Tipos de Energía

Noticias de interés

2012-02-22T00:15:00.009-03:00

02/03/2012

La empresa Israelí AORA está construyendo una central de energía solar termoeléctrica con turbina de gas en el instituto de investigación de la Plataforma Solar de Almería en España. Esta planta genera una potencia eléctrica de 100 KW y produce un calor residual de 170 KW que será usado en una planta desalinizadora de agua.

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02/03/2012

La empresa China Yingli Solar que fabrica paneles solares fotovoltaicos donará 1 MW de módulos fotovoltaicos a familias de bajos recursos.

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01/03/2012

Se construyó en la Provincia de Granada, España, un invernadero fotovoltaico de 4,3 MWp y de 62.000 m2 en el que se cultivan plantas para un proyecto de reforestación de la zona.

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23/02/2012

En las Islas Malvinas se instalarán en el futuro molinos eólicos para abastecer el 40% del consumo eléctrico de las islas.

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23/02/2012

La empresa Española Isofotón, que fabrica paneles solares fotovoltaicos será esponsor del equipo Mercedes AMG Petronas de Formaula 1 en este año 2012 con el objetivo de convertirse en uno de los mayores fabricantes de paneles fotovoltaicos del mundo.

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11/02/2012

En el 2011 se instalaron 41.236 MWp de energía eólica en el mundo aumentando la potencia acumulada un 21% a 238.351 MWp, siendo China el pais que mas instaló esta fuente de energía con unos 18.000 MWp de nueva potencia.

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11/02/2012

Se inauguró en Argentina el parque eólico Rawson II que con una potencia de 30 MW se suma al parque eólico Rawson I y juntos suman una potencia instalada de 80 MWp. Los parques están construidos con molinos eólicos Vestas de 1,8 MWp y se estima que tendrán una producción anual de 300 GWh que es el consumo eléctrico de unos 100.000 hogares Argentinos. Los parques necesitaron una inversión de 144,3 millones de dólares para su construcción y están instalados en una superficie de 1.500 hectáreas.

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03/02/2012

La Facultad de Psicología y Humanidades de La Universidad Nacional de La Plata, en Argentina, iluminará sus espacios exteriores mediante la utilización de energía solar fotovoltaica.

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03/02/2012

La energía solar fotovoltaica se asoma en el horizonte de la navegación.

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26/01/2012

Según el informe del Mercado Solar 2011 que presentó la Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA), en el 2011 se conectaron a la red eléctrica 27,7 GWp en todo el mundo, llegando la potencia instalada a los 67,4 GWp, un 70% mas que el año anterior y posicionando a la energía solar fotovoltaica como la tercera fuente de energía renovable mas importante en términos de capacidad instalada detrás de la energía eólica y la energía hidráulica.

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23/01/2012

Se instalaron en el barrio La Perla de la ciudad de Moreno en el Gran Buenos Aires de Argentina calefones solares térmicos en 33 viviendas sociales del Plan Federal de Viviendas, ahorrando de esta forma el 50 % del consumo de gas de las casas.

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09/01/2012

China lanzó la mayor estación de almacenamiento de energía con baterías eléctricas con baterías de Hierro-Fosfato desarrolladas por la firma BYD y con la capacidad de tener una vida útil de 20 años. Los acumuladores tendrán una capacidad de almacenamiento de 36 MWh y estarán conectados a una estación de generación de energía combinada por una central fotovoltaica y a un parque eólico que juntos suman una potencia instalada de 140 MW.

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09/01/2012

El fabricante Norteamericano de baterías de litio A123 Systems anunció que suministrará una batería de 11 MW para un parque eólico de 21 MW en Hawaii.

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20/12/2011

Se realizó en Pamplona, España, el primer Congreso de Regadios y Energías Renovables de España los dias 16 y 17 de noviembre de este 2011, donde se concluyó que existen soluciones basadas en energías renovables que permiten abastecer las necesidades energéticas de los regantes y reducir los costos de explotación de los mismos.

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07/12/2011

Investigadores de la Universidad de Stanford, EE.UU. están trabajando en el desarrollo de una batería eléctrica que resiste hasta 40.000 ciclos de carga y descarga respecto de los 400 ciclos que tiene una batería de litio actual, lo que le permitiría tener una vida útil superior a los 30 años.

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07/12/2011

La empresa Francesa Alstom comenzará a fabricar un generador eólico de 6 MW para aplicaciones marinas donde el rotor de dicho molino tendrá un diámitro de 150 metros.

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28/11/2011

Los Biocombustibles baten records de producción en Argentina con mas de 2 millones de toneladas producidas en los primeros 10 meses de este 2011 y posicionando a la Argentina como el mayor exportador de Biodiesel del mundo.

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23/11/2011

La energía solar fotovoltaica llega hasta la Antártida, instalandose en equipos de medición medioambiental en la base Española Gabriel de Castilla en la Isla Decepción.

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23/11/2011

Construirán en la Provincia de San Juan, Argentina, una nueva planta de energía solar fotovoltaica de 20 MW. La construcción será hecha por una firma China en la zona de Ullum donde está la planta piloto fotovoltaica de 1,2 MW construida recientemenete. Con esta nueva planta la provincia sumará 41,2 MW de energía solar fotovoltaica ya que en este momento se está construyendo otra planta de 20 MW en la zona de Cañada Honda. Esta planta cuando esté terminada producirá el 5,5% de la energía eléctrica que consume la provincia.

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08/11/2011

En la provincia de Neuquen, Argentina, proyectan construir dos Parques Eólicos por medio de la empresa Alemana Sowitec, la cual invertría u$s 340 millones en su construcción.

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Aprovechamiento de las Energías Renovables en Argentina

2012-02-20T15:45:00.000-03:00

Aprovechamiento de las Energías Renovables en Argentina.

Argentina es un pais que tiene muchos recursos para el aprovechamiento de las energías renovables, ya sea la energía eólica, la energía solar o los biocombustibles entre otros recursos de menor potencial como la energía geotérmica o la energía de las olas marinas.

Tanto la energía eólica como la energía solar fotovoltaica sus principales aplicaciones son la generación de energía eléctrica para el consumo domiciliario o industrial, en cambio la energía solar térmica puede usarse para el calentamiento de agua sanitaría y de fluidos industriales o en procesos industriales que se necesite calor a altas temperaturas. En el caso de los biocombustibles pueden usarse para generar calor por combustión, para generar energía eléctrica o como materia prima para diversos productos industriales como los bioplásticos, los fertilizantes o distintos tipos de materiales sintéticos.

En el siguiente mapa de la Argentina puede verse en cada región que recurso renovable puede aprovecharse y mas abajo una explicación de la forma de aprovechamiento de cada uno de estos recursos.

Biocombustibles. Generación de Biogás.

En el caso de los biocombustibles como el bioetanol del maiz y la caña de azucar o el biodiesel del aceite de soja sus uso principal actualmente es para sustituir las importaciones de petróleo necesarias para la producción de combustibles en los vehículos con motores de combustión interna como los autos nafteros o los diesel, pero su vida como biocombustible estará seguramente acotada a la vida que tenga este tipo de vehículos, ya que seguramente en los próximos años estos motores empezarán a ser reemplazados por los vehículos con motores eléctricos ya que tienen un menor consumo y un menor costo de uso que los autos con motores a combustión.

El biocombustible que seguramente tendrá mas futuro en su implementación será el biogás ya que el metano que contiene puede usarse tanto como combustible para la generación de energía o bien como materia prima para la producción de distintos productos industriales como son la fabricación de todo tipo de productos sintéticos como los bioplásticos o las pinturas o bien en la fabricación de fertilizantes para el sector agropecuario o en procesos industriales como se usa hoy en dia el gas natural como en la desoxidación del mineral de hierro y la fabricación de acero entre otros procesos. Por esto el biocombustible que seguramente mas se usará en el futuro será el biogás por la gran cantidad de aplicaciones que tiene el biometano que se genera en su producción.

Para la producción de biogás se necesita la biodigestión de materia orgánica, esta materia orgánica puede producirse de un determinado cultivo o bien aprovechando los residuos organicos que se producen en las actividades productivas actuales como puede ser el estiercol que se genera en los criaderos de animales de campo como vacunos, pollos o cerdos, entre otros animales, o también la materia orgánica proveniente de los residuos urbanos, de los residuos indutriales y de los residuos forestales. De esta forma solo aprovechando los residuos de las actividaes productivas que se producen hoy en dia se puede generar biogás que tiene un gran valor económico y productivo; y añadiendo valor a subproductos como los residuos que generalmente son difíciles y costosos de eliminar sin generar algún tipo de contaminación ambiental, de esta forma se resuelven dos problemas con un mismo proceso como sería la eliminación de los residuos orgánicos y la generación de biogás.

En el caso de Argentina las regiones que mayor capacidad tienen de generar biogás son las regiones mas productivas agrícolamente ya que de ahí seguramente provendrá la mayor cantidad de residuos orgánicos como la region pampeana, la región chaqueña o la región mesopotámica además de todas las demás regiones en donde aparezcan este tipo de residuos orgánicos tanto en el presente como en el futuro.

Energía Eólica.

Una fuente de energía eléctrica muy importante dada la cantidad de energía que se puede producir y por tener costos de produccion bajos en el dia de hoy es la energía eólica sobre todo para su generación en la región patagónica y en las zonas del sur del mar Argentino ya que ahí es donde existen los vientos con mayor velocidad y con mayor capacidad de que se pueda convertir en energía eléctrica a travez de los generadores eólicos, y sobre todo como dijimos por ser una tecnología conocida y existente desde hace muchos años y que tiene un costo de producción de energía similar a otras fuentes de energía como los combustibles fósiles o la energía hidráulica.

Uno de los inconvenientes de la energía eólica es que no siempre sopla la misma intensidad de viento y no siempre la energía que puede generarse coincide con el consumo de energía que se tiene en ese momento por eso es necesario utilizar sistemas que permitan acoplar la producción de este tipo de energía con el consumo eléctrico que se tiene en cada momento, para esto se utilizan sobre todo las represas hidroeléctricas en las cuales cuando hay mucha energía eólica el consumo se abastece con esta energía y las centrales hidráulicas van almacenando en sus diques agua que no es gastada en ese momento y se usa cuando no hay viento para generar energía hidráulica con esa agua que fue acumulada en los momentos en que hubo viento.

Otra forma de acoplar este tipo de generación de energía renovable con el consumo sería utilizando baterías o capacitores eléctricos que almacenen la energía cuando hay mucho viento y abastezcan luego el consumo eléctrico cuando no hay producción de energía eólica pero el costo de estos acumuladores eléctricos todavía es alto para este tipo de aplicación.

Energía Solar Fotovoltaica y Termoeléctrica.

La energía solar seguramente será la fuente de energía con mayor uso en el futuro aunque todavía los costos son un poco mayor a otras fuentes de energía renovables como la energía eólica o la energía hidroeléctrica la energía solar presenta un potencial de producción de energía muy superior a cualquier otro tipo de fuente de energía renovables y puede ser 10 veces o mas la cantidad de energía solar que se pueda producir que la energía eólica que se pueda generar en Argentina sumando las regiones marinas y continentales por esto la energía solar será en el futuro en la medida que sus costos vayan bajando la energía renovable mas importante de Argentina y del mundo ya que hay muchos paises que no tienen el potencial eólico que tiene la Argentina pero tienen muy buena capacidad para generar energía solar. Como para tener una referecia de toda la energía solar que incide sobre la tierra solo el 2 por mil se transforma en energía eólica, por eso la cantida de energía solar que se puede generar es mu superior a la energía eólica, amen de que igualmente Argentina tiene muy buenos recursos de viento para generar energía eólica.

En el caso de la energía solar fotovoltaica el panel solar solo genera energía ante la presencia de la luz solar, o sea, durante el dia, no generando energía en la noche o en dias nublados, encontrandose con el mismo inconveniente que tiene la energía eólica de no coincidir la hora en que puede producir la energía y las horas de consumo de la energía eléctrica, pero en el caso de la energía solar termoeléctrica se puede almacenar el calor del sol del dia en sales fundidas a altas temperaturas (entre 500 y 800 ªC) y generar la energía eléctrica por el mecanismo del ciclo de turbina de vapor durante la noche o en los dias nublados, pudiendo de esta manera adaptar la producción de energía al consumo eléctrico solo usando este sistema de generación de energía solar.

Por un tema de costos lo mejor en este caso es generar energía solar con paneles fotovoltaicos durante las horas de sol y generar energía eléctrica cuando no hay sol por este método de centrales solares termoeléctricas con almacenamineto de sales fundidas a altas temperaturas.

Una ventaja por lo tanto que tiene la energía solar es que con la tecnología existente de paneles fotovoltaicos y centrales termosolares se puede abastecer al mercado de energía solo utilizando energía solar, sin necesitar las centrales hidráulicas o acumuladores eléctricos para acoplar la demanda eléctrica con las horas de producción de energía.

Producción Agropecuaria con Sistemas de Riego en las Regiones Semiáridas. Aprovechamiento del agua de lluvia que cae sobre los Parques Solares.

La mayoría de las regiones Argentinas que mejores condiciones de sol tienen para la generación de energía solar son regiones semiáridas y no completamente áridas, pero las cuales con la tecnologías actuales de aprovechamiento del agua para riego no pueden ser totalmente aprovechadas para la produción agropecuaria intensiva debido a la escazés del agua para el riego en dichas regiones.

Una forma de obtener agua extra para el riego en estas zonas es aprovechar el agua de lluvia que cae sobre las instalacione de energía solar, recolectandola y regando las zonas aledañas a estas instalaciones de forma de producir un cultivo en forma intensiva.

Por ejemplo si tenemos un lote semiárido de 100 hectareas es poca la producción agrícola o ganadera que se puede obtener en este lote, pero si en dicho lugar llueve la mitad del agua que tiene que llover para un cultivo intensivo, por ejemplo en el norte de la provincia de Buenos Aires llueve un promedio de 1.000 mm anuales, o sea si en este caso llueven 500 mm anuales la vegetación que produce es pobre y generalmente formada por cardos y espinillos, pero si nosotros ponemos paneles solares en la mitad del lote o sea en 50 hectareas y recolectamos el agua de la lluvia que llueve sobre los paneles solares y regamos las restantes 50 hectareas tendremos una producción de cualquier tipo de cultivo intensivo en perfectas condiciones, logrando extraer un producción agrícola en estas 50 hectareas muy superior a la producción que se pueda extraer en las 100 hectares semiáridas sin sistemas de riego y además estaremos produciendo una cantidad muy importante de energía solar.

Esta forma de combinar la producción de energía solar y la producción agropecuaría es muy interesante de implementar aquí en Argentina ya que la mayoria de las regiones son semiáridas y no áridas del todo como en las regiónes del Noroeste, Cuyo, la Pampa Seca o la Patagónia, pudiendose aprovechar de una forma muy productiva tanto para la generación de energía solar como para la producción agrícola regiones muy extensas de nuestro pais.

Barcos a Energía Solar.

Una aplicación muy interesante que tiene la energía solar fotovoltaica es la de su implementación como fuente de energía en barcos, ya sean de pequeño porte o de gran porte, e inclusive para el transporte de grandes cargas en forma interoceánica como los barcos de cargas actuales. Esto se debe a que en general los barcos tienen un bajo consumo de energía y sobre todo una muy buena relación de energía consumida por tonelada de carga transportada, superior a cualquier otro sistema de transporte como los trenes, los camiones o los aviones que le permitirá seguramente funcionar exclusivamente con energía solar.

En este caso el diseño que seguramente será mas conveniente de este tipo de barcos es hacerlo tipo barcazas haciendolos mas anchos y con mayor superficie para aprovechar la energía solar y con menor profundidad para disminuir la fuerza de empuje de las hélices del barco. De esta forma un barco con estas características en el caso de Argentina permitiría usar barcos de grandes volumenes de carga pero con un pequeño calado en el rio Paraná y sobre todo en las zonas altas del rio donde el calado del rio es menor y no pueden llegar los grandes barcos actuales como en la zona rio arriba de Rosario, y pudiendo llegar seguramente hasta la provincias de Chaco y Corrientes y hasta Paraguay.

Esto sería muy importante para estas regiones ya que permitiría sacar la producción industrial y agropecuaría de dichas regiones mas facilmente y haciendo posible las instalaciones de grandes industrias que necesitan del transporte marítimo en dichos lugares, lo que significaría un gran avance económico para dichas regiones del norte Argentino, ya que ahora la mercadería debe ser sacada en barcazas hasta zonas donde puedan ser transbordadas a barcos transoceánicos de gran calado impidiendo en muchos casos por las dificultades técnicas o económicas de este tipo de trasbordos el correcto desarrollo económico de dichas regiones, pero como se puede ver la zona que esta sobre el rio Paraná que va desde Buenos Aires hasta Rosario por tener la capacidad de poder trabajar con barcos de gran calado tiene una capacidad industrial y productiva superior a las regiones superiorers del rio Paraná.

Energía solar fotovoltaica

2012-02-19T20:34:00.000-03:00

Generación de electricidad. Efecto fotovoltaico.

En términos generales la conversión fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía solar en eléctrica.
Se aplica lo que se denomina efecto fotovoltaico, consistente en la producción de una fuerza electromotriz, por acción de un flujo luminoso incidente sobre una fotocélula.
Para poder utilizar el silicio en la elaboración de las fotocélulas es necesario alcanzar un cierto grado de pureza, lo que se logra mediante la producción de cristales de silicio.
Al exponer una lámina de dicho cristal a la acción solar, absorbe fotones de luz con suficiente energía como para originar el salto de electrones, desplazandolos de su posición original hacia la superficie donde incide la misma.
Al desprenderse esos electrones tienden a concentrarse del lado de la radiación solar, se genera un campo eléctrico con dos zonas perfectamente diferenciadas.
Una con cargas negativas, sobre la que están los electrones sobre la cara que incide la luz solar y otra con cargas positivas done están los huecos, en la cara opuesta.
Si se unen dichas regiones por medio de un conductor utilizando unos contactos metálicos adheridos a cada una de las caras de la lámina, el desequilibrio eléctrico origina una pequeña fuerza electromotriz o diferencia de potencial, que hacen circular los electrones para igualar las cargas.
Esta corriente eléctrica se genera en un proceso cíclico y constante, mientras actúe la acción de la luz sobre la fotocélula, la que es del tipo continua del mismo modo que la que proporciona una pila o batería de acumuladores.

El contacto sobre la cara que recibe la luz se ejecuta con finas láminas metálicas, de modo de cubrir lo menos posible el cristal, recubriendose además con una muy delgada capa transparente antirreflejante. La cara inferior, por el contrario, está constituido por una pequeña lámina completa.
En resumen, para que se produzca el efecto fotovoltaico es necesario que la radiación solar absorbida por el material semiconductor de origen al desplazamiento de electrones con su carga negativa (n) y la formación de huecos con cargas positivas (p). Ver siguiente figura:

Por otra parte, el material semiconductor debe poseer una discontinuidad en su composición estructural para dar lugar a la formación de un campo eléctrico interno, que separe los dos tipos de cargas, de modo que se acumulen de cada lado de la discontinuidad y den lugar a la generación de una fuerza electromotriz que haga circular la corriente eléctrica.
Además, es necesario que unos contactos eléctricos superficiales con ambas partes de la discontinuidad o unión p-n los que mediante bornes hagan posible la conexión de los tipos de carga para su utilización.
La fotocélulas pueden conectarse entre si en dos formas distintas:

Serie.
Paralelo.

En caso de conectarse en serie, el voltaje de los contactos terminales es la suma de los voltajes individuales de cada fotocélula, o sea que se obtiene un voltaje mayor que el que proporciona cada una de ellas.
Si la fotocélulas se conectan en paralelo, el voltaje se mantiene constante y es el mismo para cada una forma individual.

Paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos generalmente estan compuestos por la conección de varias células fotovoltaicas entre si y se los fabrican de modo de proporcionar una potencia máxima determinada, a un voltaje preestablecido, que generalmente es de 12 volts.
Consisten por lo general en una asociación en serie o serie-paralelo de un número determinado de células solares, con un encapsulado o protección de las células montadas sobre un soporte metálico.

En el caso de los paneles de silicio monocristalino o policristalino la unión de varias células solares constituye el panel fotovoltaico, el cual debe es diseñado en función de la potencia requerida para el consumo o del tamaño y peso del mismo.
En el caso de los paneles solares de lámina delgada de silicio amorfo o micromorfo el panel solar esta formado por solo una célula solar, sin interconectar las células en su interior, en este caso los paneles solares generalmente tienen voltaje que depende de la característica fotovoltaica de las célula del panel y si se necesita llegar a un determinado voltaje a la salida del circuito eléctrico del panel se colocan varios paneles fotovoltaicos en serie hasta llegar al voltaje necesario.

Paneles fotovoltaicos de silicio cristalino

Fabricación del silicio de grado solar

El silicio de grado solar necesita una pureza de 0,01 ppm (particulas por millón) respecto del silicio de grado electrónico que requiere una pureza del orden de 0,001 ppm. Esto permite usar métodos de purificación no tan complejos y mas económicos para su fabricación como es el Reactor de Lecho Fluidizado FBR (en su siglas en Inglés) en lugar del método tradicional o Reactor Siemens que se usa en la industria electrónica y que se realiza con un metodo de fabricación discontinuo o bach y que requiere un alto consumo de energía en el funcionamiento del reactor, en cambio, el reactor de lecho fluidizado permite una fabricación continua del silicio solar y requiere un gasto de energía en su funcionamiento del 10 al 20 % del gasto de energía del reactor tradicional Siemens, lo cual representa una alta reducción de los costes de fabricación del silicio solar.
La fabricación del silicio purificado de grado solar consta de tres pasos generales:
El primer paso es la desoxidación del óxido de silicio o cuarcita (SiO2) el cual se hace en un horno de arco eléctrico utilizando carbón o coque como elemento reductor del óxido de silicio y obteniendose silicio bruto el cual tiene una pureza del orden del 99% o sea de alrededor de 100 ppm.
El segundo paso para la obtención del silicio purificado consta de la purificación del silicio y de la separación de las impurezas que contiene el silcio en su estado bruto, para esto, como es muy difícil purificar un líquido o un elemento sólido lo que se hace es gasificar el silicio bruto y separar las impurezas por destilación en una torre de destilación, para esto a partir del silicio bruto se genera el triclorosilano (SiHCl3) para lo cual se combina el silicio con ácido clorídrico (HCl) a unos 300 ºC ya que a temperatura ambiente el triclorosilano es líquido. El reactor de lecho fluidizado puede trabajar con gas de aporte al triclorosilano o al silano (SiH4), si se utiliza silano el mismo se debe obtener descomponiendo el triclorosilano en silano y tetracloruro de silano para lo cual se hace ebullir el triclorosilano sobre un lecho de resina que contiene una catalizador formado generalmente por cloruro de aluminio en el cual se disocia el triclorosilano en silano y en tetracloruro de silicio de acuerdo a la siguiente reacción:

4 HSiCl₃ → SiH₄ + 3 SiCl₄

Luego el tretlacloruro de silicio se combina con Hidrógeno (H2) de la siguiente forma

SiCl₄ + H₂ → HSiCl₃ + HCl

obteniendose nuevamente triclorosilano y ácido clorídrico los cuales son nuevamente devueltos al proceso y combinados en los pasos anteriores de la formación de triclorosolano y silano.
Una vez obtenido el silano en forma de gas a temperatura ambiente el mismo se separa de las impurezas en una torre de destilación en el cual se obtiene gas de silano ultrapuro y en esta condición se lo inyecta al reactor de lecho fluidizado para obtener así el silicio solar purificado.
Si en vez de utilizar silano como gas de aporte en el reactor se utiliza triclorosilano se debe purificar en la torre de destilación el gas de triclorosilano a una temperatura superior a los 300 ºC ya que a temperatura ambiente como dijimos el triclorosilano es líquido.

Esquema de un Reactor de Lecho Fluidizado (FBR)

Se ha demostrado que el silico solar obtenido en un reactor de lecho fluidizado tiene un costo de 18 u$s/Kg y el obtenido por el método tradicional usando un recator Siemens el costo es superior a los 30 u$s/Kg, lo que implica una reducción importante del costo del silicio solar y una reducción importante del costo final de los paneles fotovoltaicos.

Cristalización del silicio solar

Existen dos tipos de células solares cristalinas, las células monocristalinas y las policristalinas, las células solares monocristalinas tienen la ventaja de tener una mayor eficiencia que las policristalinas pero son mas difíciles de fabricar y por lo tanto un poco mas caras, en general, los paneles fotovoltaicos hoy en dia se fabrican con células solares policristalinas, nosotros aquí solo mencionaremos el método de cristalización del silicio policristalino por tener mayor uso en la actualidad.
En la cristalización del silicio policristalino se usa un horno de inducción electromagnética como se ve en la figura donde se mete un cubo que contiene el silicio solar purificado en forma líquida a unos 1.600 ºC y en el horno de inducción se controla la temperatura del silicio líquido de forma que se forme una superficie de cristalización que avanza de abaja hacia arriba del cubo y va solidificando el silicio y por lo tanto cristalizandose. La cristalización se produce a una baja velocidad de 1 cm/hora y se usan generalmente cubos de 70 x 70 cm de lado y una altura de 30 cm.

Corte de las células solares

Una vez obtenido el silicio cristalizado en la forma como la que describimos arriba se realiza el corte del cubo en forma de lingotes de 15 x 15 cm de lado y 30 cm de largo aproximadamente y luego se cortan las células solares en forma de obleas planas con una maquina de corte que usa hilos de polvo de diamante con el cual se hace el corte de las obleas, este corte se realiza a temperatura ambiente, ya que el corte a altas temperaturas del silicio puede generar difusión solida de los gases o de particulas de la herrmaienta de corte sobre las obleas de silico y generar pérdidas de rendimiento de las células solares.
La maquina de corte por hilos es como muestra la figura siguiente:

Las células solares actualmente con este método de corte se fabrican con un espesor de 160 a 180 micrones y el espesor de los hilos tienen un diametro de 140 micrones por lo tanto se desperdicia aproximadamente el 50% del silicio solar, por lo cual, se encarece en forma significativamente el costo de los paneles solares ya que se esta utilizando aproximadamente un espesor de 300 a 400 micrones del silicio del lingote en fabricar una célula solar.
Las célula solares se pueden fabricar con un espesor de hasta 20 micrones sin que se produzcan pérdidas en la eficiencia de la célula, pero este método de corte no permite cortarla de forma tan delgada debido a la rigidez del silico de las células y no existe hasta el momento un método de corte que permita cortar las células tan delgadas y sin tener perdidas de silico en el corte.
Actualmente se esta trabajando mucho en reducir tanto el espesor de la oblea como en disminuir las pérdidas de corte ya que significaría una reducción muy importante en el costo final del panel solar.

Fabricación de las células solares

Luego del corte de las obleas, estas son sometidas a una serie de procesos para la fabricación de las células solares, en los cuales, cada proceso generalmente aporta una mejora en la característica final de la célula solar y sobre todo en su eficiencia final. Cada fabricante aplica una determinada cantidad de procesos y mejoras a las células solares de acuerdo al costo que implica la aplicación de estos procesos y la mejora relativa en la eficiencia de la célula solar que se obtiene con la aplicación de estos procesos.
Si bien las células solares mas avanzadas que se fabrican en la actualidad y por lo tanto las de mayor eficiencia se fabrican con silicio monocristalino y tiene una eficiencia del orden del 22%, estos mismos procesos y mejoras pueden aplicares a las células solares de silico policristalino aunque la eficiencia siempre es de 1 a 2 % menor dada la mejores propiedades fotovoltaicas que tiene el silicio monocristalino.

Esquema de una célula solar de silicio policristalino con contacto frontal

Las celulas solares de silico cristalino con mejor rendimiento que tienen hoy en dia se las fabrican con las siguientes características:

Superficie frontal antirreflectante:

La células solares en su parte frontal estan cubiertas con un capa que disminuye la reflección de la luz en la célula solar y hace que toda la luz que incide sobre la célula entre al cuerpo de la misma para que dicha luz pueda convertirse en energía eléctrica. Existen muchos materiales que se utilizan como capas antirreflectantes pero el mas usado actualmente es el dioxido de titanio (TiO2) y es el encargado en darle el color azulado que tienen los paneles fotovoltaicos hoy en dia.

Sistema de atrapamiento de la luz:

El sistema de atrapamiento de la luz se fabrica con el propósito de que la luz del sol recorra la máxima distancia posible en el interior del cuerpo de la célula con el fin de que toda la luz pueda transformarse en algún momento en energía eléctrica, el método mencionado es como lo demuestra la siguiente figura y en el se puede ver como la luz recorre dicha trayectoria, para esto la parte inferior de la célula debe tener una capa reflectante que permita que cuando la luz solar llega al fondo de la célula se refleje y vuela al cuerpo de la misma, además la parte frontal se debe fabricar en forma de piramides invertidas para que cuando la luz rebota externa o internamente siempre lo haga de forma que vuela a a entrar al cuerpo de la célula solar y de esta forma aumentar la distancia de dicho recorrido. Una célula solar de silico cristalino que posee este sistema de atrapamiento de la luz con un espesor de 20 micrones logra la misma eficiencia que una célula solar de 400 micrones de espesor sin este método de fabricación por lo cual este método es indispensable para lograr disminuir el espesor de las células sin perder eficiencia en las mismas.

Pasivamiento de las superficies frontales y posteriores:

Las impurezas en las células solares y los cambios de fase que se producen en las superficies superior e inferior de la célula producen pérdidas de eficiencia por recombinación, para evitar dichas pérdidas en las superficies de la célula se realiza un pasivado de las mismas en las que generalmente se utiliza hidrógeno o nitruro de silicio y tienen como fin disminuir la velocidad de recombinación de la corriente eléctrica en dichas zonas.

Contactos posteriores puntualizados y reflectanes:

Una forma de disminuir las pérdida por sombreado de la parrilla que forma el contacto superior de la célula es hacer que los dos contactos, el superior y el inferior, estén en la parte inferior de la célula para lo cual el dopaje de la célula debe hacerce como muestra la siguiente figura:

en este caso el dopaje Tipo P y Tipo N para formar las bandas de conducción y la banda de valencia debe hacerse en la parte inferior de la misma. Además para disminuir el area de contacto de las superficies conductoras de la electricidad el contacto debe hacerse puntualizado con lo que se logra disminuir las pérdidas por recombinación en dichas superficies de contacto, y para permitir la realización del sistema de atrapamiento de luz como describimos anteriormente el area que no forma parte de los contactos eléctricos posteriores se le coloca la capa reflectante de la luz como también muestra la anterior figura.

Emisores selectivos.

El emisor selectivo unicamente se fabrica en las células solares que tienen contactos frontales en los cuales en la parte de la superficie de la célula donde no estan los contactos eléctricos se la pasiva normalmente con hidrógeno o con nitruro de silicio y en la parte inferior a los contactos eléctricos para aumentar la conducitvidad eléctrica en dicha región se hace un pasivado inferior que hace que aumente la conductividad eléctrica del silico en dicha zona pero no un pasivado completo ya que dichas zonas no estan expuestas a la luz ya que esta debajo de la parrilla que forma el contacto superior.
En la actualidad la mayoría de las células solares cristalinas se fabrican con contacto superior pero cada vez mas debido al aumento de la eficiencia que se logra haciendo los contactos en la parte inferior de la célula se están fabricando las células solares con contactos posteriores.

Esquema del aumento de la eficiencia de las células solares de silicio monocritalino y policristalino de acuerdo a las mejoras o procesos con las que son fabricadas las mismas.

Fabricación o ensamblado del panel solar fotovoltaico

En la fabricación o ensamblado final del panel solar se parte de la célula solar ya fabricada y se realizado el soldado de las células solares que generalmente se conectan en serie aumentando el voltaje del panel solar respecto del que tiene la célula y posteriormente se realiza un encapsulado de panel en el cual se encapsulan las células solares con el vidrio del panel en la parte superior y con goma EVA en la parte inferior, posteriormente se realiza el ancuadrodo del panel con perfiles en los que generalmente se utiliza aluminio y finalmente se coloca la caja de contacto eléctricos de los mismos. Al final del proceso se hace una pruba de eficiencia del panel solar en el que se aplica una intensidad de luz normalizada y se mide la energía producida por el panel la cual luego se especifica en las características del mismo para su comercialización.

Esquema de la fabricación de un panel solar fotovoltaico

Paneles solares fotovoltaicos de Heterojuntura de Capa Intrisica

Panel de Heterojuntura de Capa Intrínsica HIT

Los paneles fotovoltaicos HIT (Heterejunction with Intrinsuc Thin Layer) están fabricados con células solares híbridas de silicio monocristalino recubiertas con capas de silicio amorfo, si bien en la actualidad estos paneles se fabrican con obleas de silico monocristalino ya que logran mayor eficiencia en la célula solar también se pueden fabricar con sustratos formados con obleas multicristalinas aunque el rendimiento final de la célula sea un 1 o 2 % menor que las monocristalinas.

Estos paneles solares con obleas monocristalinas logran en la actualidad eficiencias del orden del 23%, las mas altas eficiencias de células solares de silicio que se comercializan en el momento. La célua solar se fabrica como lo muestra la siguiente figura:

Como se puede ver en la figura la célula solar esta formada por un substrato monocristalino del Tipo N y por capas de silico amorfo en su parte superior e inferior, en este caso no tienen ambos contactos en la parte trasera y se pueden fabricar de forma bifacial o sea que absorvan la luz de la parte frontal y trasera logrando asi que los paneles fotovoltaicos construídos de esta manera logren una mejora en el rendimiento total de un 1 o 2 % superior al panel si trabajaría de la forma tradicional.

Un ejemplo de panel solar bifacial puede verse en la siguiente figura:

Estos paneles también tienen la ventaja de conservar su alta eficiencia de conversión trabajando a altas temperaturas logrando así una producción anual de energía superior a los paneles solares tradicionales policristalinos en la relación de Wp de panel sobre los Wh anuales generados.

Panel de Heterojuntura de Capa Intrínsica con Contacto Posterior SHJ-IBC

Las células solares SHJ-IBC (Silicon-Heterojunction Interdigitated-Back-Contact) están siendo desarrolladas por diversas empresas ya que tiene el potencial de llegar a una eficiencia del 26% utilizando como substrato obleas de silicio monocristalino y las capas de silico amorfo se colocan de forma de evitar el contacto superior de la célula solar HIT para aumentar la eficiencia fotovoltaica ya que evita las pérdidas por sombreado de la parrilla del contacto superior.

La célula solar estaría fabricada como muestran las siguientes figuras:

Si bien estos paneles fotovoltaicos no están en el mercado hasta el momento serían los paneles fotovoltaicos fabricados con células solares de silicio del mayor rendimiento que se ha logrado hasta el momento, lo cual, por utilizarse como material semiconductor solamente silicio, por las ventajas de abundancia y bajo costo de este semiconductor, presenta un gran interés en su fabricación gracias a la alta eficiencia que se puede obtener de ellos.
Estas células solares también se podrían fabricar utilizando como substrato obleas de silico policristalino que aunque tuvieran un rendimiento final del panel algo menor que el monocristalino serían mas baratos y simples de fabricar y también tendrían una alta eficiencia lo que los hace muy interesante para su aplicación por su economía de fabricación y su alta eficiencia energética de conversión fotovoltaica.

Células de lámina delgada

Células de silicio de lámina delgada

La tecnología de la célula solar de silicio es bastante estándar, y la mayor parte de la investigación tecnológica se centra en la película fina. La mayoría de la película fina o delgada consiste en una sustancia absorbente solar rociada sobre una capa, o aplicada con gas a una capa, o, más recientemente, de una tinta solar impresa sobre una capa. Las tecnologías de la película fina se diferencian sobre todo en el material que utilizan. La película fina utiliza típicamente el 1%, o menos, del silicio de la células standard, es más barata, y es también a veces flexible, pero es menos eficiente. La película fina se imprime a menudo sobre una lámina, haciéndola flexible. Una película delgada se puede rociar sobre una capa para hacer película fina del silicio amorfo. Es más barata, pero menos eficiente, que el silicio normal, y absorbe solamente el espectro visible de la luz.

Existen dos clases de tecnología fotovoltaica de silicio de lámina delgada que están en investigación y son más una modificación de la tecnología existente que un nuevo tipo de tecnología. La primera es la fotovoltaica transparente, prevista para el uso en ventanas o en techos de invernaderos, como por ejemplo son las fabricadas con silicio amorfo que se explican detalladamente mas adelante. La fotovoltaica transparente se está desarrollándo en elos laboratorios con prototipos que hasta ahora no han mostrado una buena calidad. La segunda es el silicio 'negro' supuesto, en el cual las abolladuras y los topetones microscópicos a través de la superficie del fotovoltaica crean un área superficial más grande que se pueda exponer a la luz. Se cree que éste aumentará la eficacia, pero también está en proceso de desarrollo.

Otros tipos de células de película delgada

Las tres principales clases de película fina son: CIGS, CIS y telurio de cadmio. Los CIGS están basados en el cobre, el indio, el galio y el selenio. Los productos químicos se mezclan para formar una película delgada con hasta el 14% de eficiencia, y en laboratorios han llegado a 16.5% de eficiencia de conversión fotovoltaica. Utiliza una clase más complicada de reacción química que el silicio. Se utilizan los CIGS para conseguir una eficacia mejor al concentrar la luz con espejos. Las células CIS son similares a las anteriores pero utilizan Cobre Indio y Selenio y como no usan Galio deben usar mayor cantidad de Indio y Selenio que como son elementos poco abundantes son caros y por lo tanto la célula solar es mas cara que la anterior, llegan a tener una eficiencia del 11%. El telurio de cadmio, conocido como CdTe, es otra clase de película fina, tiene cualidades útiles, pero tiene el problema que la sustancia es tóxica,. el CdTe es también menos eficiente que el silicio, aunque es más barato de fabricar.

Dos áreas de la investigación de la película fina que han recibido mucha atención son las células solares de tinte y las células solares orgánicas o de polímeros. El tinte sensibilizado usa un electrolito de yoduro entre dos electrodos, uno de los cuales tiene el dióxido de titanio y tinte., donde el tinte trabaja de modo semejante a la fotosíntesis de las plantas, y crea una corriente eléctrica a partir de la luz, es barato y simple de fabricar pero se desgasta rápidamente, pues se degrada por efecto de la luz. Las células solares orgánicas se hacen con polímeros semiconductores y compuestos orgánicos nanomoleculares se han llegado a obtener eficiencias del orden del 6% son baratas de fabricar pero tienen el inconveniente que también se degradan rápidamente por efecto de la luz del sol.

Paneles solares fotovoltaicos de silicio micromorfo

El silicio nano-cristalino, también llamado microcristalino, es una clase de silicio amorfo pero contiene cristales pequeños. Es más fácil de hacer que el silicio normal, absorbe un espectro más amplio de la luz que el amorfo, es flexibley se puede combinar con el silicio amorfo formando paneles solares tipo tandem de células de lámina delgada con estos dos tipos de silicio.

En el caso de los paneles de silicio micromorfo el objetivo es hacer células dobles o células en tándem. La parte superior esta formada por silicio amorfo, que reacciona ante una determinada longitud de onda de la luz que recibe. Y la parte inferior estaría constituida por una capa de silicio microcristalino que capta otra parte del espectro de luz, en este caso la radiación infrarroja. Esta célula doble actúa como un tándem. Sumando la eficiencia de la capa superior de silicio amorfo y la inferior de silicio micromorfo el módulo llega al 10% frente al 6,8% de las células de silico amorfo inicial. En la siguiente figuras se pueden ver el espesor y el espectro de absorción de cada una de las capas de esta célula de silicio micromorfo.

Con el futuro desarrollo de estas células de dos capas activas, se estipula que es posible llegar a una eficiencia del 13%. Así, partiendo de la base del 6,8% inicial se llega a casi un aumento del 100%.

Este tipo de célula tiene un ratio de producción de kW/h generado por kW/p instalado mayor que las células de silicio tradicionales ya que tiene un coeficiente de temperatura que es la mitad que el de los cristalinos y por lo tanto las pérdidas producida por este efecto son el 50% a las anteriores, y además su comportamiento ante la luz difusa mejora también el ratio de producción, estimandose que estos paneles una pueden roducir hasta un 10% más kWh por kWp instalado que los paneles solares de silicio cristalino.

Instalacion de paneles solares de silicio micromorfo.

Otra de las ventajas de estos paneles solares es que las instalaciones se pueden hacer con un menor ángulo de inclinación que los otros paneles como se ve en la figura anterior y con elsto disminiur la altura de las estructuras que se utilizan como soporte de los paneles solares en las instalaciones y así disminuir los costos finales de instalación de dichos paneles.

Nuevos desarrollos en células solares

Células CGS

Las células de CGS se fabrican con silicio y permiten tener apenas 2 micrones de espesor. Esta tecnología permite depositar las finas capas de silicio bajo la cubierta frontal del vidrio del módulo (que ejerce la doble función de sustrato y de protección a la intemperie). Esto se consigue utilizando una técnica denominada PECVD, en la que el silicio es depositado a partir de un gas portador (el silano) mediante reacciones químicas muy controladas en la cámara de un reactor. Los dos contactos metálicos de la célula, (el positivo y el negativo) se conectan en la parte posterior, al contrario que las células convencionales en donde estos se conectan uno en cada cara, y esto permite una interconexión entre las células muy sencilla y compacta evitando los grande espacios entre éstas, característicos de los paneles convencionales, donde las luz incidente se pierde, bajando el rendimiento final del panel solar.
Uno de los principales inconvenientes de éstas células es sus capacidad para absorber completamente los fotones de la luz incidente, ya que muchos de estos atraviesan la estructura sin transmitir su energía a los electrones del semiconductor, para resolver este problema, se incorpora en la parte posterior del panel una capa reflectora o espejo que devuelve los fotones hacia el interior de la célula y por lo tanto concediendoles una nueva oportunidad para ser absorbidos. Esto mismo también se aplica en el vidrio superior o frontal, dotandolo de una textura rugosa que le permite la luz no absorbida nuevamente reflejarse y volver al interior de la célula.
Los modulos CGS asi obtenidos logran una eficiencia de 7,2 %, y aunque son menores que las células de silicio convencionales (14 – 16 %) sus bajos costos de producción le permiten competir con éstos. Además en los laboratorios se han obtenido eficiencias del 9,8 % y se calcula en en poco menos de una década se podrán llegar a tener células solres de este tipo con una eficiencia del 15 %.

Células de banda intermedia

Las células de banda intermedia tienen la propiedad de que pueden aprovechar fotones con energía menor al gap del semiconductor, o sea, a la energía necesaria para realizar el salto del electrón de un novel de energía a otro superior en el átomo. Esto es posible porque un electrón puede absorber uno de estos fotones de menor energía y pasar a un estado de mayor energía al anterior, llamado banda intermedia, luego si otro foton incidente ler transmite la energía que le falta el electrón es liberado y pasa al nivel de energía necesario por el gap del conductor, generando entonces una corriente eléctrica. Mediante este mecanismo, es posible aprovechar fotones de baja energía, que se perderían en una célula convencional, para liberar electrones en dos pasos y generar corriente eléctrica.
El efecto de la banda intermedia fue descripto en 1997 por Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar de España (IES), y si bien se han propuesto diversas alternativas para realizar una célula solar con estas características, se destaca la de la utilización de puntos cuánticos, que son estructuras de uno pocos nanómetros (un nanómetro es un millón de veces mas chico que un milímetro) que tienen esta propiedad de confinar electrones.
Uno de los principales resultados en este campo a sido la fabricación de células con banda intermedia utilizando como material de partida al Arseniuro de Galio (GaAs), y añadiendo a la estructura de capas una matriz de puntos cuánticos de Arseniuro de Indio (InAs). Lo mas relevante de dicho trabajo es que se consiguió medir por primera vez una corriente eléctrica suministrada por una célula de banda intermedia iluminada con luz infrarroja, cuyos fotones de baja energía no pueden ser absorbidos por una célula convencional. Lo que constituye la primera demostración experimental concluyente del efecto de la banda intermedia y abre el camino a futuros desarrollos en este campo.

Células de aprovechamiento de los fotones de alta energía

Las células actuales tienen el inconveniente de no poder aprovechar el exceso de energía de la luz muy energética, como la de la radiación ultravioleta. En efecto un dispositivo solar se observa que cada fotón solo libera un electrón, aunque tenga energía suficiente para liberar varios electrones. El exceso de energía se pierde en forma de calor, que contribuye a degradar la eficiencia de la célula. Sin embargo, es posible aprovechar mejor estos fotones con la utilización de puntos cuánticos de un tamaño de solo 8 nanómetros, donde experiencias realizadas este año han logrado conseguir generar 7 electrones por cada fotón incidente de alta energía.
Ademas, las últimas investigaciones parecen confirmar que la generación multiple es posible en puntos cuánticos de diferentes materiales, y que, por lo tanto, esta propiedad esta fundamentada en las propiedades de los nanoelementos y no de los materiales utilizados concretamente.
Es importante destacar que a pesar de los grandes avances realizados en este contecto, todavía es muy difícil que se logren dispositivos comerciales en un corto plazo, ya que no es posible todavía fabricar células reales donde el efecto de banda intermedia o de generación múltiple produsca resultados significativos ni tampoco conseguirlos a precios competitivos, dada la necesidad de seguir profundizando la física que rige estos nuevos conceptos y de desarrollar nuevos materiales y tecnologías de fabricación.

Células multiunión

La multiunión del arseniuro de galio es otra clase de película fina de alta eficiencia diseñada normalmente para el uso industrial espacial. Se compone de capas de diversos materiales de película fina, que absorben un diverso espectro de la luz. Puede ser tan alto como el 40,7 % de eficiente, un número otars estas células solares pueden alcanzar solamente en condiciones de laboratorio y no en condiciones de fabricación, pero cuesta unos 40 dólares por centímetro cuadrado. Sin embargo estas células están siendo diseñadas para trabajar en dispositivos de concentración de hasta 1000 a 1 veces lo que permite vajar significativamente la cantidad dde células solares necesarias y por lo tanto el costo total del equipo. Estas células ya están en el mercado y permite vislumbrar una revolución de las grandes instalaciones fotovoltaicas a mediano plazo.

Tipos de instalaciones solares

Seguidor solar fotovoltaico para parque solares

Seguidor solar fotovoltaico Soltec modelo 10K5 para una potencia de 10 KW de paneles fotovoltaicos de silicio policristalinos. Este seguidor presenta ventajas en su resistencia al viento y en la velocidad del montaje respecto de los seguidores tradicionales de un solo poste.

Temas de interés

2012-02-18T20:06:00.000-03:00

Vidrios Fotovoltaicos

Paneles solares translúcidos de película delgada, Fabricados con silicio amorfo, su aplicación mas importante es en edificios o plantas industriales.

Obtener más información del producto en la página web del fabricante

Ver el catálogo del producto

Proyecto Watergy

Proyecto de investigación de invernáculos para ahorrar agua, reducir el uso de plaguicidas y regular el clima interior con energía solar.
Se puede obtener información en la direcciones de página Web:

Página web del proyecto Watergy

Artículo sobre el proyecto en el diario Andalucía investiga

Extracción de agua de la humedad del aire

Empresa Israelí que fabrica equipos para extraer agua de la humedad del aire para consumo humano o para su utilización en sistemas de riego.

Ver la página web de la empresa (En Inglés)

Chimeneas solares

España

Proyecto de construcción de una torre solar de 750 metros de altura, integrada a una producción de frutas bajo invernáculos. El proyecto es realizado en España.

Obtener mas información en la página web

Australia

Torre solar en construcción de 1000 metros de altura también integrada a una produccion agropecuaria bajo inevernaculos. Ver el video demostrativo de dicha instalación:

Aviónes a energía solar

Proyecto Solar Impulse:

Proyecto del suizo Bertrand Piccard quién dio por primera vez la vuelta al mundo en globo y que quiere ser también el primero en dar la vuelta al mundo en un avión a energía solar.

Página web del proyecto

Avión a energía solar e Hidrógeno "Hy-Bird"

El proyecto bautizado “Hy-Bird” y realizado por la empresa Lisa Airplanes de Francia tiene previsto realizar la vuelta al mundo en un avión eléctrico cuyos recursos se suministrarán por energía solar e hidrógeno. En efecto, células fotovoltaicas fijadas en las alas y el empenaje suministrarán la energía necesaria para el despegue y las alimentaciones auxiliares, mientras que la pila de combustible abastecerá al avión durante el vuelo. Un motor eléctrico, mucho más silencioso que los motores térmicos, propulsará al avión.

Página web de la empresa del proyecto

Barcos propulsados por energía solar

Catamarán solar Solar Planet:

Catamarán solar que intentará dar la vuelta al mundo utilizando solamente energía solar. El Solar Planet fue construído por el Suizo Raphal Domjan e intentará dar la vuelta al mundo pasando por el canal de Panamá y el Canal de Suez, recorrerá 40.000 Km a una velocidad promedio de 8 nudos, o sea 15 Km/h, y le insumirá unos 140 dias en dar la vuelta al mundo con las escalas previstas del viaje. El catamarán tiene 31 metros de largo, 15 de ancho pesa 60 Toneladas y lleva 13 toneladas de baterías eléctricas que le permitirán navegar por la noche y en dias nublados.

El catamarán se puede ver en el siguiente video:

La ruta del viaje que realizará el catamarán en la vuelta al mundo es:

La página web de la expedición donde se puede seguir en tiempo real el viaje con imagenes y videos del mismo es:

http://www.planetsolar.org

Catamarán solar Sun21:

Catamarán solar que cruzó el atlantico construido por la organización ecologista WWF/Adena. El Sun21 fue ideado para dar a conocer el potencial de la energía solar.

El barco y la ruta del viaje se pueden ver en las siguientes imagenes:

Link de la página web donde se puede ver el recorrido del viaje

Solar Sailor Holdings Ltd

Empresa Australiana que fabrica y comercializa barcos solares hibridos comereciales, recreacionales o para transoprtes de cargas. Utilizan motores hibridos para su propulsión con energía solar y con combustibles fósiles convencionales.

Página web del fabricante

Autos Solares

SolarTaxi

Auto propulsado por energía solar al mando del Suizo Louis Palmer de 35 años. El reto del piloto es recorrer 60.000 kilómetros por el mundo en 16 meses y demostrar que es posible utilizar energías alternativas para preservar los bosques y aminorar los efectos del cambio climático.
El automóvil salió de Lucerna y tras la etapa inicial en la capital alemana siguió su viaje hacia el este de Europa. Después se dirigirió a Asia, América del Norte y África, y regresó a Suiza a través de España, Gran Bretaña y Holanda.

Página web del proyecto

Moto Solar

Moto solar urbana de Sunred España

La empresa española Sunred especializada en el diseño, desarrollo y fabricación de prototipos y series cortas de vehículos deportivos ha conseguido una mención especial por el proyecto “Moto Solar Urbana” en la edición de los Premios a las Mejores Innovaciones Tecnológicas de la 34º edición del Salón Internacional del Automóvil de Barcelona.
La empresa diseñadora tiene previsto que esta moto este en el mercado en los próximos años.

Página web del proyecto de la empresa Sunred

Proyecto Better Place: Auto eléctrico Israelí

El proyecto del auto eléctrico Better Place que se va a implementar por primera vez en Israel es dirigido por el Californiano Shai Agassi y participa en el mismo la companía Francesa Renault Nissan que será la que aportará el vehiculo eléctrico, por el gobierrno de Israel que subencionará el proyecto con disminución de los impuetos de la comercialización del auto y instalará 4.ooo MW en centrales a energía solar de donde se sacará la energía que consumirán los autos eléctricos y además por la empresa Better Place que colocará 500.000 puntos de recarga de energía eléctrica para las baterías del auto como también centros donde se cambiarán las baterías en caso de que las mismas estén agotadas y se necesite continuar el viaje rapidamente ya que las baterías utilizadas por el auto eléctrico serán de Litio y tienen un tiempo de recarga de 1 hora mas o menos. Este proyecto también esta siendo analizado para su implementación o también en vias de implementación en paises como Dinamarca, Portugal y Australia.

Página web del proyecto

Video informativo del proyecto

Batería eléctrica de recarga rápida Toshiba SCiB

Batería eléctrica diseñada por Toshiba de Japon que tiene la característica de recargar el 90 % de su carga en 5 minutos y durar 5.000 ciclos de carga y descarga (mas de 15 años de duración con una recarga total diaria).

Ver la página web del fabricante

Mapas eólicos y de irradiación solar

Pagina Web del Centro Regional de Energía Eólica de la provincia de Chubut Argentina, en esta página se puede descargar el mapa eólico de dicha provincia entre otros programas.

Página web

Mapas de irradiación solar en la Argentina

Página de Instalaciones en edificios

Por el Ing. Nestor Quadri de Buenos Aires, Argentina, el cual ha escrito diversos libros sobre energía solar y de acondicionamiento de ambientes, entre otros.
En esta página WEB se propone la difusión de los sistemas de aire acondicionado, calefacción, electricidad, obras sanitarias y gas en los edificios, orientados a la necesidad del ahorro energético, el uso de las energías alternativas y la preservación del medio ambiente.

Ver la página web

Clasificación de las energías

2012-02-17T13:00:00.001-03:00

Clasificación de las energías según su estado natural

Calsificación de las energías según su fuente y su fin.

Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

Energia solar térmica

2012-02-16T12:32:00.000-03:00

Radiación Solar. Efecto invernadero.

El sol está compuesto en un 90% de hidrógeno, un 7% de helio y un 3% del resto de elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión por el que el hidrógeno solar se transforma en helio; esta energía se manifiesta primero en forma de rayos gamma, esta radiación gamma viaja hasta la superficie del sol interaccionando con la materia solar y transformandose en radiación ultravioleta (UV), radiación visible (V) y radiación infrarroja (IR). El sol emite al espacio exterior energía en forma de radiación electromagnetica. La radiación electromagnética es una forma de energía que no requiere medio material para desplazarse.
En el límite entre la atmósfera de la tierra y el espacio vacío la radiación solar es de 1.353 watios por metro cuadrado [W/m^2]. Este valor se llama constante solar, y supone un valor medio para toda la superficien que contiene a la atmósfera terrestre. Sin embargo la energía que llega a la superficie terrestre es menor debido a la interacción de los componentes de la atmósfera con la radiación solar. Primeramente la capa de ozono absorve radiación UV funcionando como una pantalla de radiaciones perjudiaciales para la vida terrestre. Tambien, parte de la radiación es reflejada de nuevo al espacio, y otra se atenúa en su choque con partículas y moléculas atmosféricas. Por término medio, en toda la superficie terrestre, la intensidad que llega es de unos 900 [W/m^2], de los que un 3% son UV, un 57% son V y un 40% IR.
La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene tres componentes, la directa, la difusa y la reflejada. La radiación directa es la que llega sin interaccionar con nada y sin cambiosde dirección; es la más importante en un día soleado. La radiación difusa es producto de los choques de la radiación directa con las partículas y los componentes atmosféricos; es la radiación típica de los días nublados. La radiación reflejada , también llamada albedo, es la que llega procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno; cerca del mar o en las zonas con nieve esta componente cobra una enorme importancia.

La mayoría de los sistemas de captación de la energía de la radiación solar se basan en el efecto invernadero. El efecto invernadero es el fenómeno físico basado en lo siguiente:
La radiación solar visible que atraviesa una superficie transparente o translúcida, se invierte en elevar la temperatura del elemento situado al otro lado de la misma. Cuando un cuerpo eleva su temperatura por encima de la temperatura de su entorno, emite calor en forma de radiación infrarroja IR. Los materiales transparentes a la radiación visible, vidrios o pláticos, son muy poco transparentes a la radiación infrarroja. Es por este motivo por lo que podemos construir una trampa de calor situando una superficie negra en el interior de una caja cerrada, de manera que una de sus caras esté cubierta por un cristal o plástico transparente a la radiaci´n visible. Ver siguiente figura.

Colectores Solares.

Se define colector solar a los dispositivos que absorben la radiación solar incidente sobre él y transfieren la energía a un fluido que circula a través del mismo.
Existe una gran variedad de colectores solares, dependiendo su elección de la aplicación a que se destinan, su eficiencia y el costo de los materiales que están fabricados.
Normalmente los colectores solares son clasificados según el grado de concentración de la energía solar captada. Para los colectores solares térmicos suele definirse el grado de concentración, en base a las caracteristicas geométricas de acuerdo a la relación siguiente:

I = Ac / Ar
Donde:
I: Índice o grado de concentración.
Ac: Área de captación del colector (m^2).
Ar: Área de recepción del colector (m^2).

Puede tambien definirse como la relación entre la intensidad del sol y la que se hace incidir sobre el receptor. De esa manera, en la práctica, teniendo en cuenta los índices de concentración, pueden clasificarse los clectores solares en dos grandes grupos:

Colectores planos (índice de concentracion I = 1)
Colectores de concentración ( índices I > 1)

Colectores plano para agua caliente

El colector plano consiste en la captación solar sobreun panel que presenta una superficie absorbente a las radiacionessolares. En el panel se caienta agua, aire u otro fluido utilizado como transportador de calor. El grado de concentración solar I en este caso es la unidad, dado que la superficie de captación y absorción es prácticamente la misma.
El colector plano para agua caliente es el colector más utilizado en la práctica, y se destina para la provisión de agua caliente para el consumo domiciliario o calefacción, consta de las siguientes partes (ver figura 1 y 2):

Cubierta transparente
Placa de fondo o lámina negra (de metal negro)
Tubos de metal (hierro galvanizado o cobre)
Colector de metal
Caja
Aislante térmico

En la figura 2 se muestra un corte del colector plano que está constituido por una caja de hierro galvanizado hermética, en cuya cara superior se encuentra una cubierta transparente de vidrio. En su interior contiene una chapa absorbente que está unida a las tuberías de hierro galvanizado o de cobre. La parte inferior está constituida por una capa aislante de lana de vidrio, mineral, u otros materiales; a fin de impedir la pérdida de calor hacia abajo.

Cubierta Transparente.

Su función es permitir el paso de los rayos solares que inciden sobre la placa del colector y al mismo tiempo producir el efecto invernadero. Es así que al elevarse la temperatura de la placa, ésta transmite su calor por contacto directo a los tubos conductores del agua, los que a su vez calientan el agua que contienen.
No todo el calor absorbido es utilizado, dado que la placa emite a su vez calor por radiación, al calentarse dentro de la banda infrarroja. Sin embargo, como la cubierta de vidrio no es transparente a este tipo de radiaiones, evita de esta manera que parte del calor atrapado vuelva a escapar a la atmósfera.

Placa de Fondo o Lámina Negra.

Es el elemento que recibe los rayos solares y permite aumentar la superficie de captación, pues el área neta de los tubos por los que circula el agua es insuficientepara lograr el calentamiento por efecto solar. De esa manera, se adosa a los caños dicha lámina, que lleva integrado un proceso de pintura o un tratamiento de ennegrecimiento, denominada "superficie selectiva".
La superficie o tratamiento selectivo tiene la propiedad de tener una alta absorcion a la energía emitida por el sol y una baja emisividad. Esta capa puede realizarse, por ejemplo, oxidando la superficie de la placa o la lámina, haciéndola opaca y negruzca. El material de la placa debe ser muy buen conductor del calor, pudiendose utilizar chapa negra o galvanizada, aluminio, cobre u otros materiales.

Tubos.

Por los tubos circula el agua, la cual se calienta por el contacto con la pared de los mismos, siendo muy importante que estén construidos por un material que sea buen conductor térmico, como por ejemplo hierro galvanizado o mejor cobre, bronce, latón, aluminio, u otro material.
Es fundamental que la superficie de contacto de estos tubos con la lámina de captación sa lo más eficiente posible, para una ejor transferencia del calor.

Aislante Térmico.

Este componente del colector sirve para evitar las fugas de calor por la parte inferior del mismo por conducción. El aislamiento utilizado debe ser adecuado para soportar altas temperaturas, pudiendo aplicarse fibras de vidrio, lana mineral, u tros aislantes.

Caja.

Consiste en el armazón que contiene los elementos integrantes del colector solar, protegiéndolos de las inclemencias del tiempo. Deben ser herméticas y estar construidos de modo que tengan una resistencia mecánica adecuada, pudiendo utilizarse, chapa de hierro galvanizado, aluminio, plastico, etc.
La hermeticidad del colector es un aspecto muy importante, dado los problemas que se han presentado en la práctica, como ser la acumulación de suciedad dentro del mismo, especialmente en la parte interior de la cubierta transparente.
Los colectores se fabrican en diversas medidas, siendo la mas usual de 2 X 1 Metros, y se colocan fijos sobre armaduras de sustentación. Según la necesidad ed calor requerido, puede ser necesaria la utilización de varios colectores los cuals se unen unos con otros hasta lograr la superficie de captación requerida.

Otros tipos de colectores solares planos para agua caliente.

En general los colectores planos descriptos anteriormente tienen una pérdida de calor importante dado que si bien el vidrio no deja escapar el calor en forma de radiación infrarroja, aumenta su temperatura por efecto del aire caliente por convección, transmitiendo el calor al exterior por conducción y convección, cuando la temperatura es más baja.
Estas pérdidas pueden ser importantes en climas fríos, por lo que en muchos casos se recurre a colocar 2 ó 3 vidrios para reducirlas.
Sin embargo, si bien se han introducido una serie de mejoras tendientes a aumentar la eficiencia térmica de los colectores planos, su aplicación está destinada a la producción de agua caliente para el consumo domiciliario o eventualmente a instalaciones de calefacción, que requieren temperaturas de trabajo menores a 70 u 80 ºC.

Cuando se necesitan temperaturas relativamente altas, por ejemplo 80 a 90 ºC, para aire acondicionado mediante ciclo de absorción, se emplean colectores del tipo planos pero tratados al vacío. De esta manera, se logra una mayor eficiencia debido a que al existir vacío como se indica en la figura, no se producen las corrientes convectivas indicadas en el caso anterior.
En el interior del tubo de vidrio circular tratado al vacío, se coloca el caño colector por el que circula agua que constituye el fluido portador del calor y una placa plana de absorción con revestimiento selectivo. En algunos modelos se utiliza más de un caño.
La radiación solar penetra por el tubo de vidrio y alcanza la placa colectora donde es absorvida y transformada en calor, aumentando la temperatura del agua que circula por los caños colectores, siendo conducida a una máquina de absorción para refrigeración en verano o a un dispositivo de calentamiento en invierno para calefacción.

Colectores de Concentración

En estos tipos de clectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una linea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.
El colector de concentración consta de tres partes básicas:

Reflector y/o lentes.
Substancia de absorción.
Estructura de alojamiento y soporte.

El índice de concentración varía según las características constructivas, desde valores muy pequeños del orden de 2 con sistemas concentradores muy simples, hasta valores de 1000 o más, en sistemas sofisticados. En general. Estos tipos de colectores suelen instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de gran precisión, demdiante servomecanismos.
Se pueden mencionar los siguientes colectores de concentración:

Colector lineal
Colector puntual

Colector Lineal

Un colector de concentración lneal está formado básicamente por un cilindro parabólico en forma de espejo y un tubo ubicado en el foco de la parábola, por el cual circula el fluido a calentar, como se indica en la primera de las siguientes figuras .

En la segunda figura se detalla la característica de montaje de una batería de colectores de concentración lineal. El índice de concentración varía de 15 a 50 y la temperatura que puede alcanzar el fluido se sitúa entre los 200 y 300 ºC, dependiendo de la configuración del sistema.
El eje de este colector se monta en la dirección este-oeste, pudiendo efectuarse un seguimiento de la altura solar mediante el movimiento de la superficie reflectora, o eventualmente mediante el desplazamiento del eje focal a través de un sistema de servomecanismo automático.
De esa manera, mediante la parábola reflectora, los rayos solares se concentran sobre la línea focal, calentando el fluido térmico que generalmente es aceite que circula por el interior del tubo.

Colector Puntual

El colector de concentración puntual, presenta un índice de concentración mucho mayor que las anteriores, alcanzando índices de concentración de más de 500. Este colector está basado en una superficie de revolución reflectora que concentra la radiación solar sobre un punto focal en la cual se encuentra una pequeña caldera formada por varios tubos concéntricos.

Por ellos circula el fluido térmico que generalmente es aceite especial, que alcanza temperaturas superiores a los 300 ºC. En la figura 3 se señalanlas caracteristicas de este tipo de colector, en forma esquemática. La operación correcta de est tipo de colectores depende en gran medida del estado de mantenimiento de las superficies reflñectoras y del mecanismo de rastreo, especialmente en zonas de alta contaminación atmosférica. Por esto, resulta más adecuado para regiones con cielos limpios y despejados, en donde la mayor parte de la radiación es directa.
Las elevadas temperaturas que pueden obtenerse permiten usar satisfactoriamente este tipo de colectores en sistemas solares de frío y climatización.

Posición del colector solar

Para obtener el mayor rendimiento del colector solar, es necesario que tenga una dirección que vaya siguiendo la trayectoria del sol durante el día. Sin embargo en la mayoria de las instalacione simples, la ubicación del colector es fija, por lo que debe dotarse a su emplazamiento de determinadas características que hacen a dos aspectos básicos:

Orientación
Inclinación

Orientación

La orientación óptima del colector es que su superficie de captación este dirigida hacia el norte (en el hemisferio sur), dado que permite aprovechar el mayor número de horas del sol, independientemente de la estación del año y de la latitud de emplazamiento.
En aquellos casos en que esa colocación no sea posible por condiciones constructivas como obstrucciones, sombras, etc. Debe orientarse tratando de asegurar el mayor número de horas de sol. Para ello debe buscarse no desviarse de la orientación norte mas de 20º

Inclinación del colector

La inclinación del colector es aquella que se asegura la mayor captación de energía solar, lo que depende de dos factores:

Latitud del lugar de emplazamiento.
Período de utilización durante el año.

El cálculo exacto es muy largo, por lo queen la práctica se recurre a establecer la inclinación del clector en función de las siguientes reglas, que permiten determinar con suficiente aproximadación, de acuerdo al período de uso:

Para el período de verano, eñ ángulo de inclinación debe ser igual a la latitud del lugar menos 20º.
Para el período de invierno, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar más 10º.
Para el uso del colector durante todo el año, la inclinación será igual a 0,9 de la latitud del lugar.

Por ejemplo, para la ciudad de Buenos Aires, con 35º de latitud sur, corresponden las siguientes inclinaciones, según los períodos de aplicación a que están destinados los colectores.

Verano: Para refrigeración solar: 35º - 20º = 15º
Invierno: Para procvisión de agua caliente de uso domiciliario o calefacción: 35º + 10º = 45º
Todo el año: 0,9 x 35º = 31,5º

En la siguiente figura se detalla lo indicado precedentemente.

Equipo integral de calentamiento de agua solar

A fin de reducir costos, espacios y simplificar notablemente el montaje, se fabrican equipos para producción de agua caliente integrales, en los que el tanque de acumulación viene directamente incorporado al colector. En estos sistemas la circulación es por termosifón, ubicándose el tanque de almacenamiento en la parte superior del equipo, tal como se muestra en la siguiente figura:

Estos equipos ya vienen, incluso, con una resistencia eléctrica de inmersión adicional para el caso de no contarse con el suministro de calor solar, en períodos excepcionales.

En la segunda figura se detalla la forma de montaje en el caso de instalarse sobre un techo de tejas con pendiente.

Captación de energía de distintos tipos de colectores solares durante el año

Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

Energía solar bioclimática.

2012-02-15T20:03:00.000-03:00

Concepto de arquitectura bioclimática

Se llama arquitectura bioclimática o pasiva a aquella que tiene en cuenta el clima en el que está inmersa, y utiliza estrategias clásicas o modernas para mantener en el interior de las edificaciones una condiciones de confort térmico y de luminosidad lo más libres posible de los avatares exteriores, sin el uso de tecnología o mecanismos complejos. Más restrictivamente, la arquitectura solar pasiva, o los elementos solares pasivos de la arquitectura, serían aquéllos en los que no intervienen energías convencionales en la función de adecuación y control de las condiciones de confort. De un modo amplio, la arquitectura bioclimatica también debe tener en cuenta el coste ecológico de los materiales que usa, la defensacontra la contaminación acústica y electromagnética, el uso de tecnologías renovables activas, y la implementación de sistemas de ahorro y recuèración de agua.
El concepto se basa en el empleo de un adecuado diseño de la edificación, asi como una apropiada utilización de materiales y sistemas constructivos. Para ello debe realizarse un estudio de muchos aspectos y factores climáticos como ser:

Latitud y altitud de la zona de emplazamiento.
Duración e intensidad de la redación solar.
Temperatura del aire exterior y su variabilidad.
Humedad relativa.
Precipitación pluvial.
Intensidad, frecuencia y dirección del viento.
Grado de nubosidad y frecuencia.

Las puatas de diseño para captar o evitar los factores climaticos según nuestra conveniencia puede hacerse aprovechando:

La orientación de la edificación y de las superficies expuestas.
La relación entre superficie exterior y volumen interior (factor de forma).
El color de los recubrimientos de superficie.
El tamaño, ubicación, orientación y tipo de las ventanas.
Los acristalamientos adosados tipo invernadero.
El tipo, colocación y uso de persianas y cortinas.
Los sistemas de penetración de luz y control lumínico.
El uso de sistemas de sombreo fijos o móviles: aleros, toldos, pérgolas, etc.
La distribución interior.
Los huecos o patios interiores.
La colocación y el tipo de vegetación en el exterior y en los patios.
El uso del agua en fuentes y estanques.
El espesor de los aislamientos y materiales de construcción de cerramientos
xteriores y su posición relativa.
El establecimiento de rejillas y huecos para el control de ventilación.
El diseño de la trama y elementos urbanos.
Los diseños especificos para captación de calor, refrigeración, ventilación iluminación, etc.

El 30 % de la energía consumida a nivel mundial se invierte en las edificaciones. Por ejemplo en España sólo con modificaciones en la legislación relativas a los aislamientos, a la introducción de factores de ganancia solar por orientación, y a la calidad energética de los edificios, se producirían ahorros superiores al 15 % sobre el total consumido en calefacción y refrigeración. Ecoetiquetas y certificaciones energéticas son actuaciones necesarias que debieran condicionar las ayudas publicas y privadas a la construcción de viviendas.

Estrategías para aclimatización de ambientes

Dos enfoques resolutivos, y no excluyentes, permiten mantener temperaturas más elevadas en el interior de las construcciones. Uno es la implantación de sistemas de penetración, captación y acumulación de la energía de la radiación solar. Técnicas clásicas y modernas nos permiten enfocar el problema de la captación de energía. A continuación se exponen algunas soluciones que hay que considerar como esquemas de actuacion a la hora del diseño de un edificio.
La siguiente figura muetra como son las trayectorias del sol durante el invierno y el verano, de acuerdo a esta caracteristica es la forma en que se proyectan los sistemas de calefacción en ivierno o ventilacion y refrescamiento en verano.

Variación de la altura del sol en verano e invierno

Sistema de calefacción en invierno

Sistema de captación solar aprovechando las alturas del sol

Se observa en la anterior figura cómo con la altura del sol y un adecuado aventanamiento se puede captar calor solar en invierno y proteger en el verano de su penetracion en el local.
La captación pasiva es una técnica simple y tiene un costo muy bajo, debido a que dotar a un edificio de estos sistemas supone una inversión adicional muy baja o incluso nula cuando se trata de proyectar con una orientación adecuada o ubicar convenientemente las superficies vidriadas. Por otra parte los materiales utilizados para esta tecnología son los convencionales en la industria de la construcción.

Sistemas indirectos de captación solar. Muro Trombe.

En estos casos la energía solar se capta y almacena en un elemento perimetral al ambiente, que tiene una importante masa térmica, cediéndose el calor con un cierto retardo por convección y radiación.
El método más conocido de captación indirecta es el muro Trombe. La energía solar pasa a través del vidrio y calienta el muro que puede ser de mampostería, hormigon o incluso agua.

Muro Trombe

El muro absorbe el calor y se calienta emitiendo a su vez calor por radiación, pero por efecto invernadero el mismo queda atrapado debido a que el vidrio no lo deja escapar.
El muro calienta el aire y éste por convección al estar a mayor temperatura se hace más liviano y asciende según se ve en la figura, produciéndose de esa manera una circulación permanente y constante del mismo en el local.
Por otra parte como el muro se calienta, transmite parte del calor por conducción al local, cediéndolo por convección y radiación, durante la noche, siendo conveniente cerrar la compuerta al aire.
El muro Trombe puede complementarse en la época de verano, cambiando la dirección del flujo de aire caliente y enviándolo hacia el exterior lograndose de esa manera una correcta ventilación del lugar.

En general el muro se construye en hormigon de 30 o 40 cm de espesor.

La experiencia práctica demuestra que para un muro de 35 cm de hormigón, si en invierno recibe una adecuada acción solar en el día, se obtiene una corriente de aire caliente que se mantiene prácticamente hasta la medianoche.

El local debe tener una adecuada aislación de modo poder mantener el calor sin demasiadas pérdidas. Si el local se encuentra muy bien aislado, puede adoptarse como norma práctica de diseño una superficie de muro colector en m2 igual a la décima parte del volumen del local a calentar en m3.

El almacenamiento térmico logrado por este método es sólo por corto plazo, como maximo un día, por lo que debe contarse siempre con una energía complementaria ya sea mediante otros sistemas captadores activos o eventualmente los equipos convencionales.

Sistema de ventilación y refrescamiento en verano

A veces la sensación de calor se debe al exceso de humedad en el ambiente. La ventilación con aire de renovación exterior contribuye a la disminución de la humedad relativa que causa la sensación de disconfort. La renovación del aire produce una sensación de refrigeración al aumentar la evaporación del cuerpo humano. Las aperturas se debe hacer de modo de favorecer la ventilación cruzada, siendo la apertura inferior en las paredes sur y las superiores en las paredes norte; Cuando hay un claro viento predominante las aperturas deben instalarse a barlovento y sotavento.
La cimenea solar como se muestra en la anterior figura crea un tiro natural que extrae el aire del interior de la vivienda. Esto se consigue creando un espacio acristalado en fachada o cubierta donde se produce el efecto invernadero.

Sistemas mixtos de calefacción y refrescamiento

En la figura se muestra un corte de un edificio que se climatiza mediante un techo de vidrio que actua como colector, utilizando un jardín de invierno para la calefacción. El lecho de piedra se utiliza para aumentar la inercia témrica entre las horas de captación de calor y la noche.
En verano el sistema funciona como ventilación utilizando para ello un tiraje natural, Para mejorar la circulación del aire en verano se puede adicionar un ventilador en la entrada inferior de la casa.

Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

Vidrios fotovoltaicos en invernaderos

2012-02-14T03:08:00.000-03:00

Células de silicio de lámina delgada para vidrios fotovoltaicos

El costo de las células fotovoltaicas depende de los tratamientos que requiere el material semiconductor de base, especialmente en producciones a gran escala, por lo que se presta gran interés al estudio y desarrollo de células más delgadas.
Las capas delgadas de silicio amorfo se caracterizan por la alta concentración de defectos.

El silicio cristalino es una estructura reticulada típica de un cristal, mientras que la estructura amorfa es muy irregular, aumentando con ello la posibilidad de absorción de luz debido a la mayor interacción de los fotones.
La estructura amorfa aumenta considerablemente la posibilidad de absorción de luz y de salto de un electrón hasta la banda de conducción.
Se utiliza como método de elaboración, la deposición de capas muy delgadas de silicio, sobre superficies de vidrio o metal.
De esa manera, pueden fabricarse en capa fina para semiconductores de 0,5 micrones frente a los 300 del silicio cristalino, por lo que tiende a reducirse los costos.
Tienen algunos inconvenientes sin embargo, como por ejemplo, se han detectado en algunos casos degradaciones en periodos largos y por otra parte son de difícil reproductividad.
Se están desarrollando otras aleaciones y nuevos materiales, que son más complicados química y estructuralmente, pero si se elaboran con una tecnología poco costosa a gran escala, pueden constituir un avance importante en el desarrollo de la tecnología fotovltaica.

Flores bajo un panel fotovoltaico de lámina delgada de silicio amorfo.

Como se puede ver en la figura anterior el panel fotovoltaico es translucido a ciertas longuitudes de ondas que no son absorvidas por el efecto fotovoltaico. Una transparencia exacta a los rayos que se necesitan en la fotosíntesis y el aprovechamiento de la energía de los restantes rayos solares para su conversión fotovoltaica puede ser muy útil en su aplicación conjunta para la producción de electricidad y agropecuaria en una misma superficie. La radiación solar que absorbe una planta corresponde a longitudes de onda entre 400 a 500 nm y 600 a 700 nm que corresponde aprox el 40 % de la energía solar irradiada, quedando cerca del 60% de la energía de la radiación solar sin usar por las mismas. Seguramente ésta aplicación es una opción productiva muy interesante a futuro.

Distribución espectral de la radiación solar

La radiación electromagnética que emite el sol, como muestra la figura mas abajo, es similar a la radiación electromagnética que emitiría un cuerpo negro en forma ideal a 6000 ºK. En la figura se puede apreciar el diagrama en color negro de la distribución espectral de dicha radiación, si bien, entre la superficie del sol donde se emiten los rayos solares y la superficie de la tierra no hay grandes absorvedores de dicha radiación la radiación que está en tropopausea terrestre, o sea, en el límite entre la atmosfera y la estratósfera donde gran parte de los rayos ultravioletas son absorvidos por la capa ozono de la estratósfera, la radiación solar en dicha superficie es como lo muetra el diagrama rojo de la figura, luego cuando la radición atraviesa la atmósfera una parte importante de dicha radiación (entre el 20 y 30%) es absorvida y reflejada por las partículas de humedad que forman la atmósfera no llegando totalmente a la superficie terrestre, sino, llega la radiación como lo demuestra el diagrama espectral en color celeste de la figura mencionada. En el diagrama también se pueden ver los límites correspondientes a la radiación ultravioleta, marcados como UV, la de la radiación visible, marcado como VIS, y de la radiación infrarroja, marcado como IR.
La energía solar que se irradia sobre la superficie terrestre corresponde a una energía de 1000 W/m2 aproximadamente para un dia de verano al mediodía, valor que se toma generalmente como valor pico o máximo de producción de los paneles solares.
También se puede ver en el diagrama que una parte importante de la radiación solar que llega hasta la tierra está compuesta por radiación infrarroja que es la radiación mas difícil de convertir a energía eléctrica ya que sus fotones tienen menos energía, siendo el límite termodinámico de conversión de la energía solar en energía eléctrica de aproximadamente el 95%, o sea, este sería el rendimiento máximo que podría tener un panel solar funcionando en la superficie terrestre y que coresponde a la radiación infrarroja de baja energía que no puede ser convertida a energía eléctrica.

Longuitudes de onda absorvidas por la fotosíntesis

Como dijimos las longitudes de onda aobsorvidas por la clorofila están entre los 400 a 500 nm y 600 a 700 nm y corresponden el 40 % de la energía solar que llega hasta la tierra aproximadamente, en el siguiente gráfico se puede ver el diagrama espectroscópico de absorción de luz de la clorofila donde muestra esta situación. Como se ve en el rango ultravioleta, verde e infrarrojo la clorofila no utiliza dichas longuitudes de onda para transformarla en energía química en la planta, por lo tanto, no es aprovechada por las mismas para su funcionamiento y puede ser utilizada por los vidrios fotovoltaicos para generar electricidad sin generar disminución en la producción agropecuaría que se realize bajo estos invernáculos, y así poder aprovechar la energía que no utiliza las plantas para convertirlas en energía eléctrica, lo que corresponde a un 55% de la energía solar que irradia sobre las plantas descontando de este valor el 5% que no se puede convertir en energía solar por el límite termodinámico de conversión de la energía solar fotovoltaica mencionado anteriormente.

Aprovechamiento del agua de evapotranspiración de las plantas en el invernáculo

Una forma de disminuir la necesidad de agua de riego en los invernaderos es aprovechar el agua de evapotranspiración de las plantas y volverlas a convertir en agua de riego, con lo que se podría disminuir de gran manera el agua consumida por el cultivo en su crecimiento, metodo que es utilizado cada vez mas en zonas áridas o semiáridas donde el agua de riego es difícil de obtener.
Para esto lo que se hace es utilizar un invernáculo hermético por el que no haya fugas de la humedad interior del invernáculo durante el dia y por la noche cuando la temperatura atmosférica baja, la humedad del interior del invernáculo se condensa y se convierte en agua que sirve para regar el cultivo al dia siguiente sin la necesidad de agregar grandes cantidades de agua para su posterior riego. Cabe destacar que la humedad que se mantiene en el interior del invernáculo en este caso también sirve para mantener la temperatura en el interior del invernadero durante la noche en regiones frías, ya que gran parte del calor que pierde el invernáculo es calor latente de evaporación del agua condensada.
Este método es muy interesante a futuro ya que si se utilizan vidrios fotovoltaicos para generar energía eléctrica en los invernaderos y así producir en una misma superficie energía eléctrica y productos agropecuarios, es muy fácil hacer que dicho invernadero también sea hermético y poder disminuir el agua de riego necesario en los cultivos de dichos invernaderos.
Una forma de lograr hermeticidad en los invernaderos es hacerlo en forma de pequeños túneles como muestran las siguientes figuras, ya que en este caso se puede sellar bien la cobertura del polietileno logrando una buena hermeticidad del interior del invernáculo la cual se va haciendo mas difícil de lograr hoy en dia cuando las dimensiones y las formas se hacen cada vez mas grandes.

Aviones a energía solar

2012-02-13T18:13:00.000-03:00

Aviones a energía solar ya construidos Tripulados

1) Solar Challenger

El Solar Challenger es la mejora del “Gossmer Penguin”, diseñado por la empresa Aero Vironment y patrocinado por la empresa Dupont Corporation de EE.UU.. Tenía una envergadura de 14.3 metros y un peso de 90 kg y 16.128 células fotovoltaicas que cubrieron los alas, con una potencia total de 2.600 Wats. El Solar Challenger era capaz de alcanzar una altitud de 3.660 m, y en julio de 1981 la aeronave fue el primer avión solar en recorrer la distancia 262 km desde París a Manston en el Reino Unido y cruzar el canal de la mancha solamente usando energía solar.
El éxito del Solar Challenger provocó un interés creciente en el gobierno de EE.UU. respecto del vuelo solar y la financiación en investigación de aviones teledirigidos a energía solar para vuelos largos y a gran altitud. Debido a esto, la empresa AeroVironment empezó con el proyecto de HALSOL, que era un avión solar para volar a gran altitud, y fue iniciado en junio 1983. HALSOL era un ala voladora simple, de 30 metros de envergadura. El ala principal estaba hecho de lo fibra de carbono y Kevlar cubierto por una película de plástico de Mylar fino que lo hacía claro y muy liviano. El desarrollo del HALSOL fue hecho en secreto y nueve vuelos de HALSOL tuvieron lugar en el verano de 1983 en la base aérea de Lago, en Nevada (donde también el legendario bombardero invisible de F-117 fue evaluado y entró en servicio el mismo año). Los vuelos del HALSOL fueron dirigidos usando control remoto y baterías, dado que la aeronave no había sido equipada con células solares todavía. La aerodinámica de HALSOL fue revalidada, pero las pruebas resultaron en la conclusión de que la tecnología fotovoltaica no estaba lo suficientemente madura en ese momento.

Mas información:

http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html

1) Sunseeker

El avión solar Sunseeker fue realizado piloto y campeón de planeadores Eric Raymond .
Después de diseñar y desarrollar sus propios planeadores, fue invitado a que pilotear la aeronave propulsada por la fuerza del hombre con pedales Musculair II diseñada y desarrollada por Gunther Rochelt.
Eric Raymond luego de volar la nave a energía muscular se dio cuenta de que con placas solares sobre los alas, podía tener más de diez veces la potencia que tenía con los pedales.

Con el estímulo de Klaus Savier y Gunther Rochelt, Eric desarrolló su concepto del avión solar. Los diseños previos tenían alas grandes, para captar grandes cantidades de energía. Pero Eric quería una aeronave más rápida así que diseñó alas más pequeñas, eficientes, y ligeras, pero dependía de baterías para suministrar energía en el momento de tomar altura y luego almacenaba energía cuando el avión quedaba planeando, las placas solares utilizadas pudieron suministrar la energía suficiente para mantener el vuelo a nivel.

Entre 1986 y 1990 construyó el avión solar al que llamó SUNSEEKER y durante el mes de agosto de 1990 lo pilotó desde California a Carolina del Norte en 21 días. Donde el tramo más largo recorrido por el avión fue de 400 km.

El "Sunseeker" pesa sin el piloto 89 kg y está fabricado con células de silicio amorfo. El sueño de Eric es volar alrededor del mundo con energía solar, lo cual prevée que es posible hacerlo aplicando la tecnología que ya está disponible.

Mas información:

http://www.solar-flight.com/

3) Icare II

El avión solar Icaré II es un proyecto del cuerpo docente de la Facultad de tecnología de viajes espaciales de la universidad de Stuttgart en Alemania. Él avión es movido por medio de la energía solar y es un avión que esta dentro de la categoría de los aviónes solares. Con este proyecto, algunos premios fueron ganados y quedó en uso para el futuro. El vuelo de demostración de la capacidad de funcionamiento del avión fue de 350 Km de recorrido.

El Proyecto

El cuerpo docente de la Facultad de tecnólogia de viajes espaciales de la universidad de Stuttgart presento este avión en la competencia de Berblinger en Alemania donde el objetivo de dicha competencia era desarrollar un avión que utilize para su vuelo horizontal exclusivamente energía solar fotovoltaica y un motor eléctrico. El proyecto patrocinado por Baden - Württemberg y la universidad Stuttgart, fue desarrollado en la facultad de tecnólogia de viajes espaciales y dirigido por el profesor Voit – Nitschmann. El 7 de julio de 1996 este avión gano dicho concurso por ser el mas eficiente del concurso. También colaboraron con dicho proyecto estudiantes que realizaron aproximadamente 45 estudios sobre el rendimiento y el diseño estructural del avión.

Icaré II

El Icaré II es un planeador de gran rendimiento adaptado a su funcionamiento con energía solar, conjuntamente con el vuelo con térmicas caracteristico de los planeadores. Esto demostró que el vuelo con motor y témicas es posible. El motor es un motor eléctrico de 1200 w y esta colocado en el timón del avión para aumentar su rendimiento, para el inicio del vuelo se utiliza una batería cuya capacidad de almacenaje de energía es de 915 Wh que es cargada por los mismos paneles solares del avión cuando éste no esta en funcionamiento. Con las baterías que se utilizó en el primer vuelo del avión solo se llegaba a una altura de 400 m, debido al peso de éstas, pero con la colocación de baterias de Li–polímero se logró alcanzar alturas de 1200 m sobre el nivel del mar. Las características mas sobresalientes del avión son su bajo peso y el viajar a una velocidad baja que hace recordar a los viejos vuelos.

Especificaciones técnicas

Envergadura 25 m
Superficie de las alas 25 m2
Superficie de célula solar = 20.6 m ² ( 82 %de la superficie del ala)
Peso vacío : 264 kg
Carga adicional máxima 80 kg
Velocidad máxima permisible = 120 km / h
Duración de vuelo máxima utilizando unicamente las baterías : 40 minutos,
Alcance de máximo utilizando unicamente las baterías: 33,6 km,
Capacidad de carga de la batería : 915 wh
Potencia máxima del motor 12000 W
Eficiencia del motor 92%

Mas información:

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/icare/icare.html

Aviones a energía solar ya construidos No Tripulados

1 ) Solong

AC Propulsión es una compañía de Alan Cocconi, y se dedica a la investigación, desarrollo y fabricación a pequeña escala de vehículos eléctricos. Desde 1991 la mayoría de los proyectos de la compañía han sido automovilísticos. El proyecto de este UAV Solong se basa en la demostración de la viabilidad de hacer un UAV (Vehículo aéreo no tripulado) que funcione con energía solar y que pueda mantenerse en vuelo perpetuo durante el día y la noche.

Aplicaciones

La gran duración de los vuelos que este avión eléctrico SoLong puede realizar le permite ser utilizado como plataforma de comunicaciones temporales o por grandes periodos de tiempo. Su tamaño regular, la propulsión eléctrica silenciosa y la utilización de fuentes de energía no contaminantes lo hace una alternativa práctica para otros UAV que ya se utilizan en otros fines. El esfuerzo de investigación y desarrollo están continuando hacia una reunión de datos de UAV completamente autónoma . La AC Propulsión es una compañía para clientes que no tengan aplicaciones militares.

Especificaciones técnicas

Envergadura 4.75m
Superficie de las alas: 1.50 m2
Peso: 12.8 kg
La baterías utilizadas son: 120 celdas de Li - Ion de Sanyo 18650
Las células solares utilizadas son: 76 Sunpower A300 solar
Potencia nominal de las células solares 225 W
Peso de la batería: 5.6 kg
Potencia máxima del motor: 800W
Minutos poder eléctricos para 95W de vuelo de nivel
Capacidad de almacenaje de energía de las baterías 1200 Wh
Alcance de control y telemetría: 8.000 m

Mas información:

http://www.acpropulsion.com/solong

3) Aviones desarrollados por la NASA Pathfinder, Pathfinder Plus, Centurión , y Helios

El programa de ERAST

El programa de tecnología (ERAST) es un programa para el uso de aviones como sensores ambientales de la administración espacial norteamericana. El programa de ERAST es una de las iniciativas de la administración espacial norteamericana diseñada para desarrollar nuevas tecnologías para continuar el liderazgo de EE.UU. en la industria espacial cada vez mas competitiva.
El enfoque principal de ERAST está sobre el desarrollo de aeronaves lentas que puedan operar y efectuar misiones de ciencia de larga duración en grandes altitudes, encima de los 20.000 m. Estas misiones pueden incluir muestras atmosféricas, la agrupación de las tormentas graves, el estudios de sobre la tierra, la obtención de imágenes espectrales para la observación de los cultivos, y servir de plataformas de telecomunicaciones.
Un esfuerzo paralelo al desarrollo de estas aeronaves es el desarrollando de sensores livianos y microminiaturizados para que puedan ser llevados por estos aviones. Las tecnologías adicionales consideradas por la alianza de ERAST de la administración espacial norteamericana incluyen materiales ligeros, aviónicas, la aerodinámica, y las otras formas de la propulsión apropiada para las altitudes extremas y para vuelos de larga duración.

Avión solar Pathfinder

Proviniendo del desarrollo del avión HALSOL en 1983 (posterior al Solar Challenger), el Pathfinder fue modificado con el agregado de las células solares actualizadas. Luego fue llevado a la base aérea de Dryden EE.UU. para nuevos vuelos de su etapa de desarrollo en el año 1995. El 11 de septiembre de 1995, el Pathfinder alcanzó una altitud de 15.400 m, estableciendo una nuevo registro de altitud para aeronaves solares.
Después de nuevas versiones actualizadas del avión en Dryden, a fines de 1996, el Pathfinder fue transferido a la base de misiles del Pacífico de la marina norteamericana en Barking Sands, Hawai. La isla de Hawai fue escogida como una ubicación óptima para evaluar el Pathfinder debido a los altos niveles de luz solar existentes en la zona, por el espacio aéreo y las frecuencias de radio disponibles y por la diversidad de los ecosistemas terrestres y costeros para validar aplicaciones de obtención de imágenes científicas.
En Hawai el Pathfinder realizó siete vuelos a gran altitud, uno de ellos llegó a una altitud que vatio el record del mundo para vuelos con aviones a hélice y para aviones solares y fue de 21.815 m.

Avión solar Pathfinder "Plus"

Durante 1998, el Pathfinder fue modificado a la configuración de Pathfinder Plus, y tenía una mayor envergadura de sus alas. El 6 de agosto de 1998, la aeronave modificada fue pilotada a una altitud de 24.460 m en el tercero de los vuelos de prueba durante el desarrollo de Pathfinder Plus sobre Hawai. El objetivo de los vuelos era revalidar el nuevo sistema de propulsión solar y la aerodinámica y la tecnología de los sistemas desarrollados para este Pathfinder Plus.

El cambio más perceptible es la instalación de una nueva sección del ala en su centro de 13,42 m de largo que incluye un plano aerodinámico de gran altitud. La nueva sección es dos veces mas larga que la sección del centro del Pathfinder original y incrementa la envergadura en conjunto del avión de 30 m a 36,9 m. La nueva sección del centro del ala es encabezada por células solares de silicio de mayor eficiencia desarrollada por SunPower Corp. Sunnyvale, California, que pueden transformar el 19 % de la energía solar que reciben por la energía eléctrica útil para el suministro a los motores eléctricos del avión. Eso si se compara con aproximadamente el 14 % de la eficiencia de las células solares anteriormente utilizadas que cubrían la mayor parte de la superficie de los paneles de ala del medio y de los exteriores del Pathfinder original. La potencia máxima fue aumentada de aproximadamente de 7.500 Watts en el Pathfinder a aproximadamente 12.500 Watts sobre Pathfinder Plus.
Además, el Pathfinder Plus tenía ocho motores eléctricos, dos más que la versión previa del Pathfinder original.

Avión solar Centurión

El Centurión, de la misma manera que sus predecesores inmediatos el Pathfinder y el Pathfinder Plus, es una aeronave de ala voladora pilotada por control remoto liviana y propulsada con energía solar en la que se utilizó para demostrar la tecnología de la aplicación de la energía solar para vuelos de larga duración y a gran altitud; y es considerado un avión de demostración de la tecnología y un prototipo para un futuro de aeronaves solares que podían quedarse en el aire por semanas o meses en el aire para realizar muestras científicas, misiones de obtención de imágenes o servir de plataformas de telecomunicaciones.
Aunque comparte gran parte de los conceptos de diseño del Pathfinder, el Centurión tiene una envergadura de 62,8 m, más de dos veces el ancho del Pathfinder y un 70 % más que el Pathfinder Plus. Al mismo tiempo, mantiene el cuerda del ala del Pathfinder, dando una proporción del ala de 26 a 1 en el ala del Centurión.

Los otros cambios visibles de su predecesor incluyen un plano aerodinámico del ala modificado diseñado para el vuelo a gran altitud. El ala flexible que fue fabricada principalmente de fibra de carbono y compuestos de epoxi, de grafito y de kevlar. El Centurión fue construido en cinco secciones, la sección del centro de 13,42 m de largo y las secciones del medio y las exteriores de 12,2 m de largo. Las cinco secciones tienen un grosor idéntico que es del 12 % de la cuerda del ala y que tenía aproximadamente 29,2 cm.
Las células solares que cubrirán la mayor parte de la superficie de ala superior proveían hasta 31 Kw de energía en el mediodía de un día de verano para el suministro de energía de los 14 motores eléctricos del avión, para los comandos del avión, para las comunicaciones y los demás sistemas electrónicos. El Centurión se movía a una velocidad relativa de vuelo de solamente 10 a 13 Km/h y también tenía un sistema de baterías de litio de alta densidad de energía almacenada que podía proveer de la energía necesaria para realizar un vuelo de 2 a 5 hs de duración después del anochecer. Los vuelos de prueba a poca altura iniciales en Dryden en 1998 se realizaban por la energía eléctrica suministrada por las baterías solamente, sin la instalación de las células solares.

Avión solar Helios

La empresa constructora de estos aviones AeroVironment preveé que el Helios es la aeronave solar final que puede brindar vuelos prácticamente eternos en la estratosfera. Se basa en las tecnologías desarrolladas por el Patfhainder y el Centurión pero añade un sistema de almacenamiento de energía para el vuelo continuo en la noche. Con un tamaño de un 25 a un 50 % más grande que Centurión, el avión Helios almacenará hasta el dos tercios de la energía solar recibida por las células solares durante el día en las baterías eléctricas le litio y usará esta energía guardada en mantener el vuelo a su altitud durante toda la noche. Como renovará su energía todos los días con el sol, el Helios tendrá un vuelo con un límite práctico de hasta quizás seis meses de duración durante el verano.

Mas información:

http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html

4) Zephyr

El Zephyr fue diseñado por la empresa privada de seguridad y defensa QinetiQ de Inglaterra. El avión sólo pesa 14 kilogramos, con alas de 12 metros de envergadura. Tiene el record de velocidad: 252 Km/h y puede volar durante meses alimentado con la energía solar en altitudes de hasta 40 mil metros.

El Zephyr es simplemente un versión aligerada de un proyecto que ya lleva mucho tiempo en su desarrollaro de un sistema de UAV barato capaz de realizar recolecciones de datos constante a altas altitudes del orden de los 30 km y además se puede utilizar como plataforma de telecomunicaciones sobre una franja de 300 Km.

Durante el mes de agosto de este 2007 en la base que Estados Unidos tiene en Arenas Blancas (Nuevo México), logro el record de permanencia de un avión en vuelo que fue de 54 horas. Si bien no es el primer avión a energía solar en lograr una permanencia de dos noches propulasdo con energía solar, sí el que más tiempo se ha mantenido en lo alto en vuelo continuo. En el 2005 el avión solar SoLong, de la firma estadounidense AC Propulsion, también fue capaz de volar durante dos noches, pero no mantuvo su maquinaria en marcha durante todo el trayecto, sino que tuvo que planear a intervalos.

Mas Información:

http://www.qinetiq.com/

2) Solitair

El Solitair es un UAV (Vehículo aéreo no tripulado) que funciona a energía solar diseñado para su funcionamiento en latitudes medias. Lo que caracteriza al Solitair (Avión solar eléctrico para vuelos largos a gran altitud) son sus alas gigantes, que tienen cinco metros y medio de largo y con placas solares graduables para una absorción de la radiación solar óptima de acuerdo a la latitud que se encuentre el avión. Fue diseñado por el DLR Instituto de Sistemas de Vuelo de Alemania en cooperación con la Universidad Técnica de Munich en Alemania y se desarrollo específicamente para realizar estudios diversos en las latitudes norteñas de Europa.

Mas información:

http://www.dlr.de/ft/desktopdefault.aspx/tabid-1388/1918_read-3385

Aviónes a hidrógeno

2012-02-12T18:01:00.000-03:00

Aviones a Hidrógeno ya construídos

1) Global Observer

Un avión que funciona con hidrógeno líquido ha realizado con éxito sus primeros vuelos de prueba según la empresa norteamericana AeroVironment. Se combinan hidrógeno líquido, almacenado a bordo, con oxígeno extraído del aire en células de combustible, y la hélice funciona con la electricidad generada mediante este proceso.
Según la empresa Aero Vironment, la aeronave Global Observer podrá funcionar a 20.000 m de altura por más de una semana con una carga útil de hidrógeno líquido de capacidad flexible de hasta 0,45 Kg.
El avión se llama Global Observer y funciona sin piloto. Tiene una fila de ocho hélices en su ala que se alimentan con el hidrógeno. El hecho que el avión transporta hidrógeno líquido a bordo significa que es imprescindible aislar el tanque donde este está almacenado. La empresa no ha ofrecido detalles sobre el diseño del tanque y tampoco sobre la naturaleza de las células de combustible que combinan hidrógeno por una parte y oxígeno por otra que extrae del cielo mientras está volando, pero con este avión, usando solamente dos equipos se pueden rotar una vez por semana cada uno, sin afectar una perfecta comunicación y transmisión de la misma a tierra.
AeroVironment espera poder comercializar aviones como Global Observar como una alternativa de plataformas de telecomunicaciones en vez de los satélites actuales. Además, los aviones que utilizan hidrógeno como fuente de energía reducirían el impacto de la aviación sobre cambios climáticos ya que las emisiones de gases de vuelos están creciendo más que las emisiones causados por otros sectores económicos. Nuevos avances en combustibles limpios, como el hidrógeno, podría ayudar a corregir esta tendencia.

Mas información:

http://www.aerovironment.com/UAS.asp

2) Avión a hidrógeno tripulado realizado por Boeing

El desarrollo de aeronaves impulsadas por energías renovables da muestra de una preocupación creciente por los efectos altamente contaminantes de los aviones actuales y un interés por la investigación y desarrollo de tecnologías aplicadas al transporte, que a la vez sean respetuosas con el entorno.
Una noticia publicada recientemente por parte de la empresa dice que Boeing hizo volar un avión impulsado únicamente por pilas de combustible de hidrógeno en este 2008.
El aparato, un motovelero Simona biplaza de 16,3 metros de envergadura, consiguió volar durante 20 minutos a una altura estable de 1.000 metros y a una velocidad de crucero de 100 kilómetros por hora. Para ello solo utilizó como fuente de potencia una pila de combustible de hidrógeno. Se utilizo un kilo de hidrógeno sometido a 350 atmósferas y para mantener el avión en vuelo se empleo entre 15 y 17 kW de potencia, la mitad de los 35 kW utilizados en el despegue y ascenso de la aeronave hasta la altitud de crucero”. El hidrógeno ha sido el “motor” del avión excepto en dos momentos. En el despegue y en el aterrizaje se optó porque una batería de ión Litio suministrara energía a un motor eléctrico acoplado a una hélice convencional.
Ahora Boeing procesa la información obtenida, datos que pueden ser útiles para comprender cómo se puede utilizar esta tecnología en las aeronaves. Las sensaciones de Cecilio Barberán, el piloto Español del primer avión que ha volado impulsado por una pila de combustible de hidrógeno son “Puedes volar exactamente igual con este combustible que hasta ahora no se había aplicado a la aviación y la sensación incluso es más placentera porque los niveles de ruido son más bajos y las características de la planta de potencia son muy buenas, su aplicación a la hélice es continua. Estoy convencido de que es el futuro de los motores de los aviones”.

Mas informnación

http://www.boeing.es/ViewContent.do?id=35603&Year=2008

Energía eólica: Características de los vientos y su potencial

2012-02-10T16:32:00.000-03:00

La atmósfera

La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la Tierra. Está constituida por una mezcla de gases, denominada aire, y contiene además particulas solidas y liquidas (aerosoles) en suspensión en cantidad y composición variable.
Comparado con el radio de la Tierra, el espesor de la atmósfera es muy pequeño. Alrededor del 99% de la masa de la atmósfera está comprendida en los primeros 30 Km de altura ( un 0,5 % del radio terrestre).
Los gases que forman la atmósfera pueden dividirse en dos grupos:
Gases permanentes: Cuya prporción se mantiene prácticamente constante hasta alturas de unos 80-100 Km. Son el nitrógeno, el oxigeno, los gases nobles y el hidrógeno.
Gases en proporciones variables: son el dióxido de carbono, el vapor de agua y el ozono.

Estructura vertical de la atmósfera

Convencionalmente la atmósfera se divide verticalmente en diferentes capas de acuerdo a como varía el gradiente de temperatura del aire. Se pueden distinguir tres grandes zonas:

Homosfera o baja atmósfera

Se extiende desde el suelo hasta una altura de 80 a 100 Km. En ella la composición del aire es prácticamente constante. Se subdivide en:
Troposfera: Es la parte inferior de la atmósfera y en ella se edsarrollan los fenomenos meteorológicos. Contiene aproximadamente el 80 % de la masa de la atmosférica. La temperatura disminuye con la altura según un gradiente medio de 6,5 ºC/Km. La parte superiorde esta región se denomina tropopausa. Su altura es muy variable ( de 6 a 8 Km en los polos y de unos 16 a 18 Km en el ecuador).
Estratosfera: En esta zona la temperatura crece con la altura (inversión térmica), lo que se traduce en una gran estabilidad pues los movimientos verticales se ven frenados por esta inversión de temperatura. Los principals intercambios energéticos son de tipo radioactivo, y es en esta capa donde tiene lugar la absorción de la radiación ultravioleta por el ozono (la mayor parte comprendida entre 8 y 30 Km de altura). El límite superior de la estratosfera se denomina estratopausa y se sitúa hacia unos 50 Km de altura.
Mesosfera: En esta capa vuelve a disminuir la temperatura con la altura hasta unos 80 a 90 Km de altura donde la temperatura alcanza sus valores menores (alrededor de –90 ºC) en la mesopausa.

Heterosfera

Se inicia a una altura de 90 a 100 Km. Atmósfera muy enrarecida de baja densidad y composición variable debido a las reacciones químicas y a la difusión de los gases por efecto de la gravedad. La hetersfera comprende:
Termosfera: La temperatura vuelve a aumentar con la altura, alcanzando valores entre 500 y 2000 ºK en su parte superior, según el nivel de actividad solar. El aire está muy enrarecido y las partículas apenas chocan entre sí. El limite superior de la termosfera es la termopausa cuya altura varía entre 200 y 500 Km, según la actividad solar.
Metasfera: Para alturas superiores a los 500 Km la termosfera recibe el nombre de magnetosfera, ya que el movimiento de las partículas viene condicionado por el campo magnético terrestre.

Exosfera

Constituye la zona más remota ed la atmósfera. El gas está muy enrarecido, con muy baja densidad. Las partículas están ionizadas. El conjunto formado por la heterosfera y la exosfera se conoce como alta atmósfera.

Estructura vertical de la atmosfera terrestre

Perfil vertical de temperatura de la atmósfera estándar

Circulación del aire en la atmosfera

El movimiento del aire en la atmósfera se realiza fundamentalmente en la troposfera y sobre el mismo influyen los siguientes factores:
La radiación solar, mayor en la zona ecuatorial que en los polos.
La rotación de la tierra, que produce el efecto ed Coriolisis, desviando la dirección de los vientos hacía la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el sur.
La acción sobre las masas de aire de las diferencias de presión atmosférica, distintos tipos de superficies terrestres (continentes y mares) y la orografía.
El aire tiende a ascender en las regiones ecuatoriales debido a su calentamiento por la radiación solar, en una franja denominada zona de convergencia intertropical.
En el ecuador, a nivel de la superficie llega aire más fresco procedente de los trópicos (vientos alisios). En latitudes medias, los vientos son básicamente del oeste pero con tendencia hacia las zonas polares.
Para un valor de la latitud próximo a 50º se produce una separación entre el aire tropical cálido y el aire polar frío, formándose un frente polar, que presenta muchas ondulaciones dando lugar a depresiones frontales. En zonas polares, el aire frío tiende a desplazarse a latitudes más bajas.
En las sigiuientes figuras se muestran los esquemas de circulación general atmósfrica. En la segunda figura, en el interior de la circunsferencia se representan esquemáticamente los campos de prsión y de viento, y en la parte izquierda se muestra la circulación en un plano meridiano.

Circulación general de la atmósfera

Esquema de la circulación general de la atmosferica

En cada hemisferio se pueden distinguir tres grandes núcleos o regiones: tropical, templado y polar.
Los núcleos tropicales a ambos lados del ecuador están separados por una zona de calmas y bajas presiones ecuatoriales con vienbtos prácticamente nulos (zona de "calma chicha").
Los núcleos templados están separados de los tropicales por zonas de altas presiones subtropicales situadas hacia los 30º de latitud. Estas zonas son de calma y de muy escasas pesipitaciones, encontrandose en ellas los desiertos más importantes (Sahara, Arabia, Gobi en el hemisferio norte y Kalahari y Australia en el sur).
La s zonas templadas presentan vientos dominantes del oeste y su circulación más irregular que en las zonas tropicales. En estas regiones entran frecuentemente masas de aire de origen tropical o polar dando lugar a sucesivos frentes cálidos y fríos con frecuente aparición de formaciones nubosas y precipitaciones.
Finalmente, en las zonas polares se presentan generalmente altas presionesy escasas precipitaciones. Desde ellas se origina un flujo, aproximadamente de dirección este, hacia la zona de bajas presiones situada en latitudes próximas a los 60º.
Por todo ello, la circulación general atmósferica establece a escala del globo terrestre, un conjunto de direcciones de viento dominantes según se indica en la siguiente tabla.

Direcciones de viento dominantes a escala del globo terrestre

El viento

El viento es el movimiento del aire respecto a la superficie terrestre. Este movimiento es fundamentalmente horizontal. La velocidad y dirección del viento es el resultado de la accción de las siguientes fuerzas:
Fuerza debida al gradiente horizontal de presión: esta fuerza va dirigida desde las isobaras de alta presión a las de baja presión, representando una dirección pependicular a las mismas.

Fuerza debida a la rotación de la tierra (fuerza de Coriolisis): debida al movimiento de rotación del globo terrestre de oeste a este, la trayectoria de una masa de aire en movimiento sufre una desviación hacia la derecha en el hemisferio norte (en sentido contrario en el hemisferio sur).
Fuerza centrífuga debida a la curvatura de las isobaras: eta fuerza actúa según la dirección del radio de curvatura de la tryectoria, en sentido opuesto al centro de curvatura de la misma.
Fuerza debida al rozamiento: interviene en las capas bajas de la atmósfera próximas a la superficie terrestre. Depende de factores tan diversos tales como el tipo de superficie o la orografía de la misma.

Según el tipo de fuerzas considerado se distinguen los siguientes tipos de vientos:

Viento geostrófico. Es el viento resultante de la acción conjunta de las fuerzas debidas al gradiente de presión y de Coriolisis. Este tipo de viento es paralelo a las isobaras, en general puede decirse que es tanto mayor cuanto más próximas estén las isobaras (mayor gradiente de presión) y para un mismo gradiente de presión disminuye cuando aumenta la latitud.
Viento de gradiente. Es el resultante de la combinación de las fuerzas debidas al gradiente de presión, de Coriolisis y de la centrífuga.

El viento de gradiente es una buena aproximación al viento real en aquellas condiciones en las que la fuerza de rozamiento es despreciable. Esta situación se da en las capas que no están próximas a la superficie terrestre, ya que la rugosidad de la misma introducevariaciones relativamene importantes en el movimiento del aire.
Los vientos geostróficos y los de gradiente predicen y describen bastante bien las condiciones de viento reales por encima de unos 1000 m de altura sobre el nivel del suelo. A alturas menores, por ejemplo de unos 100 m, el viento de superficie está muy influenciado por dos factores: la rugosidad de la superficie terrestre y los obstáculos. Para aplicaciones de energía eólica, nos interesa conocer los vientos de superficie, ya que de ellos se extrae la energía mecánica para el accionamiento de los aerogeneradores.

Vientos originados por fenómenos particulares: vientos locales.

Existen condiciones climáticas locales que originan un tipo de vientos que se apartan de las leyes generales expuestas anteriormente para los vientos globales a gran escala. Ebtre ellos cabe citar:

Brisas de mar y brisas de tierra

Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar, dado que el calor especifico del suelo es menor que el del agua. Por consiguiente, se produce una corriente de aire ascndente créandose una depresión que provoca la circulación del aire de mar a tierra (brisa marina).
Durante la noche, el fenomeno se invierte y el viento sopla de tierra a mar (brisa terrestre). Durante el anocheser y el amanecer acostumbran a aparecer periodos de calma. Los periodos de calma se observan en las proximidades de las costas alcanzando el aire un recorrido máximo de alrededor de unos 20 Km. La velocidad del viento no acostumbra a sobrepasar los 18 Km/h, aunque las condiciones orográficas locales pueden en algunos casos aumentar o disminuir los valores de la velocidad del viento de brisa. En general, las brisas de tierra son más débiles que las de mar.

Proceso de formación de las brisas de mar y de tierra

Brisas de valle y de montaña (vientos anabáticos y catabáticos)

En una montaña, al anochecer, el aire en contacto con el terreno más elevado de la montaña se enfría más rápidamente que el aire situado sobre el valle, por lo que tiende a descender hacia el valle siguiendo la ladera. Es el denominado viento catabático, generalmente de carácter suave.
Durante el día, y por efecto de la radiación solar, el proceso se invierte y es el viento en contacto con el terreno situado en la proximidad de los valles, el que tiende a ascender por la ladera (viento anabático).
Este tipo de vientos también se conoce con el nombre de vientos de cañon o brisas de montaña. Ver siguiente figura:

Proceso de formación de vientos anabáticos y catabáticos

Foehn

Cuando el aire remonta la pendiente de una cadena de montañas, sufre una expansión y en consecuencia un enfriamiento. Si la altura es elevada, su disinución de temperatura puede ser notable y en consecuencia se produce condensación de la humedad edl mismo en forma de nieblas, lluvias o incluso nieve.
Al descender por la ladera opuesta hacia los valles situados a sotavento, se produce un calentamiento, con lo cual al llegar al fondo del valle el aire es cálido y seco. Este fenómeno se produce siempre que una cadena montañosa es franqueada por masas de aire húmedo y es característico de algunos valles alpinos de3 donde recibe su nombre. En otras cadenas montañosas, tales como Los Andes o Los Pirineos, se producen situaciones parecidas. La siguiente figura muestra su proceso de formación.

Proceso de formación del viento Foehn

Escala de Beaufort de intensidad del viento

Escala Beaufort de intensidades de viento

Velocidad del viento

La velocidad del viento v es un amgnitud vectorial. Dadas la caracteristicas del viento, el vector velocidad varía continuamente de forma aleatoria tanto en módulo como en dirección y sentido. El instrumento de medida de velociadd es el anometro y el de dirección la veleta, estos miden miden los valores con una cierta frecuencia de muestreo (poe ej. Cada 1 o 2 segundos) y los promedian para intervalos de algunos minutos (en general 10 minutos). Asi, el valor quense obtiene representa las características medias del viento instantáneo durante este periodo de tiempo. Por ello es usual caracterizar el viento por un vector velocidad media (algunas veces denominado viento medio o estacionario) al que se pueden superponer variaciones aleatorias.
El vector velocidad tiene tres componentes según el triedro cartesiano; pero en aplicaciones de la energía eólica, sólo se consideran las componentes de velocidad en el plano horizontal. Por esto, el viento se caracteriza por medio de dos valores: el modulo de la componente de la velocidad en el plano horizontal y la dirección de donde sopla.
La velocidad se expresa generalmente en metros por segundos [m/s], y la dirección se puede indicar de varias formas, todas ellas basadas en diferenes divisiones del horizonte circular de 360º, pero siempre indicando la dirección de donde proviene el viento. Pudiendose indicar 8, 10, 12 o 16 divisiones respectivamente y la dirección del viento se expresa generalmente en grados.

Variaciones de la velocidad del viento

Se distinguen las siguientes variaciones de la velocidad del viento:

Variaciones estacionales

En muchas áreas geograficas, los vientos globales sufren diversas variaciones estacionales derivadas de la distinta acción de la radiación solar, posición de anticiclones, borrascas, etc. De hecho, se pueden detectar tendencias más o menos acentuadas de variaciones cíclicas en función de las estaciones del año.

Variaciones diarias

Los efectos de calentamiento o enfriamiento diurno o nocturno, la proximidad del mar, o las condiciones orográficas producen en muchas zonas variaciones de carácter cíclico en el viento. Por ejemplo, las brisas de costas o de montañas.

Variaciones en periodos muy cortos: ráfagas

En cortos periodos de tiempo, el viento puede sufrir notables variaciones tanto en velocidad como en dirección. La definición de ráfaga depende, por una parte, de la velocidad instantanea del viento respecto al viento medio y, por otra, de la duración de la propia ráfaga.
Cuando la velociadad instantánea sobrepasa en unos 5 a 8 m/s al valor del viento medio, se habla de ráfagas, de 8 a 15 m/s de fuertes ráfagas y de ráfagas violentas si la velocidad instantánea sobrepasa al viento medio en 15 m/s.

Formas de presentación de los datos del viento: velocidad y dirección

Dpendiendo del método de medición y el posterior tratamiento de las medidas, en la práctica se pueden encontrar varias formas de presentación de los datos del viento.

Representaciones gráficas

La representación grafica mas usada es la denominada rosa de los vientos. Consiste en un diagrama polar en el cual se definen para diferentes direcciones o rumbos distintivos valores relacionados con la velocidad del viento. El numero de rumbos, cuyos vaores principales se hacen corresponder con los puntos cardinales, acostumbra a ser 8, 12 o 16. El porcentaje de calmas se indivca en el centro del diagrama.

Se pueden establecer diversos tipos de rosas de los vientos:

Porcentaje del tiempo total que el viento sopla procedente de una determinada dirección. Ver siguiente figura:

Porcentaje de tiempo total que el viento proecde de una determinada dirección. Rosa de frecuencias porcentuales (Valores anuales)

En la siguiente figura se muestra otra forma de representar la rosa de los vientos para diferentes valores. En este caso se utilizan 8 rumbos. Ver siguiente figura:

Rosa de los vientos de 8 rumbos

Para los estudios de aprovechamiento de la energía eólica se deben considerar las velocidades horarias del viento, obtenidas como promedio de un conjunto histórico de varios años. (Se consideran resultados suficientemente representativos a partir de series historicas de periodos superiores a 30 años, y se recomienda usar series que como minimo comprendadn periods de 5 a 10 años).
Cuando se procede a la representación gráfica, se tienen curvas de frecuencias de la velocidad del viento como muestra la siguientes figuras:

Curva de frecuencias de la velocidad horaria del viento

Curva de duración de la velociadad
(el punto P nos indica que ha habido durante el año 2000 horas en las que la velocidad del viento ha sido superior a 9,2 m/s)

Distribución de la velocidad del viento

Es importante disponer de una función que permita determinar cuantitativamente la distribución de velocidades del viento a lo largo de un periodo de tiempo (por ej, un año) . Se ha comprobado experimentalmente que la velocodad del viento sigue aproximadamente una densidad de probabilidad similar a la de la siguiente fugura

Función densidad de probabilidad para la velocidad del viento a lo largo de un periodo de tiempo (por ejemplo un año). En linea continua, valores reales y en discontinua, el ajuste a una distribución de Weibull

Y que se ajusta bastante bien a una distribución de la función de densidad de probabiliadad real como se muestra enb el histograma real anual de las velocidadeds del viento. Ver siguiente figura:

Ejemplo de histograma de velocidades del viento para un periodo anual
(8760 horas)

La función de densidad de probabilidad p(v) correspondiente a la ley de Weibull es del tipo de dos parámetros (k, c) y viene dada por la expresión:

p(v) = k/c * (v/c)^(k-1) * e^-((v/c)^k)

Donde:
v es la velocidad del viento (m/s)
p(v) es la función densidad de probabilidad de Weibull
c es el factor de escala (m/s), valor proximo a la velocidad media
k factor de forma que caracteriza la asimetría a sesgo de la función de probabilidad.

La mayoria de los lugares en los que se dan las condiciones adecuadas para la explotación de la energía eólica presentan en general distribuciones de velocidad que son próximas a distribuciones de Weibull con parámetro de froma k=2. En casos de zonas proximas a la costas de mar o de emplazamientos en el mar, la distribución de vientos se aproxima mejor a distribuciones con valores más elevados de k, por ej, k=3. Estos valores son sólo orientativos debiendose determinar para cada caso particular. (Ver capitulo 3.3 Métodos para la determinación de los parámetros de Weibull. del libro "Energía eólica", Autor: Miguel Villarrubia", Editorial: CEAC)

Variacion de la velocidad del viento con la altura. Rugosidad del terreno.

En las capas próximas al suelo, la velocidad del viento siminuye, dicha variación o gradiente de velocidad con respecto a la altura depende escencialmente de la rugosidad del terreno. Superficies lisas como espejos de agua, terrenos llanos sin arbolado o llanuras nevadas producen un gradiente suave, al contrario que superficies con gran rugosidad como edificaciones urbanas, terrenos muy irregulares o superficies boscosas. Esto se puede apreciar en la siguiente figura:

Distintos perfiles verticales de la velocidad del viento para diferentes clases de rugosidad del terreno

Se define al parametro longuitud de rugosidad como la altura respecto al nivel del suelo expresadaen metros, donde la velocidad del viento es nula. Y en función de este valor se puede clasificar el terreno en clases de rugosidad. La siguiente tabla muestra la clasificación de los terrenos en función de la lonnngitud de rugosidad, la tabla tambien incluye el índice de energía que permite estimar la pérdida potencial de energía disponible en función de las caracteristicas del terreno.

Influencia del relieve del terreno sobre la velocidad del viento

El relieve del terreno influye sobre la velocidad del viento. Las elevacionesdel terreno, tales como montañas, colinas y acantilados. Estos pueden ocasionar un aumento de velocidad (aceleración) si el perfil es de forma y pendiente suave o pueden disminuir la velocidad (frenado) si se trata de fuertes pendientes, crestas o bordes agudos. En la siguiente figura se muestran los efectos de los distintos tipos de relieve:

Modificación del perfil vertical de la velocidad del viento por efecto de la orografía del terreno

Influencia de los obstaculos en la velocidad del viento

Los obstaculos tales como edificios, arbolados, o accidentes del terreno, provocan en general dos efectos desfavorables: una disminución de la velocidad del viento y un aumento de las turbulencias. En la proyección de una instalación de una central eólica se tienen en cuenta los obstaculos en el radio de un kilometro, fundamentalmente en la dirección predominante del viento. En la 1º figura se muestra el efecto de un obstáculo de forma no aerodinámica sobre el flujo del viento, y el efecto que produce sobre el perfil vertical de las velocidades del viento. En la figura 2 se muestra de forma orientativa el alcance de las perturbaciones y turbulencias originadas por edificios y arbolado. Las zonas de turbulencia puede alcanzar hasta una altura de alrededor de 3 veces la del obstáculo. Estas turbulencias son más acusadas en la parte posterior del obstáculo (sotavento) que en la parte anterior (barlovento).

Efecto de un obstáculo sobre el perfil vertical de la velocidad del viento

Zonas de perturbación y turbulencia originadas por edificios y arbolado

Potencia eólica disponible: potencial eólico

Una masa de aire m con velocidad v posee una energía cinética Ec que viende dada por:

Ec = ½ . m . v^2

El caudal másico de aire (m) de densidad (p) que fluye a través de una superficie de área (A) perpendicular a la dirección del flujo que viene dado por la ecuación de la mecánica de los fluidos:

M = p . A . v

La potencia disponible (Pd) asociada al caudal de aire que atraviesa dicha sección es:

Pd = ½ . m . v^2 = ½ . p . A . v^3

La potencia eólica disponible es la máxima potencia que podríamos extraer al viento si pudiésemos convertir toda su energía cinética en energía útil. En la practica por limitaciones de distinta índole (limite de Betz, rozamientos aerodinámicos y mecánicos, rendimiento del genrador eléctrico, etc.) sólo permite aprovechar en el mejor de los casos un 40% de la potencia eólica disponible.
Se define la densidad de poencia o potencia por unidad de área (Pd/A) según:

Pd / A = 1/2 . p . v^3

En la siguiente figura se muestra la densidad de potencia eólica disponible (Pd/A), calculada para la densidad de aire estándar (p = 1,225 Kg/m^3), para una temperatura igual a 15 ºC y presión atmósferica normal igual a 1013 mbar.

Potencia eólica disponible por unidad de área expuesta perpendicularmente a la dirección del viento (densidad de potencia eólica disponible) en función de la velocidad. Obsérvese el efecto del cubo de la velocidad

Evaluación de los recursos energético eólicos

Para identificar y caracterizar las áreas geográficas en relación a su potencial eólico, se procede a la elaboración de mapas de recursoso eólicos, asignando a cada área un número de clase de acuerdo a la velocidad media anual del viento (v) y a la densidad eólica disponible (Pd/A), ambas referidas a una altura sobre el nivel del suelo. De esta forma se establecen los mapas eólicos que acostumbran a presentarse de dos formas:
Identificando cada región por un número de clase de acurdo a su vlocidad media anual y a su densidad media anual de potencia eólica disponible.
Mediante un mapa de isolíneas que acostumbran a ser de dos tipos: de velocidad media anual y de densidad media anual de potencia eólica disponible. Ver siguientes figuras:

Mapa eólico correspondiente a la España peninsular (incluidas Baleares). La velocidad media anual (m/s) corresponde a mediciones a 10 metros de altura sobre el suelo

Potenciales eólicos (w/m^2) en la Peninsula Ibérica
(los valores solo tienen un carácter orientativo)

Para la evaluación de los recursos energéticos y elaboración de mapas de potencial eólico, se requiere el cálculo de la densidad media anual de potencia eólica disponible. El proceso de cálculo se realiza en función de los datos disponibles. Se pueden presentar varias situaciones como el caso en que se disponga de los valores horarios o trihorarios de la velocidad del viento o si se dispone sólo de la velocidad media anual.

Potencia aprovechada máxima teórica. Límite de Betz

Existe un límite superior para la potencia aprovechada, según el cual ningún generador puede extraer del viento una potencia superior a la fijada por este límite. Se establece a través del teorema de Betz, aunque este teoremase demuestra para máquinas de eje horizontal (tipo hélice), sus conclusiones son aplicables a las de eje vertical.

Flujo de aire circulando a través del área (A) barrida por el rotor de una hélice

Consideremos el flujo de aire indicado en la figura anterior que atraviesa un área A barrida por un rotor. Dado que las variaciones de presión y temperatura son pequeñas, supondremos que el aire se comporta como un fluido incompresible (densidad constante) por lo que la ecuación de continuidad se expresa:

V1 . A1 = v . A = v2 . A2

Aplicando el principio de la conservación de la cantidad de movimiento, la fuerza F que el fluido de caudal masico m realiza sobre el rotor viene dada por:

F = m . (v1 – v2) = p . A . v . (v1 – v2)

La potencia (pa) que el flujo de aire transfiere al rotor de la máquina es el producto de la fuerza por la velocidad (Pa = F . v). Combinando las expresiones anteriores y considerando: v = 0,5 . (v1 + v2) se obtiene:

Pa = ¼ . p . A . (v1 + v2) . (v1^2 – v2^2)

La condición de máxima potencia se presenta para una velociadad: v2 = 1/3 . v1

Sustituyendo este valor de la velocidad en la expresión anterior se obtiene la potencia máxima que teóricamente puede ser aprovecghada en un flujo de viento de velocidad v1 y es:

Pa,max = 16/27 Pd = 0,593 . Pd

La expresión anterior constituye el límite de Betz, según el cual la potencia máxima que puede aprovecharse en un flujo de viento es tan solo un 59,3 % de la potencia disponible en el mismo. En la práctica este límite superior nunca se alcanza pudiendo llegar a valores sólo algo superiores a 0,4 en el mejor de los casos.

Fuente consultada: Libro: "Energía Eólica", Autor: Miguel Villarrubia, Editorial: Ediciones CEAC, 2004.

Energía eólica: Tipos de generadores eólicos y sus aplicaciones

2012-02-09T22:35:00.000-03:00

Generadores eólicos de eje hotrizontal

Son los más utilizados y de mayor potencia. Básicamente se distinguen tres tipos:

Molinos de viento convencionales

Son los clasicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histórico pero sin prestar servicio. Ver siguiente figura:

Esquema de un clásico molino de viento orientado por una eólica

Sus características principales son:

Longuitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El material del que se construían es de madera.
Velocidad de rotación: variable entre 10 y 40 rpm, en función de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud.
La orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un brazo orientable o bien por medio de una pequeña eólica auxiliar que actuaba en forma de veleta de orientación.

Aerogeneradores lentos

Es un generador con un elevado número de palas. Generalmente su sistema de orientación es mediante un timón-veleta que hace que el plano de la hélice se sitúe siempre perpendicular a la dirección del viento. Ver la siguiente figura:

Esquema de un aerogenerador lento (18 palas) adecuado para el accionamiento directo de una bomba hidráulica para la extracción de agua de pozo

Sus características fundamentales son:

Número de palas elevado, entre 12 y 24.
Diámetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.
Se adaptan muy bien a vientos de pequeña velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre 2 y 3 m/s.
Potencias pequeñas debido básicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y 7 m/s) y tienen un diametro limitado por el peso del rotor debido al elevado número de palas.
Su campo de aplicación fundamentalmente se centraen las instalaciones de extracción y bombeo de agua.
Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeños valores de velocidad especifica.

Aerogeneradores rápidos

En este tipo de aerogeneradores el número de palas es pequeño. Su ventaja respecto a las eólicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser más ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, así como situar el buje o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el efecto de aumento ed la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen eólicas con diámetros de rotor que alcanzan los 90 m y con una potencia nominal de 3 MW, lo que da una idea del área de barrido del rotor.

Las características principales son:

Reducido número de palas, entre 1 y 4, aunque los más usados son de 3 palas.
Máquinas más ligeras que las eólicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamaño.
Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las eólicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor.
Alcanzan su potencia nominal para velocidadeds del viento entre 12 y 15 m/s. A partir de velocidades del orden de 25 a 30 m/s se produce la parada del rotor para evitar daños sobre la máquina.
En los aerogeneradores rápidos, el valor máximo del coeficiente de potencia se sitúa en el entorno de Cp=0,4.

Se utilizan para la generación de energía eléctrica, pudiendo ser en sistemas aislados o conectados a la red. Los generadores utilizados en sistemas aislados generalmente son más pequeños (de 3 a 50 KW) que los que se conectan a la red eléctrica (de 250 a 3000 KW). Ver siguientes figuras:

Aerogenerador de eje horizontal tripala

Número de palas

Diferentes tipos de rotores de aerogeneradores de eje horizontal

Rotores monopala: Permite una mayor velicidad de rotación, reducción de masas y costes de material, en las palas, en la caja multiplicadora y en elegenerador. Tienen el inconveniente de necesitar un equilibrado muy preciso con un contrapeso de compensación, y existe un mayor riesgo de desequilibrio aerodinámico y vibraciones con la aparición de cargas de fatiga. Tambien aumenta la generación de ruidos. Del orden del doble que un rotor tripala.

Rotores bipala: Reduce el coste de material y equipos respecto del rotor tripala, pero presenta tambien la desventaja respécto a éste ultimo de un mayor nivel de esfuerzos dinámicos. De forma similar a rotor monopala se producen esfuerzos mecánicos originados por la variación del perfil de la velocidad del viento con la altura. Ademas estos rotores presentan respecto a los tripalas un mayor nivel de vibraciones y de ruido.

Rotores tripala: presentan como prrincipal ventaja la de un giro más suave y uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, por lo que se mniminiza la inducción de esfuerzos sobre la estructura. Ademas gira a menor velocidad que los rotores mono y bipala, disminuyendose los esfuerzos de la fuerza centrífuga, el nivel de vibraciones y la producción de ruido. En la actualidad el rotor tripala es la configuración más usada en turbinas eólicas rápidas dedicadas a la generación de electricidad.

Disposición del rotor con relación al viento

Tipos de disposición de un rotor de un aerogenerador de eje horizontal con relación al viento

Rotor a barlovento: el viento incide primro sobre el palmo del rotor y posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimiza el efecto de sombra sobre el rotor, y la paracición de vibraciones y esfuerzos de fatiga sobre las palas del rotor. Este tipo de disposición requiere un rotor más rígido y más alejado de la torre a fin de evitar interferencias entre lo álabes del rotor y la torre debido a la flexión de los mismo por el esfuerzo de empuje del viento.
Este rotor, a diferencia del rotor a sotavento, necesita un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento.

Rotor a sotavento: No requieren ningún tipo de dispositivo de orientación. Su desventaja radica en los efectos de sombra de la góndola y de la torre sobre las palas del rotor con la consiguiente pérdida de potencia y aumento de tensiones de fatiga, además, se pueden producir enrrollos en el cable conductor que transporta la energía producida por el generador situado en la góndola que gira libremente.

Ventaja de los aerogeneradores rápidos frente a los lentos

Son mucho más ligeros y económicos a igualdad de diámetros, por lo cual se contruyen con grandes diámetros (40 a 90 m) y con rotores situados a elevadas alturas (hasta unos 100 m). Disponiendose de generadores eólicos de gran potencia (0,5 a 3 MW). Ya que se pueden construir rotores que barran áreas elevadas y beneficiarse con el aumento de velocidad del viento con la altura.
Resisten mejor los esfuerzos provocados por las ráfagas de viento.
Al tener menor número de palas es mas fácil incorporar mecanismos que permitan el giro de las mismas alrededor de la torre para lograr regular la potencia de generación o proteger el rotor en caso de vientos muy fuertes.
El empuje axial debido a la acción del viento sobre el rotor parado es menor en las eólicas rápidas que cuando está girando, no sucediendo esto en las lentas.
Al girar más rápidas, el tamaño y coste de la caja muliplicadora que acciona el generador eléctrico se reduce. En los grandes aerogeneradores la velocidad de rotación está en el rango de 15 a 50 rpm siendo la velocidad de la punta de la pala no mayor a 65 – 75 m/s.

Frente a las ventajas citadas, la eólicas rápidas tienen el inconveniente de presentar un par o momento de arranque mucho menor que las eólicas lentas.

En la siguiente figura se muestra el aspecto general de un gran aerogenerador tripala.

Esquema de un aerogenerador de gran potencia

Generador Eólico modelo V90 del fabricante Vestas de 3 MW de potencia, una altura máxima del eje del rotor de 105 metros y un diametro del rotor de 90 metros. En este video se pueden apreciar los componentes y las principales características de este generador.

Generadores eólicos de eje vertical

Se han realizado numerosos prototipos y experiencias con diferentes eólicas de eje vertical, pero por razones técnicas y económicas su implantación en la práctica es muy limitada, por lo que la mayoría de generadores eólicos son de eje horizontal.
El rotor de las eólicas de eje vertical básicamente suele ser de los siguientes tipos:

Rotor de arrastre diferencial, sin o con pantalla (Savonius).
Rotor de variación cíclica de incidencia (Darrieus).

Eólica de rotor de arrastre diferencial: rotor Savonius

Este rotor se basa en la diferente fuerza aerodinámica que ejerce un flujo de aire sobre objetos de distinta forma.
Si se concibe un rotor formado por un conjunto de álabes en forma de cazoletas semiesféricas o semicilíndricas colocadas en la forma que se indica en la siguiente figura, la acción del viento origina fuerzas distintas en las partes cóncava y convexa de estas cazoletas, lo que da lugar a un par que provoca el giro del rotor. Debido a que la fuerza que origina el par es la diferencia entre los álabes o paletas del rotor, este tipo de máquina recibe el nombre de arrastre diferencial.

Acción del viento sobre un rotor de arrastre diferencial

Generador de eje vertical con deflectores que impiden la fuerza de contrapresión del viento sobre los alabes del rotor

Para eliminar el efecto nocivo de la fuerza F´que actúa sobre el álabe o cazoleta inferior (que se mueve en sentido opuesto a la velocidad del viento), se puede incorporar al rotor una pantalla orientable por medio de un timón-veleta, junto con un sistema de deflectores adecuado que facilite la canalización del flujo de aire sobre las palas activas, según se muestra en la siguiente figura. La mejora que experimenta el equipo cuando se apantalla el rotor es importante.

Rotor de arrastre diferencial provisto con una pantalla giratoria que impide la acción del viento sobre los álabes situados en la parte inferior de la figura

Prototipo de un generador eólico de eje vertical con placas deflectoras en el frente del aerogenerador para direccionar el aire hacia las paletas de empuje de la turbina y evitar la fuerza de contrapresión sobre el resto de las paletas del generador.

Eólica de rotor de variación cíclica de incidencia: rotor Darrieus

El rotor está formado por un conjunto de álabes, unidos entre si, que pueden girar alrededor de un eje vertical y cuya sección recta tiene forma de un perfil aerodinámico. Ver siguiente figura.

Aerogeneradores de eje vertical

Las palas o álabes están arqueadas con una forma parecida a la que forma una cuerda que gira alrededor de un eje. Los álabes son biconvexos y la superficie descripta por los mismos puede tener diversas formas: esférica, parabólica, cilindrica, etc. El giro del rotor está provocado por la cción aerodinámica del viento sobre los álabes, que origina fuerzas aeródinamicas que dan lugar al par de rotación.
El par de arranque de un rotor Darrieus es muy pequeño, y en la práctica requiere un arranque auxiliar. En algunos prototipos se combina un rotor Savonius para facilitar el arranque del primero. La principal ventaja que representa el rotor Savonius frente al Darrieus es la sencillez de su construcción y mejores valores para el par de arranque a bajas velocidades. Puede decirse que el rotor Savonius sólo es útil para pequeñas potencias y aplicaciones muy limitadas como el bombeo de agua de pozos.

Comparación entre generadores de eje horizontal y de eje vertical

Las principales ventajas de las eólicas de eje horizontal frente a las de eje vertical son:

Los de eje horizontal tienen un coeficiente de potencia (Cp) mayor.
Las eólicas rápidas de eje horizontal presentan una velocidad de giro mayor que las de eje vertical, por lo que son más adecuadas para el accionamiento de generadores eléctricos que giran a 1000 o 1500 rpm.
La eólicas de eje horizontal permiten barrer mayores superficies que las de eje vertical, por lo que alcanzan potencias mucho mayores.
Las de eje horizontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento con la altura respecto del suelo. La configuración de las de eje vertical impide alcanzar alturas elevadas y por lo tanto no pueden aprovechar este efecto.

En cambio, las eólicas de eje vertical presentan las siguientes ventajas frente a las de eje horizontal:

Dada su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento, como ocurre en las de eje horizontal.
Su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo.
Cuando la eólica trabaja en una aplicación que requiere velocidad constante, no es necesario incorporar ningún mecanismo de cambio de paso.
Las eólicas de eje horizontal son las más usadas en la práctica. Las eólicas de eje vertical se utilizan basicamente para investigación.

Montaje de generadores Eólicos

Parques Eólicos

Parque Eólicos construidos por el fabricante Vestas al rededor del mundo, en este video se puede apreciar el tamaño y dispocición de los mismos.

Fuente consultada: Libro: "Energía Eólica", Autor: Miguel Villarrubia, Editorial: Ediciones CEAC, 2004.

Biocombustibles

2012-02-08T19:29:00.000-03:00

Origen y concepto de la biomasa

Las plantas aprovechan la radiación solar para su metabolismo; y lo hacen mediante la fotosíntesis, que es un proceso mediante el que éstas transforman la energía solar en energía química. El proceso fotosintético está comprometido por un complejo entramado de reacciones fotoquímicas y bioquímicas que ocurren en un órgano celular llamado mitocondria, la cual es la verdadera fábrica de energía que sostiene la vida. Cuando hablamos de energía química nos referimos a la implicada en la formación o la rotura e enlaces entre átomos que forman las moléculas. La energía química se almacena en forma de moléculas orgánicas (con el carbono como principal componente estructural). La ecuación general de la fotosíntesis es:

bCO2 -> Azúcares

cNO3 -> Ácidos grasos

aH2O + -> Energía solar -> + a/2 O2

dSO4 -> Aminoácidos

ePO4 -> Nucleólitos

La glucosa es la molécula orgánica, con fines de almácen energético, fabricada por las plantas en la fotosíntesis. La glucosa, que es un azúcar de 6 carbonos, es, por decirlo así, el combustible sintetizado en primer lugar; posteriormente los monómeros de la glucosa se polimerizan formando macromoléculas llamadas polisacáridos. El almidón en los vegetales (formado por unas 3.000 unidades de glucosa por molécula) y el glucógeno en los animales (de 12 a 18 unidades) son los polisacáridos que constituyen las reservas de energía de la vida vegetal y animal.
La fotosíntesis en las plantas consta de dos fases: una fase luminosa y una fase oscura. Durante la fase luminosa la energía electromagnética de la radiación solar se emplea en promocionar a un estado excitado (más energético) los electrones de las moléculas de la clorofila, éstas moléculas entregan dichos electrones a una serie de aceptores quedando cargadas positivamente y obteniendo de nuevo a los electrones mediante la rotura de las moléculas de agua H2O, estas moléculas quedan como una molécula aceptora final a la que se le llama NADP+ (nicotín adenín dicucleótico fosfato), y a la cual se le une luego el otro átomo de hidrógeno del agua, pasando estar en su estado reducido o NADPH. La energía de excitación del electrón se emplea en sintetizar, a partir de ADP (adenosín difosfato), un compuesto de alto contenido energético que es el ATP (adenosín trifosfato), con la concurrencia de fosfato inorgánico, Pi.
La fase luminosa se resume así:

H2O + NADP + 3/2 ADP + 3/2 Pi -> Radiación Solar -> NADPH + 3/2 ATP + H + ½ O2

En la fase oscura se sintetiza la materia orgánica con la incorporación al la materia vegetal de CO2 y en mucha menor escala de otros elementos integrantes de las proteínas y del los nucleótidos como el azufre y el nitrógeno. En esta fase se emplean las moléculas reductoras y las moléculas energéticas formadas en la fase luminosa, NADPH y ATP respectivamente. La reacción representativa de la fase oscura es:

6CO2 + 12NADPH + 12H + 18ATP + 12H2O -> C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18Pi

Esta sintesís consume del orden de 4,4 Kwh por Kg de glucosa C6H12O6. La eficiencia de la fotosíntesis es de un 5%, esto quiere decir que se necesitan 88 Kwh solares para fabricar éste kilogramo de glucosa. En condiciones reales de crecimiento de las plantas en general el rendimiento final de la fotosíntesis es de un 0,3%. Algunas plantas son algo más eficientes porque utilizan durante la fase oscura líneas de síntesis de la glucosa diferentes, como la caña de azucar, el maiz y el sorgo, entre otras.
El proceso fotosintético hace crecer la biomasa vegetal, que se encuentra en la base de la pirámide trófica, siendo el alimento necesario de los animales para su crecimiento, de este modo se desarrolla la biomasa animal, que durante su metabolismo y al final de su ciclo de vida produce residuos (estiercol) que son también aprovechables energéticamente. La biomasa residual es todo desecho de materia orgánica proveniente de los seres vivos, éstos residuos orgánicos a menudo se consideran un subproducto, y pueden llegar a cobrar un valor muy importante en los procesos productivos.
Pero no toda la biomasa que nos interesa tiene que ser residual. Podemos cultivar plantas productoras de aceite, de hidrocarburos o de azúcares fermentables, con el fin de obtener “biocombustibles”, son los llamados “cultivos energéticos”. Según su procedencia y sin entrar en una sistematización pormenorizada, podemos clasificar la biomasa en:

Ganadera.
Agrícola.
Forestal.
Urbana.
Industrial.

La biomasa tiene múltiples utilidades, pero desde un punto de vista del aprovechamiento de la energía contenida en el eenlace químico del carbono, hay que realizar siempre una combustión. La combustión de la biomasa sólida puede realizarse directamente en un hogar, o bien, mediante tratamientos físicos, químicos y biológicos intermedios podemos obtener combustibles líquidos o gaseosos y éstos pueden ser quemados tanto en las calderas como en motores de combustión interna donde podemos extraer calor y trabajo mecánico. Éste trabajo lo podemos emplear para hacer funcionar máquinas y vehículos o para generar electricidad en grupos electrógenos o en turbinas eléctricas, el calor de las combustiones puede usarse además en proceso industriales, en el acondicionamiento del hábitat humano, animal o vegetal, o para la generación de electricidad.
Los procesos primarios para el aprovechamiento energético de la biomasa son:

La combustión en calderas.
La combustión en sólidos.

Y como procesos secundarios tenemos:

1) El calentamiento de agua, aceites térmicos y otros fluidos, como caloportadores, para:

Calefacción.
Procesos industriales.

2) La generación de vapor para:

Procesos industriales
Generar electricidad en turbinas de vapor.

3) La generación de electricidad en:

Turbinas de gas.
Turbinas de vapor.
Turbinas de ciclo combinado que serán descritas en el apartado de cogeneración.

4) La cogeneración para producir electricidad y calor.
5) La trigeneración para obtener electricidad y calor (con alguna de las tecnologías ya mencionadas), y producir frío con sistemas de refrigeración por absorción.

La obtención o adecuación para el uso de los combustibles procedentes de la biomasa, ya sea residual o no, requiere, casi siempre, tratamientos físicos, químicos o biológicos, y entre éstos están:

El secado para eliminar la humedad.
La combustión incompleta para producir carbón vegetal.
La extracción de aceites biocombustibles de plantas oleaginosas.
La extracción de hidrocarburos de plantas productoras.
La fermentación alcohólica.
La producción de biogás.
La gasificación para obtener gas pobre (CO, H2, N2), o gas de síntesis (CO, H2).
La pirólisis para obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Las características estructurales y bioquímicas según la procedencia de cada tipo de biomasa y el análisis de las necesidades de nuestros procesos industriales o domésticos, condicionana cuáles pueden ser las tecnologías para un aprovechamiento óptimo, siempre teniendo en cuenta la realización de una evaluación de impacto ambiental si lo hubiere. En el proceso de aprovechamiento energético aparecen también subproductos con valor añadido, como el caso de la producción de compost utilizando el residuo sólido de la fermentación alcohólica o la digestión anaerobia. En general se trata de no consumir más biomasa de la que se regenera como residuo o como producto de la intervención humana, y no retirar del medio la biomasa necesaria para mantener los nutrientes y las características estructurales de los suelos, ya sean naturales o generados por la acción agrícola humana.

Los cultivos energéticos

El establecimiento de plantaciones con fines energéticos puede considerarse un procedimiento renovable, ya que en los procesos de combustión se devuelve a la atmósfera sólo aquel CO2 que las propias plantas han retirado de la misma para su crecimiento. Evidentemente, esto no es óbice para evaluar previamente el impacto ambiental sobre el ecosistema y sobre la socioeconomía de la zona al cambiar las especies de cultivo, por otro lado, la descconcentración y diversificación a la concentración y al monocultivo. Los cultivos energéticos pueden ser una alternativa económica, pues, en determinadas regiones, debido a razones macroeconómicas de carácter mundial, se están produciendo, o se van a producir excedentes de cultivos tradicionales. Quizás el uso de las tierras plantando especies para su aprovechamiento bioenergético produzca el triple beneficio de mantener la rentabilidad económica, minorar la dependencia de combustibles externos y contribuir a la disminución de las emisiones netas de CO2” a la atmósfera.

El ciclo de los biocombustibles. Al quemarse se devuelve a la atmósfera el CO2 retirado de la misma por las plantas en su crecimiento.

Se consiera que las plantaciones energéticas son todas aquellas cuyo fin principal es obtener combustibles sólidos, liquidos o gaseosos, aunque es más habitual hablar de plantaciones energéticas cuando se pretende obtener biocombustibles líquidos. Esto es así porque los biocombustibles sólidos suelen ser producto de la limpieza, de la poda o tala forestal, y de arranque, destallado, desbroce o poda de cultivos agícolas arbóreos y herbáceos. La silvicultura ha sido un método tradicional de explotación de los recursoso del bosque, mediante el que, además de otros productos comercializables, podemos extraer los residuos forestales y los productos de podas y talas controladas para su explotación energética, así obtenemos madera directamente para quemar o para la fabricación de carbón vegetal en hornos industriales (en las tradicionales parvas) o la producción de pellets forestales para su posterior combustión. La consideración de renovable de la tecnología de aprovechamiento energético de selvas y bosques, sólo puede darse si la biomasa obtenida y consumida es tal que se regenera a la misma velocidad con la que se extrae, y se extrae en la cantidad que no afecta a la estructura y composición de los suelos. Las lineas de investigación, y los actuales desarrollos tecnológicos se van encaminado principalmente al establecimiento de métodos de cultivo de especies, y de técnicas extractivas de la que podamos obtener los llamados biocombustibles líquidos. Ya hemos dicho que se llama biocombustible a todo aquel combustible líquido extraído o fabricado a partir de productos agrícolas, sin embargo, también puede aplicarse a gases y sólidos elaborados a partir de cultivos energéticos y sometidos posteriormente a proceos como la digestión anaerobia para obtención de biogás, la pirólisis para obtención de carbón vegetal y la gasificación para obtener el gas de síntesis y gas pobre, o como hemos visto la compactación de biomasa sólida para obtener los ya vsistos pellets. Entre los biocombustibles líquidos más estudiados y que podrían ser sustitutos de los provenientes del petróleo, o mezclarse con ellos, tenemos:

Los bioalcoholes producidos por fermentación alcohólica de los azúcares de plantas ricas en estos.
Los bioaceites extraidos de las oleaginosas.
Los hidrocarburos de plantas productoras de:

Létex.
Caucho.
Gutapercha.

En el balance global es necesario comprobar que la energía extraída sea mayor que la consumida en todo el proceso de cultivo más la necesaria para las manipulaciones anteriores y posteriores al mismo, incluyendo la fabricación y costo de fertilizantes, agroquímicos, agua, etc. Dependiendo de la composición bioquímica de la especie vegetal de que se trate, la tecnología a aplicar irá encaminada a la extracción de aceites combustibles (grasas vegetales), fabricación de etanol (Alcoholes), extracción de hidrocarburos (sesquiterpenos, polisoprenoides), etc. La obtención de aceites e hidrocarburos vegetales consta, a grandes rasgos, de varias etapas. La primera es la recolección, bien de toda la planta, o del tejido u órgano a tratar. A continuación puede hacerse una limpieza previa para proceder al transporte hasta la fábrica. Entre las primeras operaciones de proceso están la acogida, el almacenado, el lavado, la conservación, la molienda, o el batido, para disminuir el tamaño o para obtener un primer extracto líquido y un sólido separable por centrifugado, decantación o filtración. Tanto la fase líquida como la sólida pueden tener interés energético. De la fase sólida podemos extraer y separar los aceites o hidrocarburos aplicando técnicas de extracción y separación de fases con disolventes orgánicos. Cada tipo de materia prima, en función de su composición en grasas e hidrocarburos requiere un diseño del proceso extractivo donde se aplican técnicas fisicoquímicas de disolución, extracción, decantación, separación de fases, etc. La materia orgánica una vez triturada se mezcla íntimamente en un reactor con un disolvente orgánico que una vez usado para la extracción se separa por destilación y se reutiliza. Los disolventes utilizados para la extracción pueden ser hexano, heptano, acetona, benceno, éter, metanol, etc. A modo de apunte y sin tecnisismos afronómicos ni botánicos, algunas plantas productoras de hidrocarburos y de aceites combustibles son: el nabo forrajero, el crotón, la calabaza, el calabacín, el cardo, la palmera de aceite, la cauchera, el guayule, la jojoba, etc. Entre las plantas con alto contenido de azúcares y productos fermentables están: la remolacha forrajera y azucarera, la pataca, la patata, el boniato, el tallo de maiz, el tallo del sorgo, la algarroba, la mandioca, la caña de azúcar y la chumbera, entre otros.

Bioalcohol

El etanol que se consume hoy día en el mundo proviene principalmente de la industria del petróleo y del gas natural, aunque una parte importante se obtiene por fermementación alcohólica de bagazos de fábricas azucareras, y en general de materia vegetal rica en hidratos de carbono. La producción va destinada como materia prima de otras manufacturas de la industria química y farmacéutica, entre otras. El etileno es un monómero precursor de plásticos como el polietileno y el polietileno reticulado que puede obtenerse con facilidad a partir del etanol. Pero además, en algunos países ya desde hace años se viene utilizando el etanol procedente de la biomasa como biocombustible sustituto parcial o total de a gasolina en motores de combustión interna de ciclo Otto, llamándolo de manera genérica “gasohol”. Por supuesto, el bioalcohol es útil también para quemar mediante otras tecnologías de combustión. Los motores Otto requieren pequeñas modificaciones para utilizar el alcohol en lugar de gasolinas, o como mezclas alcohol/gasolina (gasohol). El etanol proporciona características antidetonantes, por lo que mejora el índice de octanos de la gasolina; el aumento de octano permite aumentar la relación de compresión de los motores para conseguir mejores rendimientos en la transformación de energía química a energía mecánica. Otra ventaja del uso de gasohol es la disminución de las emisiones de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, e hidocarburos volátiles. La última fase para la obtención de etanol se produce, cualquiera sea la vía de obtención o síntesis, por destilación fraccionada de disoluciones acuosas; de éste modo se obtiene una mezcla de composición 96 % etanol, 4 % agua. Esta cantidad de agua induce en la combustión la aparición de ácidos orgánicos corrosivos para los motores, aunque puede eliminarse del combustible haciendolo pasar por sales deshidratantes y obteniendo alcohol absoluto, pero es un proceso que encarece la fabricación. Lo más adecuado es tener en cuenta este hecho y cuidar que los componentes metálicos en contacto con los gases y productos de la combustión no sean atacables por éstos ácidos organicos de la combustión del la fracción de agua en el etanol.
Las plantas de mayor interés alcolígeno son las ricas en carbohidratos. De modo que los residuos y productos agrícolas fermentables son de tres tipos, en función de su composición en lo que se refiere al tipo de hidratos de carbono:

Azucaradas: con alto contenido en monosacáridos y polisacáridos.
Amiláceas: Con alto contenido en el polisacárido almidón.
Lignocelulósicas: con alto contenido en celulosa y hemicelulosa.

Los microorganismos encargados de la producción de alcohol etílico en condiciones de ausencia de oxígeno son los hongos que forman las levaduras, éstos para la alimentación energética de sus procesos metabólicos transforman la glucosa en etanol por medio de una síntesis bioquímica llamada fermenación alcohólica; algunas bacterías anaeróbicas también son capaces de fermentar el alcohol en azúcares solubles. Resumidamente:

- - - - - - - - - - 2ADP -> 2ATP

C6H12C6 ----------------------------> 2CH3 – CH2OH 2CO2

- - - - - - - - Adenosín disfosfato -> Adenosín trifosfato

Glucosa -------------------------------------------------------> Etanol + Dióxido de carbono

El etanol o alcohol etílico es el producto de una ruta bioquímica, en la que intervienen una serie de enzimas, las cuales son proteínas especificas en que cada enzima tiene una misión que intervienen en todos los procesos metabólicos controlando y ejecutando las reacciones bioquímicas, y que determinados microorganismos realizan utilizando como sustrato la glucosa. Las plantas azucaradas y las amiláceas requieren solamente un tratamiento mecánico para liberar los monosacáridos y polisacáridos fermentables de las envolturas de celulosa, hemicelulosa y lignocelulosa que los rodean; el residuo de éste tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables de las envolturas de celulosas que los rodean, donde el residuo de este tratamiento mecánico es el bagazo. Los azúcares obtenidos así son directamente fermentables, sin embargo, el almidón requiere la hidrólisis previa para su descomposición en moléculas de glucosa, esta hidrólisis la realizan microorganismos que contienen la enzima amilasa. Existen bacterias que producen enzimas capaces de hidrolizar hasta monosacaridos y moléculas simples a la celulosa y hemicelulosa, pero no a la lignina. Por esto, si queremos aprovechar el potencial energético de la lignocelulosa es necesario realizar pretratamientos químicos de hidrólisis ácida o básica para romper la estructura polimérica de la lignina. Los pretratamientos encarecen el proceso y producen efluentes ácidos o básicos que es necesario tratar, recuperandolos o eliminando su potencial contaminante. Esquemáticamente el proceso de obtención de monosacáridos fermentables sería el reflejado en la siguiente figura:

Esquematización de los tratamientos previos a la fermentación alcohólica.

Una vez obtenida la disolución acuosa de azúcares se procede a la fermentación alcohólica para lo que se han desarrollado diferentes técnicas. Cuatro son los factores a tener en cuenta durante la fermentación:

Temperatura: que debe estar alrededor de los 30 º C.
PH: no inferior a 4 ni superior a 5.
Concentración de azúcares: inferior al 22 % en peso.
Concentración de etanol: inferior al 15 % en volumen.

La fermentación es un proceso exotérmico, por lo que hay que controlar la temperatura del tanque de fermentación para no paralizar los procesos vitales de la levaduras. El proceso puede ser continuo o discontinuuo, en ambos casos existen uno o varios tanques de fermentación con una ámplia superficie interior para la fijación de las cepas de hongos. En serie con éstos tanques se sitúa un mecanismo de fltrado de las levaduras para separar el mosto destilable y devolver las levaduras a los tanques de fermentación. A continuación se realiza una destilación fraccionada en dos etapas, la primera se obtiene una mezcla de etanol al 60 % y otros alcoholes y componentes orgánicos, siendo el residuo las vinazas (proteinas, vitaminas y azúcares no fermentables), válidas para alimentación animal. De la segunda etapa se obtiene una mezcla que siempre contiene un 96 % de etanol y un 4 % de agua y el llamado aceite de fusel que contiene diferentes alcohóles de superior peso molecular originados en la fermentación debido a la presencia de proteinas en los jugos fermentables. El alcohol de 96 º es el que se comercializa como biocombustible. Para conseguir alcohol absoluto se requiere más energía y debe hacere destilando el alcohol de 96 º en presencia de oxido de calcio CaO, o de sulfato de cobre anhidrico CuSO4. Otro procedimiento para obtener alcohol absoluto es utilizar benceno para extraer el agua por destilación de una mezcla de benceno 74,1 %, agua 7,4 % y etanol 18,5 %.

Biodiesel

El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores.
Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol trivalente, el glicerol. Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso metiléster. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.
Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina. Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradores
El aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia dos columnas conectadas en serie. La transesterificación tiene lugar en esas columnas y la glicerina pura es liberada mediante decantación.
Los ésteres son lavados dos veces con agua acidificada. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar americanas. El glicerol para ser utilizado debe ser refinado.

Esquema de la planta

La descripción de cada módulo de la planta es la siguiente:

a) Molino de aceite.

Los productos obtenidos son:

Aceite vegetal crudo.
Harina de alto contenido proteico (soja).

El aceite crudo es posteriormente procesado, transformado en BIiodiesel y glicerol, y la harina se vende como alimento para animales, eventualmente después de un proceso de estabilización de enzimas y acondicionamiento.

b) Unidad de refinamiento y transesterificación.

Esta unidad produce el filtrado y remoción, catalítica o por destilación, de ácidos grasos libres. El producto es aceite vegetal refinado y sin ácidos, que constituye el material de alimentación para la:

Unidad de transesterificación.

En esta etapa del proceso el aceite es transformado catalíticamente, mediante agregado de metanol o etanol con el catalizador previamente mezclado, en metil o etiléster y glicerol.

c) Unidad de purificación y concentración de glicerol.

Consiste en una etapa de filtrado y purificación química, un equipo de concentración del glicerol, y el posterior almacenamiento del glicerol puro.

Transesterificación

El aceite con ácidos y gomas eliminados (parte refinada) se transforma en metil o etiléster por medio de un proceso catalítico de etapas múltiples, utilizando metanol o etanol (10% de la cantidad de aceite a ser procesado). El metiléster crudo se refina posteriormente en un lavador en cascada.
Si el producto se utiliza como combustible para motores, no necesita el proceso de destilación pero puede ser fácilmente integrado en el esquema de proceso si se desea un metiléster de calidad química.

Refinamiento del glicerol

El proceso de transesterificación produce como subproducto derivado aproximadamente 10 % de glicerol. Este glicerol en bruto contiene impurezas del aceite en bruto, fracciones del catalizador, mono y diglicéridos y restos de metanol.
Con el objeto de venderlo en el mercado internacional debe ser refinado para llegar a la calidad del glicerol técnico o, con una posterior destilación, a la del glicerol medicinal (99,8%).

Descripción de la Tecnología de la Planta

La unidad de transesterificación incluye contenedores operativos de pre almacenamiento para la materia prima, productos intermedios y finales. El metanol/etanol, glicerol, producto derivado, y el metiléster terminados, son almacenados en el patio de tanques fuera de la planta.

La estructura principal del complejo comprende un edificio múltiple, que alberga el material operativo y las instalaciones de distribución de energía, ventilación central, laboratorio de producción, sala de monitoreo, instalaciones para el personal, entre otras.
Para cada tamaño de planta de producción, se deben satisfacer precondiciones específicas de infraestructura, dependientes de la localización real.
Por lo tanto, y adicionalmente al esquema de planta delineado, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

Conexión de energía eléctrica adecuada.
Agua potable y conexiones cloacales.
Suministro de vapor de proceso.
Provisión de agua de enfriamiento.
Conexiones telefónicas.
Administración, flota de vehículos, posible capacidad de almacenamiento adicional requerida para repuestos, así como también para materiales auxiliares.
Instalación para seguridad del trabajo e industria.
Conexión con caminos y/o ferrocarriles.

Además, las capacidades estimadas de almacenamiento para:

Aceite de soja.
Metanol.
Metiléster.
Glicerol y otros productos.

Estas capacidades de almacenamiento, deben ser computadas de acuerdo a los propósitos del futuro operador, y dependiendo de los ciclos de entrega y comercialización.

Más información:

http://www.sagpya.mecon.gov.ar/new/0-0/agricultura/otros/biodiesel/index.php

Biogás

La digestión anaerobia

La degradación en la naturaleza de la biomasa residual procedente tanto del metabolismo animal como vegetal la realizan las bacterias, el proceso es complejo y, dependiendo del tipo de sustrato biodegradable, y de otros factores que veremos, intervienen diferentes especies bacterianas, existiendo una perfecta especialización en cuanto al tipo de materia a degradar por cada familia de organismos. Cuando esta degradación se realiza en condiciones aerobias (en presentación de oxigeno), los productos finales son anhídrido carbónico, agua, sulfato, y nitrógeno inorgánico en forma de nitritos, de nitratos y de sales de amonio. Sin embargo en condiciones rigurosas de ausencia de oxígeno la biodegradación se lleva a cabo por otros organismos en un proceso que se llama digestión anaerobia. Los productos finales son un residuo húmedo de sólidos de difícil degradación y un gas inflamable. A este gas combustible lo llamamos biogás, y tiene una composición que, dependiendo del origen de la materia orgánica biodegradable oscila entre los valores siguientes:

Metano CH4: 50 a 70 %.
Anhídrido carbónico CO2: 30 a 40 %.
Acido sulfhídrico SH2, hirógeno H2, y otros <>

El biogás es conocido y descrito desde mediados del siglo XVII como “gas de los pantanos”, en realidad seproduce en la naturaleza siempre que haya humedad, materia orgánica y ausencia de oxígeno. Así, se da en el intestino de los mamiferos, en el suelo de los pantanos donde se acumulan células de vegetales, animales y microorganismos muertos, en capas profundas de suelo de bosques y selvas donde no hay oxígeno, en los pozos ciegos donde se acumulan excrementos, etc. La digestón anaerobia ha sido y es muy aprovechada para obtener energía para cocinar y calentarse en paises como China y la India, aunque, con técnicas muy rudimentarias que tienen bajos rendimientos. El poder calorífico del biogás depende de la concentración de metano y está alrededor de las 5000 Kcal/m3. Por otro lado, el residuo efluente sólido tiene un importante contenido en sales minerales de N, P, K, Ca, Mg, proteínas, grasas, celulosa y ligmina, entre otros, que puede servir como fertilizante o como alimento animal, aunque a veces es necesario proceder previamente a una neva fermentación aerobia, para bajar aún más el contenido de materia orgánica sin degradar.

Podemos distinguir tres etapas en el proceso biológico de la generación de metano, en cada una de las cuales interviene un grupo de bacterias específico, estas tres estapas son:

Hidrólisis: donde intervienen las cepas bacterianas hidrolíticas que degradan las macromoléculas orgánicas, ya sean hidratos de carbono, lípidos, proteínas, etc., ácidos grasos, polisacáridos y otros productos neutros.
Acidogénesis: de la que se encargan las bacterias cetogénicas y homoacetogénicas, produciendo ácido acético, hidrógeno H2 y CO2, partiendo del sustrato hidrolizado.
Metanogénesis: en ella el CO2, el H2, y el ácido acético son transformados en CH4, por las bacterias metanogénicas.

Tabla de producción de biogás segun la materia orgánica utilizada.

Otros microorganismos degradan el azufre hasta SO4, del cual, las bacterias sulforeductoras, aprovechan la energía química del sulfato degradándolo hasta ácido sulfhídrico SH2, que es un componente nativo, no deseado, del biogás, pues es un ácido que causa corrosión en las conducciones y en las instalaciones de combustión, especialmente en los motores, donde con el oxígeno y el agua contenida en el gas o formada como subproducto de la combustión da ácido sulfúrico SO4H2. Dependiendo de la temperatura a la que se desarrolle el proceso de digestión intervienen unas especies bacterianas u otras, variando la velocidad del proceso y el rendimiento en cuantía de metano del gas sintetizado. Existen tres rangos de tabajo según la temperatura:

Psicrofílico: con máximo rendimiento a los 25 ºC.

Mesofílico: con un remndimiento mayor que el anterior sobre los 35 ºC.

Termofílico: con mayor rendimientos que los anteriores sobre los 60 ºC.

Esquematización del proceso microbiológico de obtención de biogás.

El mantenimiento de las condiciones termofílicas requiere de un aporte de calor extraido de la combustión del propio gas generado que hace que no compense la uitilización de este rango. Cuando mantenemos la temperatura de digestión entorno a los 35 ºC obtenemos los mayores rendimientos. Otro factor físico-químico que interviene en el proceso es el pH, al cual hay que tartar de mantenerlo entre 6,5 y 7,5, intervalo de máxima actividad metabólica de las materias metanogénicas.

En principio, es suceptible de aplicársele un tratamiento anaerobio para obtención de biogás a cualquier tipo de biomasa vegetal o animal, pero son especialmente interesantes los residuos ganaderos, los lodos y espumas de depuradoras urbanas, la parte orgánica de las basuras urbanas, los efluentes orgánicos de industrias alimentarias como las cerveceras, las lácteas, papeleras, desechos de mataderos, algunos tejidos vegetales como las hojas de patatas y de remollacha, y en general aquellos residuos orgánicos de bajo contenido celulósico y lignocelulósico.

Tipos de digestores

Los tipos de digestoes y su tamaño dependen del objetivo principal del proceso, que puede ser, la obtención de la máxima cantidad de biogás, la disminución de la carga contaminantes de los efluentes a tratar, o la obtención de compost, entre otros. Básicamente los digestores se clasifican en continuos y discontinuos. En los segundos se aporta la biomasa, se deja fermentar durante unos 20 o 25 dias, recogiendo el gas en un depósito, luego se vacía el sólido no digerido y se vuelve a llenar el digestor con materia orgánica fresca. Este proceso es arcaico y poco desarrollado. Los procesos continuos son los mas avanzados, consiguiendo exelentes rendimientos; en ellos el digestor está siempre en permanente actividad, se introduce la materia a digerir con un caudal constante o variable, extrayendo biogás y efluentes sólidos de modo permanente. Para estos digestores se denomina tiempo de residencia hidráulico TRH, el tiempo que permanece la materia a digerir en el mismo, y tiempo de residencia biológico TRB, al tiempo que permanece en él la materia activa, en digestores con sistema de recirculación de parte del lodo efluente el tiempo de residencia hidráulico es menor que el biológico. Las tipologías de los digestores continuos son muy variadas, así tenemos entre otras:

1_ Los que mantienen los microorganismos en suspensión dentro del digestor:

Mezcla completa: es simple, con TRH superiores a 10 días.

Flujo pistón: se asemeja al intestino de un mamífero, de tipo tubular, con el efluente sólido se escapa gran cantidad de microorganismos activos, por lo que sólo son adecuados cuando se tratan excrementos de animales que contienen el inóculo de nuevas bacterias. El tiempo de residencia es como el anterior.

Esquematización de un digestor de flujo de pistón.

Contacto: El efluente de sólidos pasa por un decantador que develve parte del mismo al tanque digestor, de este modo se recircula la materia viva, pudiendo disminuir los tiempos de residencia. El TRH es de 2 a 6 días, menor que el TRB.

Esquematización de un digestor de contacto.

Lecho expandido: el influente muy acuoso entra al digestor por abajo, la parte sólida va decantándose y es degradada por flóculos de bacterias mantenidas en suspensión por el movimiento ascendente del biogás producido. Es apto para lodos muy decantables. El TRH es de 1 ó 2 días.

2_ Los que contienen superficies en las que se fijan los microorganismos, las superficies pueden estar orientadas o no orientadas, el TRH es de 0,5 a 3 días. Son los llamados de filtro anaerobio.

Un aspecto muy importante en las instalaciones de producción de biogás es su almacenamiento, y la eliminación del SH2 antes de llegar a los motores o calderas. El gas producido en la digestión se almacena en los gasómetros que pueden ser del tipo de campana con cierre hidráulico, o depósitos donde se mantiene el gas a presiónes elevadas introduciéndolo con un compresor. Si comprimimos el gas para almacenarlo gastamos energía, para minimizar esta energía se puede disminuir la cantidad de CO2 en la mezcla haciendo burbujear el gas a través de una disolución de sulfato de calcio hidratado SO4Ca . 2H2O, o de hidróxido de calcio Ca(OH)2, los cuales fijan el dióxido de carbono transformándolo en carbonato de cálcio CaCO3. No obstante, parece que no es económicamente rentable eliminar el dióxido, sin embargo la eliminación del ácido sulfhídrico es imprescindible, y se realiza haciendo pasar el biogás por filtros de óxido de hierro Fe2O3, en los que se produce sulfuro ferroso Sfe, azufre S y H2O.

Gasómetro de caampana con cierre hidráulico en el que la presión se mantiene aproximadaamente constante debido al contrapeso

Las presiones de almacenamiento deben ser superiores a las necesarias para el uso del gas en los combustores que no son superiores a 0,5 bar. La esquematización de un proceso completo de digestión anaerobia queda regflejada en la siguiente figura:

Esquematización de un proceso de digestión anaerobia.

Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

Bioplásticos

2012-02-07T20:18:00.000-03:00

Definición de bioplásticos

Existen dos formas de definir los bioplásticos según los diferentes autores, una es llamando bioplástico a aquellos plásticos que son biodegradables, sin tener en cuenta si su fuente es de origen vegetal renovable o si su fuente es de origen sintético como los combustibles fósiles.
Y otra que es llamar como bioplásticos a aquellos plásticos que son obtenidos de fuentes biobasadas, o sea, cuando su origen es una fuente renovable vegetal.
Aquí hablaremos de bioplásticos según la segunda definición, o sea, de aquí en mas llamaremos bioplásticos a aquellos plásticos obtenidos de fuentes renovables como los cultivos vegetales o los obtenidos a partir de los biocombustibles que también provienen de fuentes renovables vegetales.

Bioplásticos biodegradables

Los plásticos biodegradables o también llamados compostables son aquellos que se degradan en condiciones naturales formando basicamente dióxido de carbono, agua y humus, a una velocidad similar a las sustancias orgánicas tradicionales como las celulosas vegetales y que en su descomposición no dejan residuos tóxicos ni visibles.
Existen gran variedad de fuentes de estos bioplásticos, como los polímeros basados en almidón, los basados en celulosa, el ácido poliláctico (PLA) y los polihidroxialcanoatos (PHA), en los cuales estos dos últimos son los dos mas usados industrialmente.
El ácido poliláctico (PLA) es producido a partir de la sintetización del etanol, el cual puede ser obtenido a partir del maiz o de la caña de azucar ya que son los dos cultivos mas utilizados para fabricar bioetanol.
Es uno de los bioplásticos mas prometedores ya que sus propiedades son parecidas al polietileno, tiene una alta transparencia, brillo y una buena barrera de olores, siendo especial para aplicaciones de empaques y en fibras sintéticas. Las principales desventajas que tiene este bioplástico es su todavía mayor costo que los plásticos convencionales y uno de los mayores inconvenientes que tiene en su aplicación es que son demasiados biodegradables, ya que sus polímeros se deshacen en relativamente poco tiempo.

Cultivos de maiz, izquierda y caña de azúcar, derecha

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son producidos a partir de bacterias que descomponen residuos sólidos de carbono o materias orgánicas sólidas, sus principales propiedades biológicas son su gran biodegradibilidad, son insolubles en agua y no son tóxicos. Las caracteriíticas técinas mas sobresalientes de estos bioplásticos son sus propiedasdes mecánicas, parecidas al polietileno (PE), al polipropileno (PP) y al poliestireno (PS) y que mantienen buena estabilidad dimensional hasta los 100 ºC. Son usados principalmente en envases, bolsas, películas, fibras, adhesivos y aplicaciones médicas, entre otros.

Bioplásticos no biodegradables

Los bioplásticos no biodegradables son todos aquellos plásticos que se utilizan en la actualidad y que se pueden producir a partir de materias primas de fuentes renovables como el etanol obtenido del maiz y la caña de azucar o del metano obtenido a partir del biogás.
El etanol usado para fabricar plásticos es sinterizado y a travez de un proceso de deshidratación se le extrae una molecula de agua (H2O) formandose el etano, el cual es una matería prima muy utilizada para hacer los plásticos de la actualidad; los plásticos obtenidos con este método tienen las mismas propiedades que los plásticos obtenidos a partir del etano (C2H6) obtenido del petróleo o del gas natural.

Biodigestor anaeróbico para producir biogás con desechos agrícolas

El metano que en este caso es obtenido del biogás producido por la digestión anaeróbica en los biodigestores, tiene la característica de ser la matería prima mas utilizada para producir plásticos, ya que se lo industriliza mediante el proceso de acoplamiento oxidativo en el que el metano va perdiendo hidrógeno y convirtiendose en hidrocarburos mas elevados al poner en contacto una mezcla gaseosa que contiene metano y oxígeno a alta temperatura durante un corto periodo de tiempo a travez de un catalizador sólido formado con óxido de litio, obteniendose principalmente con este método etano y etileno que son los elementos mas utilizados en formar los polímeros que forman la mayor parte de los plásticos y productos sinteticos de la actualidad.
Cómo dijimos estos tipos de plásticos son los mismos que se utilizan en la actualidad pero en los cuales en su proceso de fabricación no se utilizan materias primas fósiles como en los procesados de forma tradicional. De esta forma se evita la contaminación que producen los procesos que utilizan dichos combustibles fósiles como el petróelo, el gas natural o el carbón, permitiendo obtener dichos plásticos de una forma mas limpia y menos contaminante.

Moléculas de Etanol (C2H6O) izquierda, Etano (C2H6) centro y Etileno (C2H4) derecha.

Además, ante el cada vez mas cercano agotamiento de los combustibles fósiles, estos métodos, que permiten obtener una gran cantidad de materiales sintéticos utilizados masivamente en la actualidad; cuando se usen materias primas de origen renovable, no se agotarán en el futuro y en muchos casos como su obtención puede realizarse a partir de desechos orgánicos de la actividad agropecuaria, urbana e industrial, como es el caso del metano obtenido del biogás, se podrán obtener bioplásticos si necesitar obtener nuevos recursos sino reutilizar los residuos actuales.
Particularmente pienso que el proceso de fabricar bioplásticos obtenidos del metano generado del biogás que se produce de la biodigestión de residuos orgánicos de origen agrícola , urbano e industrial, puede ser una gran alternativa de producción en el futuro ya que no se necesita sacrificar superficies para la producción de biocombustibles que pueden necesitarse para la producción de alimentos y de esta forma, solo aprovechando los residuos de la actividad humana actual, se pueden fabricar y obtener una gran variedad de productos y materiales como son los plásticos.
Seguramente de aquí en adelante, debido al agotamiento de los combustibles fósiles, los plásticos y materiales sintéticos que conocemos en la actualidad se empezarán a fabricar a partir de materias primas renovables vegetales como los biocombustibles que conocemos actualmente como el el biogás, el bioetanol o los biodiesel, ya que estos biocombustibles están formados por metano y etano que son los elementos con los que hoy se fabrican la mayoría de estos materiales.

Bioenergía

2012-02-06T22:38:00.000-03:00

La bioenergía es la obtención de energía procedente de la vida. Normalmente se equipara este concepto con el de biomasa pero la bioenergía es la suma de la energía propia que se puede obtener de los materiales orgánicos o biomasa y la energía que aportan los seres vivos como animales de tiro o o la energía que aporta el propio ser humano en su labor o trabajo.
El concepto de biomasa fue adoptado de la biología, ya que por definición, la biomasa es el conjunto total de los organismos vivientes, animales y vegetales de una determinada región, considerados colectivamente; por lo tanto, energéticamente hablando, el concepto de biomasa es el aprovechamiento del colectivo de los organismos vivos, caracterizado por poseer como base compuestos orgánicos reducidos con los que se consigue un aporte energético orgánico y no fósil. Es decir, la biomasa es la energía que podemos obtener a partir de la materia viva o masa.
Sin embargo, el concepto de bioenergía es mas amplio, ya que considera el aprovechamiento energético de la vida, no sólo de la materia en forma de biomasa. La biomasa no considera el aporte energético que durante siglos hemos obtenido de los animales de tiro; aunque este tipo de energía no es muy utilizado en el mundo desarrollado, en paises subdesarrollados sigue siendo un medio de transporte muy utilizado. Del mismo modo podríamos consdiderar el aporte energético realizado por el hombre como animal de tiro cuando aporta energía en una labor o trabajo. Generalmente, el estudio que se realiza de la bioenergía es a partir de la biomasa, ya que el aprovechamiento energético de la bioenergía, sin contar la biomasa, es mínimo y está prácticamente relegado a paises subdesarrollados donde el uso de la mano de obra del hombre tiene una influencia importante en su actividad productiva.

Consumo de energía del hombre

El hombre consume por día en promedio unas 2.000 Kcal, si consideramos que hay 6.000 millones de personas en el mundo tenemos un consumo global de energía en alimentos de 1,2x10^16 Calorias, o bien, 5,024x10^16 Joul. La eficiencia de la fotosintesis es del 5%, o sea del total de la radiación solar que incide sobre las plantas, unicamente éstas transforman el 5% de dicha energía en enrgía útil para ellas. En condiciones reales de crecimiento del cultivo donde intervienen factores como la disponibilidad de nutrientes y agua, la variación climática, la competencia por la radiación, etc, y considerando además los procesos metabólicos que transforman la glucosa, los aminoácidos, las proteinas, y los nucleólitos en otros productos y subproductos, consumiendo energía, el rendimiento final de la fotosíntesis es del 0,3 al 1 % dependiendo de los distintos tipos de plantas o cultivos (Como se ve el mecanismo que sostiene la vida sobre el planeta es verdaderamente muy poco eficiente). Si consideramos que no todo lo que transforma una determinada planta de cultivo en biomasa es utilizada como alimento por el hombre, que no todos los cultivos crecen durante todo el año, si no, que la mayoría de ellos lo hacen en el periodo de mayor insolación primavera-verano, que una gran parte de los alimentos del hombre son carnes rojas o blancas y estas provienen de animales cuya formación de biomasa tiene una bajisimo rendimiento respecto del alimento consumido por estos, tendremos que el hombre aprovecha para su abastecimiento de energía solo una pequeñisima parte de la energía que hace posible la vida en el planteta como es la energía solar.

En numeros:

La energia solar recibida en un día en todo el mundo es de 8,76x10^21 Joul, como el hombre consume en alimentos 5,024x10^16 Joul/día el porcentaje de la energía solar disponible que es aprovechada por el hombre es de:
5,024x10^16 Joul/Dia / 8,76x10^21 Joul/Día = 0,000.57%
Con éste resultado vemos que el hombre consume en alimentos el equivalente en energía a la 0,000.005.7 parte de la energía solar que irradia sobre todo el planeta, ésto nos hace pensar que queda mucho por hacer en términos de aumentar la cantidad de alimentos que el hombre puede obtener mejorando su tecnología, sus actividades productivas y sus actividades económicas.

Energía geotérmica

2012-02-05T23:57:00.001-03:00

El calor es una forma de energía y la energía geotérmica es el calor contenido en el interior de la Tierra. El término energía geotérmica es a menudo utilizado para indicar aquella porción del calor de la Tierra que puede o podría ser utilizado y explotado por el hombre. El descubrimiento del calor radiogénico, que podemos comprender plenamente a tal fenómeno como el calor continuamente generado por el decaimiento de los isótopos radioactivos de larga vida del Uranio (U238, U235), del Torio (Th 232) y del Potasio (K40), que están presentes en toda la Tierra. Además del calor radiogénico, en proporciones inciertas, están otras posibles fuentes de calor como ser la energía primordial de la acreción planetaria.

El flujo calórico total que la Tierra irradia al espacio se estimó en 42.1012 W (conducción, convexión y radiación). De este total, 8x1012 W provienen de la corteza, la cual representa sólo el 2% del volumen total de la Tierra, pero que es rica en isótopos radioactivos; 32.3x1012 W provienen del manto, el cual representa el 82% del volumen total de la Tierra y 1,7x1012 W provienen del núcleo, el cual corresponden al 16% del volumen total.

Utilización de los recursos geotérmicos

La generación de electricidad es la forma de utilización más importante de los recursos geotérmicos de alta temperatura (> 150°C). Los recursos de temperatura media a baja corresponde a temperaturas (<150°c).>

Diagrama que muestra la utilización de los fluidos geotérmicos.

El límite inferior de 20°C de la temperatura del fluido geotérmico está solamente sobrepasado en condiciones muy particulares, como puede ser el uso de bombas de calor. Los diseños existentes para procesos termales pueden, sin embargo, modificarse para la utilización de fluidos geotermales que en ciertos casos, pueden ampliar sus campos de aplicación.

Generación de electricidad

Dependiendo de las características del recurso geotérmico, la generación de electricidad se realiza principalmente mediante turbinas de vapor convencionales y plantas de ciclo binario. Las turbinas de vapor convencionales, requieren fluidos a temperaturas de a lo menos 150°C y están disponibles con descarga atmosférica o bien con descarga de condensación. Las turbinas con escape atmosférico son más simples y de menor costo. Las turbinas de descarga atmosférica son inmensamente útiles como plantas pilotos, plantas portátiles en el caso de pequeños abastecimientos desde pozos aislados. Ellas son útiles también cuando el vapor tiene un alto contenido de gases no condensables. Las unidades de descarga atmosférica pueden ser construidas e instaladas muy rápido y puestas en operación en poco más de 13-14 meses desde la fecha que son ordenadas. Este tipo de máquinas esta usualmente disponible en tamaños pequeños (2,5 – 5MWe). Las unidades de condensación, como tienen más equipos auxiliares, son más complejas que las unidades de descarga atmosférica y como son de tamaños mayores requieren el doble del tiempo para su construcción e instalación. El consumo específico de vapor de las unidades de condensación es, sin embargo, cerca de la mitad de las unidades de descarga atmosférica. Las plantas de condensación de 55-60 MWe de capacidad son muy comunes, y recientemente se han construido e instalado plantas de 110 Mwe. Ver figura:

Esquema de una planta geotermoeléctrica de condensación. El flujo del fluido de alta temperatura está indicado en rojo y el agua fría en azul

La generación de electricidad a partir de fluidos de temperatura baja a media, ha tenido significativos progresos debido al mejoramiento logrado en la tecnología de fluidos binarios. Las plantas binarias utilizan un fluido secundario, usualmente de carácter orgánico (principalmente n-pentano), que tiene un bajo punto de ebullición y una alta presión de vapor a bajas temperaturas, en comparación con el vapor de agua. El fluido secundario es manejado según el ciclo convencional Rankine (ORC): el fluido geotermal entrega calor al fluido secundario a través de intercambiadores de calor, en los cuales éste fluido es calentado y vaporizado; el vapor producido acciona una turbina normal de flujo axial, posteriormente es enfriado y condensado, y el ciclo comienza nuevamente. Ver siguiente Figura:

Esquema de una planta geotermal binaria. El flujo del fluido geotermal está en rojo, el fluido secundario en verde y el agua fría en azul

Seleccionando un fluido secundario apropiado, el sistema binario puede diseñarse para utilizar fluidos geotermales con un rango de temperatura entre 85 y 170°C.

Usos directos del calor

El uso directo del calor es una de las formas más antiguas, versátiles y comunes de la utilización de la energía geotérmica. Las aplicaciones en baños, calefacción ambiental y distrital, en agricultura, acuicultura y algunos usos industriales constituyen las formas más conocidas de utilización, pero las bombas de calor son las más generalizadas (12,5% del total de la energía utilizada en el año 2000). En menor escala hay muchos otros tipos de utilización, siendo algunos de ellos poco usuales.

Calefacción ambiental y distrital: ha tenido un gran desarrollo en los países de Europa Oriental, como también en Estados Unidos, China, Japón y Francia.
Refrigeración: es una opción factible de utilizar geotermia mediante la adaptación de equipos de absorción.
Aire acondicionado: Tanto la calefacción como el enfriamiento ha tenido una considerable expansión desde los años 1980, conjuntamente con la introducción y generalización del uso de las bombas de calor .
Aplicaciones agrícolas: Los fluidos geotermales se utilizan mucho en la calefacción de cultivos a campo abierto e invernaderos.
Granjas de animales: se pueden beneficiar en calidad y en cantidad con un acondicionamiento óptimo de su temperatura ambiente
Acuicultura: es la crianza controlada de organismos acuáticos, actividades que actualmente esta adquiriendo importancia a nivel mundial, debido al aumento de la demanda.
Aplicaciones industriales: Las diferentes formas posibles de utilización incluye procesos de calefacción, evaporación, secado, destilación, esterilización, lavado, descongelamiento y extracción de sales, entre otras.

Presente y futuro

La energía termal presente en el subsuelo es enorme. Un grupo de expertos ha estimado el potencial geotérmico de cada continente en términos de recursos de alta y baja temperatura (International Geothermal Association, 2001).

Si se explota correctamente, la energía geotérmica podría verdaderamente asumir un rol importante en el balance de energía de algunos países. En ciertas circunstancias, algunos recursos geotérmicos, son aptos para solucionar numerosos problemas locales y mejorar la calidad de vida de pequeñas comunidades aisladas.

Energía nuclear por fisión y por fusión

2012-02-04T23:51:00.000-03:00

Reacciones Nucleares Endotérmicas y Exotérmicas

Las reacciones nucleares son procesos de combinación y transformación de las partículas y núcleos atómicos. Las reacciones nucleares pueden ser endotérmicas o exotérmicas, atendiendo a si precisan energía para producirse o a si la desprenden respectivamente.
En general la fusión de los elementos más ligeros como se producen en las estrellas liberan energía (reaccion exotérmica), y la fusión de los elementos más pesados absorben energía (reacción endotérmica), por esto para la fusión nuclear se utilizan elementos livianos que generan reacciones nucleares exotérmicas como el Deuterio que es un isótopo del Hidrógeno. En el caso de la fisión nuclear esto es al revés los elementos mas pesados al fisionarse liberan energía y los mas livvianos absorven energía formando una reacción endotérmica, por esto, en el proceso de fision nuclear se utilizan elementos pesados como el Uranio en el cual al fisionarse, disminuye la masa de los subproductos de la reacción y generan una reacción exotérmica que liberan energía como es el caso de los reactores nucleares de Uranio y Plutonio.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de hidrógeno es 13,6 electrón-voltios menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se esta tratando de obtener en los reactores de fusión actuales. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de fisión individuales son generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas. Sólo la conversión directa de la masa de energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Los elementos que liberan energía en las reacciones nucleares de fusión como dijimos son los elementos mas livianos esto se debe a que antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son, 58Fe, 56Fe, y 60Ni. A pesar de que el isótopo de níquel, 62Ni, es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas impulsado por la absorción de fotones.

Fisión Nuclear

Cuando se bombardea el uranio con neutrones, el mismo experimenta una fisión, dando como resultado la liberación de una gran cantidad de energía y una gran cantidad de productos en la que la suma de sus masas es menor que la masa del uranio. Según la relación de Einsten entre masa y energía, resulta que la energía liberada durante la fisión se ha transformado en energía cinética de los fragmentos producidos en la misma. la fisión del uranio puede realizarse por neutrones rápidos o lentos. Los isótopos del uranio 92U238 y 92U235 que son los mas abundantes pueden escindirse por un neutrón rápido, mientras que sólo el 92U235 se escinde por un neutrón lento.
La fisión del uranio produce más de 100 isótopos diferentes de unos 20 elementos distintos. Toodos estos átomos están en el centro de la tabla periódica con números atómicos comprendidos entre 34 y 58. Debido a que la razón entre el número de neutrones y protones necesaria para la estabilidad en este intervalo es mucho menor que la del núcleo de uranio original, los fragmentos de fisión, nombre que reciben los nucleos residuales, tienen siempre demasiados neutrones para ser estables. Durante la fisión se liberan unos cuantos neutrones, y los fragmentos de fisión experimentan una serie de desintegraciones beta (cada una de las cuales aumenta Z en una unidad y disminuye N en una unidad) hasta alcanzar un núcleo estable. Durante la desintegración de los fragmentos de fisión se libera también energía adicional.
La liberación total de energía en la fisión del uranio es de unos 200 MeV, y además, durante la misma se liberan otros neutrones del núcleo del uranio, esto posibilita una reacción en cadena, es decir, una serie de procesos autosostenidos que, una vez iniciados, continuan hasta agotar la mayor parte del uranio de la muestra (siempre que la muestra permanezca unida). En el caso de la reacción en cadena del uranio, un neutrón produce la fisión de una átomo de uranio, durante ella se libera gran cantidad de energía y son emitidos varios neutrones. Estos producen entonces la fisión de los núcleos de uranio próximos, que, a su vez, desprenden energía y mas neutrones. Puede conseguirse que la reacción en cadena tenga lugar de una forma lenta y controlada, y el dispositivo para realizarla es el reactor nuclear. Si la reacción en cadena es rápida e incontrolada, el dispositivo es una bomba. En un reactor nuclear, el elemento fisionable está contenido en elementos combustibles, cuya configuracion está diseñada para retardar un número suficiente de neutrones en la sustancia que los rodea (generalmente agua) y da lugar a fisiones posteriores, en lugar de escapar de la región de combustible. Cada fisión produce un promedio de unos 2,5 neutrones libres, por lo que es necesario el 40 % de los neutrones para mantener una reacción en cadena. La velocidad de la reacción se controla introduciendo o retirando barras de control hechas de elementos (frecuentemente cadmio) cuyos nucleos absorben neutrones sin experimentar ningún tipo de reacción en cadena adicional.
La aplicación mas común de los reactores nucleares es la generación de energía eléctrica. Para dar una idea de las cifras que intervienen consideremos una hipotética central nuclear con capacidad de generar 1000 MW; ésta es una cifra típica de las grandes centrales actuales. Como ya se indicó, la energía de fisión aparece en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, y su resultado inmediato es calentar los elementos combustible y el agua que los rodea. Este calor genera vapor capaz de accionar turbinas, y éstas, a su vez, generadores eléctricos. Las turbinas, al ser motores térmicos, están sujetas a limitaciones impuestas por la segunda ley de la termodinámica. En las centrales modernas, el rendimiento total aproximado es de un tercio, o sea, son necesarios 3000 MW de energía térmica procedentes de la reacción de fisión para obtener 1000 MW de energía eléctrica.
Es fácil calcular la cantidad de uranio que experimenta fisión por unidad de tiempo para proporcionar 3000 MW de energía térmica. Son necesarios 3000 MJ por segundo, o 3 x 10^9 J. Cada fisión proporciona 200 MeV, que son
200 MeV = (200 MeV).(1,6 x 10^-13 J . MeV^-1) = 3,2 x 10 ^-11 J
Por tanto, el número de fisiones necesarias por segundo es 3 x 10^9 J / 3,2 x 10^-11 J = 0,94 x 10^20
Cada átomo de uranio tiene una masa de unos (235).(1,67 x 10^-27 Kg) = 3,9 x 10^-25 Kg, por lo que la masa de uranio necesaria por segundo es (0,94 x 10^20).(3,9 x 10^-25 Kg) = 3,7 x 10^-5 Kg = 37 mg.
El consumo diario de uranio (86 400 s) es (3,7 x 10^-5 Kg .s^-1).(86 400 s . d_1) = 3,2 Kg/dia
Como comparación, observece que una central térmica de 1000 MW consume 10.600 ton de carbón al día. Los reactores de fisión nuclear tienen otras aplicaciones prácticas; entre ellas están la producción de isótopos radiactivos artificiales para su utilización en medicina y otras areas de investigación; la producción de haces de neutrones de alta intensidad para la investigación de la estructura nuclear, entre otras.

Potencial de generación de la energía nuclear por fusión

Actualmente, se estiman unas reservas mundiales de uranio razonablemente aseguradas según costes (<>

Para producir 3X10^9 J/seg se nesecitan 37 mg de Uranio, con 2.543.430 toneladas de uranio se pueden gegenar: 2,06x10^20 J La energía que consume actualmente el hombre por día es de : 1,02x1018 J/Día lo cual significa que, en bruto, la energía del uranio podría satisfacer la demanda actual de energía (artificial) durante unos 201 dias .Si se produciria la misma energía por fusión nuclear que la energía solar que irradia sobre nosotros que es de 8,76x1021 J/Dia tendriamos energía por 34 minutos. Las reservas total de uranio a costos mayores son mas de la expuestas por lo que este valor obtenido es orientativo.

Fusión Nuclear

Hay dos tipos de reacciones nucleares en las que pueden liberarse grandes cantidades de energía. En ambos tipos, la masa en reposo de los productos es menor que la masa en reposo original. Una de ellas es la fisión del uranio, la otra implica la combinación de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más complejo, pero cuya masa en reposo es menor que la suma de las masas en reposo de los núcleos originales. Los siguienetes son algunos ejemplos de este tipo de reacciones de liberación de energía:

1H1 + 1H1 => 1H2 + 1e0
1H2 + 1H1 => 2He3 + radiación g
2He3 + 2He3 => 2He4 + 1H1 + 1H1

En la primera, dos protones se combinan para formar un deutrón y un positrón (un positrón es un electrón cargado positivamente). En la segunda, la unión es entre un protón y un deutrón, que forma el isótopo ligero del helio. Para la tercera reacción las dos primeras han de tener lugar dos veces, en cuyo caso se unen dos núcleos de helio ligero para formar helio ordinario. Estas reacciones, conocidas como cadena protón-protón, parece que tiene lugar en el interior del Sol y en otras muchas estrellas que se sabe que están constituidas fundamentalmente por hidrógeno.
Los positrones producidos durante la primera etapa de la cadena protón-protón chocan con los electrones; tiene lugar una aniquilación, y su energía se convierte en radiación gamma. Por tanto, el efecto neto de la cadena es la combinación de cuatro núcleos de hidrógeno en uno de helio y radiación gamma. La cantidad neta de energía liberada puede calcularse, a partir de la diferencia de masas, de la forma siguiente:

Masa de los cuatro átomos de hidrógeno (incluyendo los electrones) = 4,03132 u
Masa de un helio máas dos electrones adicionales = 4,00370 u
Diferencia de masa = 0,02762 u
=> = 25,7 MeV

En el caso del Sol, 1 g de su masa contiene unos 2 x 10^23 protones. Por consiguiente, si todos los protones se fusionarán en helio, la energía liberada sería de unos 57 000 KWh. Si el Sol continuara radiando al ritmo actual, tardaria unos 30 mil millones de años en agotar su provisión de protones.
Para que tenga lugar la fusión nuclear, los núcleos han de estar lo suficientemente juntos como para quedar dentro del alcance de la fuerza nuclear, que es aproximadamente de 2 x 10^-15 m. Para ello deben superar la repulsión eléctrica de sus cargas positivas; para dos protones situados a esta distancia, la energía potencial correspondientees de unos 1,1 x 10^-13 J o 0,7 MeV, que representa, por tanto, la energía cinética inicial que han de tener los nucleos que se fusionan.
Tales energías sólo son disponibles a temperaturas extraordinariamente altas. La energía cinética de traslación media de una mólecula de gasa la temperatura T es 3kT/2, siendo k la constante de Boltzmann. Para que ésta sea igual a 1,1 x 10^-13 J, la temperatura ha de ser de unos 5 x 10^9 K. Naturalmente, no todos los núcleos han de tener esta energía, pero este cálculo muestra que la temperatura ha de ser de millones de grados Kelvins para que una fracción apreciable de los núcleos tenga suficiente energía cinética para superar la repulsión eléctrica y lograr la fusión.
En las estrellas, tales temperaturas son posibles como consecuencia de la contracción gravitacional y la consiguiente liberación de energía gravitacional. Cuando la temperatura sube lo suficiente, tiene lugar las reacciones, hay más liberación de energía y la presión de la radiación resultante impide una contracción posterior. Solamente después de haberse convertido en helio la mayor parte del hidrógeno habrá una ulterior contracción y, consecuentemente, un aumento de la temperatura. Entonces se dan las condiciones apropiadas para la formación de los elementos más pesados.
Temperaturas y presiones análogas a las del interior de las estrellas pueden conseguirse en la Tierra en el momento de una explosión de una bomba de fisión de plutonio o uranio. Si la bomba de fisión esta rodeada de proporciones adecuadas de isótopos de hidrógeno, éstos pueden combinarse para formar helio y liberar aún más energía. Esta combinación de uranio e hidrógeno es la llamada bomba de hidrógeno.
En la actualidad se estan realizando grandes esfuerzos en muchos laboratorios para conseguir reacciones de fusión controladas, por el enorme potencial de recursos energéticos que representan. En un tipo de experimento se calienta un plasma a temperatura extremadamente alta por medio de una descarga eléctrica, mientras está confinado por campos magnéticos adecuados. En otro tipo se calientan pequeñas bolas del material que se pretende fusionar por medio de un ház de láser de alta intensidad.
Entre las reacciones estudiadas están la siguientes:

1H2 + 1H2 => 1H3 + 1H1 + 4 MeV (1)
1H3 + 1H2 => 2He4 + 0n1 + 17,4 MeV (2)
1H2 + 1H2 => 2He3 + 0n1 + 3,3 MeV (3)
2He3 + 1H2 => 2He4 + 1H1 + 18,3 MeV (4)

La primera es una combinación de dos deutrones para formar tritio y un protón. En la segunda, el núcleo de tritio se combina con otro deutrón para formar helio y un neutrón. El resultado de ambas reacciones juntas es la conversión de tres deuterones en un núcleo de helio 4, un protón y un neutrón con la liberación de 21,6 MeV de energía. Las reacciones (3) y (4) juntas dan lugar a la misma conversión. En un plasma que contenga deuterio, ambas parejas de reacciones tienen prácticamente la misma probabilidad de ocurrir. Hasta ahora no ha sido posible producir estas reacciones de forma controlada tal que resulte un exceso de energía aprovechable, pero los problemas prácticos no parecen insuperables.

Potencial de generación de energía nuclear por fusión

La energía total extraída por reacciones nucleares de fusión a partir de un núcleo de deuterio dependerá de cuales sean las reacciones dominantes, lo que a su vez es función de la temperatura y de las concentraciones de reactivos. Como valor representativo se tomará 5 MeV/deuterón (ión de deuterio). En el agua del mar hay un átomo de deuterio por cada 6500 de hidrógeno, en números redondos, por lo que en 1 m3 se contabilizan 10^25 átomos de deuterio, aislables por el procedimiento de producción de agua pesada más subsiguiente electrolisis. Admitiendo 5 MeV/deuterón, el total de energía extraíble de 1 m3 de agua a través de fusión sería de 8x10^12 J (en números redondos) lo que equivale a algo menos de 200 toneladas de petróleo. El contenido total de agua de mar es de unos 1,5x109 km3, lo cual daría un potencial energético del deuterio total que se puede cifrar en 1,2x10^31 J.
Este valor se debe comparar con el flujo energético total en nuestra biosfera, que está dominado por la irradiación solar, y con la potencia antropogénica actual. Esta es de 8,76x1021 J/Día. La energía que consume actualmente el hombre por día es de : 1,02x1018 J/Día lo cual significa que, en bruto, la energía del deuterio podría satisfacer la demanda actual de energía (artificial) durante unos 32.000 millones de años; si se produciria la misma energía por fusión nuclear que la energía solar que irradia sobre nosotros tendriamos energía por 3,75 millones de años; Asi mismo si quisieramos producir con el deuterio existente en la tierra la misma cantidad de energía irradiada por el sol, que es de 3,73x10^31 J/Dia podriamos hacerlo durante 7º43º16º (siete horas con 43 minutos y 16 segundos).

Esta cifra es inconmensurable para las expectativas reales del planeta, cuya habitabilidad será del orden de 1000 millones de años. Estas cifras tan extraordinariamente altas tienen un doble origen: por un lado, la fortísima intensidad energética de las reacciones de fusión, donde alrededor de un 0,3% de su masa se transforma en energía (básicamente, calor) y el altísimo contenido de deuterio. De ahí que su energía total, 1,2x1031 J, sea del orden de 300 millones de veces el total de las reservas de combustibles fósiles actuales (que totalizan unos 900 Gtep, que representan algo menos de 4x1022 J). Los reactores de fusión podrían hacerse más eficientes utilizando tritio, que se produciría en los propios componentes periféricos de estos reactores, por reacciones neutrónicas en los isótopos de litio. Ello podría aumentar al doble la energía potencial de la fusión.

La radiación y las ciencias biológicas

La interacción de la radiación con los organismos vivos es un tema que aumenta dá a día en interés y utilidad. La expresión radiación incluye la emitida a causa de la inestabilidad nuclear (alfa, beta, gamma,y neutrones) y la electromagnética, como las microondas y los rayos X. Las dos clásicos de fenómenos que consideramos aquí son: (1) la utilización de isótopos radiactivos como herramienta analítica, y (2) los efectos beneficiosos y perjudiaciales de la radiación sobre el tejido vivo.
Los isótopos radioactivos pueden utilizarse en muchas aplicaciones, por ejemplo, un isótopo inestable del yodo, el I 131, puede utilizarse para estudiar la función de la glándula tiroides. Se sabe que practicamente todo el yodo ingerido en la alimentación que no es eliminado llega a la glándula tiroides; suministrando al pasiente dosis de I 131 y midiendo a continuación la radiación del tiroides, puede apreciarse la actividad de este órgano.

En aplicaciones más sutiles tienen lugar reacciones químicas complejas. Utilizando trazadores radioactivos es posible marcar partes especificas de las moléculas y seguir a los átomos radioactivos a través de reacciones complejas.
Las interacciones de la radiación con el tejido vivo son de gran complejidad. Es sabido desde hace muchos años que la exposición excesiva a radiaciones, como la luz solar, los rayos X y las nucleares, pueden causar la destruccion de tejidos vivos. En los casos benignos, esta destrucción se manifiesta en forma de quemadura, como la quemadura común causada por el Sol; exposiciones prolongadas pueden causar daños muy serios e incluso la muerte por distintos mecanismos, uno de los cuales es la destrucción de los componentes de la médula del hueso productora de los glóbulos rojos.
Por otro lado, las radiaciones del Sol, de los rayos cósmicos y de la radioactividad natural están presentes en todas partes, por lo que es inevitable algún grado de exposición a la radiación. Lo que constituye exactamente un nivel seguro de exposición a la radiación es una incognita, pero según las comprobaciones realizadas parece ser que exposiciones entre 10 y 100 veces la de las fuentes naturales rara vez son perjudiciales.
Grandes cantidades de radiación provocan ondas energéticas de alta resonancia. Estas ondas al cruzar por el cuerpo rompen algunos enlaces entre moléculas, especialmente en las que conforman el ADN. Al separarse estas rupturas en el ADN pueden producirse mutaciones que provocan que la síntesis de proteínas sea alterada para producir proteínas no funcionales o con funciones diferentes a que que deberían tener. Todo esto puede producir que los ciclo normal de apoptosis (muerte celular programada) sea alterado y que la proliferación de células no sea controlada por el organismo, prudiciendo excesivos nacimientos de células nuevas en el cuerpo sin control, las cuales provocan tumores y hasta cancer.
Existe una preocupación generalizada con los supuestos peligros de la radiación procedente de las centrales nucleares. Es indudable que el nivel de radiación de las centrales no es nulo, pero tambien existen otras emisiones de radiación que son aun mayores, como los de las centrales térmicas de carbón. La radioactividad del humo procedente de una central de térmica de carbón es mayor que la procedente de una central nuclear de funcionamiento adecuado y con una capacidad energética análoga. Es imposible eliminar todos los riesgos, y la mejor alternativa es un planeamiento inteligente del problema de minimizarlos, dado que la emisión de elementos radiactivos como los residuos de los reactores nucleares del Uranio o del Plutonio siguen emitiendo radiación nosiva por miles de años, lo cual las pérdidas de éstos elementos de las centrales nucleares se van acumulando en distintos lugares de la corteza terrestre y pueden provocar un aumento de los niveles naturales de radiación, lo cual puede ser peligroso para las generaciones futuras.

Fuentes consultadas:

Libro: "Fisica Universitaria"; Autores: Sears, Zemansky y Young; Editorial: Addison-Wesley Iberoamericana; 6º Edición, 1988.