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Sistemas de producción
1. Las fuentes primarias de
la energía.
Como hemos podido comprobar, a lo largo de los siglos la
Humanidad ha utilizado los diferentes recursos energéticos
existentes en la Naturaleza. Bien en forma de energía
de la biomasa, presente en combustibles de origen vegetal
o en la fuerza de los animales, o en forma de energía
de los vientos o las corrientes. En cualquier caso el origen
común podemos identificarlo en la energía proveniente
del Sol, un auténtico reactor nuclear de fusión
por confinamiento gravitatorio que a millones de kilómetros
de distancia de la Tierra actúa de motor del clima
y de la fotosíntesis, sustento de la vida en el planeta.
Cuando, siglos después, el hombre empezó a
explotar los combustibles fósiles (carbón, petróleo
y gas natural) no hizo otra cosa que seguir utilizando esta
energía solar acumulada por los ecosistemas de un pasado
remoto, hace millones de años. En tiempos recientes,
con el descubrimiento de la energía nuclear, el hombre
ha sido capaz por primera vez de generar y utilizar una fuente
de energía completamente independiente del Sol. Sin
embargo, la mayor parte de la energía primaria utilizada
en la actualidad (2000) en el mundo sigue proviniendo, en
última instancia, del Sol: un 93% (88% de los combustibles
fósiles más un 5% de fuentes renovables), frente
a un 7% proveniente de la energía nuclear y de energías
renovables como la geotérmica y la mareomotriz que
son ajenas al sol.
Como ya hemos se?lado las fuentes primarias de energía son
aquellas que son de uso directo o bien se emplean para generar
electricidad. El criterio b?ico que se ha establecido para
su clasificaci? es el de su finitud.
As? se distinguen dos tipos fundamentales:
- Energías no renovables.
- Energías renovables.
Las primeras son finitas porque su consumo disminuye las
existencias disponibles. Las segundas tienen su origen en
el flujo continuo de la energía del Sol y se disipan a trav?
de los ciclos naturales. Su uso es por tanto ilimitado. Entre
las primeras se distinguen los combustibles f?iles y los
nucleares. Las renovables incluyen todas las restantes.
La distribución del consumo de energía primaria
en el mundo en 2000 fue la siguiente (Fuente: Informe BP):
- 34,6% petróleo.
- 21,6% carbón.
- 21,4% gas natural.
- 11,3% biomasa tradicional.
- 6,6% nuclear.
- 2,3% energía hidroeléctrica.
- 2,1% las nuevas energías renovables.
Distribución del consumo de energía primaria en el mundo en 2000 (Fuente: Informe BP).
La distribuci? del consumo de energía primaria en la UE
en 2004 fue la siguiente (Fuente: Informe Anual 2004 Sedigas):
- 37,4% petr?eo.
- 23,5% gas natural.
- 18,1% carb?.
- 14,7% nuclear.
- 6,1% renovables.
Distribución del consumo de energía primaria en la UE
en 2004 (Fuente: Informe 2004 SEDIGAS).
En Espa? y para 2004, las cifras varían, con una mayor peso
del petr?eo y una menor proporci? generada por la nuclear
(Fuente: Secretaría General de la Energía. M? de Industria,
Turismo y Comercio):
- 50% petr?eo.
- 17,3% gas natural.
- 14,9% carb?.
- 11,7% nuclear.
- 6,3% renovables.
- 0,2 (saldo electr. imp/exp)
Distribución del consumo de energía primaria en España
en 2004 (Fuente: Secretaría General de la Energía. Mº de Industria,
Turismo y Comercio).
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1.1. Los combustibles
fósiles.
Los combustibles fósiles han sido históricamente
la base sobre la que se han edificado las sucesivas revoluciones
industriales y hoy día continúan siendo a pesar
de todo, el principal recurso energético de las sociedades
industrializadas. Se consideran combustibles fósiles
el carbón, el petróleo y el gas natural.
Su origen es el siguiente: en etapas tempranas de la historia
biológica del planeta Tierra, la fotosíntesis
sobrepasó, en determinados periodos, la actividad de
los organismos consumidores y descomponedores. En consecuencia,
enormes cantidades de materia orgánica, se acumularon
en el fondo de ciénagas y mares poco profundos. Gradualmente,
fueron sepultadas bajo capas de sedimentos y después
de millones de años, se convirtieron en carbón,
petróleo y gas natural en función de las condiciones
geológicas específicas.
Este proceso dio lugar a las actuales reservas de combustibles
fósiles, en base a las cuales se ha desarrollado en
gran medida nuestra civilización industrial. La energía
solar captada por los ecosistemas de épocas remotas,
quedó en parte almacenada en forma de energía
química en estas reservas de gas, petróleo y
carbón. De su combustión obtenemos gran parte
de nuestra energía hoy día, pero también
se derivan graves afecciones medioambientales como el calentamiento
global o la polución de la atmósfera, el suelo
y las aguas.
Como es fácilmente observable, los combustibles fósiles
son fuentes de energía no renovables ya que sus existencias
no pueden reponerse o por lo menos no en un plazo de tiempo
asumible a escala humana.
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1.1.1. El carbón .
El primero de los combustibles fósiles en explotarse
fue el carbón y durante largos años constituyó
la base del sistema energético de los países
industrializados. En 1900 suponía el 68% del consumo
mundial de energía primaria mundial, frente a sólo
un 3% del petróleo y un 1% del gas natural. Tras la
2ª Guerra Mundial el petróleo desplazó
por primera vez al carbón. En 2000 el petróleo
suponía un 39%, el carbón mantenía un
importante 25% y el gas un 24% del total.
El carbón es una roca sedimentaria que contiene de
un 40% a un 90% de carbono en peso. Se origina por el depósito
en zonas húmedas (deltas, lagos y llanuras costeras)
de restos vegetales y animales a un ritmo muy lento. Se originan
así turberas, con sucesivas capas de sedimentos que
al acumularse se comprimen , aumentando su densidad, dureza,
negrura y contenido en carbono. Se crea entonces una jerarquía
en los carbones:
- Turba. No es propiamente carbón y su contenido
energético (PCI) es bajo.
- Lignito pardo. Es el carbón más joven y
su PCI es algo superior, 2000 kcal/kg.
- Lignito negro. PCI 4000 kcal/kg.
- Hulla. PCI 7000 kcal/kg.
- Antracita. El más duro y negro de los carbones
y de PCI similar a la hulla.
La extracción del carbón se verifica en dos
tipos de explotaciones: subterráneas y a cielo abierto.
Sus reservas son mucho más abundantes que las de petróleo
o de gas natural y están distribuidas de forma más
homogénea por el mundo. Se estima que son suficientes
para satisfacer la demanda actual durante más de 200
años.
Sus aplicaciones son las siguientes:
- Generación de electricidad (2/3 partes).
- Industria siderúrgica.
- Fabricación de cemento.
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1.1.2. El
petróleo y el gas natural.
El petróleo y el gas natural tienen su origen, según
la teoría más extendida entre los geólogos,
en sedimentos orgánicos marinos acumulados en mares
poco profundos y tranquilos, donde en un periodo de millones
de años se han ido transformando en hidrocarburos por
la acción de bacterias anaerobias, la presión
y la temperatura. En etapas posteriores se han ido produciendo
migraciones a regiones más próximas a la superficie,
que se han detenido al alcanzar una capa de roca impermeable.
Se han originado así yacimientos y agrupaciones de
estos, denominados campos. Esta teoría explica porqué
todas las acumulaciones comerciales de petróleo y gas
se encuentran en cuencas sedimentarias.
Los yacimientos de hidrocarburos están formados por
una rica mezcla de moléculas de hidrocarburos, compuestos
formados por átomos de carbono e hidrógeno en
diferentes números y configuraciones, junto con otras
sustancias como agua salada, sulfuro de hidrógeno,
dióxido de carbono, etc.
Se distinguen dos tipos de depósitos:
- Los que contienen principalmente hidrocarburos líquidos
en condiciones normales, depósitos petrolíferos.
- Los que contienen hidrocarburos gaseosos, depósitos
de gas natural.
Lo más habitual es encontrar estructuras que tienen
zonas diferencias verticalmente de petróleo y gas.
En ocasiones los gases y los líquidos más ligeros
se han liberado a la atmósfera y los hidrocarburos
más pesados y alquitranes han quedado en el yacimiento,
formando depósitos llamados bituminosos. Los hidrocarburos
se encuentran bajo la superficie bajo unas presiones y temperaturas
más elevadas. Normalmente no ocupan grandes cavidades
sino que están en pequeños poros de las rocas.
A veces se les ha comparado con un terrón de azúcar
mojado en el café.
Previa a la explotación se hace necesaria una etapa
de exploración, que puede durar varios años.
Existen pocas diferencias entre la búsqueda de petróleo
y gas. Una vez localizado el yacimiento y tomada la decisión
de explotarlo es necesaria una infraestructura para su explotación
(pozos, depósitos, oleoductos, etc.).
Finalmente se hace necesario un proceso de refino para separar
la mezcla de hidrocarburos en que consiste el crudo. Se obtienen
así los siguientes productos:
- Gases del petróleo: utilizados sobre todo en la
calefacción, cocina y ciertos procesos petroquímicos.
- Nafta. Producto intermedio.
- Gasolina: en motores convencionales.
- Queroseno: en motores de aviación y en vehículos
terrestres muy pesados.
- Gasóleo: en motores diesel y para calefacción.
- Lubricantes.
- Fuelóleo: combustible industrial.
- Elementos residuales: asfalto, alquitrán, ceras,
coque.
El transporte del petróleo se realiza mediante oleoductos
y barcos petroleros (la mitad del volumen en toneladas del
comercio marítimo mundial).
Las reservas de petróleo están fuertemente
concentradas: las dos terceras partes en Oriente próximo
y de hecho un 25% del total en un solo país, Arabia
Saudí. Después otros países como Iraq,
Kuwait, EAU e Irán, con un 10% cada uno. Por detrás
están países como Venezuela (7%) o Rusia (5%).
El resto de países tienen reservas inferiores a un
5%.
En los últimos 25 años las reservas de petróleo
crecieron de 90.000 millones de toneladas a 140.000 millones.
En cualquier caso existe una gran incertidumbre sobre las
reservas de petróleo remanentes. Existen posturas más
pesimistas que consideran que han tocado techo y no se producirán
grandes hallazgos, frente a otras que, más optimistas
confían en nuevas tecnologías que permitan la
recuperación de recursos cuya explotación es
económicamente inviable hoy día, además
de la explotación de otras formas como las pizarras
bituminosas.
El gas natural se transportan mediante gasoductos y barcos
metaneros y su transporte es más costoso que el del
petróleo. Por eso con frecuencia se dice que es un
combustible para países ricos, capaces de hacer frente
la gran inversión inicial que implica. La distribución
se realiza mediante canalizaciones que funcionan a presiones
inferiores a 16 bares que los llevan a otras redes intermedias.
Estas funcionan a medias presiones y alimentan a otras de
baja presión que finalmente las conducen a las industrias
y los hogares. Las grandes centrales productoras de energía
pueden hallarse directamente conectadas a las redes de transporte.
El gas natural está mejor distribuido que el petróleo,
aunque la mayoría de las reservas se reparten entre
Rusia, las repúblicas del Cáucaso y Asia Central
y Oriente Próximo. Entre Rusia (31%) e Irán
(15%) reúnen casi la mitad de las reservas mundiales.
Existe en el caso del gas la misma disparidad de opiniones
sobre el monto total de las reservas existentes, aunque las
predicciones son más optimistas que en el caso del
petróleo.
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1.2.La energía nuclear.
La energía nuclear es de todas, la que despierta una
mayor polémica en el mundo. En el año 2000,
casi el 20% de la electricidad se producía en centrales
nucleares. Incluso en algunos países como Francia el
porcentaje asciende al 76%, o en el caso de Suecia al 51%.
Su crecimiento se ha visto sin embargo detenido en Europa
y Norteamérica tras la catástrofe de Chernobil.
El principio con el que funciona es totalmente diferente
a la quema de combustibles o cualquier otra reacción
química. En estas los materiales envueltos no se ven
alterados a nivel atómico, aunque se produzcan recombinaciones
de átomos para formar otros compuestos distintos, liberando
energía. La energía nuclear implica cambios
en los átomos en dos formas: la fisión o la
fusión nuclear.
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1.2.1 La fisión.
En el primer proceso un átomo de un elemento determinado
se rompe, fisión, al recibir un neutrón adicional,
para producir dos átomos más pequeños
liberando energía y dos o tres neutrones capaces de
inducir la fisión de otros núcleos adicionales.
En la mayor parte de los reactores nucleares hoy existentes
se utiliza uranio 235, 235U. Normalmente,
en una proporción de 3% de 235U
y el 97% restante de 238U, más
estable. En la naturaleza sólo un 0,7% del uranio natural
es 235U, por lo que se hace necesaria
una etapa previa denominada enriquecimiento.
Dado que para que los núcleos de 235U
absorban los neutrones con más eficiencia, éstos
deben reducir la alta velocidad con la que resultan de la
fisión, se utiliza una sustancia adicional conocida
como moderador, con cuyos núcleos de sus átomos
chocan los neutrones. Este moderador puede ser los núcleos
de los átomos de hidrógeno del agua (H2O),
los del deuterio (isótopo del hidrógeno formado
por un protón y un neutrón) del agua pesada
(D2O) o el grafito.
Como consecuencia del proceso de fisión se pueden
producir nuevos materiales fisionables como el plutonio 239,
239 Pu o el 233U,
según los casos.
Cuando la reacción se produce a ritmo constante para
que el reactor produzca una potencia constante , es necesario
que cada núcleo fisionado produzca un solo neutrón
que a su vez fisionará otro núcleo. Se dice
entonces que el reactor está en estado crítico,
que es el normal. Como quiera que cada núcleo genera
de media 2,5 neutrones, es necesario eliminar los sobrantes,
para lo que se insertan materiales que absorben con gran facilidad
los neutrones, en forma de barras de control de cadmio o boro.
Si por la razón que fuera este sistema fallara, el
número de neutrones crecería y se produciría
una reacción en cadena. Lo cual constituye un grave
accidente que puede provocar la rotura de la vasija del reactor
y una fuga radiactiva, aunque por sí mismo no puede
conducir a una explosión nuclear, ya que el excesivo
calor generado por la reacción provoca que el material
fisionable se separe.
El reactor se refrigera mediante un fluido, agua, dióxido
de carbono o sodio líquido, en un circuito cerrado.
Este circuito transfiere la energía térmica
a través de un intercambiador estanco, que evita fugas
radiactivas. El vapor de agua así generado es el que
como en cualquier otra central térmica acciona las
turbinas que mueven el generador eléctrico que transforma
la energía mecánica en electricidad.
Existen dos tipos básicos de reactores:
- Reactores térmicos.
- Reactores reproductores rápidos.
Los primeros son los más extendidos. Los más
frecuentes son de agua ligera (Light Water Reactor). También
existen reactores que utilizan agua pesada como moderador
(Pressured Heavy Water Reactor) y agua ligera o pesada como
refrigerante. Por último existen reactores que utilizan
como moderador grafito.
Los reactores reproductores rápidos son muy poco frecuentes
y prácticamente carecen de moderador. En ellos se puede
producir más material fisionable que el que se introdujo
inicialmente.
Para saber más. (Informaci?
sobre la energía nuclear ofrecida por el Foro nuclear)
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1.2.2. La fusión.
La fusión es la fuente de la inmensa cantidad
de energía emitida por el Sol y las estrellas. Pese
a los intensos trabajos realizados por los científicos
hasta la fecha, la fusión nuclear no es todavía
una fuente de energía viable comercialmente. De conseguirse
podría ser la solución para los problemas energéticos
de la Humanidad, con una generación mínima de
residuos.
El principio básico consiste en la unión, fusión,
de los núcleos de dos isótopos del hidrógeno
(deuterio y tritio) para formar otro núcleo más
pesado (helio), conocido como partícula alfa, y un
neutrón. En el proceso se liberan grandes cantidades
de energía. Se calcula que con 1 mg de combustible
de fusión se pueden obtener, 100.000 Kilowatios hora
de electricidad, equivalente a la obtenida quemando 8 Tm de
carbón.
En el núcleo del deuterio, a diferencia del del hidrógeno
normal en el que hay un solo protón, hay además
un neutrón. En el caso del tritio hay dos neutrones.
El proceso se representa mediante la siguiente ecuación:
Tritio (3H) + Deuterio (2H)
-- >> Helio (4He) + un neutr?
con alta energía (n)
En un reactor de fusión se utiliza como combustible
deuterio y litio. El primero se encuentra espontáneamente
en ríos y mares, aunque muy diluido. Se calcula que
haría falta procesar 100 t de agua para obtener 1
kg de deuterio puro. El litio, es un metal ligero muy frecuente,
a partir del cual se genera tritio en el reactor, bombardeándolo
con los neutrones obtenidos.
Las reacciones de fusión se dan a altísimas
temperaturas, cuando los núcleos colisionan con la
suficiente energía para superar las fuerzas de repulsión
motivadas por su carga eléctrica. En el interior del
Sol, a temperaturas de entre 5 y 10 millones de ºC, este
mecanismo se da de forma natural, gracias a las inmensas fuerzas
gravitatorias que comprimen y calientan el combustible nuclear.
Como en la Tierra estas condiciones de gravedad son imposibles
de reproducir, se sustituyen calentando un plasma de baja
densidad a 100 millones de ºC, una temperatura diez veces
superior a la del núcleo del Sol. A estas temperaturas
cualquier gas está completamente ionizado y se convierte
en un plasma, el cuarto estado de la materia, formado por
los núcleos cargados positivamente y los electrones
cargados negativamente que se mueven libremente como las moléculas
de un gas.
El reto tecnológico es conseguir estas temperaturas
elevadísimas y mantener el plasma aislado térmicamente,
es lo que se conoce como confinamiento, de modo que se mantengan
las condiciones adecuadas para la fusión.
En la actualidad existen dos alternativas:
- Confinamiento magnético.
- Confinamiento inercial.
El confinamiento magnético, se basa en el uso
de campos magnéticos para controlar el plasma. El hecho
de que el plasma esté formado por partículas
cargadas positiva y negativamente, permite hacer que éste
se desplace a lo largo de las líneas del campo magnético
y evita que se produzcan pérdidas de plasma en dirección
perpendicular al mismo. El campo se crea mediante imanes superconductores
dispuestos alrededor del reactor y corrientes eléctricas
que fluyen por el plasma, que por estar formado por partículas
cargadas es un excelente conductor.
Inicialmente se utilizaron diseños cilíndricos
para el reactor, que se fueron sustituyendo por otras formas
toroidales (en forma de anillo) más eficaces. La más
sofisticada entre las utilizadas hoy día es la conocida
como tokamak, aunque se investiga en otras formas alternativas
como la tokamak esférica o la conocida como stellarator.
En este sistema, fueron precursores los trabajos de los científicos
rusos Andrei Sakharov e Igor Tamm en los años 60. Es
el método utilizado en el JET (Joint European Torus)
en Gran Bretaña y en el TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor)
en Princetown (EE.UU.). Ambos han conseguido la fusión
durante periodos extremadamente cortos, aunque ninguno ha
producido más energía de la consumida en poner
en marcha el sistema.
Por último es el sistema escogido para el proyecto
internacional ITER,
en el que participan la UE, EE.UU, la Federaci? Rusa, Jap?,
China, la India y Korea. Este proyecto supondrá la
creación de un reactor experimental tokamak en la localidad
de Cadache, en el sur de Francia.
Otra opción que se ha desarrollado es el confinamiento
inercial, un sistema que reproduce en pequeño el
sistema usado en la bomba de hidrógeno. En ella, el
núcleo de deuterio-tritio está rodeado por una
bomba de fisión nuclear. Al hacer ésta explosión
comprime el núcleo, haciendo posibles las condiciones
necesarias para la fusión. Lo que se pretende es conseguir
esta implosión de forma controlada. El Lawrence Livermore
National Laboratory de California ha sido líder en
este sistema empleando la intensa radiación originada
por un conjunto de laseres que se proyectan contra una esfera
que contiene el combustible de tritio y deuterio. No hay que
perder de vista que este sistema tiene implicaciones de uso
militar. Igual que el sistema anterior hasta la fecha no se
ha conseguido que el saldo neto de energía sea positivo.
En un reactor de fusión la mayor parte de la energía
obtenida en las reacciones que ocurren en el plasma es transportada
por los neutrones generados, que son capturados y su energía
transformada en energía térmica que en un circuito
auxiliar produce vapor y se utiliza para generar electricidad
como en cualquier otro dispositivo convencional. Parte de
los neutrones se emplean para obtener tritio a partir del
litio. La energía restante, presente en las partículas
de helio, mantiene la alta temperatura del plasma, del que
hay que retirar las impurezas generadas e inyectar continuamente
deuterio y tritio.
A pesar de los grandes avances es mucho lo que queda todavía
por investigar y la opinión unánime de la comunidad
científica es que todavía serán necesarios
50 años más de investigaciones para conseguir
que la fusión sea viable a gran escala.
En los últimos años se ha especulado mucho
con la posibilidad de conseguir la fusión a temperatura
ambiente y en determinadas condiciones. Algunos científicos
han anunciado haberlo conseguido, en medio de una gran controversia
ya que sus experimentos no han podido ser reproducidos con
éxito por otros en condiciones objetivas por lo que
se han rechazado.
Para saber más. (Informaci?
de la Comisi? Europea sobre proyectos europeos de investigaci?
sobre la fusi? nuclear)
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1.3. Las energías renovables.
1.3.1. La energía solar.
La energía solar es la energía radiante producida
en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión.
Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de
energía llamados fotones que interactúan con
la atmósfera y la superficie terrestres. La cantidad
de energía que se recibe del sol anualmente se estima
en 1,49·108 KWh. Se trata de una energía limpia,
que utiliza una fuente, o combustible, inagotable y que no
cuesta.Sin embargo el problema en relación a esta forma
de energía radica en como poder aprovecharla de forma
eficiente.
Dos son las direcciones actualmente utilizadas: conversión
eléctrica y conversión térmica. Ambas
dan lugar a los dos tipos de aprovechamiento hoy existentes:
- Energía solar fotovoltaica.
- Energía solar térmica.
La energía solar como fuente de energía presenta
ciertas ventajas e inconvenientes en función de las
cuales llegará a asentarse de manera mas regular. Entre
las ventajas destacamos la elevada calidad energética,
el nulo impacto ecológico y su carácter inagotable
a escala humana. Por otra parte, la forma semialeatoria en
la que la tenemos disponible (sometida a ciclos de día-noche
y estacionales), su forma dispersa de llegar a la tierra y
que al no poderse almacenar de forma directa requiere una
transformación energética, restringen moderadamente
su uso.
La energía solar fotovoltaica es un tipo de energía
solar renovable basada en la aplicación del llamado
efecto fotovoltaico, que se produce al incidir la luz sobre
unos materiales denominados semiconductores, de tal modo que
se genera un flujo de electrones en el interior del material,
y ,en condiciones adecuadas , una diferencia de potencial
que puede ser aprovechada. Como el resto de las energía
renovables se caracteriza por presentar un impacto ambiental
muy limitado y por ser inagotable a escala humana. Como ventajas
adicionales presenta una elevada calidad energética
y una ausencia total de de ruidos en los procesos energéticos.
Debido a su sencillez , fiabilidad y operatividad , la energía
solar fotovoltaica se emplea comercialmente para la generación
eléctrica en el mismo lugar de la demanda, satisfaciendo
pequeños consumos. Además , tiene la ventaja
de no necesitar ningún suministros exterior ni la presencia
de otro tipo de recursos.
Atendiendo a sus aplicaciones actuales, podemos dividir este
tipo de energía en tres grandes grupos:
- Aplicaciones tradicionales, como el suministro eléctrico
en emplazamientos de difícil acceso para la red eléctrica
convencional o con áreas de difícil abastecimiento
eléctrico: electrificación de viviendas o
explotaciones rurales o suministro de diferentes sistemas
de telecomunicaciones, señalización...
- Aplicaciones conectadas a la red: centrales de potencia
o centrales fotovoltaicas y pequeñas instalaciones
asociadas a consumidores domésticos o industrias.
- Aplicaciones singulares, dedicadas a la alimentación
energética de objetos particulares, y que abarcaría
desde los satélites artificiales a las pequeñas
aplicaciones de objetos de bolsillo.
La energía solar térmica se basa en el efecto
térmico producido por la luz solar. La naturaleza de
la energía solar hace posible que el hombre la utilice
directamente mediante diferentes dispositivos artificiales
que concentran los rayos solares y transfieren la energía
a los fluidos que le interesan.
Se distinguen tres clases en función del nivel de
temperatura alcanzado:
- Baja: (T < 100 º C).
- Media: (100 º C < T < 400º C).
- Alta: (T > 400º C).
Existe otra clasificación equivalente a la anterior,
en función de la necesidad de seguimiento y concentración
del sol en el colector:
- Sin seguimiento y pequeña concentración
(baja temperatura).
- Con seguimiento continuo del sol en uno de los ejes y
concentración de la energía solar en un eje
(media temperatura).
- Con seguimiento en dos ejes y foco puntual (alta temperatura).
En el primer caso, los que emplean fluidos de baja temperatura,
los colectores empleados son de placa plana, seguidos de tubos
de vacío y colectores de baja concentración.
Para las aplicaciones de media temperatura, se emplean colectores
cilindro parabólicos. Y para la alta temperatura, discos
parabólicos o centrales de torre con helióstatos.
Hay que hacer constar que la principal aplicación
de la energía solar térmica de media y alta
temperatura es la producción de vapor que se emplea
en diferentes fines, fundamentalmente la producción
de energía eléctrica de modo similar a las centrales
convencionales.
Las aplicaciones de los sistemas de baja temperatura son
la producción de agua caliente sanitaria.
Por último existe una variedad de la energía
solar térmica de baja temperatura, consistente en su
aprovechamiento pasivo. Consiste éste en introducir
modificaciones en su diseño y los materiales empleados,
para que se convierta en un instrumento de captación,
acumulación y distribución de energía.
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1.3.2. E?ica.
El viento es consecuencia de la radiaci? solar. Las diferencias
de insolaci? entre los distintos puntos de la tierra generan
diferentes ?eas t?micas y los desequilibrios producen diferencia
de densidad en las masas de aire que se traducen en diferencias
de presi?.
Como todo gas, por tanto tambi? el aire, se mueve desde
las zonas de alta presi? a las de baja presi? y esto provoca
el desplazamiento que origina el viento (aire en movimiento).
Sin embargo, es el conjunto de las fuerzas (fuerza ejercida
por las diferencias de presi?, fuerza gravitacional, de rozamiento
o de fricci?, de coriolis) que intervienen en las masas de
aire lo que determina su circulaci? en la atm?fera, que
es de dos tipos:
- Circulaci? planetaria: es debida a la incidencia de los
rayos del sol sobre la tierra y al efecto de rotaci? de
esta, teniendo en cuenta tambi? el movimiento de translaci?
y la presencia de las masas continentales y oce?icas.
- Circulaci? a peque? escala: es la producida por la orografía
del terreno, que puede alterar el movimiento en las capas
bajas de la atm?fera.
En s?tesis, los factores que determinan los vientos de un
punto determinado pueden resumirse en: situaci? geogr?ica,
caracter?ticas clim?icas locales, estructura topogr?ica
de la zona, irregularidades puntuales del suelo, altura sobre
el nivel del suelo.
De la energía solar que llega a la tierra, aproximadamente
el 2% se convierte en energía e?ica, un 35% de esta se disipa
en la capa inferior de la atm?fera, y se considera que solo
un 10% del total de energía e?ica es aprovechable. Sin embargo
estos datos son optimistas para la energía e?ica, pues ese,
aparentemente, peque? porcentaje supone un potencial energ?ico
de 1,3?1011 Kw. que equivale a 20 veces la producci? mundial
de energía.
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1.3.3. Hidr?lica.
El papel del sol en esta fuente renovable de energía es indirecto,
actuando sobre el ciclo hidrol?ico.
Este ciclo comienza cuando el sol calienta el agua de los
mares, r?s y lagos, produciendo su evaporaci?. Despu?,
el agua evaporada es distribuida por el aire caliente, formando
las nubes. Al enfriarse estas el agua cae y vuelve a r?s
lagos y mares; y el ciclo hidrol?ico comienza de nuevo. La
energía que circula por un r? se presenta en forma de energía
cin?ica y potencial.
Esta ultima, que es la que se utiliza en la pr?tica, no
se puede aprovechar en su totalidad debido a que parte se
disipa con el rozamiento. Por ello, cuando se crea una instalaci?
de aprovechamiento de este tipo de energía se suele modificar
el recorrido natural del agua. La cantidad de energía aprovechable
de una corriente de agua depende de la altura disponible y
de la cantidad de agua. Sin embargo no es f?il calcular el
potencial disponible de esta fuente de energía, ya que habríamos
de conocer el caudal total de los r?s recorridos, etc.
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1.3.4 Biomasa.
El t?mino biomasa hace referencia al material vivo presente
en un organismo u organismos, incluidas tambi? las partes
de material inerte, es decir, es toda la materia viva existente
en un momento determinado. Por otra parte, biomasa energ?ica
alude a todo aquello que siendo biomasa es susceptible de
ser utilizado con fines energ?icos.
La biomasa, como el resto de las energías renovables (salvo
la geotermia), proviene en ultima instancia de la energía
solar ya que cualquier tipo de biomasa (animal o vegetal)
tiene su origen en la fotos?tesis, proceso gracias al cual
se producen mol?ulas de alto contenido energ?ico, en forma
de energía qu?ica, cuyo coste de almacenamiento es nulo y
sin p?didas.
Energía solar
|
V
6 CO2 + 6 H2O
-----> C6H12O6
+ 6 O2
As? pues, la actividad fotosint?ica de los vegetales produce
la masa viviente vegetal que, transformada, da lugar a los
distintos niveles de seres vivos que se conocen. De este modo,
podemos hablar de biomasa vegetal cuando se produce como consecuencia
directa de la fotos?tesis y de biomasa animal para designar
aquella que producen los seres que utilizan en su alimentaci?
biomasa vegetal y, finalmente, biomasa f?il (que no se tratara
en este apartado por ser una fuente de energía no- renovable:
carb? gas natural, petr?eo: combustibles f?iles.
Por otra parte los animales utilizan solo una parte de la
biomasa energ?ica a su disposici?, constituyendo el resto
un residuo org?ico no utilizado que abarca tanto a los residuos
de producci? y de consumo, y que da lugar a un cuarto tipo
de biomasa la biomasa residual. La obtenci? de energía a
partir de la biomasa se consigue indirectamente, a trav?
de su transformaci? en productos industriales que sustituyan
a otros, o directamente, utiliz?dola como combustible. En
este ultimo caso se abren dos interesantes posibilidades:
- Utilizaci? de residuos como fuente de biomasa. Los distintos
tipos de residuos se pueden clasificar seg? el tipo de
actividad en: residuos agrarios, industriales y urbanos.
El desarrollo de esta fuente de energía resulta muy interesante
ya que tiene en cuenta aspectos y rendimientos econ?icos,
sociales y medioambientales.
- Utilizaci? de los cultivos energ?icos como fuente de
biomasa.
Actualmente solo se obtienen peque?s cantidades de energía
procedentes de esta fuente y por diversos motivos solo podr?
alcanzar una importancia significativa a medio o largo plazo.
Los cultivos que se pueden aprovechar con fines energ?icos
se dividen en:
- Cultivos tradicionales.
- Cultivos poco frecuentes.
- Cultivos acu?icos.
- Cultivos de plantas productoras de combustibles l?uidos.
Gran parte de la biomasa, ya sea recolectada directamente
o recuperada de los residuos, no es adecuada para reemplazar
a los combustibles f?iles, debido a su baja densidad f?ica
y energ?ica y a su alto contenido en humedad, por esta raz?
se hace necesaria una transformaci? de la biomasa en combustibles
de mayor densidad energ?ica y f?ica. De esta forma, aunque
algunos combustibles pueden obtenerse dela biomasa directamente
por extracci?, lo m? frecuente es someterla a distintos
procesos para su transformaci? en combustible. Estas transformaciones
pueden realizarse a trav? de procesos termoqu?icos de conversi?
(combusti?, gasificaci? o pirolisis) o mediante procesos
bioqu?icos (fermentaci? alcoh?ica o digesti? anaerobia)
en el caso de la biomasa con alto grado de humedad. En resumen
la biomasa puede tener una aplicaci? directa como combustible
por extracci?, o elabor?dola a trav? de procesos termoqu?icos
(biomasa seca) o bioqu?icos (biomasa h?eda).
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1.3.5 Marina.
Parte de la energía contenida en la radiaci? solar que incide
sobre la superficie de la tierra es absorbida por el mar.
Aunque esta energía es intermitente y de baja densidad suponen
una acumulaci? energ?ica bastante superior a las necesidades
humanas actuales. Como los oc?nos act?n tanto como sistemas captadores
como acumuladores de energía, muestran varias facetas respecto
al aprovechamiento de esta como son: los gradientes de t?micos
y salinos, corrientes de agua, el fen?eno de las mareas,
las olas, los vientos oce?icos y la bioconversion. De este
modo, podemos clasificar y analizar la energía de origen marino
en tres grandes tipos:
- Energía maremotérmica.
- Energía mareomotriz.
- Energía de las olas.
La energía maremot?mica es la procedente de la radiaci?
del sol es absorbida en una estrecha franja de agua superficial
que se calienta, cre?dose un gradiente t?mico con la profundidad.
Como los gradientes t?micos son bajos, no se obtienen rendimientos
elevados en las instalaciones desarrolladas (generalmente
se recurre al uso de motores t?micos que operan entre los
dos focos de calor que los oc?nos ofrecen. Sin embargo, se
han realizado estudios sobre posibles dise?s para instalaciones
maremot?micas que permiten mejorar su rendimiento que se
concretan en el desarrollo de dos sistemas: los de ciclo abierto
(ciclo de Claude) y los de ciclo cerrado(ciclo de Anderson.
Por otro lado la gran inercia t?mica de los oc?nos hacen
que estos tengan una gran estabilidad t?mica independientemente
de momento del día, lo que evita la necesidad de un sistema
de almacenamiento.
La energía mareomotriz es la energía marina asociada a las
mareas. Estas se originan debido a la variaci? de las fuerzas
de atracci? ejercida por la luna y la tierra sobre un punto
concreto de la tierra a medida que esta va girando. En este
caso se intenta aprovechar la energía potencial del agua,
que se puede evaluar en unos 3?1012W, aunque la t?nicamente
explotable se reduce a 53?109 W . El aprovechamiento de la
energía mareomotriz requiere una variaci? en la altura del
nivel del mar de al menos 5 m, siendo necesario la existencia
de un estuario, que permita la recogida y almacenamiento de
agua cuando la marea sube, y que dicho estuario tenga la situaci?
geogr?ica, extensi? y profundidad que permitan el establecimiento
de la instalaci?.
La energía de las olas, que son producidas por la acci?
del viento sobre la superficie del mar, tienen energía mec?ica
que, a diferencia de lo que le ocurre a otras fuentes de energía
renovable, tiene una alta densidad de energía. Esto repercute
en los dispositivos que se utilizan para la transformaci?
energ?ica, haciendo que presenten una alta densidad de potencia.
Por otra parte, al contrario de lo que sucede con la energía
maremotermica, el valor de la amplitud y la frecuencia de
las mismas varia de un punto a otro y de un instante a otro,
lo que dificulta el dise? de maquinas e instalaciones que
permitan su aprovechamiento. Sin embargo se han desarrollado
diversos sistemas para convertir la fuerza de las olas en
energía mec?ica de rotaci? en un eje para accionamiento
de maquinas.
Aunque existen numerosas clasificaciones de dichos dispositivos
(convertidores) solo destacaremos las mas utilizadas. La primera
clasificaci? tiene en cuenta el modo de funcionamiento basado
en si el convertidor es susceptible o no al movimiento de
las olas; en este caso podremos distinguir entre convertidores
activos y pasivos.
La segunda clasificaci? tiene en cuenta su posici? respecto
al frente de olas. En este caso distinguimos entre:
- Totalizadores. Se encuentran en paralelo con el frente
de la ola, absorbiendo la energía de la ola de una sola
vez.
- Atenuadores. Se encuentran en direcci? perpendicular
a la del movimiento de la ola, absorbiendo la energía del
frente de modo progresivo.
- Absorbedores puntuales. Capta la energía no solo del frente
de la ola, sino tambi? de una porci? de mar que rodea
al dispositivo.
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1.3.6. Geot?mica.
Se denomina energía geot?mica a aquella derivada del calor
almacenado en el interior de la tierra. Este calor se produce,
principalmente por la desintegraci? espont?ea, natural y
continua de los is?opos radioactivos que existen en muy peque?
proporci? en todas las rocas naturales.
En el n?leo de la tierra el nivel t?mico es muy superior
al de la superficie. En ? se pueden alcanzar temperaturas
de hasta 4000? , disminuyendo a medida que se asciende hacia
la superficie. Se denomina gradiente t?mico a la variaci?
de la temperatura con la profundidad, siendo el valor medio
normal 3? por cada 100 metros. La diferencia de temperatura
entre el n?leo y la superficie da lugar a un flujo de calor
transfiri?dose la energía t?mica por conducci?. Las temperaturas
que se alcanzan en el interior de la Tierra justifican el
inter? por utilizar su energía t?mica, Sin embargo, el bajo
flujo de calor, debido a la baja conductividad de sus materiales,
hace que sea muy dif?il su aprovechamiento. Por otra parte,
hay zonas donde se producen anomalías geot?micas que dan
lugar a un gradiente de temperatura superior al habitual y
constituyen una excepci?; estas reciben el nombre de yacimientos
geot?micos (generalmente son zonas volc?icas.
La forma de extraer la energía t?mica del yacimiento es
por medio de un fluido que pueda circular por las proximidades
del mismo, calent?dose, y que despu? pueda alcanzar la superficie
donde se aprovechara su energía t?mica. Sus aplicaciones
depender? del estado en que se encuentre el fluido, vapor
o mezcla de ambas fases. Seg? el yacimiento, fluido formara
parte de ? o ser? inyectado artificialmente.De este modo
podemos clasificar los sistemas de obtenci? de energía geot?mica
seg? las diferentes posibilidades de yacimientos:
- Sistemas hidrotérmicos.
- Sistemas geopresurizados.
- Sistemas de roca caliente.
Los sistemas hidrot?micos tienen en su interior el fluido portador
de calor (agua procedente de la lluvia o deshielos), pudiendo
encontrarse este en estado liquido o gaseoso en funci? del
calor y/o presi? del yacimiento. Estos son los ?icos que
se encuentran en etapa comercial de los tres que se exponen.
Los geopresurizados son similares a los anteriores
con la salvedad de que se encuentran a mayor profundidad.
Este tipo de sistemas presentan una serie de inconvenientes
que dificultan la explotaci? y el desarrollo de una tecnología
apta para su uso, como son: su dif?il acceso, alto grado
de minerales disueltos y su bajo nivel t?mico. Por otra parte,
tambi? ofrece la ventaja de una variedad de energías diferentes
de manera simultanea: energía de presi? del agua, energía
t?mica del agua y el gas natural.
Por su parte, los sistemas de roca caliente est? integradoss por formaciones rocosas
impermeables que tienen una temperatura elevada (150-300?)
sin que exista en su interior ning? fluido que las recorra.
Aunque estos sistemas tienen un alto potencial t?mico, la
profundidad a la que se encuentran y el car?ter impermeable
de la roca dificultan su aprovechamiento, y aun se encuentra
en vías de desarrollo.
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2. Las fuentes secundarias
de energía.
Las fuentes secundarias de energía no se encuentran
de modo espontáneo en la naturaleza y el ser humano
las utiliza para poder distribuir o almacenar la energía
procedente de las fuentes primarias. Básicamente son
dos: la energía eléctrica, ampliamente utilizada
hasta la fecha y el hidrógeno poco extendido todavía
pero con un futuro muy prometedor.
2.1. La energía eléctrica.
En cuanto a la generación de electricidad, existen
diversos sistemas:
- La forma más usual es generar vapor a alta presión,
que mueve una turbina conectada a un generador (turbogenerador).
La energía generada por la combustión de los
combustibles fósiles como el carbón o el petróleo
y la producida en un reactor nuclear son las fuentes primarias
más utilizadas para ello con una abrumadora diferencia.
Pero cada vez cobra más importancia el empleo de
fuentes renovables como la biomasa, la solar de alta temperatura
o la geotérmica.
- Las turbinas propulsadas por agua o gas. En el primer
caso la energía potencial almacenada en el agua embalsada
en un salto de agua acciona el turbogenerador. En el segundo
son los gases producidos por la combustión de gas
los que mueven la turbina.
- Los aerogeneradores movidos por el viento (energía
eólica).
- Las células fotovoltaicas que transforman la energía
de la luz solar en electricidad.
La electricidad así producida se distribuye mediante
sistemas de transmisión de energía eléctrica,
formados por redes de distribución, que pueden ser
de alta o de baja tensión. Las primeras conducen la
electricidad de alto voltaje a través de grandes distancias,
hasta estaciones transformadoras, que tras convertirla la
trasmiten a las redes de baja tensión, que son las
que distribuyen la electricidad dentro de las poblaciones.
Sus usos son múltiples: en los hogares (alumbrado,
electrodomésticos, etc), en las industrias y los servicios.
El proceso de producir electricidad es bastante ineficiente.
Para poder mover la turbina con el vapor, éste ha de
pasar desde la alta presión de la caldera a la baja
presión del punto donde se condensa. Esta caída
en la presión implica un aumento de la entropía
y una pérdida de calor, de acuerdo con el 2º Principio
de la Termodinámica, que ha de liberarse en el medio
ambiente. Esta pérdida oscila entre el 60 y el 70%
de la energía primaria consumida. De este modo, sólo
entre un 30 y un 40% de la energía original se convierte
en electricidad. Incluso después un 10% de la potencia
generada se disipa en las líneas de transmisión
en forma de calor. Y aún después se producirán
importantes pérdidas en los dispositivos que han de
utilizar esa electricidad generada, como motores, lámparas,
etc.
Como veremos en el próximo epígrafe existen
sistemas para mejorar la eficiencia de este proceso.
Un porcentaje considerable de la energía primaria
se destina a la producción de electricidad. En el conjunto
de la UE y en el año 2004, un 31,9% provino de la energía
nuclear, un 29,7% del carbón, un 6,2% del petróleo
y sus derivados, un 17% del gas natural, un 10,9% de la energía
hidráulica y 4,3 % de las restantes renovables (eólica,
solar, geotérmica, biomasa y residuos urbanos e industriales).
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2.2. El hidrógeno.
El hidrógeno no es una fuente de energía primaria.
Su principal característica es la de actuar como vector
de almacenamiento energético. Este hecho unido a la
nula producción de contaminantes en su uso, ya sea
en su combustión, generando sólo calor y vapor
de agua y en algunos casos pequeñas cantidades de óxidos
de nitrógeno, o en las llamadas pilas de combustible
generando electricidad, supone una importante baza a su favor
para determinados usos.
Esta capacidad de almacenamiento, le permite competir con
éxito en dos campos muy concretos: como combustible
para motores de combustión interna, turbinas, etc.
especialmente en la automoción, y como alternativa
a dispositivos como las baterías eléctricas,
en el caso de las pilas de combustible.
La generación, transporte y aplicación del
hidrógeno son técnicas ya desarrolladas desde
hace algún tiempo pero no ocurre lo mismo con su aplicación
práctica en otros sectores como el transporte. Su generalización
implicaría grandes beneficios pero en las condiciones
actuales supondría un elevado coste y por ello se
está trabajando intensamente en su abaratamiento.
Dado que el hidrógeno no se encuentra de forma espontánea
en la naturaleza es preciso generarlo a partir de ciertas
materias primas (agua, biomasa o hidrocarburos), consumiendo
energía primaria de otras fuentes, renovables o no.
Existen tres formas básicas de producir hidrógeno:
- Por electrólisis: el paso de la corriente eléctrica
disocia las moléculas de agua: H2O
+ energía ->H2 + O2.
También se puede utilizar la luz solar para producir
la corriente eléctrica que cause la electrólisis
(fotoelectrólisis).
- Mediante proceso químicos a partir de materiales
que contienen hidrógeno:
- Reformado por vapor (steam reforming). A partir de
gas natural, separando el hidrógeno del metano
(CH4) y obteniendo como resultado
hidrógeno y CO2. Es
el sistema más empleado hoy día por la
industria química.
- A partir de la biomasa, por gasificación o
por pirólisis.
- A partir de metanol mediante oxidación parcial,
reformado con vapor de agua o descomposición.
- Por procedimientos biológicos: mediante algas verdes
y cianobacterias que a partir de la luz solar producen hidrógeno
a partir del agua y de la enzima hidrogenasa.
Las pilas de combustible son dispositivos en los que la energía
de una reacción química se transforma en electricidad.
No funcionan como las baterías convencionales que se
gastan y deben sustituirse o recargarse. En este caso mientras
se inyecte combustible y oxidante el sistema continúa
funcionando. Su funcionamiento es el opuesto a la electrólisis,
la reacción del hidrógeno y el oxígeno
para formar agua produce en este caso electricidad. Están
formadas por un ánodo y un cátodo separados
por un fluido electrolito conductor. En el ánodo se
inyecta el combustible, hidrógeno, amoníaco
o hidracina; mientras que en el cátodo se introduce
el oxidante, aire u oxígeno. El resultado es una mayor
eficiencia energética, entre un 30 y un 40% que en
un motor térmico convencional que utilice combustibles
fósiles.
Existen diversos tipos de pilas de combustible:
- Membrana polimérica (PEM)
- Ácido fosfórico (PAFC)
- Conversión directa de metanol (DMFC)
- Alcalina (AFC)
- Carbonato fundido (MFCF)
- Óxido sólido (SOFC)
- Reversible (Regenerativa)
Entre las aplicaciones futuras de las pilas de combustible
podemos citar: ·
- Dispositivos portátiles para alimentar aparatos
de todo tipo: ordenadores, videocámaras, teléfonos
móviles, etc, sustituyendo las baterías tradicionales.
- El transporte, especialmente la automoción.
- Aplicaciones especiales: militares y viajes espaciales.
- Abastecimiento energético en aplicaciones fijas:
áreas residenciales, hospitales, empresas, etc.
Las ventajas de las pilas de combustible son:
- Su elevada eficiencia energética. De entre el 30
y el 90%.
- Emisiones de contaminantes muy inferiores a las que generan
los combustibles fósiles. En el caso de utilizar
hidrógeno puro sólo se producen H2O
y calor. Hay que hacer notar que para generar éste
sí se producen emisiones de CO2
y otros contaminantes, pero en un nivel muy inferior que
si se utilizaran como combustibles en un sistemas convencional.
- Bajo nivel de ruido producido en su funcionamiento.
- Modularidad.
- Alta densidad energética.
- Operan a bajas temperaturas y presiones, comparadas con
los motores convencionales: entre 80 y 1000º C, frente
a los 2500ºC de un motor convencional.
- Son flexibles en la localización de su instalación.
- Permiten la cogeneración, alcanzando niveles de
eficiencia del 90%.
- Admiten diversos combustibles: gas natural, metanol, etc.
- No se reemplazan al agotarse ni es necesario un largo
periodo de recarga como les ocurre a las baterías
eléctricas, basta con inyectar más combustible.
- Rápida respuesta: permiten obtener más energía
si se inyecta más combustible.
Los inconvenientes se centran hoy por hoy en el elevado coste
al tratarse de una tecnología muy nueva y de escasa
implantación que aún no ha generado un mercado
suficiente para abaratar los precios. Existen además
problemas técnicos, que son susceptibles de perfeccionamiento,
como el elevado peso de las pilas actuales u otros como la
llamada sensibilidad de los venenos catalíticos, problema
que afecta a ciertos catalizadores necesarios en su funcionamiento,
al reaccionar con compuestos como el monóxido de azufre
o de carbono, dejándolos inservibles.
El hidrógeno usado en las pilas de combustible puede
ser producido a través del reformado de gas natural
o la electrólisis del agua a partir de energía
obtenida de fuentes no renovables. El reto actual es hacer
rentable su obtención a partir de fuentes renovables
como la energía eólica o la solar fotovoltaica
o térmica. Su implantación a gran escala si
se consiguen reducir los costes podría ayudar a reducir
la dependencia de la sociedad actual de los combustibles fósiles.
Para saber más. (Especial
Tecnociencia sobre el hidrógeno y las pilas de combustible)
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2.2. Eficiencia energética.
Como tuvimos ocasión de comprobar al estudiar la 2ª
ley de la Termodinámica, en ninguna conversión
de energía se puede obtener nunca el 100% de eficiencia,
puesto que una parte se degrada indefectiblemente y se pierde
en forma de calor. La eficiencia energética trata de
reducir este porcentaje que en ocasiones puede llegar a ser
muy importante.
La eficiencia energética permite reducir el consumo
de recursos energéticos para obtener la misma cantidad
final de energía utilizable. O en otras palabra obtener
más consumiendo lo mismo. Las ventajas evidentes que
se derivan de este hecho tienen importantes implicaciones
económicas y medioambientales.
Abundan los ejemplos de los beneficios obtenidos: grandes
empresas como Dupont han sido capaces de incrementar su producción
un 30% en la última década, reduciendo el gasto
energético en un 7%, y con él las emisiones
de CO2 en un 72%, lo que ha supuesto un ahorro aproximado
de 2000 millones de dólares; otras multinacionales
como British Telecom o IBM han sido capaces de reducir sus
emisiones considerablemente, ahorrando millones de dólares.
La eficiencia energética tiene una doble vertiente:
- Desde el punto de vista de la producción de energía.
- Desde el punto de vista del consumo final de energía.
Si nos centramos en la generación de energía
eléctrica podemos comprobar que hay un elevado potencial
para mejorar la eficiencia. De hecho la producción
de energía eléctrica es muy ineficiente aun
cuando ha ido mejorando progresivamente con el paso del tiempo
y las innovaciones tecnológicas. La eficiencia en una
planta eléctrica se mide por el porcentaje de la energía
contenida en el combustible que se convierte en electricidad
en un periodo determinado.
Las pérdidas que se producen en el proceso oscilan
entre el 60 y el 70% de la energía primaria consumida.
De este modo, sólo entre un 30 y un 40% de la energía
original se convierte en electricidad.
Las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles
más eficientes hoy día son las de ciclo combinado,
con más de un 50% de eficiencia. Podemos compararlas
con las tradicionales, las más extendidas, que tienen
una eficiencia de sólo un 30%. Tienen además
la ventaja de funcionar con gas natural, lo que supone una
menor emisión de CO2 adicional. Funcionan con turbinas
convencionales, que se mueven con los gases producto de la
combustión del gas, sólo que aprovechan el calor
de estos gases de escape para producir vapor que mueve otra
turbina adicional.
Otro sistema para aprovechar el calor desprendido en la conversión,
que habitualmente se disipa en el medio gracias a grandes
torres de refrigeración, es utilizarlo para la calefacción
de bloques de edificios próximos a la central. Esta
opción está bastante extendida en países
como Dinamarca.
Otro coste añadido es el de la distribución
de la electricidad. Incluso después de este proceso,
un 10% de la potencia generada se disipará en las líneas
de transmisión en forma de calor. El resultado final
es que se habrá llevado al punto de destino una cantidad
de energía que será en el mejor de los casos
inferior al 50% de la contenida en el combustible original
y en el peor del orden del 25%.
Una alternativa en la misma línea que las anteriormente
comentadas es la cogeneración, que se define como un
sistema que permite el aprovechamiento dual de la energía
del combustible para producir por un lado electricidad y por
otro energía térmica aprovechable en forma de
vapor, agua caliente, etc. Esta energía térmica
se utiliza en otros procesos industriales.
Una central de cogeneración de electricidad-calor
funciona con turbinas o motores de gas. El gas natural es
la energía primaria más utilizada corrientemente
para hacer funcionar las centrales de cogeneración.
Pero también pueden utilizarse fuentes de energía
renovables y residuos. Al contrario que la central eléctrica
tradicional, cuyos humos salen directamente por la chimenea,
los gases de escape de la cogeneración son primero
enfriados y transmiten su energía a un circuito de
agua caliente/vapor, antes de verterse a la atmósfera.
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor
pueden alcanzar un rendimiento energético del orden
del 90%.
El carbón, el petróleo y el gas cuando se usan
directamente también implican un gasto de energía
en su proceso, refino, limpieza y distribución. Sin
embargo este gasto es del orden del 10% del total, lo que
implica que las posibilidades de aumento de la eficiencia
son aquí menores.
Desde el punto de vista del consumo de energía puede
incrementarse la eficiencia energética en:
- Los procesos industriales.
- El transporte.
- Los servicios.
- Los hogares.
- La agricultura, la pesca, etc.
En el ámbito de la industria es posible realizar avances
significativos en amplios sectores. Dentro de la Estrategia
de eficiencia energética en España 2005-2012,
el Plan 2005-2007 estima que, para el caso de la industria
española, los mayores porcentajes de reducción
del consumo podrían darse en la industria alimentaria
(10,6%), la siderurgia (7,2%), la industria de los minerales
no metálicos (5,1) y la industria química (3,80%).
Dada la diversidad de situaciones no las analizaremos aquí
en profundidad. Baste decir que el instrumento fundamental
de control que se adopta es la auditoría energética,
que permite examinar los consumos en los procesos y detectar
las ineficiencias energéticas para su corrección.
Un procedimiento muy eficaz para reducir el consumo energético
es potenciar el reciclaje
de los residuos tanto industriales como agrícolas
o urbanos.
En el campo del transporte, que no olvidemos supone por sí
solo el mayor porcentaje de consumo energético en la
UE (un 40% en España) son posibles grandes avances.
El citado plan contempla, entre otras las siguientes medidas:
Medidas de cambio modal:
- Potenciando el uso de los transportes colectivos en el
ámbito urbano mediante planes de movilidad.
- Implantando planes de transporte en las empresas de
más de 200 trabajadores.
- Potenciando el transporte ferroviario interurbano.
- Potenciando el tráfico marítimo de mercancías.
- Medidas de uso más eficiente de los sistemas de
transporte:
- En el tráfico aéreo y marítimo.
- Mejoras en la gestión de las infraestructuras,
incluyendo la introducción de peajes.
- Implantando herramientas de gestión en las
flotas de vehículos.
- Potenciando los hábitos eficientes de conducción
en el vehículo privado y entre los profesionales
del transporte.
- Medidas que aumenten la eficiencia energética de
los vehículos:
- Renovación de flotas aéreas y marítimas.
- Renovación de flotas de transporte por carretera.
- Renovación del parque automovilístico
privado.
En cuanto a los aspectos técnicos, si nos centramos
en los vehículos terrestres con motor de explosión
podemos apreciar que son muy ineficientes. De la energía
total del combustible sólo llega a las ruedas una pequeña
fracción (13%) el resto se disipa en forma de calor,
en el motor y la transmisión y aún de esta energía,
una parte sustancial se pierde en el rozamiento con el suelo
y el aire. Además tenemos que tener en cuenta que la
mayor parte de la energía resultante se emplea en desplazar
la masa del vehículo. Existe pues un extenso campo
sobre el que los fabricantes llevan años trabajando.
Las estrategias seguidas para reducir el consumo inciden
en la eficiencia de los motores, la aerodinámica, el
peso total y en los neumáticos.
Ya existen en el mercado vehículos híbridos
que funcionan de modo mixto con un motor de combustión
interna y otro eléctrico aumentando la eficiencia.
En algunos casos recuperan incluso la energía cinética
que se pierde en el frenado. La fuente última de energía
es el motor de combustión pero existen dos tipos en
paralelo y en serie. En el primero ambos motores impulsan
el vehículo y en el segundo el motor térmico
genera la electricidad que se almacena en baterías
que luego alimentan el motor eléctrico. Otra alternativa
son los vehículos impulsados por hidrógeno,
con una eficiencia un 22% superior a los equivalentes que
utilizan gasolina.
El peso es otro factor muy importante. Sin embargo los intentos
de reducirlo, a pesar de los éxitos logrados, chocan
a menudo con problemas de seguridad. El empleo de nuevos materiales
(nuevas aleaciones y polímeros) pueden ser la solución
al problema de compatibilizar ambas. En cualquier caso entran
también aquí en juego otras consideraciones
relacionadas con las preferencias de los usuarios y los comportamientos
sociales. Por último la fricción de los neumáticos
con la calzada puede llegar a suponer una parte muy significativa
del consumo total y el uso de unos neumáticos adecuados
puede significar una reducción en éste del 5%.
Según datos del Libro Verde sobre la eficiencia energética
de la Comisión Europea, el consumo por término
medio de los vehículos nuevos comercializados en la
UE será de 5,8 l de gasolina por cada 100 km, lo que
supondrá una reducción del consumo de combustible
del 25% con respecto a 1998.
En cuanto a los servicios y hogares, que consumen en nuestro
país un 20% del total de la energía final, es
posible reducir el consumo energético en los siguientes
aspectos:
- Calefacción, climatización y suministro
de agua caliente sanitaria.
- Iluminación.
- Reducción en el consumo de los electrodomésticos.
Para mejorar el primer punto, que supone en España
un 66% del gasto en los hogares, es necesario incidir sobre
la eficiencia de calderas, equipos de refrigeración,
ventilación, etc. Igualmente hay un amplio campo en
la mejora del aislamiento térmico de los edificios
y en el desarrollo de la arquitectura bioclimática.
La iluminación implica un 7% del consumo energético
en un hogar medio. Las lámparas incandescentes tradicionales
sólo convierten en luz un 12% de la electricidad que
consumen, el resto se disipa en forma de calor. Las modernas
lámparas eficientes consumen la quinta parte y tienen
una duración diez veces mayor. Existen diversos modelos
para diversos usos. Las electrónicas se encienden instantáneamente
mientras que las fluorescentes compactas tardan algo más.
Los fluorescentes son aptos para zonas que necesitan una mayor
iluminación durante más horas.
Los electrodomésticos (de gama blanca, marrón,
pequeño electrodoméstico y material informático)
suponen una parte importante del consumo total en el hogar,
en nuestro país un 26 %. En muchos países, como
es el caso del nuestro, se ha implantado un sistema de etiquetado,
al igual que con los automóviles, que informa a los
consumidores sobre la eficiencia energética de los
electrodomésticos.
Para terminar cabe decir que en lo que atañe a los
hogares y el transporte es fundamental la participación
de los ciudadanos que pueden con su comportamiento influir
de una forma muy significativa en que se haga un uso racional
y eficiente de la energía. Muchos organismos, como
por ejemplo el IDAE
(Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético)
en España, facilitan consejos
en este sentido.
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Última actualización:
31/03/16
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