Energías alternativas. Apuntes - UCLM · Capítulo 2 Energía solar 2.1. Pequeña introducción a...

Energías alternativas. Apuntes

Gonzalo Rodríguez Prieto

5 de marzo de 2012

Capítulo 1

Advertencia

ąąEstos apuntos son tan solo elementos de complemento sobre los materiales a usar para preparar la

asignatura!!

Bajo ningún concepto podrán entenderse como los únicos apunte a utilizar.

Además, están seguramente plagados de errores y faltas, que el profesor agradecerá que se corrijan.

3

4 CAPÍTULO 1. ADVERTENCIA

Capítulo 2

Energía solar

2.1. Pequeña introducción a la conversión fotovolotaica

Los orígenes de la conversión de energía luminosa en eléctrica pueden encontrarse en los trabajos de

Edmond Bequerel y otros científicos. Edmund Becquerel obervó en torno al año 1830 que la corriente que

se podía extraer de una batería aumentaba si los electrodos de la misma estaban iluminados con luz visible.

Después de que en los primeros años del siglo XX se desarrollara la teoría atómica y la mecánica cuántica,

a mediados del mismo hicieron su aparación las primeras células conversoras de luz visible en electricidad

y desde entonces su eficiencia1 y durabilidad aumentan con la investigación y el tiempo. Actualmente2 el

record de efeciciencia de una célula solar está en torno al 16% o al 17% según las fuentes consultadas3 y

es posible comprar células solares con una eficiencia superior al 10%.

2.2. Fundamentos físicos de la conversión fotovoltaica

2.2.1. Metales, aislantes y semiconductores: ¿Qué diferencia hay entre ellos?

Ya tenemos claro que la materia se organiza en átomos, los cuales constan de un núcleo formado por los

protones y los neutrones y una nube electrónica alrededor del mismo con la carga negativa, los electrones.

Si el átomo está aislado, la mecánica cuántica nos indica que los electrones se sitúan alrededor del núcleo a1Tasa de conversión de energía luminosda a eléctrica2Diciembre 20113Ej. http://cleantechnica.com/2011/07/27/first-solar-sets-thin-film-cd-te-solar-cell-efficiency-world-record/

5

6 CAPÍTULO 2. ENERGÍA SOLAR

pares y distancias fijas del átomo, siguiendo unas reglas bastante bien definidas por la mecánica cuántica.

Pero en general, la materia no se compone de átomos aislados, sino que los átomos de un determinado

elemento químico forman agregados. Este proceso de agregación cambia de manera notable las reglas de

unión del núcleo atómico con sus electrones, y es la base de las diferencias entre las propiedades eléctricas

de los sólidos junto con el número de electrones que el material posea.

Como los núcleos atómnicos están muy próximos en la materia ordinaria, los espacios que los electrones

pueden ocupar se solapan los unos con los otros, de tal forma que los electrones se agrupan en bandas

energéticas, cuya forma depende de la cantidad de electrones que posea el átomo. Lo único que separa unos

electrones de otros es la diferencia energética entre las diversas bandas. Cuando esta diferencia es muy

pequeña, de menos de 0,5 eV, los electrones pueden moverse sin apenas dificultad por el interior del sólido:

Tenemos un conductor. Si por el contrario, la diferencia energética entre las bandas es muy grande, más

de 3 eV, tenemos un aislante y un semiconductor cuando la diferencia entre las bandas esté entre 0 y

3 eV.

Carbono.jpg

Sodio.jpg

2.2. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA 7

Pues bien, son los semiconductores los materiales que más nos interesan. La razón está en que la

diferencia energética entre bandas, el llamado “gap” de energía4 es lo suficientemente pequeño en estos

4Del inglés ‘gapť: Salto, obstáculo.


materiales como para que con la energía que lleva la luz visible5 los electrones puedan saltar de la banda

de valencia, la banda situada más abajo energéticamente, hasta la banda de conducción, la banda situada

más arriba, estableciendo en el proceso una corriente eléctrica y por lo tanto, transformando la energía

luminosa en eléctrica.

Pero la capacidad de establecer una corriente en el material no es suficiente. Si no hay una diferencia de

potencial, los electrones que “suban” a la banda de conducción no se moverán, y por lo tanto no se creará la

corriente. Necesitamos, pues, un mecanismo para establecer una diferencia de potencial permanente entre

dos extremos de un material. Afortunadamente, tal mecanismo existe: es el dopado.

2.2.2. Semiconductores tipo n y tipo p

Supongamos que tenemos un material base semiconductor6, entonces, el número de electrones y el

protones, es decir, la carga eléctrica, se mantendrá en un valor neutro entre la red cristalina formada

por los núcelos atómicos y los electrónes móviles del mismo, impidiendo crear la diferencia de poten-

cial que necesitamos. Pero si introducimos algunos átomos de otro material, estaremos introduciendo

cargas eléctricas adicionales en la red cristalina del semiconductor, con lo que tenemos un valor de car-

ga permanente distinto de cero. Si el material dopante tiene un número atómico más alto, entonces se

genera carga negativa extra en el conjunto de electrones para compensar la carga positiva extra de

la red cristalina: semiconductor extrínseco de tipo n. Si el dopante tiene un número atómico más bajo

que el del material base, tenemos una hueco electrónico, o hueco, que equivale a una carga positiva;

un semiconductor extrínseco de tipo p. Si logramos unir dos semiconductores dopados tipo p y n, tenemos

una diferencia de potencial permanente que iluminada por el Sol producirá una corriente eléctrica: el fun-

damento de las células solares. Por supuesto, en la zona de unión entre el semiconductor tipo p y el tipo n

se producirá cierta difusión de las cargas dopantes, de tal forma que el dopaje se vá perdiendo, alcanzando

un mínimo en el centro. Es la llamada zona de empobrecimiento.

5¿Por qué usamos luz visible?6Habitualmente, es el Silicio, pero otros materiales pueden y son empleados ya en células comerciales:

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell Accedido Diciembre 2011

2.2. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA 9

2.2.3. Comentario corto: ąLa luz tiene dirección!

en toda la discusión anteriro hay en elemento del que apenas hemos hablado: La luz, vista como onda

electromagnética posee una direccción de propagación. Y resulta que las uniones p-n, al ser uniones en

materiales cristalinos, también poseen una estructura con direcciones muy definidas. Lo que esto causa es

que la luz del Sol que quiera ser aprovechada para la conversión fotovoltaica debe estar orientada de una

manera muy determinada con la unión p-n. Una de las primeras consecuencias de esto es que el uso de luz

difusa7 no es posible para esta aplicación. Además, los paneles solares, compuestos por un gran número de

7Luz cuyas direcciones son aleatorias y muy dispares.


células p-n deben estar siempre orientados en un ángulo determinado si se desea aumentar su eficiencia. De

ahí la panoplia de seguidores solares, y sistemas motorizados que se suelen emplear en los paneles solares.

2.3. Otras formas de aprovechar la energía del Sol

Además de la conversión más o menos directa de la energía solar en eléctrica, muy conveniente por la

facilidad de uso posterior de la energía eléctrica para lo que nos haga falta, existen otros métodos capaces

de generar energía útil partiendo de la luz solar. Esencialemnete, se basan todos ellos en la absorción de

la radiación infrarroja y transformación de la luz visible en infrarroja por algún material adecuado. Esta

energía se emplea después en el calentamiento de agua o aire para uso de calefacción. Estaríamos hablando

de un uso activo de la energía solar, a distinguir del pasivo: cuando los elementos que se calienten o enfrían

son estructurales, y no fácilmente modificables. Veremos algunos ejemplos básicos.

2.3.1. Colectores solares

En esencia, un colector solar es simplemente un sólido que absorve mucha radiación infrarroja y visible,

calentándose más que el ambiente. El calor que obtiene se transfiere a aire, agua o cualquier otro fluido,

según el uso que se le desee dar al calor generado8. Los colectores solares poseen varias ventajes, pero las

principales son dos, su bajo coste relativo y que pueden emplear luz difusa9. Son relativamente baratas

por su simplicidad y el tipo de materiales que podemos emplear.

Las geometrías que se pueden emplear son muy diversas, y en la fig. siguiente se ven algunos de ellos.

El colector solar más simple es un barreño puesto al Sol, pero no es especialmente eficiente y sólo calienta

el suelo, lo que no es muy interesante. Este diseño se puede mejorar si simplemente usamos una bolsa de

goma negra, de forma que se caliente mucho y el calor genrado en el interior de la bolsa se transfiera por

conducción a otro fluido. Por supuesto, aislar la goma negra del suelo o ambiente resultante es conveniente.

Pero el sistem más lógico, y el empleado en los colectores comerciales, es el uso de placas y tubos metálicos

inundados o no, con aislamientos de vidrio, habitualmente. En ellos, el fluido se calienta al estar dentro

de un sistema de tubos o cerca de placas metálicas expuestas al Sol, y que recogen los rayos infrarrojos8De hecho, se pueden emplear este tipo de tecnologías para generar electricidad si calentamos un fluido de bajo punto de

fusión como un alcohol y hacemos que su vapor haga girar una turbina.9Para poder calentar un material no hay que tner ningún tipo de dirección, sólo “golpearlo” con luz.

2.3. OTRAS FORMAS DE APROVECHAR LA ENERGÍA DEL SOL 11

por esa razón. Es en este sistema en el que nos vamos a centrar para estudiar las características de los

colectores solares.

Pérdidas de energía: conducción, convección y radiación

Si bien este tipo de pérdidas energéticas se dan también en sistemas fotovoltaicos, la verdad es que es

mucho más importante la aparición de estestos fenómenos en los sistemas de colectores solares. Ya habrán

visto en otras asignaturas los conceptos básicos, así que aquí nos limitaremos a repasar formas simplificadas

de las ecuaciones que se usan para los cálculkos que se necesitan en el diseño de colectores solares.

Ya saben que la conducción térmica es la transmisión de energía calorífica por el contacto entre los

átomos de un material. Su ecuación básica se parece mucho a la de transmisión de un fluido y esencialmente

la conducción es proporcional al gradiente térmico entre los dos puntos en los que estemos midiendo la

transferencia de energía. Para el diseño de instalaciones solares, esta relación se puede simplificar y escribir


como:dQ

dt= −kAdT

dx. (2.1)

Pero esta ecuación no es lo suficientemente sencilla para hacer cálculos rápidos y no nos permite hallar

diferencia de temperatura entre el ambiente y el colector de manera sencilla. Por ello, se simplifica aún

más y se consideran la derivadas como incrementos, de tal forma que se escribe que el incremento de

temperatura se puede expresar:

∆T = RQIQ, (2.2)

con IQ = ∆Q∆t

la llamada corriente térmica y RQ = ∆xkA

la resistencia térmica. Con propósitos de comparación

entre diversos materiales de construcción y uso en instalaciones solares, se suele emplear la resistencia

térmica sin el área:

RQA =∆x

k

Este concepto resulta muy útil porque en la aplicación de diversas capas de materiales, podemos hacer

una equivalencia entre las “resistencias térmicas” de diversos materiales y lo que pasarñía con resistencias

eléctricas en serie y en paralelo. Es decir, si colocamos un conjunto de materiales uno detrás de otro,

en serie, la resistencia térmica total sería la suma de sus resistencias y si colocamos varios materiales

uno al lado del otro10 entonces la resistencia térmica total puede calcularse cvomo la suma inversa de las

resistencias de los diversos materiales.

Pero hay más formas de perder energía térmica además de la conducción. Cuando para transmitir

energía térmica entre dos cuerpos se hace circular un fluido, hablamos de la convección. Es este un fenómeno

muy complicado y uno de los pilares del estudio de la mecánica e ingeniería de fluidos, muy difícil de tratar

analíticamente11, pero que se puede aproximar para cálculos sencillos con un coeficiente y una relación

lineal:dQ

dt= hCONVA(To − Tf ). (2.3)

Fíjense en que no hay una relación que me dé de forma sencilla el incremento de temperatura por convección

porque usualmente la convección causa pérdidas de calor, y lo que nosotros queremos en un colector es

10Piensen en los materiales de las paredes del colector, etc.11En realidad, los mejores paquetes de cálculo computacional de fluidos se suelen anunciar con su capacidad de predecir

los flujos de calor por convección.


lo contrario. este coeficiente en realidad encierra una gran complicación, pues depende esencialmente de

cada tipo de construcción y material para poder ser empleado. En general, existen ciertas relaciones

adimensionales aproximadas que permiten su estimación, pero no las vamos a ver en este curso.

Por último, nos quedaría por examinar la radiación y absorción, es decir, la transferencia de calor

mediante el uso de ondas electromagnéticas. en general, cualquier cuerpo radia energía electromagnética

siguiendo una ecuación llamada ecuaciñón de Plank, que proporciona la energía emitida a una determinada

longitud de onda en función de la temperatura del objeto emisor:

E(λ, T ) =2πhp

c2

λ5

exp(

hpc

KBT

)− 1

, (2.4)

de tal forma que integrando esta ecuación para todas las longitudes de onda, obtenemos la energía radiada

por unidad de superficie12por un cuerpo en función de su temperatura:

E

A= εσT 4, (2.5)

con σ la constante Boltzmann , 5, 6710−8 W m−2K−4 y ε la emitividad del cuerpo, o capacidad de radiar

energía electromagnética del material que nos ocupe. Su valro varía entre 0 y 1. cuando alcanza el valor de

1, hablamos deun cuerpo negro: un material que emite y absorve toda la radiación electromagnética que

el llega, en cualquier longitud de onda13.

Es ahora el momento de profundizar un poco en el efecto invernadero, que a escala planetaria puede

ser un problema, pero en nustros sistemas es uno de los métodos más seguros para incrementar la tempe-

ratura del colectro, y por lo tanto su eficiencia. Para entwenderlo, fíjense en la figura siguiente. En ella se

representan los espectros de emisión del Sol, un cuerpo negro a 25 grados centígrados y la transmitancia

de una lámina de vidrio de 3 mm de ancho. Como pueden obseervar, el vidrio va a dejar pasar casi toda la

luz procedenten del Sol, pero es opaca para la radiación reemitida por el volumen encerrado por la placa

de vidrio. Por lo tanto, toda esa radiación se quedará dentro de ese volumen, calentándolo. Si quisiéramos

entender cómo se produce la transmisión del vidrio, tendríamos que pensar en su absorción de la rtadiación

12Esta magnitud se llama radiancia.13Si bien esto es una idealización, el espectro de emisión de luz de los cuerpos celestes se puede aproximar al de un cuerpo

negro, y realizar así una estimación de la temperatura de los mismos.


infrarroja, lo que provoa su reemisión tanto por dentro como por fuera del volumen encerrado. Lo que se

reemite al exteriro se pierde, pero lo reemitido al interior se va acumulando, aumentando la temperatura.

Invernadero.jpg

Uno de los componente del vidrio que más influyen en su opacidad a la radiación infrarroja, el calor, es

el óxido de hiuerro. Este aditivo se emplea para facilitar la fabricación de láminas planas de vidrio porque

aumenta la fluidez del vidrio fundido y facilita su manejo. Pero para aplicaciones como los colectores

solares, es necesario reducir el contenido de óxido de hieroo del vidrio y así aumentar su transparencia

y opacidad a la radiación infrarroja. Cuando se desea aumentar la atenuación de los rayos ultravioleta,

importante para evitar el envejecimiento de los materiales del colector14 se le añade al vidrio óxido de

cerio, que absorve la radiación ultravioleta e impide por lo tanto que se transmita al interior del colector.

Esto se puede observar directamente en el espectro de absorción de diversos óxidos de Cerio.

14De hecho, es esta la principal razón de que no dejen usar el flash en los museos: Los flashes de las cámaras emiten unagran cantidad de ultravioleta que ayuda al envejeciemiento de los pigmentos que forman parte de las pinturas.


Cerio.jpg

Superficies selectivas

Por lo visto hasta ahora del fenómeno de la radiación, parece claro que resultaría muy interesante poder

contar con un material que fuera transparente a toda la radiación hasta el final del espectro visible, unas 2

micras de longitud de onda, y al mismo tiempo absorviera todas las longitudes de onda del infrarrojo, entre

los 2 y los 10 micrones, para poder calentar muy eficientemente el volumen del colector. En definitiva, tener

una especia de trampa solar. Tales materiales no existen en la naturaleza, perto podemos hacer alfgo muy

similar con los metales. cualquier metal muy pulido es un gran reflector de la luz visible, que era una de las

características que necesitamos en nuestro material. Y para aumentar su opacidad a los rayos infrarrojos,

basta con oxidar la capa exterior, de forma que se aumenta la opacidad al infrarrojo por ele fecto del óxido

de nmetal. Por supuesto, hay que tener cierto cuidado con la capa de oxidación que se permite, poruqe

si es muy ancha afecta de manera muy negativa a la absorción de la luz solar y su posterior reflexión en

el paso reflectivo. Esta configuración de materiales se conoce como espejo oscuro. Uno de los metales más

empelados es el Cobre. Relativamente barato, su coeficiente de emisión está en torno al 80-90% y el de


emisión entre el 20 y el 10%. También se pueden usar otros metales, y uno de los sistmeas más usados es

usar acero con níquel y oxidar el Níquel con un soplete de acetileno. Como el acero es un gran material

estructural, obtenemos mucha más ressitencia que con Cobre u otros metales o materiale más blandos.

Oscuro.jpg

Pero además de estos metales, se han desarrollado unas pinturas especiales que empleadas sobre cual-

quier superficie lisa15 permiten mejhorar sus propiuedades de altas absorción del espectro visible y opacidad

en el espectro infrarrojo. Pare ello, estas pinturas están compuestas esencialmente de un material absor-

vente de la luz solar reunido con un aglutinante que sea resitente a la radiación solar, para disminuir el

costo de mantenimiento.

Por último, es conveniente citar aquí los maeteriales estructurados, como se les llama ahora. Es decir,

materiales cuya estructura al nivel atómico ha sido diseñada para cumplir con una función determinada.

La estructura empleada en los materiales de los colectores solares está formada por sucesivas capas de

metales y dieléctricos, que aumentan de manera considerable su opacidad a la radiación infrarroja y la

absorción de la visible16.

15Mejor dicho: Pulida. Si no está pulida sus propiedades ópticas se degradan mucho y no son muy útiles para absorver laluz del Sol.

16En el libro que estoy empleando como guía para este capítulo, llaman “cérmet” a este tipo de materiales. Pero simplementeusando la Wikipedia, uno se da cuenta de que “cérmet” es habitualmente otro tipo de material. Concretamente, uniones demetales y cerámicas usadas para hacer las resistencias y blindajes de tanques.


Este tipo de materiales poseen propiedades que se acercan mucho al ideal necesario en una superficie a

usar en un colector solar. La siguiente imagen es buena muestra de ello.

Cermet.jpg

Hasta ahora nos hemos ocupado de la radiación cuando llega a la superficie que tiene que absorverla y

transformarla en calor. Pero, ¿qué pasa con la cubierta exterior? Ella también tiene que ser transparente.

Y de hecho, lo es. Pero no ideal, lo que implica pérdidas de la radiación que llega a la superficie del colectro

respecto ala que pasa y se puede usar en el colector. Para medir tales pérdidas se usa la transmisividad de

la cubierta, que se puede definir como la relación entre la irradiancia solar transmitida y la incidente:

τ =ISolar,transmitidaISolar,incidente

= exp

[− Ko∆x

cos(inc)

], (2.6)


donde K0 es el llamado coeficiente de absorción17, ∆x el espesor del material transparente y inc el ángulo

de incidencia de la luz sobre la cubierta18.

Rendimiento básico de los colectores solares

Despues de ver las diversas formas de perder y ganar calor en un colector, podemos pensar en cómo

unir todas estas piezas en una expresión que nos sea útil para hallar el balance energético del colector.

Esta expresión es:

Qu = AC [IS,U − UL(Tc − Ta)], (2.7)

donde Qu es la cantidad de potencia útil extraída, IS,U la irradiancia útil que obtenemos19, UL el coeficiente

de pérdidas del colector; donde agrupamos todas las posibles pérdidas que se presenten en este coeficiente

(W K m−2); y Tc y Ta las temperaturas medias del colector y ambiental, respectivamente. Como ven, al final

tratamos de hallar una relación lineal que sea capaz de expresar de manera muy sencilla los parámetros

fundamentales de nuestro problema para ayudarnos en su diseño. Un parámetro muy importante en el

17También llamado de extinción.18Lo cual indica que los colectores solares también van a ser sensibles al ángulo de incidencia.19La irradiancia solar que llega directamente a las piezas del colector que se van a calentar.

2.4. RADIACIÓN SOLAR SOBRE LA TIERRA Y SU USO EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.19

diseño de los colectores solares es la temperatura de estancamiento. Es la temperatura a la cual se obtiene

un equilibrio entre las pérdidas y las posibles gananacias del colector, de manera que no puede haber

potencia útil extraida. Teniendo esto en cuenta, se define la temperatura de estancamiento según:

TSC = TA +IS,UUL

(2.8)

2.4. Radiación solar sobre la tierra y su uso en la generación de

energía eléctrica.

Lo primero que hay que decir es que la radiación solar no llega toda a la tierra, fíjense que se ve muy

bien en esta foto de la tierra: Hay muchísimas zonas en sombra debido a la cubierta nubosa, además de

las pérdidas producidas por absorción sobre el total de energía que llega a la Tierra.


Cuantifiquemos la radiación solar para tener una idea de que orden de magnitud tiene la energía que

llega y que podemos aprovechar :

La potencia emitida por unidad de superficie por un cuerpo negro20 se puede escribir según la fórmula

de Boltzman, Pe = σT 4, donde σ =2π5k4B15c2h3

W/m2K4 es una constante formada por más constantes21.

20Cuerpo negro: http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body21Sus valores son: kB = 1, 38 · 10−23J/K, c = 2, 997 · 107m/s y h = 6, 62 · 10−34

2.4. RADIACIÓN SOLAR SOBRE LA TIERRA Y SU USO EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.21

Si podemos calcular el radio del sol, entonces, la potencia total emitida por el Sol será: Pot = Pe ·

Superficie = Pe · 4πR2S = σT 44πR2

S. Pero esta es la potencia emitida en todas direcciones en la superficie

del Sol. La potencia recibida por metro cuadrado de superficie terrestre es: P = Pot4πD2

TS= σT 44πR2

S · 14πD2

TS

= σT 4(

RS

DTS

)2

, con DTS la distancia de la Tierra al Sol. El valor de este cálculo nos da P = 1,4 kW/m2

de potencia por metro cuadrado que llega a la Tierra desde el Sol.

Luego la potencia que llega a la tierra es de PT = P · πR2T Wattios, repartida en una superficie de

4πR2T debido a la rotación terrestre y al ángulo sólido tendido entre la Tierra y el Sol, de forma que la

potencia por metro cuadrado que recibe la Tierra sería de PT = P/4 = 350W/m2 si se absorviera el

total de radiación recibida. Como la atmósfera refleja en torna al 30% de esta cantidad, al suelo llegan

en promedio: 350 * 0,7 = 245 W/m2 o, equivalentemente, 245 · 24 · 365 = 2,1 MW por hora al año en

cada m2. Una vez que tenemos la cantidad de potencia que el Sol deposita en nuestro planeta, parece

legítimo preguntarse qué superficie tendría que cubrirse con célculas solares para suministrar toda la

energía eléctrica mundial con sistemas fotovoltaicos. El consumo total de energía en el mundo ha sido de

143. 851 TWh22 o de ≈ 1, 43 · 1017 Wh en el año 200823. Como llegan del Sol 2, 1 · 106 Wh por año y

metro cuadrado, necesitaremos 1,42,1· 106 m2, que es aproximadamente una milmillonésima de la superficie

terrestre24. Por comparación, el uso aproximado de suelo en la agricultura es del 38%2526.

22TWh = Terawattios por hora23http://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_consumption24Superficie total de la Tierra: 510 072 000 km2.25http://fria.syngenta.com.mx/dia-mundial-del-suelo.aspx, accedido Diciembre 201126Esta cuenta es bonita, pero no tiene en cuenta varios factores importantes: La cantidad de Silicio disponible, el tiempo

que hace falta para hacer la transición, etc.

Capítulo 3

Biomasa

Todos los seres vivos que habitan la tierra dependen en último caso de la energía del Sol, pero unos más

que otros. Las plantas y algunas bacterias1 transforman la energía luminosa del Sol en materia orgánica que

es empleada luego por ellos para suplir sus necesidades energéticas y estructurales. Una forma de utilizar

esa fuente de energía es usar esa materia orgánica, para producir combustibles que luego son usados en

sistemas que ya conocemos: Los motores de explosión.

La enorme ventaja de este sistema es que el producto energético final es algo que conocemos muy bien,

y que se puede manejar con muchísima facilidad. Además, la tecnología de toda la cadena de producción

es bien conocida a estas alturas. Llevamos milenios cultivando plantas y una centuria haciendo motores

que queman cosas para funcionar. El problema más obvio es que compite directamente con la producción

de alimentos y un problema menos obvio y obviado con mucha frecuencia es que no está claro que se saque

más energía que la que se mete.

Para empezar nuestro estudio de la biomasa como fuente de energía, comenzaremos por revisar ligera-

mente la fotosíntesis, el proceso básico que se esconde detrás.

3.1. Fotosíntesis

¿Qué es la fotosíntesis? Esencialmente, el proceso mediante el cual algunos seres vivos transforman

mediante energía luminosa moléculas sencillas y muy estables, CO2 y H2O, en otras más complejas e

1O animales microscópicos; no sé exactamente cuáles.

23

24 CAPÍTULO 3. BIOMASA

inestables, pero útiles para la vida. Es, esencialmente, un proceso inverso al de la combustión: Las plantas

verdes y otros seres vivos parten de dióxido de carbono, agua, junto a cantidades pequeñas de nitratos,

sulfatos y fosfatos y luz visible para liberar oxígeno y y sintetizar grasas, aceites, hidratos de carbono,

proteínas, etc. Es decir, todos los elementos que son necesarios para su vida. Estos últimos compuestos se

caracterizan por su alta energía libre y su inestabilidad frente al oxígeno2, ambos relacionados entre si.

3.1.1. Cálculos previos

Antes de entrar en más detalles, hagamos algunos cálculos que nos ayudará a entender más los flujos

generales de energía en la Tierra. Dado que las personas al respirar consumimos oxígeno, es interesante

observar cuantos árboles hacen falta para suplir el oxígeno que una persona respira. El consumo de energía

en forma de oxígeno de una persona por día es de unos 400 Wh. Las hojas sanas de un árbol producen de

media, en climas templados unos 16 W/m2 de oxígeno al ser iluminadas. Como la producción de oxígeno

es sólo durante el día, hará falta una superficie de hojas:

S(m2) =400

16× 12≈ 20m2,

que equivale a la superficie total de un árbol en latitudes medias como la de España.

En las regiones más tropicales, un árbol puede producir hasta tres veces el oxígeno necesario para

mantener una persona. No está mal, un árbol por persona para compensar el oxígeno que necesitamos.

Pero el problema es que usamos oxígeno de otras maneras. Recuerden que empleamos combustibles fósiles,

que quemamos para extraer su energía. Pues hagamos una estimación que cúantos árboles hacen falta con

algún proceso conocido en el que se quemen cosas. Supongamos como media que una casa calefactada y

cuya agua caliente sea producida por gas natural, gasta en torno a las dos toneladas de gas natural al

año. ¿Cuántos árboles hacen falta para producir el oxígeno que necesitamos para quemar este gas? El gas

natural es metano que se quema siguiendo la reacción:

2Es decir, se oxidan.

3.1. FOTOSÍNTESIS 25

Lo que quiere decir que por tonelada de metano quemada, necesitamos cuatro toneladas de oxígeno. Con

nuestras dos toneladas, necesitaremos ocho (8) toneladas de oxígeno por año.

Se puede estimar que un metro cuadrado de hojas produce alrededor de 4,06 g de oxígeno por hora.

Por lo tanto:

Y como un árbol tiene en torno a 20 m2 de superficie de hojas, esto querría decir que hacen falta unos

450/20 = 22,5 ≈ 23 árboles para producir el oxígeno que consume la caldera al quemar el gas. Este número

asusta un poco, hasta que vemos quíen produce más oxígeno en la Tierra, que no son los árboles, sino las

algas en la superficie marina3, como creo ilustra con claridad esta foto:

3Recuerden que esta superficie es el 70% de la superficie terrestre.


3.1.2. Características de la fotosíntesis

La fotosíntesis depende de una gran multitud de factores distintos, como cualquier proceso bioquímico.

Pero de todos ellos, puede resumirse que para la producción de oxígeno, o la velocidad de captación de

CO2, por una planta, los factores más importantes son: La temperatura a la que se encuentra la planta,

el flujo y espectro luminoso y la concentración de CO2. Obviamente, también tiene importancia la especie

de la planta; no todas las hojas son iguales. Un ejemplo de la influencia de todos estos factores está en la

siguiente imagen.

3.2. Biocombustibles

Ya habíamos hablado de lo que era la biomasa y de como su formación y uso puede entenderse com un

proceso de combustión inversa. Cuando se observa cualquier proceso de combustión, de manera tradicional

se llamó comburente al oxígeno o gas que acelera la oxidación, y combustible a la materia que se oxida.

De ahí que a los materiales de origen biológico que se usan en la producción de energía se les llame

biocombustibles. El ciclo energético del que forman parte se puede escribir como indica la siguiente figura:

3.2. BIOCOMBUSTIBLES 27

En ella podemos observar como se cierra el círculo de la energía con el uso de los productos de la

biomasa por los seres vivos para producir más biocombustibles. Llamamos biocombustible a la sustancia,

generalmente líquida, que es el resultado de un proceso en el que biomasa de cualquier origen contra su

densidad de energía de tal forma que la hace útil para la generación de energía.

De todos los sistemas de empleo de la biomasa que hay, sin duda el que más llama la atención es su

uso como combustible alternativo. La idea es que si se logra concentrar la energía de restos vegetales o

vegetales especialmente plantados para ello, se podría llegar a mitigar el uso de combustibles fósiles en

nuestros sistemas de transporte. Se pretenden usar, entre otros:

Metano,

etanol,

carbón de origen vegetal,

aceites vegetales


Pero para ello hay que transformar la biomasa original en estos productos. Y no es un proceso fácil ni

sencillo: No se ven por ahí árboles transformándose en gasolina. Por eso, los métodos de extracción de la

energía contenida en la biomasa son variados, tanto en complejidad y precio como en resultados. En esta

asignatura veremos las siguinetes formas de aprovechamiento de la biomasa:

Combustión directa La forma más antigua de uso de la biomasa.

Combustión tras procesado Se seca y trocea la biomasa para hacerla más eficiente.

Procesados termoquímicos Los llamados pirólisis, gasificación y licuefacción.

Procesado bioquímico ”Digestión” de la biomasa por seres vivos4.

Una visión general de ellos es la la figura siguiente:

4Bacterias, esencialmente levaduras en su mayor parte


3.2.1. Combustión directa

Es este sistema de uso el más antiguo, y el empleado todavía como elemento esencial de la vida diaria

de mucha gente que vive en África y Asia. Energéticamente, es muy poco eficiente, de manera que de la

energía almacenada en los combustibles vegetales se extrae no más del 2% en forma de energía útil. Es por

lo tanto una buena idea optimizar este proceso para evitar pérdidas. La combustión de cualquier elemento

vegetal5 se puede separa en la combustión de dos elementos muy diferentes: Los elementos volátiles, gases,

vapores varios, etc. y los materiales sólidos restante, el carbón y los materiales inertes. El carbón se quema

dejando como residuo la carbonilla y los materiales inertes producen escorias varias y más cenizas. Como la

mayor parte de la energía calorífica se concentra en los materiales volátiles, cuando se diseña un quemador

o sistema similar con el objetivo de extraer energía de la materia orgánica, es muy importante que el

quemador funciones bien. Debe ser capaz de por una parte, alimentar con la cantidad justa de oxígeno el

combustible. Si entra menos oxígeno del debido, se va a formar CO, que es un gas muy venenonoso6 y si

entra de más, se va a usar gran parte del calor en calentar el aire en sí, lo que no es útil para la extracción

de la energía. Una solución que es encontró en paises del norte para calentar la casa con toda la energía

del gas, es el uso de hornos de piedra7:

5Y en general, de cualquier material.6El responsable de muchas muertes por braseros ocurridas en casas.7Una tecnología similar se usa en los sistemas de suelo radiante. Pero probablemente son menos eficientes.


Con alimentarlos tres, cuatro horas como máximo por día producen e irradian calor durante doce horas

como mínimo. La clave está en algunos elementos de su diseño:

Un camino muy largo para el gas antes de su salida. Esto provoca que el gas se enfríe mucho antes de

salir del horno, pasando su calor al propio horno, que luego lo radia al ambiente. La figura siguinete

ilustra esto.


El material del que está construido es o bien piedra, o bien algun elemento similar8. esto provoca

que el calor se pueda almacenar en su interior y radiar después al exterior.

Este sistema de extracción de energía se pretende usar con las basuras y residuos urbanos, pero en

realidad es más un método de inertizar la basura y reducir su volumen que un sistema generador de8Ladrillo, cerámica, etc.


energía.

3.2.2. Pirólisis y gasificación

La pirólisis es el proceso por el cual se generan líquidos combustibles, como aceites y demás al calentar

por encima de 250 ℃. el proceos es la descomposición en un entorno muy energético de los materiales

básicos que forman la materia orgámnica, lo que dá como resultado algunos gases no interesantes, líquidos

y aceites combustibles y carbonilla con el carbono no sintetizado en forma de los productos anteriores.

Al ser esencialmente una “destilación forzada”, se obtienen diversos productos de la destilación. Los más

volátiles son los llamados vapores pirolíticos, una mezcla de hidrógeno, CO, CO2 e hidrocarburos gaseosos.

También se forman compuestos líquidos, aceites, alcoholes y ácidos. Y queda además un residuo sólido, el

llamado coque de pirólisis9. Un esquema sencillo de este proceso realizado de manera industrial se presenta

en la figura siguiente.

como cualquier proceso químico, se puede graduar los productos finales en función de la temperatura.

Así, si lo que nos interesa es obtener productos gaseosos, hablamos de gasificación y es una pirólisis a

temperatura controlada, que genera esencialmente los gases combustibles.

9El coque es en general cualquier carbón con un muy alto contenido en carbono.

Capítulo 4

Energía Eólica

4.1. Pequeña introducción al clima

El clima de la Tierra, como el de cualquier planeta, está gobernado por la cantidad de energía que recibe

del Sol. En el caso terráqueo, tal cantidad de energía se ve gobernada por los movimientos del globo, el de

traslación alrededor del Sol y el de rotación alrededor de su eje. El eje de la Tierra no es perpendicular al

plano en el que se produce el giro de la Tierra alrededor del Sol, sino que está inclinado unos 23◦1. Además,

la órbita es ligeramente elíptica, lo que significa que hay una diferencia entre la distancia más corta al Sol,

el perihelio2, y el afelio3.

1Concretamente, 23◦ 27’2147,7 millones de km.3152,2 millones de Km.

35

36 CAPÍTULO 4. ENERGÍA EÓLICA

Todas esta diferencias de posición son las causantes de las diferencias climáticas en la Tierra, que tiene

una influencia básica en el aprovechamiento de las energías alternativas porque en última instancia, todas

dependen de la irradiación solar. En concreto, para la generación de vientos, la rotación de la Tierra sobre

sí misma y las diferencias de temperatura debidas a las distant irradiaciones solares en el año son las dos

fuerzas principales detrás de su creación.

Todas estas diferencias generan tres zonas principales de clima, atendiendo a a las temperaturas medias

y su latitud:

Zona Glacial Es la zona de los casquetes polares, de hielos perpetuos y las temperaturas muy bajas. La

latitutd a partir de la cual se considera que estamos en zona glacial son los 66◦ 33’ Norte y Sur.

Zona Templada Donde España está situada. Es la franja, Norte y Sur, entre los grados 66◦ 33’ y 23◦ 27’.

En ella, las temeperaturas son moderadas, pero con grandes diferencias entre el Verano y el Invierno.

Zona Tórrida Por debajo de los trópicos4, las temperaturas son muy altas debido a la poca inclinación

de la Tierra con el el plano de la eclíptica5.

4El trópico de Cáncer y el de Capricornio5El plano que forma la elipse que recorre la Tierra alrededor del Sol.

4.1. PEQUEÑA INTRODUCCIÓN AL CLIMA 37

4.1.1. La atmósfera

La atmósfera es la cubierta de gases que rodea la Tierra. No sólo atenúa las radiaciones solares, sino que

además es el medio que empleamos para respirar casi todos los seres vivos6. Además, todos los fenomenos

atmosféricos con importancia en la generación de energía eólica tiene lugar en la atmósfera. Se considera

que al nivel del mar la presión ejercida por la atmósfera está en torno a los 760 mm de Hg, una atmósfera

de presión. Conforme nos alejamos de la superficie de la Tierra, la presión disminuye. ¿Se puede llegar a

expresar esa disminución de la presión con la altitud? Sí, usando la ecuaciuón altimétrica7.

Suponiendo que la atmósfera es un gas idela de masa molar media 28,9 g/mol, podemos escribir:

ρ =pM

RT,

y como el decremento de presión es proporcional a la densidad del aire:

dp

dz= −ρg = −pM

RTg ⇒ dp

p= −Mg

RTdz. (4.1)

Resolviendo el problema a primer orden, podemos considerar la temperatura y g como valores constantes

para resolver la ecuación:

lnp

p0

= −Mg

RTz = −

(ρ0g

p0

)z = − 1

αz, (4.2)

donde ρ0/p0 = M/RT y por lo tanto, podemos ver que la presión atmosférica disminuye con la altitud de

manera exponencial, según la ley:

p = po exp−z/α, (4.3)

y considerando ρ0 = 1,202 kg/m3, g = 9,81 m/s2 y p0 = 101 325 Pa, α vale ≈ 8 000 m lo que nos deja

con la ecuación que describe la altitud en función de la presión como:

z = lnp0

p= 8000 ln

p0

pm. (4.4)

Por supuesto, esto es una idealización. El resultado final debe tener en cuenta las diferencias de tem-

6Hay algunas bacterias que no emplean oxígeno para realizar su “respiración”7Todo el siguiente párrafo está sacado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Presión_atmosférica


peraturas y del valor de g, para dar lugar a algo similar a la gráfica siguiente:

Por supuesto, la presión en un determinado punto no es un valor constante, sino que depende ťprincipal-

mente de las condiciones metereológicas concretas del punto en el que nos encontremos.

4.1.2. Los vientos

En general y con múltiples matices debidos a la distinta distribución de las masa emergidas en las

dosmitades del globo y otros factores, podemos decir que las distribuciones de presión a gran escala en un

hemisferio son las siguientes:

Anticiclón del polo Sobre el polo se forma un anticiclón8 debido al frío de la superficie polar, que provoca8Zona de alta presión.

4.1. PEQUEÑA INTRODUCCIÓN AL CLIMA 39

el descenso de grandes masa de aire y el aumento de la presión en superficie.

Zona de depresiones a los 60◦ En estas zonas la presión atmosférica en la superficie desciende por el

movimiento de grandes masa de aire hacia arriba.

Zona de anticiclones a los 30◦ En esta zona es donde se crean los vientos alisios, al bajar parte de las

masa de aire.

Estas grandes zonas de presiones atmosféricas y de movimiento de aire son las causantes de las grandes

corriente de aire de la troposfera, la región de la atmósfera donde se ven las nubes. Es el mecanismo

principal de mezclado de toda la atmósfera terrestre, y uno de los casusantes de la regularidad en el

regimen de vientos. Tiene su origen en el calentamiento desigual que sufre el globo por su orientación,

además de en las fuerzas de Coriolis por la rotación terrestre.

Deducimos, por lo tanto que llamamos viento a masa de aire en movimiento9, del que para su uso como

fuente de energía sólo consideraremos el movimiento horizontal. Los vientos mencionados antes son vientos

de escala planetaria, mientras que los ciclones tiene una escala de una longitud de unos 1.000 km10, y las

tormentas y vientos a escalas mesoscópicas y pequeñas, de unos 75 km y menores de 5 km respectivamente.9Y sin haberlo deseado, me ha salido un pareado...

10La llamada escala sinóptica. Es la longitud horizontal promedio a la que se generan las depresiones de mediana latitudque están muy relacionadas con los ciclones. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_sinóptica.


Siendo los vientos de estas últimas escalas los más importantes al hablar de la generación de energía. La

tabla siguiente resume esta información.

Es importante señalar aquí que existe una fuerte variación diaria de la dirección del viento tanto en

zonas costeras como montañosas, relacionada con qué el calentamiento por el Sol. Cuando comienza el

día, se calientan las montañas y la costa, por lo que se generan brisas que van desde el mar a la costa y

del valle a las montañas que lo rodean. Hacia el atardecer sucede lo contrario y los vientos que se forman

tienen por lo tanto la dirección contraria.

4.2. Cortísima historia del uso humano de la energía eólica

El molino de viento como sistema transformador de energía eólica en mecánica para moler grano,

etcétera está documentado desde que el hombre se asentó y empezó a formar ciudades. De hecho, es este

4.2. CORTÍSIMA HISTORIA DEL USO HUMANO DE LA ENERGÍA EÓLICA 41

uso el principal hasta hace muy poco.

A principios del siglo XX, con los comienzos de la agricultura industrial se comnezó a usar un molino de

viento como generador de energía para bombas de agua. tales sistemas siguen todavía hoy en funciona-

miento.


Actualmente los molinos de viento se emplean principalmente para generar energía eléctrica. Aunque

hay varios tipos, y los comentaremos luego, el tipo más empleado es el aerogenerador de eje horizontal.

4.2. CORTÍSIMA HISTORIA DEL USO HUMANO DE LA ENERGÍA EÓLICA 43

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