Red de Escuelas de Aprendizaje
Energías Renovables
Red de Escuelas de Aprendizaje 1
Introducción 2
Energía Solar 8
Introducción 8
Recurso Solar 10
Aplicaciones 13
Destiladores de Agua 13
Secadores de Alimento 14
Horno Solar 14
Cocina Parabólica Solar 14
Central Termosolar 14
Colector solar de piletas 15
Paneles Solares 16
Tecnologías 18
Energía Solar Térmica 18
Energía Solar Fotovoltaica 20
Energía Solar Pasiva 22
Energía Eólica 24
Biomasa 26
Dendrificación 26
Biodiésel 28
Bioetanol 30
Biogas 32
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1. Introducción
En la actualidad, la humanidad se enfrenta a uno de los desafíos más grandes de toda su historia.
Este desafío se encarna a través de una palabra cada vez más mencionada, sustentabilidad, pero,
¿qué significa?
De acuerdo a la Organización de las Naciones Unidas y su conocido Informe Brundtland de 1987, se
define el desarrollo sostenible o sustentable como la satisfacción de las necesidades de la generación
presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias
necesidades.
Esto quiere decir que el concepto de sustentabilidad requiere que las generaciones actuales
entreguen a las generaciones futuras los recursos naturales que hoy utilizamos en igualdad o mejoría
de condiciones, es decir, sin que se hayan degradado.
Desde luego, sustentabilidad es un punto de equilibrio entre la
sociedad, la economía, y el medioambiente, ya que entre estos
tres grandes componentes de nuestra realidad, se define lo
equitativo o justo como conjunción entre la sociedad y la
economía, lo viable o rentable como conjunción entre la
economía y el medioambiente, y lo soportable o aceptable,
como conjunción entre la sociedad y el medioambiente.
No obstante, el medioambiente cumple un rol determinante
en el desarrollo sustentable. Primeramente, debe entenderse
que es clave hablar de desarrollo sustentable o sostenible, y no de desarrollo sostenido. Esto es así,
ya que desde el punto de vista material, es imposible satisfacer a partir de planeta finito, desde
luego enorme, pero con recursos acotados, un consumos de recursos o servicios medioambientales
infinitos.
Por ello, desarrollo sostenible implica el mejoramiento de calidad de vida de cada ser humano sobre
la Tierra, pero a un nivel compatible, o día a día más compatible, con las capacidades de nuestro
planeta.
En este último sentido, estamos precisamente embarcados en un estilo de vida claramente definible
como ‘’insustentable’’. En la actualidad, a través del concepto de ‘’huella de carbono’’, o nuestra
emisión de gases de efecto invernadero e impacto sobre el balance térmico de la Tierra, estamos
utilizando recursos naturales como si viviéramos en un planeta y medio.
Esto significa que año a año, generamos más impacto ambiental del que el planeta es capaz de
absorber y de compensar, y que como consecuencia de ello, múltiples ecosistemas se degradan a lo
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largo y ancho del globo: bosques, mares, tierras de cultivos, la atmósfera misma, y un largo etcétera.
Por supuesto, esto último tiene que ver con todas las actividades del ser humano, como los
alimentos que ingerimos, la ropa que utilizamos, la forma de transportarnos hacia el trabajo o la
escuela, los residuos que generamos, y mucho más, pero fundamentalmente se encuentra vinculado
a la energía que consumimos, que es un insumo transversal a cualquiera de nuestras actividades.
Los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible, Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. Se trata de una
agenda definida por la ONU hacia el 2030. 2 de los objetivos están íntimamente vinculados con la
energía.
La energía siempre ha sido un recurso de importancia capital para el ser humano. En nuestra más
temprana historia, esa energía provenía únicamente de nuestros alimentos, pero a través de las
eras, fuimos aprendiendo a utilizar otros recursos naturales, como el fuego, el viento, y el agua,
hasta que en los últimos 200 años, momento histórico conocido como Revolución Industrial,
comenzamos a utilizar petróleo, gas y carbón de formas inusitadas, posibilitando un desarrollo tanto
social como económico sin precedentes, y entre muchos guarismo posibles, esto queda evidenciado
por un hecho impresionante: en los últimos dos siglos, la población humana sobre nuestro planeta
se multiplicó por un factor de 7, mientras que el consumo energético per cápita, se multiplicó por
22. Es decir, no solo somos muchas más personas que hace 200 años, sino que consumimos, mucha,
realmente mucha, más energía.
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Consumo energético mundial según procedencia en miles de barriles de petróleo por día
(1 barril ~ 1630 kWh) Fuente: Banco Internacional de Desarrollo. Año 2011
Desde luego, nuestro gran consumo energético, necesario para mantener nuestro estándar de vida
actual, no es intrínsecamente malo. No obstante, nuestra demanda actual de energía es cubierta en
un 80% a partir de petróleo, gas y carbón, combustibles fósiles no renovables, y no compatibles con
la salud de nuestro medio ambiente, fundamentalmente a través de la emisión de ingentes
cantidades de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero que contribuyen al Cambio
Climático y el Calentamiento Global, por ello, es fundamental que durante las futuras décadas se
implementen alternativas energéticas al status quo fósil actual, es decir, energías renovables.
Consecuentemente con lo antedicho, resulta muy interesante tomar como punto de partida la
siguiente fórmula:
Fórmula IPAT
Donde la letra I denota impacto, entendido como impacto ambiental en alguna unidad medible de
interés, por ejemplo, kilogramos de dióxido de carbono emitidos al medioambiente, metros cúbicos
de gas o kWh de energía eléctrica entre muchos otros ejemplos posibles.
Seguidamente:
P: Población, o el grupo de personas en análisis. La población total de nuestro planeta, la población
de nuestra ciudad, o los integrantes de nuestra familia.
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A: Afluencia, denotando la cantidad de servicio medioambiental en concreto, por ejemplo, minutos o
litros de agua caliente requeridos para una ducha.
T: Tecnología energética utilizada y su requerimiento energético asociado, por ejemplo,
termotanque a gas, y sus metros cúbicos necesarios por cada litro de agua caliente generado.
Sobre población, un análisis demográfico de nuestra sociedad es extenso y complejo, con lo cual,
entendiendo esta dificultad, pero también enfocando nuestro análisis en acciones reales y concretas
que cada uno de nosotros pueda abordar desde su campo de acción individual, nos enfocaremos
específicamente en los elementos A y T.
Con lo cual, al hablar de Afluencia, debemos centrar nuestra atención en consumo racional y
eficiente de energía, entendiendo que la mejor energía de todas es aquella que nunca fue requerida,
y entendiendo al mismo tiempo que ser energéticamente eficiente no implica un menor confort o
una menor calidad de vida, sino ‘’hacer lo mismo con menos’’, es decir, consumiendo menos
energía, y logrando a su vez un ahorro económico y un beneficio medioambiental.
Distribución de del consumo energético nacional según sector. Fuente: Balance Energético Nacional
2014, Argentina.
Como idea general de la importancia de la eficiencia energética en nuestro país, es interesante
contemplar que el total del consumo energético residencial es del orden del 30% del país, y que por
consecuencia, si cada uno de nosotros en nuestras casas lograra ahorrar un 10% de energía, algo
sumamente posible, la Argentina entera se beneficiaría de un 3% de ahorro energético, de menor
impacto ambiental y de recursos económicos disponibles para otras servicios de importancia
también social.
¿Cómo sería posible llegar a ese 10%? Es amplia la bibliografía y los manuales disponibles con
consejos al respecto, pero básicamente, debemos enfocarnos en:
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· Utilizar electrodomésticos y gasodomésticos de alta eficiencia. Esta eficiencia puede
determinarse a partir de la etiqueta de eficiencia energética actualmente presente en gran variedad
de dispositivos, como lamparitas, calefones, termotanques, heladeras, aires acondicionados, y
muchos otros. Y en concreto utilizar lámparas LED en vez de cualquier otra, o termotanques y
calefones de alta eficiencia, sin piloto, pueden ser dos acciones de importancia.
· Utilizar la energía de forma racional. En este caso, podemos hablar de ejemplos triviales
como no dejar luces prendidas o elementos de calefacción o refrigeración cuando no sean
requeridos, pero también cabe mencionar el consumo energético detrás de aquellos
electrodomésticos con funciones de stand by, o los cargadores de nuestros celulares o notebooks,
que tan solo con el hecho de estar conectados a la red eléctrica, consumen energía, en cantidades
siempre pequeñas, pero siempre aditivas, de forma tal que el conocido “consumo vampírico’’ de
nuestros hogares puede dar cuenta del 5% de toda nuestra electricidad, y es tan fácil de evitar como
desenchufando artefactos.
Como un último ejemplo concreto, para repensar nuestra cotidianeidad, y contemplamos los
momentos en el día en los cuales calentamos agua para prepararnos alguna infusión caliente, ya sea
median gas o electricidad, es muy común completar la totalidad del recipiente a calentar con agua, y
luego tomar una porción de él para llenar nuestra taza, cuando habría sido mucho más ahorrativo
calentar únicamente el volumen de agua a ingerir.
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Consumo energético vampírico típico de diversos electrodomésticos
Fuente: www.standby.lbl.gov.
De tal manera que, entre la implementación de elementos eficientes, y su utilización racional, es
muy posible reducir nuestro consumo de gas y nuestro consumo de energía eléctrica, y hacemos
hincapié en ello ya no solo conveniente a nivel económico, sino también necesario a nivel
medioambiental, incluso si se piensa en la implementación posterior de energías renovables, ya que
no tendría sentido satisfacer, por el medio tecnológico que fuere, un consumo irracional, o
suboptimal de acuerdo a los estándares de la época.
Y con respecto a alternativas energéticas, o las actualmente conocidas como energías renovables
entre las diversas posibilidades, nos centraremos en los siguientes capítulos en energía solar, energía
eólica y energía de la biomasa.
Lo deseable de una fuente de energía renovable es que sea abundante, económica, concentrada,
segura, no contaminable, y en el sentido más amplio de la palabra, ‘’sustentable’’. Debe entenderse
en primera medida que no hay fuente de energía, así como actividad del ser humano, libre de
impacto ambiental alguno, y que en todo caso, el foco debe estar en que la energía reemplazante
sea menos contaminante que la energía reemplazada, y que los impactos ambientales sean
aceptables, con un horizonte de sustentabilidad y de mejora continua. En segunda medida, también
debe entenderse que en el imaginario de un mundo alimentado exclusivamente con energías
renovables, la respuesta no está en una energía individual, sino en el conjunto y la combinación de
todas ellas, aprovechando lo mejor de cada recurso disponible en cada lugar del mundo.
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2. Energía Solar
2.1. Introducción
Nuestra estrella más cercana, conocida como
“El Sol”, es una enorme esfera de gas caliente.
Es tan grande que representa alrededor del
99% de la masa del Sistema Solar, es tan
caliente que su superficie se encuentra a 6000
ºC y su núcleo a 15 millones.
Desde una distancia de 150.000.000 de Km. de
la Tierra, el Sol nos irradia su energía en forma
de luz, y esta, luego de 8 minutos de viaje
llega a nuestro planeta y lo alimenta.
Esta energía solar nutre y sustenta a casi todas las formas de vida y a la vez mantiene en
funcionamiento los procesos climáticos. Se calcula, por ejemplo, que anualmente recibimos
alrededor de 6000 veces nuestra demanda energética total, lo cual implica una cantidad de energía
enorme. En este punto, podemos preguntarnos, ¿qué origina tanta energía?
Dentro del Sol, ocurren varias reacciones de fusión nuclear.
En el proceso principal, 4 átomos de Hidrógeno se combinan
para forma un átomo de Helio. La masa de cada nuevo átomo
de Helio, es apenas menor que la de los 4 átomos de
Hidrógeno que le dieron origen, es decir, el Hidrógeno
consumido pesa más que el Helio producido.
Esta masa consumida se transforma en energía, según la
famosa ecuación de Einstein, E = mc2, donde E es la energía
producida, m la masa consumida y c la velocidad de la luz,
300.000 Km/s, un número constante de gran valor.
El Sol es 332.000 veces más pesado que nuestro planeta y está compuesto aproximadamente por
73% de Hidrógeno y 25% de Helio. El 2% restante es repartido entre Oxígeno, Carbono, Hierro,
Nitrógeno y demás elementos.
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A su vez, se estima que cada segundo, el Sol
transforma en energía, 4 millones de toneladas de
su masa, y esto es mucha energía. El Sol se formó
hace 4.600 millones de años y tiene combustible
para 5.000 millones de años más. Durante los
próximos 5.000 millones de años, seguirá
sustentando nuestro planeta manteniendo el ciclo
del agua, las estaciones, los vientos y la vida en él.
Dichosos aquellos que consigan domar su poder.
En los próximos capítulos, veremos cuáles son las diferentes tecnologías destinadas al
aprovechamiento de la energía solar.
¡Vamos a conocer más!
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2.2. Recurso Solar
La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra se reduce por varios factores, entre ellos, la
absorción por los gases de la atmósfera (dióxido de carbono, ozono, oxígeno, nitrógeno, etc.), la
difusión atmosférica (generada por las partículas de polvo y gotitas de agua), la reflexión en las
nubes y en la superficie terrestre. Teniendo en cuenta ello, se muestran valores de irradiancia
(W/m2) extraterrestre (antes de la atmósfera) para distintos meses en Buenos Aires:
En la gráfica podemos ver que los valores
alcanzados son superiores a 1000 W/m2. Luego,
los valores de irradiancia obtenidos en la
superficie son menores por dichas pérdidas. En
promedio, se pueden contemplar los siguientes
valores día, considerando las 24 hs del día, las de
sol, y las de noche también:
Fuente: 3TIER
Luego, considerando la inclinación que tiene nuestro planeta tierra, nos encontraremos con que el
recurso solar disponible será variable con las estaciones del año, siendo los meses de verano los de
mayor recurso, y los meses de invierno los de menor recurso. A continuación mostramos como varía
la irradiación (Wh/m2.año) anual en nuestro país:
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Irradiación solar mensual media en Diciembre y Julio
Fuent: Grossi Gallegos
Recurso Solar.
Fuente: Gobierno de San Juan
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En cada sitio, la energía solar llega por medio de tres mecanismos, que sumados dan la radiación
total obtenido en ese lugar. Esos mecanismos son:
1) Radiación directa: es aquella que se recibe directamente desde el sol, sin ser obstaculizada.
2) Radiación difusa: es aquella que llega a la superficie de la tierra tras su dirección desviada por un
obstáculo como los son las nubes, las partículas de polvo, las nubes de smog, entre otros.
3) Radiación reflejada: es aquella que se obtiene por el reflejo de la radiación solar en una superficie
espejada, como pueden ser lagos, lagunas, heliostatos, espejos, entre otros.
Dado que la radiación directa es la que proporciona mayor cantidad de energía, se busca que los
equipos captadores de la energía estén inclinados en la posición óptima para que los rayos incidan
de manera perpendicular. Eso variará en función de la latitud de cada localidad.
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2.3. Aplicaciones
Como vimos, el recurso solar disponible es muy
grande, y hay muchas maneras de
aprovecharlo. A continuación veremos algunas
alternativas existentes, y los invitamos a pensar
en otras formas de aprovechamiento del sol
que tiene el sol, que no se han especificado
aquí.
2.3.1. Destiladores de Agua
Contenedores pintados de colores oscuros (negro
idealmente) que contienen agua, son expuestos al sol,
recibiendo la radiación directa, logrando evaporar el
agua. Luego , por medio de un diseño de captación del
agua que condensa tras su evaporación, es posible
obtener agua destilada a la salida del equipo.
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2.3.2. Secadores de Alimento
Con un concepto similar al anterior, pero con una caja contenedora que permite el ingreso de la
radiación solar al captador, y evita su egreso, generando un efecto invernadero, es posible alcanzar
temperaturas más altas. Luego, con un cajón que contenga y acumule el calor generado, es posible
utilizarlo para un fin útil, como en el caso que se muestra. Por el equipo circula aire que se calienta
para secar los alimentos en el depósito acumulador.
2.3.3. Horno Solar
Avanzando con el análisis, es posible llegar a
temperaturas de hasta 250 °C utilizando espejos
orientados a la misma caja contenedora vista
anteriormente, pero con dimensiones para colocar
por ejemplo una olla. De esta manera, se trabaja
con los 3 tipos de radiación vistos, siendo la
radiación reflejada muy importante, agregando
superficie de trabajo.
2.3.4. Cocina Parabólica Solar
Se pueden alcanzar temperaturas aún más altas,
logrando freír alimentos, si se utiliza una
disposición parabólica de los espejos,
concentrando todas las radiaciones reflejadas en
un foco. Esta es la disposición que adopta una
cocina parabólica solar, cuyos tamaños rondan
típicamente en diámetros de 2m para lograr la
potencia equivalente de un horno eléctrico.
2.3.5. Central Termosolar
Para aplicaciones que requieren aún más temperatura,
como puede ser la vaporización de agua para generación
de energía eléctrica por medio de turbinas, existen las
plantas termosolares. Las mismas consisten en miles de
heliostatos (espejos) que direccionan los rayos del sol a
un punto que calienta el fluido de trabajo de la planta.
Puede alcanzar temperaturas de hasta 1.000 °C.
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2.3.6. Colector solar de piletas
Dentro de los equipos de mayor aplicación, se encuentran los
denominados colectores solares de piletas, que se componen
básicamente de un material plástico, de color negro, por el cuál
circula agua bombeada desde una pileta, logrando calentar la
temperatura de la misma, y estirar las temporadas de uso. Se
caracterizan por lograr calentar el agua rápidamente para saltos
térmicos pequeños, y no llevan tanques acumuladores de energía
ya que usan la inercia térmica de la enorme masa de agua de las
piletas para almacenar la energía.
2.3.7. Colector solar de placa plana
Para aplicaciones de calentamiento de agua
domiciliaria, industrial y comercial, una alternativa es
la utilización de colectores solares de placa plana,
que logran saltos de temperatura más grandes que
los obtenidos por los colectores de piletas. Estos
sistemas son similares al secador de alimentos, pero
con circulación de agua en lugar de aire. Pueden
tener o no un tanque acumulador adosado,
preservando la temperatura lograda, gracias a la
aislación del mismo. Al mismo tiempo, puede
utilizarse en sistemas presurizados como también en sistemas atmosféricos.
2.3.8. Colector solar de tubos evacuados
Como alternativa al equipo de placa plana, se
encuentra la tecnología de tubos evacuados, que
también sirve para abastecimiento de agua caliente
sanitaria, y apoyo de calefacción. Estos equipos se
distinguen por estar constituidos por tubos de doble
capa de vidrio, que poseen vacío entre las capas.
Tienen un rendimiento similar al de placa plana, y
logran temperaturas de trabajo de 40 °C a 60 °C.
Pueden tener o no un apoyo de resistencia eléctrica,
de manera tal de garantizar al usuario un
abastecimiento seguro de agua caliente, sea cual sea
la condición climática.
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2.3.9. Paneles Solares
Si nos olvidamos de los equipos que aprovechan la energía térmica que irradia el sol, y nos
focalizamos en los equipos que aprovechan su radiación para generar directamente energía
eléctrica, estaremos entonces pensando en paneles solares. Los mismos se componen de celdas
dopadas con átomos de Fósforo y Boro, que al recibir la radiación solar, se mueven por el
semiconductor formado por silicio y generan una diferencia de potencial. Si juntamos en serie una
determinada cantidad de celdas, tendremos un arreglo denominado panel solar, que entrega
corriente continua al exponerse a la radiación solar directa, difusa y reflejada. Luego, por medio de
sistemas de regulación y acumulación, es posible aprovechar dicha energía para abastecer distintos
consumos eléctricos.
Existen muchos tipos de celdas, pero las más utilizadas son las siguientes:
Silicio amorfo: No cristalinas, degradación temporal
considerable, bajo costo, baja eficiencia, se fabrican por deposición de vapor.
Eficiencia: 6 al 9%.
Silicio policristalino: Cristalinidad no uniforme. Se
fabrican por fundición. Eficiencia: 12 al 14%.
Silicio monocristalino: Un solo cristal. Se fabrica en
lingotes. Son las más producidas.
Eficiencia: 15 al 18%.
En cuanto a aplicaciones, es una tecnología muy versátil. A continuación mostramos algunos
ejemplos de la diversidad de aplicaciones que existen:
Planta Solar Agua Caliente, en Arizona, Estados
Unidos. 290 MW módulos capa delgada.
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Nuna7, el automóvil solar ganador del World
Solar Challenge 2013, Australia.
Avión Solar Impulse, Estados Unidos.
LuminAID, lámpara solar LED para contextos sociales
vulnerados
Notebook solar “SOL”.
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2.4. Tecnologías
2.4.1. Energía Solar Térmica
Como vimos previamente, la energía solar es producida por
el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión.
También vimos que nos proporciona cantidades enormes
de energía limpia y renovable.
En general se asocia a la energía solar directamente con la
conversión fotovoltaica y no con el poder termal del sol.
La energía solar térmica (o termosolar) aprovecha la
energía del Sol para producir calor que a su vez puede ser empleado para cocinar alimentos (horno
solar), producir agua caliente en nuestras casas (calentadores solares de agua), y también energía
eléctrica a gran escala.
Una planta de energía solar térmica o central
termosolar, utiliza la radiación del Sol para
calentar un fluido, como aire, agua, aceite o
sales fundidas, y usarlo luego en un ciclo
termodinámico para mover un generador
eléctrico y producir energía como en una
central térmica convencional.
Para que la central tenga un rendimiento
aceptable se necesitan temperaturas elevadas
(de 300 a 1000°C), por ello es necesario
concentrar la radiación solar. Esto se hace por
medio de espejos parabólicos o placas con orientación automática conocidas como helióstatos,
como se muestran en la imagen.
Se usan espejos parabólicos para concentrar la luz solar en
tubos que recorren la línea focal del canal de espejos. En
estos tubos circula un fluido de transferencia del calor, como
un aceite térmico sintético, el cual se calienta hasta 400°C
por los rayos solares concentrados y se utiliza para producir
vapor, que a su vez produce energía eléctrica en un
generador de turbina.
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En cambio, los helióstatos se encargan de
concentrar la radiación en un receptor central
montado en lo alto de una torre. Nuevamente,
esta radiación concentrada es convertida en
energía térmica y usada posteriormente en un
ciclo de generación eléctrica.
También se puede usar un disco parabólico con forma de antena
para concentrar luz solar en un receptor ubicado en el foco de la
misma. El fluido del receptor se calienta a unos 750°C y se usa para
generar electricidad en un pequeño motor Stirling unido al receptor.
Esta antena es apropiada para aplicaciones independientes o
sistemas eléctricos aislados, con consumos del orden de KW.
La central termosolar puede garantizar capacidad energética ya
que en períodos de mal tiempo o durante la noche, puede operar
con combustibles convencionales o ecológicos para alimentar el ciclo termodinámico. También
pueden almacenar energía térmica durante el día en tanques con sal fundida caliente y utilizar luego
este calor cuando haga falta.
Las centrales tienen una vida útil cercana a los 30 años y su salida
de servicio conlleva poco impacto ambiental ya que la mayoría de
los materiales usados en su construcción, como el acero y el
cristal, se pueden reciclar y utilizar en nuevas centrales.
La electricidad solar térmica es una tecnología que ya ha
demostrado su enorme potencial como fuente masiva de energía
con pocos impactos ambientales.
El uso de ésta y otras fuentes de energía renovable es la mitad del
camino hacia un futuro sustentable, la otra mitad, es el uso
inteligente de la misma.
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2.4.2. Energía Solar Fotovoltaica
En el capítulo anterior hemos visto el enorme
potencial que posee nuestro Sol como fuente
de energía. Vimos además como una planta
termosolar aprovecha esta energía para
generar calor y luego electricidad.
La radiación solar puede también ser
transformada directamente en energía
eléctrica utilizando celdas solares. La energía
producida de esta manera se conoce como
energía solar fotovoltaica.
Una celda es un dispositivo semiconductor que al recibir
radiación solar (fotones) se excita y provoca saltos
electrónicos, generando una pequeña diferencia de
potencial en sus extremos (cercana a 0,5 V), de acuerdo
con el efecto fotoeléctrico.
Un panel solar es la unidad básica de las instalaciones
fotovoltaicas. Contiene entre 20 y 40 células solares
montadas entre láminas de vidrio que las protegen del
clima. Su rendimiento está (actualmente) entre 15% y
25%, mientras que su vida útil entre 25 y 30 años.
Al igual que con la energía solar térmica, son posibles tanto las instalaciones aisladas de la red
eléctrica, cómo instalaciones conectadas a la misma y centrales de generación a gran escala.
Los sistemas aislados son instalaciones pequeñas, del orden de kilowatts. Son muy apropiadas para
suministrar energía a viviendas muy alejadas de la red eléctrica y ofrecen beneficios a residencias
urbanas. Existen muchos casos a nivel mundial de
aplicaciones fuera de la red, y particularmente en
Argentina también.
Un sistema aislado cuenta principalmente con paneles
solares, un grupo de baterías para almacenar la energía
generada, un regulador de carga para proteger a las
baterías y un inversor para convertir la corriente continua
(generada por los paneles) en corriente alterna (por
ejemplo de 220 V y 50 Hz).
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Por otra parte, una central solar fotovoltaica conectada a red, genera energía eléctrica mediante
cientos de paneles solares y la transmite por la red de distribución a hogares e industrias. Estas
instalaciones proveen potencias de cientos de kilowatts o incluso megawatts. Recordemos que 1 kW
= 1.000 W, luego 1 MW = 1.000 KW, y finalmente 1 GW = 1.000 MW.
En este caso, el sistema interactúa directamente con la red eléctrica mediante un inversor y por lo
tanto no requiere almacenamiento de energía, y el mismo inversor se encarga de regular la entrega
de energía a la red. Estos inversores son distintos a los inversores de sistemas aislados.
En lugares de elevada radiación eléctrica, los paneles son montados sobre seguidores solares que
ajustan su posición continuamente con la finalidad de lograr el ángulo óptimo de incidencia lumínica.
De esta manera se obtiene un incremento en la producción energética considerable. Este tipo de
instalaciones con seguidores solares se utilizan y se justifican para grandes potencias instaladas, en
lugares de condiciones de radiación suficientes.
Otra manera de maximizar la energía producida (o de reducir costos) es implementar dispositivos de
concentración fotovoltaica. Concentrando luz solar mediante materiales reflectantes se puede
reducir la superficie total de paneles empleada.
Existe un futuro prometedor para la energía solar fotovoltaica. Los paneles solares alcanzarán
rendimientos más altos (del 50% o incluso más) y a la vez su costo de fabricación disminuirá. Para
que esta promesa se convierta en realidad es necesaria nuestra voluntad.
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2.4.3. Energía Solar Pasiva
Mediante estrategias de arquitectura, un casa o edificio
puede aprovechar la energía solar de manera directa con sus
propios elementos constructivos, sin intermediarios como
bombas, ventiladores o paneles solares, y por tanto con nulo
(o a lo sumo muy poco) aporte externo de energía.
Esta es una forma muy antigua de aprovechar la energía del
Sol. Las casas solían diseñarse conforme al clima local,
aprovechando al máximo los rayos solares o protegiéndose de
ellos, según el clima sea frío o cálido.
La arquitectura solar pasiva busca confort y ahorro energético mediante aislamiento térmico,
orientación, vegetación, materiales de construcción y aberturas adecuadas.
Por ejemplo, siempre es conveniente instalar la mayor superficie vidriada orientada hacia el ecuador
para captar el sol en invierno y restringir al máximo las superficies vidriadas al sur para reducir las
pérdidas de calor. Además, el uso de ventanales herméticos proporciona mejor aislamiento térmico.
También es recomendable plantar árboles de hojas caducas en la cara norte de la vivienda para
bloquear el sol excesivo en verano y a su vez permitir el paso de la luz solar en invierno cuando
desaparecen sus hojas.
Como puede verse, muchas de estas técnicas de arquitectura pueden aplicarse a edificaciones ya
existentes.
Existen muchos sistemas de captación solar pasiva
muy variados e ingeniosos.
Una chimenea solar es un sistema de refrigeración
pasivo que genera una corriente natural de aire
fresco en las estaciones cálidas.
Una pared Trombe formada por una lámina de
vidrio aislante y una pared oscura de gran masa térmica, permite almacenar calor durante el día y
entregarlo durante la noche al generar una corriente convectiva de aire. De esta manera es posible
mantener una temperatura constante de 18 o 20 °C en el interior de la casa, tanto de día como de
noche.
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Con un coste de construcción apenas un 10 % mayor al habitual, una edificación diseñada con
arquitectura solar consume hasta un 80 % menos de energía que una vivienda convencional. Este
ahorro se complementa perfectamente con las tecnologías solares activas que vimos en capítulos
anteriores, ya que el suministro de energía requerido es sustancialmente menor.
El concepto de energía solar pasiva puede ser también utilizado
para generar energía a gran escala mediante una torre solar. Esta
central cuenta con una chimenea (de 1000 m de altura), rodeada
por un gran colector de radiación solar (de cientos de metros de
diámetro) debajo del cual se calienta el aire del ambiente. Este
aire caliente se pone en movimiento por convección natural y
asciende por la parte central de la torre accionando numerosas
turbinas colocadas en la base de la misma.
Esta central es capaz de generar 200 MW con un rendimiento del
2 % sobre la totalidad de energía solar que la irradia. Este valor
aparenta ser muy bajo, pero teniendo en cuenta que trabaja con
aire caliente aproximadamente a 50 ºC, el rendimiento máximo
teórico (dado por el ciclo de Carnot) resulta cercano al 8 %.
Esta tecnología proporciona una fuente de energía renovable rentable en lugares donde la tierra sea
económica y la radiación solar alta. Su desventaja fundamental es su gran altura debido a la
complejidad constructiva que implica y la cantidad de materiales.
El concepto de energía solar pasiva nos enseña que desde un diseño inteligente de nuestras
construcciones puede lograrse una disminución significativa en nuestra huella ambiental,
acercándonos más, al camino de la sustentabilidad.
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2.5. Contexto Mundial y Nacional
En vista de todo lo aprendido, estamos en condiciones de conocer cuál es el contexto internacional
de la energía solar, tanto térmica como fotovoltaica. Nos encontraremos que su crecimiento se
condice con los desafíos energéticos que enfrenta la humanidad. Si analizamos la potencia instalada
con colectores solares, veremos que su aplicación es cada vez mayor, con un crecimiento sostenido
año a año, fundamentalmente impulsado por las instalaciones realizadas en China, y en menor
medida en EEUU, Alemania, Turquía e India entre los más relevantes.
Un fenómeno similar pero aún con mayor crecimiento se da en las aplicaciones de energía solar
fotovoltaica, también impulsados por las potencias de Asia, EEUU y Alemania.
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Si analizamos el mercado nacional, nos encontraremos con que su aplicación tiene una tendencia
exponencial, con una creciente aplicación de sistemas solares térmicos para uso domiciliario tanto
en contextos rurales como urbanos, mientras que en el caso de los sistemas fotovoltaicos, la
aplicación se da en contextos rurales pero no así en los urbanos, ya que a pesar de haberse
sancionado la ley de generación distribuida, aún no se ha sancionado, limitando la aplicación de
sistemas fotovoltaicos on grid.
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3. Energía Eólica
3.1. Introducción
El hombre ha aprovechado la fuerza del viento desde
tiempos muy antiguos. Nos permitió recorrer los
océanos, moler granos para proporcionarnos reservas de
alimentos, aceites, cortar madera y bombear agua para
riego o consumo humano. Los más antiguos molinos
accionados por el viento pueden situarse en Persia hace
3500 años. Su aplicación primordial era la sustitución del
trabajo animal y humano para fabricar harina.
La energía eólica es una forma indirecta de energía solar. Grandes masas de aire se calientan cuando
la radiación del Sol atraviesa la atmósfera. Naturalmente, según la región del planeta, alcanza mayor
o menor temperatura. El aire más caliente es menos denso y asciende, mientras una masa de aire
más fría, y densa, ocupa su lugar.
La intensidad y dirección de estos movimientos convectivos de aire conocidos por todos como viento
dependen del relieve continental, la altura, la vegetación, el color de la superficie, la presencia de
asentamientos urbanos o grandes masas de agua como mares y océanos. La dirección de estas
corrientes está también influencia por la rotación de la Tierra a través de la fuerza de Coriolis. Esta
produce un desvío del viento hacia la izquierda en el hemisferio sur y hacia la derecha en el
hemisferio norte, generando movimientos ciclónicos de aire que se desplazan desde zonas de alta
presión atmosférica a zona de baja presión.
3.2. Recurso Eólico
La energía que porta un viento depende fuertemente de su velocidad. Por ejemplo, una suave brisa
de 12 Km/h porta una energía de 10 W/m2, mientras que un temporal fuerte con vientos de 90
Km/h contiene aproximadamente 1900 W/m2. Este rango de velocidades es el aprovechable por la
mayoría de las máquinas eólicas
La ecuación de potencia que porta el viento se desprende de un análisis de energía cinética del fluido
involucrado, en este caso aire, que demuestra que la energía que posee el viento depende de 2
factores ambientales, que son la densidad del aire y su velocidad de viento, y adicionalmente
depende de un tercer factor que es el área de barrido de las aspas, que es un factor que depende de
la máquina en cuestión. Entonces, la potencia que recibirá una instalación de molinos eólicos
dependerá del lugar donde se la ubique, y del tamaño de la máquina que se utilice, puntualmente, el
área barrida por sus enormes aspas. Eso explica la diversidad de tamaños existentes en el mercado,
que van desde pequeños aerogeneradores con diámetros de aspas de 2 metros, hasta equipos de
alta potencia que tienen 100 metros de diámetro.
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Relación de parámetros para el cálculo de potencia que recibe
una máquina eólica, donde P es la potencia, ᵨ la densidad del
aire, A el área barrida por las aspas y v la velocidad del viento
Como dijimos, para “cosechar” esta energía se
utilizan aerogeneradores, que son esencialmente
generadores eléctricos accionados por aspas
movidas por el viento. La teoría de estas
máquinas (teoría de Betz) establece que la
cantidad máxima de energía obtenible es el 60%
de la que porte el viento que pase a través de
ellas. Este valor en la práctica se reduce al 30%
debido a pérdidas aerodinámicas, pérdidas de
energía en los componentes mecánicos rotantes y
pérdidas en la generación y conversión eléctrica.
Se puede reducir el proceso de transformación de la energía que realiza el molino de la siguiente
manera:
Energía cinética Energía Mecánica
Energía Eléctrica Consumos eléctricos
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Los motores eléctricos típicamente funcionan con rotores compuestos por imanes de alta potencia, y
estatores que llevan el bobinado. Luego, en función de la cantidad de vueltas que tiene el bobinado,
las revoluciones por minuto que alcanza la máquina y la intensidad del flujo magnético, se pueden
diseñar máquinas de distinta tensión, que sirvan para sistemas con acumulación de energía, o bien
para sistemas que inyectan su energía directamente a la red.
Como se mencionó, el recurso eólico depende fundamentalmente de la velocidad promedio que
exista en un lugar de interés. Será entonces necesario poder conocer de manera estadística dichas
velocidades promedios. Los sitios se caracterizan en función de dicho valor, que se mide en m/s.
Para instalaciones de baja potencia (entre 200 W y 10 kW) que se realizan a alturas de 10 metros
aproxiamadamente, se consideran vientos útiles aquellos que superan los 4,5 m/s como media
anual. Para alta potencia (equipos superiores a 500 kW) las torres ascienden a alturas que llegan
hasta 100 metros, y lo valores de velocidad de viento promedio típicamente van desde 6 m/s a 10
m/s, teniendo enormes cantidades de energía que ingresan a través de las aspas.
Es importante conocer el recurso de un lugar antes de realizar una instalación, por lo que se utilizan
mediciones estadísticas para los distintos sitios. Se recomienda visitar la página del SIGEolico, donde
es posible conseguir datos locales de velocidades promedio de viento, rosa del mismo (direcciones
predominantes de viento) y valores de la densidad del aire en el sitio. Se muestra a continuación la
interfase del programa:
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Desde luego, existen también mapas de vientos promedio anuales de todo el país, como el que se
muestra, que sirven para tener una primer impresión del recurso en las distintas zonas geográficas,
aunque realmente varía en función del relieve local, siendo necesario conocer un aproximación más
localizada
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3.3. Aplicaciones
Según su aplicación, los equipos se diferencian entre molinos de bombeo mecánico,
aerogeneradores de baja potencia, y aerogeneradores de alta potencia. Existe un mercado de
equipos de media potencia, aunque es menor al de los otros tres mencionados. Los principios de
funcionamiento para todos los casos son los mismos, pero al cambiar la escala, cambia la aplicación.
3.3.1. Molino de bombeo mecánico
El mismo es una de las tecnologías más utilizadas para bombeo a
lo largo y ancho de la Argentina, con gran aplicación rural debido a
su sencillez, robustez y bajo costo operativo. Se caracteriza por
tener una veleta que orienta al equipo frente al viento, y una gran
cantidad de palas que permiten descomponer a la energía en
fuerza de bombeo, a costa de obtener bajas revoluciones.
3.3.2. Aerogenerador de baja potencia
A diferencia del
equipo de bombeo mecánico, se caracteriza por
tener menor cantidad de palas, logrando mayor
cantidad de revoluciones por minuto, que se
transforman en mayor cantidad de energía
generada. Típicamente se utilizan en sistemas con
acumulación de energía, aunque también es posible
inyectar su energía directamente a la red
3.3.3. Aerogenerador de
alta potencia
Su tamaño es mucho más grande que los equipos de baja
potencia, y entregan su energía a la red, aportando al
sistema eléctrico nacional.
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3.4. Tecnologías
Los aerogeneradores pueden clasificarse principalmente según su potencia, ubicación y la
disposición de su eje de rotación.
Cuanto mayor sea el tamaño de sus hélices, mayor energía son capaces
de producir. Existen desde pequeños aerogeneradores de 500 W y 1m
de diámetro de aspas (aplicables en la generación particular de
energía), hasta inmensas máquinas de 3.500 KW. y 80 m de diámetro
de aspas utilizados en parques eólicos.
Según la disposición del eje de rotación, los aerogeneradores pueden
ser horizontales o verticales, como la clásica torre con tres aspas o el
generador Savonius respectivamente. Un generador vertical es fácil de
montar y de mantener, no requiere de torre o mecanismo de
orientación y son capaces de trabajar con bajas velocidades de viento.
Su principal desventaja es su baja eficiencia en comparación con los
horizontales.
Energía eólica marina o energía eólica terrestre es una tercera clasificación que surge de la ubicación
del aerogenerador. En alta mar, a una distancia de 30 Km de la costa, los vientos son más potentes y
constantes, ideales para la generación eléctrica. El principal inconveniente de estas turbinas,
flotantes en el mar y ancladas a su lecho, son las dificultades técnicas para su montaje,
mantenimiento y transporte submarino de energía. Todo ello redunda en un mayor costo por KW.
Como ya es bien sabido, el viento es un recurso renovable,
una alternativa no contaminante al uso de combustibles de
origen fósil, una fuente de energía amigable con el medio
ambiente y cada día más competitiva en términos
económicos.
La energía eólica es un recurso mundial de enorme valor.
Sus recursos mundiales se estiman en 50000 TWh/año.
Hasta ahora, la cantidad de energía producida por estos
medios asciende a 437.000 MW .Es indudable que aún hay
mucho recurso por utilizar, como siempre, de nosotros
depende hacerlo.
Al igual que en la energía solar fotovoltaica y de manera
análoga, las instalaciones eólicas pueden ser off-grid (sin
acceso a la red, con acumulación de energía en baterías) u
on grid (entregan su energía a la red)
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3.5. Contexto Mundial y Nacional
El contexto de la energía eólica mundial tiene muchas semejanzas con el de la energías solar, con la
diferencia de que la tecnología eólica tiene aún más potencia instalada que la tecnología solar al día
de hoy. Como vimos en el primer capítulo, las energías renovables son una alternativa sustentable
para el desarrollo energético del hombre, abriéndose entonces un mercado de enorme interés que
al día de la fecha ha alcanzado precios muy competitivos con las alternativas. En la siguiente gráfica
se muestra la potencia instalada año a año en la última década:
Como anticipamos, nos encontramos con que el número de potencia total instalada supera al de la
energía solar fotovoltaica, y eso se debe a que las máquinas eólica tienen rendimientos más altos,
alcanzando mejores precios por unidad de energía USD/MWh.
Dicho crecimiento exponencial, también ha sido impulsado por China, Alemania y EEUU, que son
quienes han apostado a las energías renovables como fuente de generación eléctrica, y han
desarrollado un mercado que permite al resto de los países ingresar y abastecerse de sus productos.
En la siguiente gráfica se muestra la potencia instalada por cada país año a año:
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Se espera que el crecimiento siga siendo exponencial en los próximos años.
En el caso de Argentina, el mercado comenzó a crecer tras la aprobación de la ley nacional número
27.191, que ha permitido alcanzar condiciones de mercado y obligar a los privados a invertir en la
tecnología. Se espera que al año 2025 el 20% de la matriz eléctrica nacional, sea provista por fuentes
renovables, entre ellas eólica. A la actualidad, año 2018, el 3% de la matriz es provista por energías
renovables, siendo la energía eólica la de mayor aplicación en alta potencia.
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4. Biomasa 4.1. Dendrificación
El mundo no siempre dependió del petróleo.
Durante mucho tiempo y hasta la revolución
industrial, la bioenergía ha cubierto nuestras
necesidades energéticas tanto a nivel hogareño
como industrial.
Bioenergía es la energía renovable obtenida de
materiales biológicos. Esta energía puede
producirse mediante materia viviente (cultivos,
árboles, algas o microorganismos) o por el
aprovechamiento de residuos orgánicos generados por seres vivos, nosotros incluidos, por supuesto.
El material biológico utilizado como combustible en la producción energética es conocido como
biomasa. El origen de esta materia se da en el propio ecosistema comenzando con la fotosíntesis,
cuando seres vegetales concentran energía solar en enlaces químicos.
Si bien los combustibles fósiles
son también derivados de
materia orgánica, necesitan
millones de años para su
generación y por lo tanto no son
renovables en una escala de
tiempo útil al ser humano y
sumado a esto, su combustión
genera un desbalance en los
niveles de CO2 atmosféricos.
En cambio, siempre que su
consumo sea sustentable, la
biomasa es neutra en CO2 ya que
cuando se combustiona, esta libera el dióxido de carbono absorbido durante su crecimiento
Los cultivos energéticos destinados a producir biocombustibles como biodiesel o bioetanol, los
microorganismos, los residuos orgánicos urbanos o industriales, así como también agrícolas y
ganaderos forman parte de la gran diversidad de fuentes aprovechables para el desarrollo de una
bioindustria sustentable capaz de producir energía y productos manufacturados como plásticos
biodegradables, adhesivos, lubricantes etc.
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Según la fuente de donde provenga, la biomasa puede ser aprovechada mediante combustión
directa, fermentación (biogás y bioetanol), reacciones químicas de transesterificación (biodiesel),
pirolisis, gasificación y pelletización.
Una central de biomasa produce energía eléctrica
utilizando como combustible materia orgánica como leña,
ramas, paja, bagazo de caña, etc.
Primeramente, la biomasa es quemada en calderas con el
propósito de hervir agua y generar vapor a alta presión.
Por otro lado, los gases de combustión son tratados y
evacuados por una chimenea hacia la atmósfera.
Al igual que en las centrales tradicionales, el vapor mueve una turbina conectada a un generador y
este a su vez transforma la energía mecánica de su movimiento en energía eléctrica.
La bioenergía es una fuente de energía completamente renovable y mucho más limpia que la fósil ya
que produce menor contaminación ambiental.
Utiliza materiales muchas veces considerados como “basura” y puede ser producida de manera
local, con una gran variedad de fuentes, generando muchas áreas energéticamente autosuficientes.
Como principal inconveniente, la bioenergía no necesariamente representa sustentabilidad y por
ello se necesita medir estrictamente su desempeño, para que el equilibrio entre consumo y
producción se mantenga.
En conclusión, la bioenergía es recurso alternativo con un futuro prometedor, que amerita
planificación adecuada para obtener beneficios y evitar riesgos.
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4.2. Biodiésel
Biodiésel es un combustible destinado a motores Diésel realizado a
partir de fuentes renovables de carbono. Con propiedades similares a
las del gasoil, puede ser mezclado en cualquier proporción con este
para ser usado en motores Diesel convencionales.
Puede ser fabricado a partir de una gran variedad de aceites vegetales
o grasas animales, previamente usadas o no. Las materias primas
utilizadas convencionalmente son aceites de semillas oleoginosas
como girasol, soja, colza, coco y palma.
El aceite usado es una materia prima con interesantes perspectivas productivas por ser una fuente
económicamente conveniente y por representar la reutilización de un residuo contaminante.
Naturalmente, implica dificultades logísticas y requiere de tratamientos previos, por tratarse de un
residuo.
Mediante un proceso de fabricación más complejo, grasas de animales, como vaca, pollo y pescado
son también aprovechables. El biocombustible así obtenido es de similares características que el
biodiésel vegetal, con la excepción de que a partir de los 15ºC comienza a solidificar (problema
fácilmente solucionable si se lo mezcla con biodiésel vegetal o gasoil).
Un cuestionamiento muy fuerte a la producción de biodiésel mediante aceites vegetales vírgenes es
la utilización de cultivos y zonas con potencial alimenticio para fines energéticos (aproximadamente
una hectárea cada 800 litros de biodiésel). Como solución a esta dicotomía, se encuentran en
desarrollo tecnologías destinadas a producir lípidos de composiciones similares a los aceites
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vegetales mediante microorganismos como bacterias, hongos y algas. Esta alternativa conocida
como “biodiésel de segunda generación”, promete un muy alto rendimiento productivo, en poco
espacio, a bajo precio, y con un balance de CO2 marcadamente positivo, ya que el cultivo de
microorganismos consume grandes cantidades de este gas.
Existen también en desarrollo tecnologías de “tercera generación” capaces de producir
biocombustibles a partir de materiales celulósicos de poco valor comercial y sin aplicaciones
alimenticias como residuos de madera, aserrín, y pastos.
El proceso de producción de biodiésel se basa en la reacción de transesterificación.
Los aceites, están compuestos principalmente por moléculas denominadas triglicéridos, a su vez
formadas por tres ácidos grasos y una molécula de glicerina. La transesterificación consiste en
reemplazar la glicerina por alcohol ligero, como metanol o etanol, de forma que se produzcan
esteres metílicos o etílicos de ácidos grasos (biodiésel por definición) y glicerina como subproducto.
La transesterificación puede alcanzarse mediante diversos procesos industriales, por ejemplo,
calentando la mezcla de aceite y alcohol (entre 40 y 60ºC) en presencia de hidróxido de sodio o de
potasio como catalizador.
Vías alternativas de producción implican aplicar presiones muy altas a la mezcla para generar la
reacción (alternativas que no requiere catalizador) o el uso de enzimas o ultrasonido.
Como ejemplo de rendimiento, a partir de una tonelada de soja, pueden obtenerse cerca de 140 Kg
de biodiésel, 840 Kg de alimento para ganado y 20 Kg de glicerina, utilizables como materia prima
industrial.
En conclusión, este biocombustible es una alternativa
mucho menos contaminante que el petrodiésel.
Es completamente biodegradable, neutral en dióxido de
carbono y reduce de forma importante las emisiones de
monóxido de carbono, compuestos de azufre e
hidrocarburos policíclicos aromáticos.
Como caso particular de bioenergía, su producción no
necesariamente implica sustentabilidad ya que puede
generar deforestación y desertificación. Tampoco es un
problema menor el impacto social y económico que el mercado de los cultivos energéticos puede
provocar, principalmente en países en vías de desarrollo. Respecto a esto, los biocombustibles de
segunda generación, producidos a partir de biomasa no comestible, serán una tecnología crucial.
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4.3. Bioetanol
Es posible utilizar alcohol etílico o etanol como
combustible para motores de una gran variedad
de vehículos. Puede ser mezclado directamente
con nafta o diésel originando combustibles
comerciales conocidos como “alconafta” y
“E-Diésel”. Bajo la forma de ETBE, puede ser
utilizado como aditivo de naftas para mejorar su
octanaje.
En vista al futuro, es también una alternativa prometedora para alimentar vehículos impulsados
mediante pilas de combustible, dónde la energía química del etanol pueda ser convertida
directamente en energía eléctrica con un alto rendimiento energético y con vapor de agua como
única emisión a la atmósfera.
Cuando el alcohol etílico es obtenido por medio de biomasa, una fuente renovable de energía, se lo
conoce como “bioetanol”, y al igual que el biodiesel, puede representar una alternativa sustentable
al consumo de combustibles fósiles.
El bioetanol es un combustible obtenido a partir de la fermentación microbiana de azúcares
encontrados en la materia vegetal (en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa, celulosa y lignina)
y generados durante la fotosíntesis a partir de agua, nutrientes, dióxido de carbono atmosférico y
energía solar.
Para su producción, son utilizables como materia prima cultivos ricos en sacarosa (caña de azúcar,
remolacha, sorgo dulce), cultivos con alto contenido de almidón (maíz, papa, mandioca) y sustancias
con alto contenido de celulosa como madera, restos de cosechas y pastos.
Durante la producción de bioetanol, las materias primas son primeramente acondicionadas por
limpieza y molienda para luego ser introducidas en el proceso de “licuefacción y sacarificación”
donde los distintos carbohidratos contenidos en la biomasa son transformados en azúcares
digeribles por microorganismos.
Según la complejidad del tipo de azúcar, el tratamiento previo puede ser más o menos sencillo. Por
ejemplo, en el caso de la sacarosa, este no es requerido, mientras que, trabajando con almidón, son
necesarias reacciones enzimáticas. Por otra parte, si se trabaja con carbohidratos complejos como
hemicelulosa, celulosa y lignina se recurre a tratamientos más agresivos con ácidos a altas
temperaturas.
El proceso continúa con la etapa de fermentación, donde los microorganismos se alimentan del
azúcar y producen etanol como subproducto. El etanol así tiene un gran contenido de agua (cerca
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del 90%), por lo tanto es posteriormente purificado mediante destilación (hasta un 95 % de pureza)
seguida de deshidratación, alcanzándose un 99 % de pureza y quedando apto para motores de
combustión.
Antes de ser comercializado como combustible, el etanol suele ser “desnaturalizado” mediante un
pequeño agregado de nafta, con el objetivo de que no pueda ser utilizado para consumo humano.
Una alternativa muy interesante y menos controversial que los cultivos
energéticos es el uso de residuos orgánicos agrícolas, forestales, industriales y
urbanos con alto contenido en biomasa celulósica. Si bien estas materias son
abundantes, baratas y constituyen un problema en si mismo, su conversión en
azúcares fermentables es un proceso complejo que amerita mayor desarrollo
tecnológico a fin de optimizar consumos energéticos durante la producción.
Bioetanol de “segunda generación” puede ser producido a partir de algas
verdeazuladas, utilizando principalmente luz solar, agua salada y abundante
dióxido de carbono. Lo destacable de esta tecnología es que no requiere de
superficies cultivables, agroquímicos, pesticidas o agua potable para generar un
combustible sustentable, económico y con balance energético muy positivo.
El bioetanol es un producto biodegradable y de baja toxicidad. Neutral en gases de efecto
invernadero, producible localmente en muchas partes del mundo y a partir de múltiples recursos, es
una alternativa más al consumo de combustibles derivados del petróleo.
Por provenir de un recurso renovable, pero agotable a escala local, el bioetanol de primera
generación no debe ser pensado como una solución total e incuestionable a los problemas
medioambientales actuales. Conocer el desempeño productivo es fundamental.
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4.4. Biogas
El biogás es un combustible gaseoso producido a partir de
biomasa, una fuente renovable de energía. Es generado
por descomposición biológica de materia orgánica y está
compuesto principalmente por metano (entre un 40 y 70
%) y dióxido de carbono (entre un 25 y 40 %). Contiene
también otros compuestos, como vapor de agua,
hidrógeno, nitrógeno y ácido sulfhídrico, aunque todos en
bajas proporciones (5%).
El metano es también el principal componente del gas
natural (90%), una fuente de energía fósil. Se trata de un gas combustible, incoloro e inodoro, cuya
combustión completa emite solamente dióxido de carbono y agua. Puesto que es también muy
contribuyente al calentamiento global, su emisión directa (sin quemar) a la atmósfera debe ser
evitada.
Debido a su contenido en metano, el biogás tiene un poder calorífico algo cercano a la mitad del que
posee el gas natural. Por ejemplo, un biogás con un contenido en metano del 60% tiene un poder
calorífico de unas 5.500 kcal/Nm3.
Este combustible es producido en la naturaleza constantemente en los pantanos, cuando vegetación
asentada en el fondo de los mismos es digerida anaeróbicamente (en ausencia de oxígeno) por
microorganismos.
El biogás puede ser producido a partir de la materia orgánica contenida en residuos agrícolas,
forestales, ganaderos, efluentes industriales y urbanos. Aguas residuales domésticas, desechos de
comida, estiércol, aserrín y restos de cultivos, son sólo algunos ejemplos de biomasa aprovechable.
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De igual modo que en la naturaleza, este combustible puede ser generado en rellenos sanitarios y en
biodigestores industriales o domésticos.
Un biodigestor es un recinto cerrado donde se realiza el proceso de generación de biogás. Similar a
los intestinos animales, su objetivo es el de mantener un ambiente controlado, homogeneizado
mediante agitación, libre de oxígeno, de temperatura (cercana a los 40ºC) y pH (cercano a 7)
adecuados para que bacterias metanogénicas provenientes de la materia orgánica puedan
desarrollarse y producir biogás mientras lo hacen.
El biodigestor puede ser cargado continuamente, semicontinua o por lotes.
Trabajando por lotes, se carga todo de una sola vez y se los descarga una vez agotada la materia
prima. Como en este caso, la cantidad de biogas producido resultaría fluctuante, se instalan varios
digestores en paralelo y se los carga de forma alternada. Un tanque de almacenamiento de gas
permite disponer del combustible producido en todo momento.
Cuando el digestor es de carga semicontinua, todos los días se carga una cantidad dada de biomasa
mezclada con agua, y del digestor sale un volumen de lodos equivalente. De esta manera se genera
biogás de manera continua.
A su vez, un biodigestor continuo suele ser usado para grandes instalaciones, principalmente
destinadas al tratamiento de aguas residuales, dónde las capacidades requeridas son muy altas.
Cuando el proceso de biodigestión termina, no sólo genera combustible, sino también un
biofertilizante similar al humus que penetra fácilmente en el suelo y actúa como mejorador.
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El biogas puede ser utilizado en centrales eléctricas de cogeneración para producir energía eléctrica,
también como fuente de calor doméstico e industrial, como combustible para motores y pilas de
combustible. Según la aplicación, el biogás requerirá de tratamientos especiales que lo purifiquen y
lo despojen de su contenido de vapor de agua y ácido sulfhídrico.
Este biocombustible ofrece varios beneficios medioambientales. Usa para su producción materiales
considerados como basura, siempre disponibles, y que son problemáticas por sí mismas. A la vez
puede ser producido en muchas partes del mundo y atendiendo a demandas locales, promoviendo
un consumo energético descentralizado.
Como contrapartida, y a nivel económico, las instalaciones necesarias para su producción implican
una gran inversión y varios años para su recupero (especialmente en lugares donde el gas natural es
económico), lo que puede no justificar su implementación.
Si dejamos el análisis económicos aparte, una tecnología que aproveche y a la vez resuelva el
destino de parte de nuestros residuos, debe ser muy tenida en cuenta.
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