ENERGIAS ALTERNATIVAS

A nivel mundial, la disponibilidad de energía se ha convertido en uno de los problemas más importantes. La gran mayoría de los países, tanto en desarrollo como industrializados, se ven afectados por demandas crecientes de energía para satisfacer sus metas de desarrollo económico y social, y la necesidad de complementar las fuentes comerciales con fuentes no convencionales se ha vuelto imperativa para la mayoría de ellos.

A  partir de la última década, se ha reconocido como inevitable que en un futuro no muy lejano la oferta de energía deberá sufrir una transición desde su actual dependencia de los hidrocarburos el 84% de la oferta interna bruta de energía primaria de México en 1992- hacia combinaciones energéticas más diversificadas.

Esta transición, que implica lograr el aprovechamiento de una variedad de fuentes de energía, prestando particular atención a los recursos renovables, presenta un reto tecnológico considerable y deberá realizarse en una forma gradual y ordenada.

 Entre las nuevas fuentes energéticas y nuevas tecnologías para obtener energía que se han venido considerando para formar parte de la oferta energética del futuro, se tienen las llamadas fuentes no convencionales de energía (FNCE), o fuentes alternas de energía, constituidas por la energía solar, la biomasa, la energía eólica, las pequeñas centrales hidroeléctricas y la geotermia.

 

ENERGIA SOLAR

 La energía solar es la fuente de energía que mantiene la vida en nuestro planeta. Es limplia, renovable, abundante y está disponible en la mayor parte de la superficie terrestre. La insolación que se recibe en una superficie horizontal es del orden de 1 kW/m2 al mediodía, variando de lugar a lugar según su latitud, nubosidad, humedad y otros factores.

 La energía solar es intermitente y variable; presenta variaciones diarias y estacionales, y está determinada por las condiciones atmosféricas. Debido a estas características, algunas aplicaciones de la energía solar requieren de sistemas de respaldo o de almacenamiento de energía. Sin embargo en otro tipo de aplicaciones, como podría ser el bombeo de agua, el almacenamiento de energía es reemplazado por almacenamiento del producto, en este caso agua.

 Comparada con las fuentes convencionales de energía, la energía solar presenta una baja densidad energética, pero puede ser concentrada para alcanzar altas temperaturas, habiéndose alcanzado hasta 3000 °K en hornos solares. Se puede convertir a energía mecánica y eléctrica con eficiencias razonables, del orden de 25% y 20% respectivamente. El aprovechamiento del efecto fotovoltaico en semiconductores, permite convertir la energía solar directamente a electricidad, con eficiencias del 5 al 20%.  

Los estudios que se han hecho en el país sobre la cantidad de energía solar aprovechable muestran que el recurso es grande, ya que la insolación promedio observada es de las más altas del mundo. La mayor parte del territorio (95%) recibe una radiación global anual promedio de más de 1,700 kWh/m, por lo que la energía solar es una de las fuentes de energía que seguramente brindará una importante contribución a la oferta energética del futuro en nuestro país.

BIOMASA

 La biomasa se define como toda la materia orgánica de origen vegetal o animal que puede convertirse a energía. Agunas aplicaciones bien conocidas de la biomasa incluyen la conversión de leña y residuos agrícolas y forestales por combustión directa para producir calor, vapor y/o electricidad, la conversión de caña de azúcar y granos por fermentación para producir alcohol combustible, la conversión de desechos orgánicos por biometanación para producir metano y bióxido de carbono (biogas), la conversión de residuos agrícolas y madereros a combustibles líquidos, sólidos y gaseosos por medio de procesos termoquímicos, y la producción de aceites vegetales que pueden emplearse como sustitutos del diesel.

 Como una medida del potencial de la biomasa como fuente energética, se puede indicar que por medio de la fotosíntesis se fijan en las plantas 80,000 millones de toneladas de carbono por año, con un contenido de energía que corresponde a unas diez veces el uso mundial de energía. Se puede señalar también que el contenido energético de la biomasa almacenada en la superficie terrestre es equivalente al de las reservas probadas de combustibles fósiles, incluyendo carbón, y que la energía total de las reservas estimadas de éstos últimos, sólo representa unos 130 años de fotosíntesis neta.

El uso excesivo de biomasa, especialmente leña, en algunas regiones, ha resultado en desforestación, erosión, inundaciones y asolve de corrientes de agua. Algunos métodos empleados para incrementar la producción de biomasa son por ejemplo las plantaciones de árboles de rápido crecimiento, tanto para usarse como leña, como para convertirlos a otros combustibles por procesos termoquímicos.  

El lapso en el que se proyecta que las áreas de producción y conversión de biomasa puedan tener un impacto significativo, se listan a continuación.  

- Inmediato:

 Combustión directa (tanto en pequeñas estufas eficientes como en calderas para generación de vapor para usos industriales y de generación eléctrica); Gasificación (gas de bajo poder calorífico); Biometanación de desechos animales y residuos urbanos y agroindustriales (biogas); Fermentación para producción de etanol (no se considera adecuada para el país dada la situación de déficit en la producción de alimentos como azúcar y cereales); Aceites vegetales empleados como combustibles en motores diesel; Densificación mecánica.

  - Corto (5 años):

Plantaciones de árboles de rápido crecimiento; Sacarificación de la celulosa para producción de etanol; Gasificación (gas de poder calorífico intermedio y alto).  

- Mediano (10 años):

Biomasa acuática para biometanación; Plantas de zonas áridas para producción de hidrocarburos; Gasificación y Licuefacción indirecta (metanol y otros combustibles sintéticos).

 - Largo (más de 20 años):

Licuefacción; Biofotólisis.  

La contribución de la biomasa a la oferta interna bruta de energía primaria del país en 1992 fue del 6.6%, lo que la coloca como la segunda fuente energética en importancia después de los Hidrocarburos.

 

ENERGIA EOLICA

 La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol, y las irregularidades de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña parte de la energía solar que llega a la tierra se convierte en energía cinética del viento, la cantidad total es enorme.

 La potencia de los sistemas conversores de energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, por lo que la velocidad promedio del viento y su distribución en un sitio dado son factores muy importantes en la economía de los sistemas.

 El recurso energético eólico es muy variable tanto en el tiempo como en su localización. La variación con el tiempo ocurre en intervalos de segundos y minutos (rachas), horas (ciclos diarios), y meses (variaciones estacionales). Esta variación implica que los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica se pueden operar mejor en tres situaciones.

 -Interconectados con otras plantas de generación, desde una pequeña planta diesel hasta la red de distribución eléctrica. En este caso, la potencia generada por el aeromotor de hecho permite ahorrar combustibles convencionales.

 -Utilizados en conjunto con sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías o sistemas de rebombeo.

 -Utilizados en aplicaciones donde el uso de la energía sea relativamente independiente del tiempo, tenga una constante de tiempo que absorba las variaciones del viento, o donde se pueda almacenar el producto final, como en algunos tipos de irrigación, bombeo y desalinización de agua.

 Debido a efectos del terreno, pueden ocurrir variaciones relativamente grandes de la velocidad del viento en distancias cortas. Estas variaciones sobre el terreno presentan la ventaja de que si se localizan áreas con buenos vientos, se pueden utilizar sitios con relativamente alta densidad energética, resultando en un aumento significativo de la energía capturada, y por tanto en la economía del sistema. Se tiene en consecuencia el reto de localizar los mejores sitios posibles y de determinar el recurso aprovechable en forma práctica de sitios particulares.

 A pesar de que la necesidad de sitios con buenos vientos es importante desde el punto de vista económico, no se deberá sobre-enfatizar fuera de contexto con las aplicaciones particulares; se podrá requerir de un sitio con vientos fuertes (por ejemplo más de 5 m/s de velocidad media anual) para competir con la generación eléctrica convencional cerca de una central eléctrica, mientras que para regiones remotas pueden ser adecuados sitios con menores velocidades (por ejemplo 3 m/s para aplicaciones de bombeo de agua y otras).

 La capacidad de generación eléctrica instalada actualmente con aerogeneradores llega a los 3,000,000 kW, la mayor parte en el estado de California, en los Estados Unidos. La energía se genera a costos competitivos con los de sistemas convencionales.

 Algunas de las características de los sistemas conversores de energía eólica a energía útil son las siguientes:  

-Es factible construir sistemas con capacidades de unos cuantos watts hasta 1,000 kW o más, estando comercialmente disponibles sistemas hasta 500 kW. Para mayores potencias se integran tantas unidades como sea necesario en las llamadas "granjas eólicas" o centrales eoloeléctricas.

 -La potencia en la flecha de un aeromotor se puede utilizar con una gran variedad de propósitos, incluyendo generación de electricidad en corriente directa y alterna, bombeo directo de agua, trabajo mecánico, etc., aunque el diseño del sistema será diferente para las varias aplicaciones.

 Con respecto a las aplicaciones actuales en el país, se cuenta únicamente con aerobombas de aspas múltiples, instaladas principalmente en el norte y el sureste. En el Istmo de Tehuantepec la CFE construye una central de 1000 kW, y el Municipio de Zacatecas construye otra de 2000 kW para abastecer parte de sus necesidades de alumbrado público.

 Las estaciones meteorológicas donde se registran datos de viento no fueron concebidas desde su inicio pensando en el viento como un recurso energético, por lo que es necesario llevar a cabo la prospección y caracterización de sitios con potencial energético eólico. En la actualidad se viene trabajando en la preparación de un Atlas Eólico Nacional que porporcionará una idea general de las regiones del país con buen potencial, tales como la zona de La Ventosa en Oaxaca, las costas del Pacífico, la Península de Baja California y la Mesa Central. Con base a esta información general, se deberá llevar a cabo una evaluación del recurso en una escala geográfica compatible con la aplicación y la región consideradas.

 En lo relativo al diseño y construcción de sistemas conversores de energía eólica, el esfuerzo realizado en en país es muy pequeño y se lleva a cabo solamente en el IIE. Existe en el país un fabricante de pequeños aerogeneradores de 4 kW, los que básicamente se exportan.

La implantación masiva de pequeñas aerobombas en las áreas rurales del país es técnicamente factible en forma inmediata; en el país existe desde hace varios años un fabricante de aerobombas que produce un modelo norteamericano bajo licencia, y en varios talleres se fabrican equipos esporádicamente. Los sistemas de generación eléctrica a base de energía eólica de pequeña y mediana capacidad, será económicamente viables en escala significativa dentro de los próximos cinco años; de hecho, muchas comunidades aisladas podrían aprovechar esta tecnología en un futuro inmediato. Se espera que la generación eléctrica en gran escala a partir de grandes aerogeneradores interconectados a la red de distribución eléctrica, podría ser comercialmente viable en el corto plazo (5 años), y ya lo es en la actualidad en muchos sitios.

 Como se indicó al inicio, la potencia desarrollada por los aeromotores depende fuertemente de la velocidad del viento. Es por lo tanto pertinente señalar que muchos de los aerogeneradores que se encuentran disponibles en el mercado fueron en general diseñados para las condiciones de viento prevalecientes en sus países de origen. En estos países, casi todos situados al norte del trópico, la intensidad de los vientos es muy superior a la que se presenta en México, por lo que los diseños no se adaptan a nuestras condiciones, y la energía entregada por los sistemas es considerablemente menor que la especificada.

Por todo lo anterior, es recomendable establecer las bases para lograr el apoyo al desarrollo tecnológico de los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica, respaldado por la infraestructura correspondiente de fabricación, instalación y financiamiento, con objeto de que la energía eólica contribuya de manera significativa a la oferta energética del futuro.

GEOTERMICA

 Hasta la fecha, los yacimientos geotérmicos que se han explotado para la generación eléctrica son del tipo de vapor seco, como Los Geysers en EUA y Larderello en Italia, o de agua dominante, como Cerro Prieto en México y Wairaki en Nueva Zelandia. La tecnología empleada para su explotación es comercial, aunque todavía tiene algunos aspectos de investigación y desarrollo. Existen otros tipos de yacimientos que por su naturaleza no son explotables con esta tecnología. Estos básicamente son dos: aquellos cuya temperatura es baja y no sólo se aprovechan para usos eléctricos, y aquellos que tienen la temperatura adecuada pero son secos. Además, se ha propuesto utilizar el gradiente térmico natural de la tierra, el cual a diez kilómetros de profundidad daría una temperatura de 300 °C o más; es decir, no es un yacimiento localizado sino que está presente en toda la superficie terrestre.  

Los yacimientos de baja temperatura (100 a 200 °C) han sido aprovechados en la extracción de compuestos químicos así como en aplicaciones de acondicionamiento ambiental de edificios e invernaderos. Su utilización en la generación eléctrica es técnicamente factible por medio de varios tipos de equipos, como son las turbinas de flujo total, las plantas de ciclo orgánico, etc. Los yacimientos de roca seca requieren la búsqueda de estas anomalías térmicas cerca de la superficie (1 a 2 km de profundidad), como se hace en los yacimientos normales, pero dificultada por la falta de manifestaciones superficiales como son los manantiales de aguas termales y fumarolas. Su explotación se pretende llevar a cabo por medio de la performación de dos pozos relativamente cercanos uno al otro, inyectando agua fría por el primero y sacándola por el segundo a la temperatura deseada. Para realizar este proceso, se requiere fracturar la roca entre el fondo de los dos pozos. Está en realización el primer experimento piloto de este proceso, encontrándose varios problemas a resolver como es la pérdida de agua y el control de la temperatura del agua de salida. Un esquema similar de explotación se utilizaría para aprovechar el gradiente térmico normal de la tierra, para el cual las perforaciones serían del orden de 10 km de profundidad.  

El más cercano de estos procesos a ser comercial es el de los sistemas de ciclo orgánico para aprovechar la energía contenida en fluídos a baja temperatura. En los últimos años, avances tecnológicos han reducido costos de los equipos y se espera que en poco tiempo esta tecnología se vuelva competitiva, abriendo una perspectiva importante de aprovechamiento de energía que hasta la fecha se desecha.  

El Efecto Invernadero

 El Efecto Ivernadero es lo que nos mantiene abrigados en la Tierra. Si alguna vez han estado en un auto o un invernadero en un día de sol puede apreciar lo bien que funciona. Los rayos del sol entran al invernadero o al auto a través de la ventana y parte de esa luz es convertida en rayos de calor que son retenidos en el interior.  

La Tierra es como un invernadero porque la luz del sol penetra la capa atmosférica donde se encuentra con gases invernadero como bióxido de carbono (C02), métano, óxido nitroso y ozono. Los rayos del sol son entonces convertidos en rayos de calor y son retenidos en la atmósfera por los distintos gases invernadero.

La mayoría de los gases invernadero, como el CO2, métano y óxido nitroso, están normalmente presentes en la atmósfera debido a procesos naturales. Con una cantidad adecuada de CO2 en la atmósfera, la Tierra se mantiene en equilibrio. Sin embargo, muchas actividades humanas, como la combustión de hidrocarburos y el talado de bosques, han aumentado los niveles de gases invernadero en la atmósfera. Además, los seres humanos han creado artificialmente poderosos gases invernadero llamados "CFC". Todos estos gases invernadero excesivos retienen cada vez más calor. La mayoría de los científicos opinan que como resultado, la temperatura en la Tierra ira incrementando.

Para los que vivimos en Canadá esto puede parecer deseable. Sin embargo un pequeño aumento de temperatura podría derretir los hielos en los polos Norte y Sur, elevando el nivel de los océanos e inundando ciudades costeras. Un aumento de temperatura de un cinco por ciento podría derretir totalmente la capa de hielo del Artico.

Aún peor, pequeños cambios de la temperatura normal podrían también causar cambios significantivos en los ecosistemas del mundo. ¿Qué pasaría si la pradera que ahora produce alimentos llega a ser demasiado seca e inhóspita? Cambios en ecosistemas como el bosque boreal podrían también dañar a otras especies naturales.  

El calentamiento de la Tierra podría causar climas cambiantes como tornados, sequías, inundaciones y huracanes. Podría también sostener y estimular plagas de insectos y hacer difícil la sobrevivencia de algunas especies.

 El problema real es que no conocemos la magnitud de los daños ocasionados por el aumento de temperatura de la Tierra debido al efecto invernadero. ¡Es un experimento inmenso y a mucha ente le atemoriza la idea! Podemos evitar estos efectos evitando la creación de gases invernadero como el CO2.

Los Gases Invernadero

 El bióxido de carbono es el gas invernadero más abundante . Es responsable por el 81% de las emisiones invernadero Bióxido de carbono (CO2) se produce o se arroja cuando hidrocarburos como carbono, petróleo y gasolina se queman. Autos, el quemado de leña y el talado de bosques también contribuyen CO2 a la atmósfera.

 Métano (CH4) constituye más o menos el 14 por ciento de las emisiones de gases invernadero en Canadá. Las fuentes principales de estas emisiones son la producción de petróleo y gasolina, la digestión animal y abonos, los botaderos municipales, y minería de carbon.  

 Oxido nitrógeno (N2O) constituye el cinco por ciento de las emisiones de gases invernadero en Canadá. Las fuentes principales son el transporte, la producción de acido adípico, y el uso de fertilizantes. El instituto determinó que en 1993, las emisiones de óxido nitroso se encontraban aproximadamente al mismo nivel que en 1990.


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