UNA JUSTIFICACION AL ESTUDIO DE LA ENERGIA SOLAR
Cap�tulo 1
1.1 INTRODUCCION.
La disponibilidad de recursos energ�ticos es uno de los factores m�s importantes en el desarrollo tecnol�gico de las naciones. A su vez, el desarrollo tecnol�gico determina la utilizaci�n de ciertos tipos de energ�a y, por tanto, la disponibilidad de ese
recurso.
Los recursos energ�ticos son usados por el hombre para satisfacer algunas de sus necesidades b�sicas en forma de calor y trabajo.
El calor es necesario para un sinn�mero de aplicaciones, como la climatizaci�n del espacio, la cocci�n de alimentos, o la producci�n o transformaci�n de algunos compuestos qu�micos. La utilizaci�n dom�stica del calor, con el dominio del fuego en las �poc
as prehist�ricas y la invenci�n de las m�quinas t�rmicas a partir del siglo XVII, constituyen algunos de los logros tecnol�gicos m�s grandes en la historia de la humanidad.
El trabajo, por otro lado, se utiliza para una variedad de procesos en los que hay que vencer fuerzas de oposici�n: para levantar una masa en un campo gravitacional; para deformar un cuerpo, estirar una liga o un resorte o hacer fluir un l�quido o gas; p
ara la mayor�a de los procesos industriales, al transformar materia prima en producto terminado; para el transporte de personas y de mercanc�as y hasta para tocar cualquier instrumento musical.
Calor y trabajo, en el sentido aqu� expuesto, son dos necesidades b�sicas en cualquier grupo humano, del nivel social, econ�mico o tecnol�gico que se quiera. Para producirlos, el hombre ha utilizado, a lo largo de su historia, una gran variedad de recurs
os energ�ticos. Al principio de nuestra era, por ejemplo, el calor -para calefacci�n, cocina, etc.- era producido en gran medida por medio de la combusti�n de le�a, mientras que el trabajo en peque�a escala era producido por la fuerza humana, a mediana es
ca
la se obten�a de ciertos animales domesticables -caballos, burros, bueyes, etc.- y a gran escala pod�a extraerse, por ejemplo, del viento que se utilizaba para mover los grandes veleros mercantes y de guerra.
Las primeras m�quinas t�rmicas de uso pr�ctico aparecieron hacia finales del siglo XVII. En la segunda mitad del siglo XVIII, el escoc�s James Watt perfeccion� la m�quina de vapor y con ello se facilit� la producci�n industrial de cantidades relativament
e grandes de trabajo a partir de la combusti�n, primero de le�a y despu�s de carb�n mineral. A principios del siglo XIX ya exist�an en Inglaterra y en Estados Unidos algunos barcos de vapor que efectuaban viajes comercialmente. Antes del segundo tercio de
l
mismo siglo, entr� en servicio en Inglaterra un ferrocarril propulsado por una m�quina de vapor.
Las m�quinas de vapor eran de "combusti�n externa". Este concepto implica que la fuente de calor que se utilice no es muy importante, siempre que cumpla con ciertos requisitos. As�, una m�quina de vapor que puede funcionar con le�a, tambi�n puede hacerlo
con carb�n, con petr�leo o con ciertos residuos de basura. Hace m�s de cien a�os, se construy� en Francia una m�quina de vapor cuya fuente de energ�a era el Sol.
Hacia mediados del siglo XIX se inventaron los primeros motores de combusti�n interna. Estos requieren un combustible muy espec�fico para funcionar. Con el tiempo, debido a razones t�cnicas y econ�micas, los motores de combusti�n interna, principalmente
los de gasolina y diesel, se hicieron cada vez m�s seguros, confiables, econ�micos y, por tanto, abundantes. Aparecieron tambi�n otras m�quinas t�rmicas, como las turbinas y los motores a reacci�n, que tambi�n consumen combustibles muy espec�ficos. Fue as
�
como nuestra sociedad se fue haciendo extraordinariamente dependiente de los combustibles f�siles.
Los combustibles f�siles comprenden principalmente el petr�leo y sus derivados (gasolinas, diesel, turbosina, etc.), el gas natural y el carb�n mineral. Al principio de la explotaci�n de estos recursos, se consideraban ilimitados y su impacto ambiental e
ra despreciable. Sin embargo, debido al extraordinario crecimiento de la poblaci�n mundial (y nacional), junto con el aumento en el consumo per capita de estos recursos, s�lo queda petr�leo disponible para su explotaci�n econ�mica durante la primera mitad
d
el siglo XXI.
Por otro lado, el consumo masivo de hidrocarburos est� produciendo ya alteraciones de la atm�sfera a nivel mundial. Los niveles de bi�xido de carbono que se detectan actualmente son significativamente mayores que los que exist�an en 1950. Esto produce el
conocido efecto invernadero, que est� produciendo ya un incremento en las temperaturas promedio mundiales. No es objeto de este curso discutir las implicaciones geogr�ficas, biol�gicas, agr�colas, econ�micas y sociales de este calentamiento atmosf�rico,
pe
ro es obvio que una alteraci�n artificial no controlada y con consecuencias que no conocemos, no puede ser deseable. Los combustibles f�siles tambi�n son causantes de la llamada lluvia �cida, que en los bosques cercanos a las �reas altamente industrializa
das est� causando grandes da�os al suelo, y por tanto a la flora y la fauna. En las grandes ciudades, la combinaci�n de las emisiones de gases de combusti�n, con algunos otros fen�menos naturales, como las inversiones t�rmicas, la humedad y la radiaci�n s
ol
ar produce algunos efectos indeseables para la salud humana, como el humoniebla (smog), las altas concentraciones de ozono y, en general, la concentraci�n de componentes indeseables en la atm�sfera.
Tanto por razones econ�micas (pr�xima escasez de hidrocarburos) como ecol�gicas (alteraci�n de la atm�sfera y el suelo), es imperativo el desarrollo de nuevas alternativas energ�ticas, que sean menos agresivas contra el ambiente. El actual esquema de con
sumo energ�tico, tanto en M�xico como a nivel global, simplemente no es sustentable, es decir, no puede mantenerse indefinidamente sin amenazar su propia existencia. Algunos modelos que consideran los efectos que est� teniendo actualmente el uso y abuso d
e
los combustibles f�siles, considerando las posibles tendencias futuras, amenazan con producir una cat�strofe en contra de la humanidad, antes de que termine el siglo XXI.
Existen muchas alternativas energ�ticas. Algunas de ellas no han sido desarrolladas por limitaciones t�cnicas y econ�micas, otras se ha utilizado s�lo parcialmente. A continuaci�n damos un listado de las principales:
Se considera no renovable la energ�a que est� almacenada en cantidades inicialmente fijas, com�nmente en el subsuelo. A medida que se consume un recurso no renovable, se va agotando. Las reservas disponibles est�n sujetas a la factibilidad t�cnica y econ�
mica de su explotaci�n, al descubrimiento de nuevos yacimientos y al ritmo de extracci�n y consumo.
Se llama energ�a f�sil la que se obtiene de la combusti�n (oxidaci�n) de ciertas substancias que, seg�n la geolog�a, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulaci�n de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de a�os.
Petr�leo y sus Derivados. El petr�leo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidr�geno) en fase l�quida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilaci�n y otros procesos, se obtienen las diversas gasolinas,
el diesel, la turbosina, la tractolina, el chapopote, etc. En M�xico este es un recurso abundante, pero muy sobreexplotado para fines energ�ticos y financieros. A nivel mundial ya no es un recurso abundante.
Gas Natural. El gas natural est� compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracci�n m�s ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa. En M�xico este recurso ha sido poco aprovechado.
Carb�n Mineral. El carb�n mineral es principalmente carbono, tambi�n de origen f�sil, que se encuentra en grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial, el carb�n mineral es abundante, pero no lo es en M�xico. Los problemas ecol�gicos que causa son
a�n mayores que los inherentes al petr�leo y sus derivados.
La energ�a geot�rmica consiste en extraer calor del magma incandescente de la Tierra, por medio de vapor. Mediante procesos t�rmicos, es posible generar electricidad, en las plantas llamadas "geotermoel�ctricas". El magma se encuentra cerca de la superfi
cie terrestre en las zonas con gran actividad volc�nica, y es donde es m�s explotable. En algunos casos el vapor o el agua caliente brotan espont�neamente. En otros, es necesario inyectar agua en pozos y extraerla como vapor. M�xico tiene gran riqueza geo
t�
rmica en algunas regiones, pero su principal aplicaci�n ha sido en balnearios de aguas termales. N�tese que el aprovechamiento de la energ�a geot�rmica no involucra una combusti�n.
La energ�a nuclear se obtiene de la modificaci�n de los n�cleos de algunos �tomos, muy pesados o muy ligeros. En esta modificaci�n, cierta fracci�n de su masa se transforma en energ�a. La liberaci�n de energ�a nuclear, por tanto, tampoco involucra combust
iones, pero s� produce otros subproductos agresivos al ambiente.
Fisi�n. La fisi�n nuclear consiste en la desintegraci�n de �tomos pesados, como ciertos is�topos del uranio y el plutonio, para obtener �tomos m�s peque�os. Dentro de la fisi�n existen diversas variantes. Esta es la forma con que operan los reactores nuc
leares comerciales.
Fusi�n. La fusi�n nuclear consiste en obtener �tomos de mayor tama�o, a partir de ciertos is�topos de �tomos peque�os, como el tritio. Te�ricamente �sta ser�a una fuente de energ�a abundante, debido a que existe una cierta fracci�n de tritio en el agua d
e los oc�anos. No se ha logrado desarrollar una t�cnica para aprovechar la fusi�n nuclear en la Tierra con fines pac�ficos (como veremos, el Sol, como cualquier estrella, es un reactor nuclear de fusi�n).
Se llama energ�a renovable la que, administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible (en la Tierra) no disminuye a medida que se aprovecha. Para tener un esquema de desarrollo sustentable es indispensable qu
e la mayor�a de los recursos, y particularmente la energ�a, sean del tipo renovable.
La principal fuente de energ�a renovable es el Sol. Como se explicar� m�s adelante, el Sol env�a a la Tierra �nicamente energ�a radiante, es decir, luz visible, radiaci�n infrarroja y algo de ultravioleta. Sin embargo, en la atm�sfera se convierte en una
variedad de efectos, algunos de los cuales tienen importancia como recurso energ�tico, tal es el caso de la energ�a e�lica, la energ�a de la biomasa, la diferencia de temperaturas oce�nicas y la energ�a de las olas, que a continuaci�n se describir�n en f
or
ma breve.
La energ�a solar, como recurso energ�tico terrestre, est� constituida simplemente por la porci�n de la luz que emite el Sol y que es interceptada por la Tierra. M�xico es un pa�s c hamiento se logra por medio del calentamiento de alg�n medio. La climatizaci�n de viviendas, calefacci�n, refrigeraci�n, secado, etc., son aplicaciones t�rmicas. La mayor�a de este curso se cent
ra en este tipo de aprovechamiento de la energ�a solar.
Fotovoltaica. Se llama "fotovoltaica" la energ�a solar aprovechada por medio de celdas fotoel�ctricas, capaces de convertir la luz en un potencial el�ctrico, sin pasar por un efecto t�rmico.
La energ�a e�lica es la energ�a que se extrae del viento. Las aplicaciones m�s comunes son: transporte (veleros), generaci�n el�ctrica y bombeo de agua. La energ�a e�lica es derivada de la energ�a solar, porque una parte de los movimientos del aire atmosf
�rico se debe al calentamiento causado por el Sol (tambi�n existe un efecto de la rotaci�n de la Tierra y otro de la atracci�n gravitacional de la Luna y el Sol). En M�xico hay regiones en donde la energ�a e�lica es muy abundante: principalmente las costa
s
y el Istmo de Tehuantepec.
La forma m�s antigua de aprovechamiento de la energ�a solar, inventada por la Naturaleza misma, es la fotos�ntesis. Mediante este mecanismo las plantas elaboran su propio alimento (su fuente de energ�a) y el de otros seres vivientes en las cadenas aliment
icias. Pero tambi�n mediante fotos�ntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, adem�s de su valor energ�tico. A partir de la fotos�ntesis puede utilizarse la energ�a solar para producir substancias con alto contenid
o
energ�tico (liberable mediante una combusti�n) como el alcohol y el metano.
Se ha propuesto utilizar la diferencia de temperatura que existe entre la superficie del oc�ano (unos 20�C o m�s en zonas tropicales) y la correspondiente a unas decenas de metros abajo de la superficie (cercana a 4�C), para proporcionar los flujos de cal
or para impulsar un ciclo termodin�mico y producir otras formas de energ�a.
Tambi�n se ha propuesto aprovechar, en ciertos lugares privilegiados, el vaiv�n de las olas del mar para generar energ�a el�ctrica. Las olas son, a su vez, producidas por el efecto del viento sobre el agua. Por tanto, tambi�n es una forma derivada de la e
nerg�a solar.
La energ�a hidr�ulica es la que se obtiene a partir de ca�das de agua, artificiales o naturales. T�picamente se construyen presas en los lugares con una combinaci�n de gasto anual de agua y condiciones orogr�ficas adecuadas. Estrictamente, tambi�n esta es
una forma derivada de la energ�a solar, porque el Sol provee la fuerza impulsora del ciclo hidrol�gico. Sin embargo, tradicionalmente se ha considerado como una forma de energ�a aparte. M�xico tiene condiciones orogr�ficas muy adecuadas pero, a excepci�n
d
e la regi�n sureste, la precipitaci�n pluvial no es abundante.
En algunas regiones costeras se dan unas mareas especialmente altas y bajas. En estos lugares se ha propuesto construir grandes represas costeras que permitir�an generar energ�a el�ctrica con grandes vol�menes de agua aunque con peque�as diferencias de al
tura. Es como la energ�a hidr�ulica, pero su origen es la atracci�n gravitacional del Sol y principalmente de la Luna, en vez del ciclo hidrol�gico. En M�xico, en general, este recurso no es abundante.
Como puede verificarse, en realidad no existe un problema de falta de recursos energ�ticos. Una parte del problema energ�tico actual consiste en que nuestra sociedad se ha hecho muy dependiente de un s�lo recurso: los hidrocarburos. En otras palabras, se
ha rezagado el desarrollo tecnol�gico y, por tanto, la viabilidad econ�mica de algunas otras alternativas energ�ticas.
El contenido de este curso est� orientado hacia una introducci�n a la naturaleza y aplicaciones de la energ�a solar, sus posibles alcances y sus limitaciones. En el contexto que nos ocupa, la energ�a solar es una de las alternativas m�s interesantes por
ser muy abundante en M�xico y, al mismo tiempo, muy "amigable" con el ambiente. No es la �nica alternativa; y en muchos casos no es la mejor, o no es la m�s econ�mica, pero existen ciertas aplicaciones actuales y otras potenciales, que vale la pena estudi
ar
para ponerlas en funcionamiento siempre que sea posible. De esta forma se ahorran energ�ticos convencionales, se alarga su duraci�n y se disminuye el impacto ambiental que implica su utilizaci�n.
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