende de las
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
538
12 ENERGÍA DEL MAR
dimensiones geométricas de la cuenca en que se produzcan. Una ola progresiva es aquella que varía en el tiempo y en el espacio; puede formarse en la
superficie o en el interior de la masa oceánica.
Las olas se pueden formar no sólo por la acción de viento sino además
por la acción de otras fuerzas perturbadoras como tormentas, terremotos, el
Sol y la Luna. Las olas debidas al viento son las que contienen más energía
y son las que se aprovechan para obtener electricidad. Este tipo de olas se
forma cuando el viento sopla sobre la superficie marina, como ya se expuso; mientras el viento está soplando se generan olas confusas, sin una dirección definida, aunque haya una predominante. Cuando las olas abandonan la
zona en que sopla el viento se van propagando de acuerdo con su velocidad
c, que es función de la longitud de onda λ, es decir, la distancia entre dos olas
consecutivas. Las olas se agrupan por sus longitudes de onda, formándose así
olas casi regulares, que dan lugar a la mar tendida (Figura 12.6), que es la que
se aprovecha para generar energía.
Zona de crecimiento
Mar totalmente desarrollado
Cambio a mar tendida
Zona de acción del viento
Viento
Figura 12.6. Acción de un viento constante sobre una zona determinada del mar
No existe una regularidad perfecta de las olas, ya que su amplitud,
energía y dirección varían aleatoriamente a lo largo del año; cambian desde
la calma absoluta hasta 1 MW/Km. También pueden estar sometidas a variaciones instantáneas. Las olas se trasladan, pero no las partículas de agua, que
sólo se mueven en trayectorias elípticas o circulares (Figura 12.7).
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
539
Dirección de la ola
Figura 12.7. Movimiento de partículas de agua en órbitas circulares de una ola que se
traslada en una dirección
Las órbitas elípticas en las olas largas pueden comprimirse hasta formar segmentos circulares Las órbitas se consideran cerradas, por comodidad
para su estudio, aunque en realidad son abiertas. En las ondas largas, en particular las de mareas, el desplazamiento horizontal de las partículas es prácticamente igual tanto en superficie como en el fondo, describiendo órbitas
del mismo radio en la misma horizontal, pero de distinta fase; las partículas
situadas en la misma vertical describen órbitas de igual fase, pero sus radios
disminuyen con la profundidad.
12.5.2 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DE LAS OLAS
PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD
Estados Unidos, Japón, Rusia, algunos países europeos (entre ellos España),
China, Japón, y Corea del Sur han construido pequeñas plantas experimentales para evaluar esta forma de energía; ninguna de tales plantas ha conseguido electricidad a precios competitivos, aunque algunos diseños parecen ser
prometedores. La mayoría de los analistas estiman que la energía de las olas
contribuirá poco a la producción mundial de electricidad, salvo en unas pocas zonas costeras que cuentan con condiciones excepcionales. Los costos de
construcción son elevados y la producción neta de energía útil es moderada.
Además, los equipos generadores de electricidad deben resistir daños importantes por la corrosión que provoca el agua salada y las tormentas marinas.
El Reino Unido, a la cabeza en desarrollo de dispositivos que aprovechan le
energía de las olas, está intentando hacer viable económicamente la generación de electricidad con fuerte apoyo del gobierno.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
540
12 ENERGÍA DEL MAR
En la sección 12.2 se expresó que la energía del oleaje por metro cuadrado de superficie marina, en agua profunda, es:
E ≈ 1,25 ∙ H2 [KJ/m2]
[12.1]
Según esta ecuación, si la altura de la ola es de 2 m su energía es 5 KJ/m2.
Para aprovechar la energía de las olas se emplean convertidores de
la energía motriz de las olas. Éstos son dispositivos que transforman la energía del oleaje en energía útil. Tienen que ser capaces de resistir los embates
del mar y de funcionar eficientemente para las amplias gamas de frecuencia
y amplitud de las olas. Una de las características del oleaje es su variabilidad,
tanto a corto como a largo plazo, lo que implica que la conversión de la energía del oleaje en electricidad es más eficiente cuando el generador tiene una
velocidad variable.
Las características de los convertidores se pueden valorar según diferentes criterios por su:
a) Ubicación: convertidores en la costa, cerca de la costa o en el mar.
En la costa pueden estar: aislados o en dique. Cerca de la costa (1040 m) pueden estar apoyados en el fondo o flotando. En el mar (> 50
m) están flotando o sumergidos.
b) Orientación: relativa a la dirección del oleaje, los convertidores
pueden ser:
• Absorbedores puntuales: son estructuras pequeñas en comparación con la ola incidente; suelen ser cilíndricas y, por lo tanto, indiferentes a la dirección de la ola; generalmente se colocan varios
agrupados, formando una línea.
• Atenuadores: se colocan paralelos a la dirección de avance de las
olas, y son estructuras largas que van extrayendo energía de modo
progresivo; están menos expuestos a daños y requieren menores
esfuerzos de anclaje que los terminadores.
• Terminadores o totalizadores: están situados perpendicularmente a la dirección del avance de la ola, paralelos al frente de onda, y
pretenden captar la energía de una sola vez.
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
541
c) Principio de captación. Por ejemplo: columna de agua oscilante,
boya fija o móvil, efecto Arquímides. Este efecto se basa en el principio enunciado por este físico y matemático griego: “todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba
igual al peso de fluido desalojado”.
Son muchas las modalidades de convertidores que permiten obtener energía del oleaje, aunque no está todavía claro cuáles son las opciones más favorables. En cualquier caso, son pocas las instalaciones que
se han ensayado en el mar a escala natural, por lo que falta experiencia
operativa con prototipos. En general, a medida que aumenta la distancia a
la costa, la densidad de energía es mayor pero la supervivencia de los convertidores es más riesgosa y, además, existe una mayor complicación para
el transporte de la energía generada. Frente a este panorama, se realizará
una exposición breve de los sistemas de conversión mediante ejemplos
selectivos basados en la clasificación por ubicación de los dispositivos de
conversión.
12.5.2.1 CONVERTIDORES INSTALADOS EN LA COSTA
Un ejemplo de convertidor ubicado en la costa es la Columna de Agua
Oscilante (Oscillating Water Column), dispositivo que está construido en
la rompiente de las olas. Genera electricidad en un proceso de dos pasos:
cuando la ola entra en la columna, fuerza al aire de la columna a pasar por
una turbina e incrementa la presión dentro de la columna; cuando la ola
sale, el aire vuelve a pasar por la turbina debido a la disminución de la presión de aire en el lado del océano de la turbina (Figura 12.8). Sin importar
la dirección de la corriente de aire, la turbina gira hacia la misma dirección
y hace que el generador produzca electricidad. Esta tecnología se está utilizando en la isla de Islay, en Escocia, donde hay un sistema instalado desde
el año 2000. Tiene una producción máxima de 500 KW. Es ideal para lugares
donde existe una fuerte energía de olas, como en las rompientes de olas,
defensas costeras, proyectos de recuperación de territorio y escolleras de
puertos.
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542
12 ENERGÍA DEL MAR
Turbina de aire
Generador
e
Air
Olas
Ag
ua
Acantilado
Mar
Figura 12.8. Convertidor Columna de Agua Oscilante
Canal
estrechado
Cara del
acantilado
Reservorio
Casa de
turbina
Figura 12.9. Esquema del convertidor TAPCHAM
El convertidor TAPCHAN, o sistema de canal estrechado, consiste
en un canal estrechado que alimenta a un embalse que está construido en un
acantilado, como lo muestra la Figura 12.9. El estrechamiento del canal hace
que las olas aumenten su amplitud y su altura cuando se acercan a la pared
del acantilado. Eventualmente, las olas se desbordan sobre las paredes del
canal dentro del embalse, que está ubicado varios metros por debajo del nivel
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
543
del mar. La energía cinética de la ola en movimiento se convierte en energía
potencial cuando el agua se conserva en el embalse. La generación de electricidad es similar a la de una planta hidroeléctrica. El agua en depósito pasa
por una turbina Kaplan.
El convertidor TAPCHAN tiene muy pocas partes móviles, bajos costos de mantenimiento y es confiable. Además, el embalse puede reservar
la energía hasta que ésta sea requerida. Desafortunadamente, los sistemas
TAPCHAN no son apropiados para todas las regiones costeras. Las regiones deben tener olas continuas, con un buen promedio de energía, y con un
rango de mareas de menos de 1 m, además de algunas propiedades de la
costa como aguas profundas cerca de ésta y una ubicación apropiada para
el embalse.
12.5.2.2 CONVERTIDORES INSTALADOS EN EL MAR
Un ejemplo de convertidor flotante instalado en el mar es el Pelamis (Figura 12.10). Es una estructura semisumergida y articulada, compuesta por
secciones unidas por juntas de bisagra, parecida a una serpiente marina. El
movimiento de estas juntas acciona arietes hidráulicos que bombean aceite a
alta presión a través de motores hidráulicos. Estos motores actúan sobre generadores que producen electricidad. Se pueden conectar varios dispositivos
juntos y unidos a la costa a través de un solo cable que va por el fondo marino.
La estructura se mantiene en posición por un sistema de anclaje compuesto
por una combinación de flotantes y pesas, que previene que los cables de
anclaje estén tirantes al mantener el Pelamis en su posición y que además
permite un movimiento de vaivén con las olas entrantes. El prototipo, a escala completa, de 750 KW, tiene un largo de 120 m y un diámetro de 3,5 m y
contiene tres módulos de conversión de energía, de 250 KW cada uno. Cada
módulo contiene un sistema completo de generación de energía hidroeléctrica. En 2008 se inauguró la primera fase de este dispositivo de energía olamotriz y se conectó a la red eléctrica en la costa portuguesa cerca de la ciudad de
Póvoa de Varzim, pero debido a dificultades técnicas y financieras el proyecto
terminó al año siguiente.
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
544
12 ENERGÍA DEL MAR
Figura 12.10. Convertidor Pelamis
El convertidor Salter Duck, (Pato Salter, por su inventor) es otro dispositivo flotante de energía de las olas, como el Pelamis, que genera electricidad a través del movimiento armónico de la parte flotante del dispositivo,
al contrario de los sistemas fijos, que utilizan una turbina que se activa por
el movimiento de la ola. En estos sistemas, los dispositivos suben y bajan
de acuerdo al movimiento de la ola y la electricidad se genera debido a este
movimiento. El Duck rota con un movimiento de cabeceo a medida que la
ola pasa. Este movimiento bombea fluido que activa el motor hidráulico, que
a su vez acciona el generador eléctrico (Figura 12.11). El Salter Duck puede
producir energía en un modo muy eficiente.
Boya que rota al
paso de las olas
Sección central de la boya
sujeta al fondo marino
Figura 12.11. Convertidor Salter Duck
Fuentes de Energía. Renovables y no renovables
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12.5 ENERGÍA DE LAS OLAS
545
El convertidor Archimides Wave Swing (AWS; Columpio de olas
Arquímedes) genera electricidad de la energía del oleaje. Está formado por
dos cilindros: uno fijado al suelo marino y otro que actúa como un flotador
moviéndose verticalmente por efecto de las olas (principio de Arquímedes)
(Figura 12.12).
Movimiento parte
superior
Fijo
Partes móviles
Inmóvil
Figura 12.12. Convertidor Archimides Wave Swing
En forma simultánea, los imanes, que están fijados en el cilindro superior, se mueven a lo largo de una bobina. Como resultado, el movimiento del
flotante se reduce y se genera electricidad. El interior del AWS está lleno de
aire y cuando el cilindro superior se mueve hacia abajo, el aire interior se presuriza. Como resultado, se genera una fuerza contraria que fuerza al cilindro
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
546
12 ENERGÍA DEL MAR
superior a subir nuevamente. Para las olas largas, la amplificación puede ser
de tres veces la elevación de la ola, y es mayor para las olas cortas. La amplificación puede compararse con el efecto de un columpio. Si se empuja un
columpio en el momento exacto, el movimiento se amplificará. El proyecto
piloto se desarrolló cerca de la costa portuguesa de Viana do Castelo en el año
2004 y se conectó a la red con una potencia de 2 MW.
El convertidor POWERBUOY (Boya de poder) es un sistema que
aprovecha el movimiento vertical y pendular producido por las olas. La energía mecánica producida por la combinación de ambos movimientos se traslada a una bomba hidráulica situada en la parte baja del cuerpo de la boya.
Desde la boya se bombea un fluido —aceite— que acciona un motor hidráulico colocado en el fondo marino (Figura 12.13). La energía generada como
corriente alterna se convierte en continua o directa de alta tensión y se transmite a la costa a través de un cable de energía sumergido. El POWERBUOY
incorpora sensores que monitorean el rendimiento y el medio ambiente marítimo circundante.
Torre
Nivel del mar
Convertidor de
energía de olas
Cable de
transmisión
de energía
Depósito
Anclaje
A la costa
Fondo marino
Figura 12.13. Convertidor POWERBUOY
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12.6POTENCIAL
POTENCIAL
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
DELMAR
DEL EN
MAR
ALGUNOS
EN ALGUNOS...
PAÍSESLATINOAMERICANOS547
El convertidor Wave Dragon (Dragón de las Olas) es una máquina
que funciona anclada al fondo del mar, convirtiendo la energía potencial del
agua que alcanza su balsa central, elevada 2-3 m sobre el nivel del mar, en
energía eléctrica. El prototipo de dicha máquina fue diseñado e instalado en
Nissum Bredning, Dinamarca. Está formado por una rampa con doble radio
de curvatura y dos brazos reflectores que enfocan las olas hacia la rampa,
que guía las aguas hacia la balsa, la cual es un reservorio. Éste dispone de un
desagüe en el que hay dispuestas varias turbinas Kaplan de baja presión. La
Figura 12.14 muestra un esquema del convertidor Wave Dragon.
Figura 12.14. Esquema del convertidor Wave Dragon
Su construcción es muy simple porque sólo tiene, como parte móvil, las
turbinas. Esta característica es esencial en cualquier sistema diseñado para
funcionar en el mar, a merced del oleaje y las tempestades. Además, tiene la
ventaja de que su tecnología se puede escalar fácilmente.
El principio de funcionamiento también es muy simple. Una barrera
captura el agua de las olas que sobrepasan un cierto nivel y se almacena en
un reservorio flotante. Al salir pasa por las turbinas hidráulicas y su energía
potencial se convierte en energía eléctrica. La potencia máxima del proyecto
piloto es 20 KW.
12.6 POTENCIAL DE LA ENERGÍA DEL MAR EN ALGUNOS
PAÍSES LATINOAMERICANOS
De la lectura de este capítulo se desprende que la situación actual de la
energía del mar es el escaso aprovechamiento que tiene por las dificultades
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Fuentes de Energía. Vega de Kuyper; Ramírez Morales
548
12 ENERGÍA DEL MAR
técnicas que conlleva su transformación en energía eléctrica y por los
altos costos que implica esta conversión. Por estas razones sólo países
como Estados Unidos, Rusia, China, Japón, Corea del Sur y algunos europeos, en los que destaca Gran Bretaña, han logrado, aunque con subsidios significativos, proporcionar electricidad a localidades principalmente costeras. Entonces no es de extrañar que en lo que concierne a los
países latinoamericanos sólo se conozcan estudios sobre el potencial de
la energía del mar.
12.6.1 MÉXICO
En México no existen centrales eléctricas que utilicen la energía de los
océanos y tampoco existen proyectos de desarrollo de algún tipo de estas
centrales. De hecho, el uso de la energía del mar tampoco está extendido
en el mundo y sólo algunos países disponen de plantas que en la mayoría
son prototipos, como quedó establecido precedentemente. Sin embargo,
existe un enorme potencial de generación de energía eléctrica en el mar
de Cortés, ubicado entre la península de Baja California y los estados de
Sonora y Sinaloa, que podría explotarse a través de tres tipos de tecnologías: energía de las mareas, energía de las corrientes marinas que existen
en el canal del Infiernillo y de las fallas de distensión que se encuentran en
el lecho marino.
12.6.2 COLOMBIA
El potencial de la energía mareomotriz de la costa colombiana para
generar electricidad fue estudiado en 2008 mediante imágenes satelitales
y estudios batimétricos, de profundidades marinas. Se estableció que en el
litoral caribeño no es posible implementar el aprovechamiento energético
con las tecnologías actuales. Sin embargo, en el litoral Pacífico se identificaron varias bahías, en las cuales se observa un potencial de energía
de las mareas. Las zonas más propicias para proyectos de generación
son: Punta Catripe, Delta Chavica, Bocana Raposo, Boca Naya y Bocana
Armerías.
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12.6POTENCIAL
POTENCIAL
DEDE
LAENERGÍA
LA ENERGÍA
DELMAR
DEL EN
MAR
ALGUNOS
EN ALGUNOS...
PAÍSESLATINOAMERICANOS549
12.6.3 ARGENTINA
En la sección 12.4.1 se afirmó que en la cos