Introducción a las Energías Renovables

Este documento explora diversas fuentes de energía renovable, detallando su funcionamiento, aplicaciones, ventajas y desafíos. Las energías renovables son fundamentales para un futuro sostenible, ya que provienen de fuentes naturales que se reponen continuamente.

Energía Solar

La energía solar es una de las fuentes renovables más abundantes, aprovechando la radiación del Sol de diversas maneras.

Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica se basa en la transformación directa de la energía luminosa del sol en energía eléctrica.

• Funcionamiento: Este proceso se fundamenta en el efecto fotoeléctrico, un fenómeno cuya explicación fue clave para que Albert Einstein recibiera el Premio Nobel de Física en 1921.
• Características:
  • Un panel fotovoltaico individual puede generar aproximadamente 175 vatios, lo que significa que se requieren múltiples unidades para satisfacer necesidades energéticas significativas, como la de un frigorífico.
  • Aunque el proceso de fabricación inicial de los paneles puede tener un impacto ambiental, una vez instalados, no producen emisiones contaminantes durante su operación.
  • La energía generada es gratuita e inagotable, ya que depende de la luz solar.
• Inconvenientes:
  • Requiere una gran superficie para generar una cantidad de energía considerable.
  • El costo inicial de instalación puede ser elevado, lo que limita su accesibilidad para todos.
  • Su funcionamiento se interrumpe durante la noche y se reduce significativamente en días muy nublados, lo que hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento de energía (baterías) para asegurar un suministro continuo.
  • El desarrollo de esta tecnología ha sido impulsado, en parte, por la investigación en energía espacial.

Energía Solar Heliotérmica

Esta modalidad aprovecha el calor del sol para diversas aplicaciones.

Sistemas de Calentamiento de Agua

La aplicación más sencilla de la energía heliotérmica es el calentamiento directo de objetos o, más comúnmente, de agua. Los sistemas típicos de calentamiento de agua solar incluyen:

• Un panel colector pintado de negro para maximizar la absorción de calor.
• Una cubierta de cristal que crea un efecto invernadero, atrapando el calor.
• Un bidón de almacenamiento de agua, generalmente más grande que el panel y con una proporción de altura mayor que la de su anchura para optimizar la estratificación térmica.

Su instalación en el hogar es altamente aconsejable para reducir el consumo energético convencional y las emisiones asociadas.

Concentradores Solares: Espejos Parabólicos

Los espejos parabólicos son figuras geométricas con propiedades ópticas únicas, derivadas de una función matemática específica. Para un ingeniero, la parábola es de gran interés debido a su excepcional capacidad para concentrar la energía.

• Principio de Funcionamiento: Cualquier rayo de luz que incide en la superficie parabólica de forma paralela a su eje se refleja y converge en un punto específico conocido como el foco.
• Aplicaciones:
  • Telescopios: Permiten concentrar la luz de objetos distantes en un punto, facilitando su observación y ampliación.
  • Cocinas y Hornos Solares: Al concentrar la radiación infrarroja del sol (que es un tipo de onda electromagnética, similar a las de microondas o radio) en el foco, se alcanzan temperaturas muy elevadas, aptas para cocinar o fundir materiales.

Existen instalaciones de este tipo, tanto a nivel doméstico como en centrales de energía solar de concentración a gran escala, como las que se pueden encontrar en las rutas hacia Sevilla y Córdoba.

Energía Geotérmica

La energía geotérmica aprovecha el calor interno de la Tierra. Debajo de la corteza terrestre, la temperatura puede alcanzar los 4000 grados Celsius en el núcleo. La actividad volcánica es una manifestación visible de este calor interno.

La estructura interna de la Tierra se compone de la corteza, el manto (superior e inferior) y el núcleo (externo e interno).

Aprovechamiento y Aplicaciones

El calor geotérmico se utiliza para:

• Calentar agua para calefacción y uso doméstico (duchas).
• Generar vapor que mueve turbinas para producir electricidad en centrales geotérmicas.

Países como Islandia aprovechan extensivamente esta fuente, obteniendo gran parte de su energía de forma sostenible una vez establecida la infraestructura.

Características y Potencial

• Impacto Ambiental: Contamina poco en comparación con los combustibles fósiles, aunque no es completamente libre de emisiones (puede liberar gases como sulfuro de hidrógeno).
• Ubicación: Se explota principalmente en zonas con actividad volcánica o geotérmica significativa, como las Islas Canarias, donde existe un gran potencial. También se manifiesta en la existencia de aguas termales naturales.
• Profundidad: La corteza terrestre tiene un grosor promedio de unos 30 km, y es en sus capas más profundas donde se accede a este calor.

Origen de la Energía en la Tierra (Contexto Cósmico)

El Sol, formado hace aproximadamente 4700 millones de años y compuesto principalmente de hidrógeno, comenzó a emitir luz y calor hace unos 500 millones de años. Este proceso genera viento solar, luz y calor que llegan a los planetas.

La Tierra, como otros planetas rocosos, se formó por el fenómeno de acreción, donde pequeñas partículas se fueron uniendo gradualmente. El calor interno de la Tierra proviene de su formación y de la desintegración de elementos radiactivos en su interior. La Luna, por su parte, ejerce una influencia gravitatoria que produce las mareas en los océanos.

Energía Mareomotriz

La energía mareomotriz se basa en el aprovechamiento de las mareas, que son el resultado del ascenso y descenso periódico del nivel del mar, principalmente por la atracción gravitatoria de la Luna y, en menor medida, del Sol.

Tipos de Mareas

• Mareas Vivas: Ocurren cuando la Tierra, la Luna y el Sol están alineados (durante la luna nueva y la luna llena). Sus fuerzas gravitatorias se suman, resultando en la mayor amplitud de marea (mayor diferencia entre pleamar y bajamar).
• Mareas Muertas: Se producen durante el cuarto creciente y el cuarto menguante, cuando la Luna y el Sol forman un ángulo de 90 grados con respecto a la Tierra. Sus fuerzas gravitatorias se contrarrestan parcialmente, resultando en la menor amplitud de marea.

El ciclo diario de las mareas implica dos pleamares (marea alta) y dos bajamares (marea baja) aproximadamente cada 24 horas y 50 minutos, debido a la rotación terrestre y la influencia lunar.

El fenómeno de las mareas crea dos «abultamientos» de agua en la Tierra: uno en el lado más cercano a la Luna (por atracción directa) y otro en el lado opuesto (por inercia y equilibrio hidrostático).

Aprovechamiento de la Energía Mareomotriz

Para aprovechar esta energía, se construyen presas en estuarios o bahías estrechas. El proceso típico en una central mareomotriz es el siguiente:

1. Fase de Llenado (Pleamar): Durante la pleamar, se abren las compuertas de la presa, permitiendo que el agua del océano entre y llene el embalse. Cuando la marea alcanza su punto más alto, las compuertas se cierran, reteniendo el agua.
2. Generación de Energía (Bajamar): A medida que el nivel del mar exterior desciende con la bajamar, se crea una diferencia de altura entre el agua retenida en la presa y el mar. En un momento óptimo (por ejemplo, cuando la diferencia de nivel es máxima), se abren las compuertas y el agua del embalse fluye hacia el mar, pasando a través de turbinas que, conectadas a generadores, producen electricidad. Este proceso puede durar aproximadamente 1.5 a 2 horas.
3. Ciclo Continuo: Una vez que los niveles se igualan, las compuertas se cierran, esperando la siguiente pleamar para repetir el ciclo. Algunas centrales también pueden generar energía cuando el agua entra en el embalse.

Ventajas e Inconvenientes de la Energía Mareomotriz

• Ventajas:
  • Es una fuente de energía renovable y altamente predecible, ya que el ciclo de las mareas es conocido con antelación.
  • No produce emisiones contaminantes durante su operación.
  • La «materia prima» (las mareas) es gratuita.
• Inconvenientes:
  • La generación de energía es intermitente, ligada al ciclo de las mareas (aproximadamente dos veces al día). La máxima producción se da durante las mareas vivas (luna nueva y luna llena).
  • Requiere la construcción de grandes infraestructuras (presas) en lugares muy específicos, como estuarios o bahías estrechas, lo que implica un alto costo inicial y un potencial impacto ambiental local en los ecosistemas marinos.
  • La disponibilidad de sitios adecuados para estas centrales es limitada.

Energía Undimotriz (de las Olas)

Esta tecnología busca aprovechar la fuerza del movimiento de las olas para mover turbinas y generar electricidad. Aunque conceptualmente atractiva, su implementación a gran escala presenta desafíos significativos:

• La instalación de dispositivos en playas no es eficiente debido a la necesidad de un gran número de unidades y su vulnerabilidad a las condiciones meteorológicas extremas.
• Las estructuras ubicadas en acantilados pueden ser dañadas por la fuerza constante y violenta de las olas.
• Actualmente, no existen centrales undimotrices a gran escala que generen cantidades significativas de energía de manera comercialmente viable, lo que limita su desarrollo.

Energía Mareomotriz de Corrientes Marinas

Se basa en el aprovechamiento de la energía cinética de las corrientes submarinas. Aunque las corrientes marinas son relativamente lentas, implican la necesidad de turbinas de gran tamaño para generar energía significativa. Por esta razón, su desarrollo a gran escala aún es limitado y se encuentra principalmente en fases de investigación y prototipos.

Energía Térmica Oceánica (OTEC)

Este método se basa en el aprovechamiento de la diferencia de temperatura entre las aguas superficiales cálidas y las aguas profundas frías del océano para hacer funcionar máquinas térmicas (generalmente ciclos de Rankine). Aunque teóricamente posible y con un vasto potencial, este método presenta desafíos técnicos y económicos considerables que limitan su eficiencia y viabilidad a gran escala, aunque la investigación y el desarrollo continúan.

Biomasa

La biomasa se refiere a la materia orgánica de origen vegetal o animal, utilizada como fuente de energía. Su aprovechamiento principal es a través de la combustión o la transformación en otros combustibles.

Combustión de Biomasa Vegetal

Consiste en la quema directa de residuos vegetales, como madera no apta para otros usos, serrín, o subproductos agrícolas como el orujo (residuo de la aceituna). Se utiliza para calefacción, cocina y, en centrales específicas (como las orujeras), para generar electricidad.

• Características: Es una fuente renovable y, en muchos casos, de bajo costo. Sin embargo, su combustión produce emisiones de gases y partículas, por lo que no es una fuente de energía completamente limpia, aunque se considera neutra en carbono si la tasa de regeneración de la biomasa es igual a la de consumo.

Carbón Vegetal (Biochar)

El carbón vegetal se produce mediante la combustión incompleta de madera en ausencia de oxígeno (proceso de pirólisis). No es un material sintético, sino un producto procesado de la madera. Aunque se puede fabricar en pequeñas cantidades para uso doméstico (ej. barbacoas), no es eficiente para la generación de energía eléctrica a gran escala. Es una fuente renovable.

Bioetanol (Bioalcohol)

El bioetanol es un alcohol de origen biológico, producido principalmente por la fermentación de azúcares presentes en cultivos como la remolacha o la caña de azúcar. Se utiliza como desinfectante, disolvente y agente de limpieza. Para evitar su consumo como bebida, se desnaturaliza (se le añaden aditivos para hacerlo no apto para el consumo humano).

• Características: Arde con una llama azul intensa. Es una fuente renovable y, en comparación con los combustibles fósiles, es más limpia en términos de emisiones. Puede ser producido a pequeña escala.

Biogás

El biogás es una mezcla de gases, principalmente metano, producida por la descomposición anaeróbica (en ausencia de oxígeno) de materia orgánica. Este fenómeno ocurre naturalmente en pantanos, vertederos y plantaciones de arroz.

• Producción: Se obtiene en digestores anaeróbicos, donde residuos orgánicos (como aguas residuales, estiércol o restos agrícolas) se descomponen, liberando metano.
• Ventajas: Es una fuente de energía renovable y contribuye a la gestión de residuos, transformando un problema ambiental en un recurso. Aunque su combustión produce algunas emisiones, es una alternativa más limpia que la liberación directa de metano a la atmósfera (que es un potente gas de efecto invernadero).
• Viabilidad: Su implementación requiere conocimientos técnicos específicos para el diseño y operación de los digestores.

Biodiésel

El biodiésel es un combustible diésel de origen biológico, producido a partir de aceites vegetales (nuevos o usados de cocina) o grasas animales. Se somete a un proceso de transesterificación para cambiar su estructura química y hacerlo apto para motores diésel.

• Aplicaciones: Puede utilizarse en vehículos (coches, camiones) y maquinaria que normalmente usarían gasóleo.
• Características: Es una fuente renovable. Aunque su costo puede variar, se considera una alternativa más sostenible que el gasóleo fósil, ya que reduce las emisiones netas de carbono. Sin embargo, la disponibilidad de materia prima (especialmente aceites usados) es limitada para satisfacer una demanda a gran escala.