Energies Renovables: Guia Completa de Fonts i Aprofitament

Energies alternatives o renovables

Són aquelles que provenen de fonts d'energia que es renoven contínuament. L'energia del Sol va originar la majoria d'energies renovables. Les energies renovables s'utilitzen poc perquè el seu aprofitament sol ser econòmicament costós.

Els Plans Energètics Nacionals (PEN) consideren dos factors determinants respecte a les energies renovables:

• Disminució del consum de combustibles fòssils per a la producció d'energia primària.
• Reducció dels impactes en el medi natural i producció d'energia primària.

Beneficis de les energies renovables

• Reducció de les emissions de diòxid de carboni (CO₂) per càpita.
• Protecció de l'entorn natural.
• Suport a centres de recerca, laboratoris d'investigació i centres universitaris, amb els beneficis derivats.
• Afavorir el reequilibri territorial.

Energia solar i centrals solars

L'energia solar arriba a la superfície de la Terra directament (radiació directa) o quan es reflecteix amb la pols i el vapor d'aigua que conté l'atmosfera (radiació difusa).

Inconvenients de l'energia solar

• La radiació arriba de manera dispersa i inconstant a la superfície terrestre.
• S'ha de transformar, en el moment que arriba, en energia tèrmica o elèctrica, ja que no es disposa de cap sistema d'emmagatzematge eficaç.
• És necessària una inversió inicial elevada, atès que els sistemes de captació encara són relativament cars.

Sistemes d'aprofitament de l'energia solar

Hi ha dos sistemes d'aprofitament:

• La via tèrmica, que transforma la radiació solar en energia tèrmica.
• La conversió fotovoltaica, en què la radiació es transforma directament en energia elèctrica.

Un avantatge pot ser que s'aconsegueix un rendiment de fins al 65% en la transformació d'energia radiant en energia tèrmica. L'aprofitament tèrmic es pot realitzar mitjançant sistemes actius, com captadors amb o sense concentració de la radiació, i amb centrals termosolars per a la producció d'energia elèctrica.

Aprofitament tèrmic de baixa temperatura

• Els més utilitzats són els captadors plans (col·lectors) que es basen en l'efecte d'hivernacle i s'utilitzen per obtenir aigua calenta.

Aprofitament tèrmic de mitjana i alta temperatura

• Per a l'obtenció indirecta d'energia elèctrica en les anomenades centrals termosolars.

També és possible l'aprofitament passiu de la radiació solar amb la construcció de cases amb un disseny arquitectònic adaptat a l'entorn i al clima que les envolta.

Centrals termosolars

A través de l'energia tèrmica obtenim energia elèctrica mitjançant la radiació solar, la qual segueix un mateix procés: la radiació solar es concentra sobre un fluid i es transforma en energia tèrmica; després, el fluid escalfat passa per un intercanviador que produeix vapor, el qual acciona els turboalternadors i, finalment, s'obté energia elèctrica.

Centrals amb col·lectors distribuïts o de concentració

• Concentren la radiació solar que reben de la superfície captadora, la qual cosa permet produir temperatures d'uns 300ºC, generant vapor a alta temperatura que s'utilitza per generar electricitat.

Els principals inconvenients són que només aprofiten la radiació directa i han de disposar d'un sistema de seguiment del Sol (heliòstat), els quals estan accionats per un servomotor comandat per un microordinador.

Centrals solars de torre central

• Aprofiten l'energia solar a alta temperatura. Aquest sistema de captació està format per un camp d'heliòstats, els quals concentren la radiació solar en un receptor que es troba a l'extrem superior d'una torre.

Heliòstats

Miralls amb un sistema de seguiment de la trajectòria del Sol, que només aprofiten la radiació directa.

Conversió fotovoltaica

Transforma la radiació solar directament en energia elèctrica, mitjançant captadors formats per cèl·lules fotovoltaiques, les quals utilitzen el silici com a material semiconductor. L'energia fotovoltaica es divideix en: instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica (electrificacions rurals, senyalització i comunicació) i instal·lacions connectades a la xarxa (centrals fotovoltaiques i sistemes integrats en edificis).

Sistemes d'aprofitament d'energia solar de baixa temperatura

L'efecte d'hivernacle

• Consisteix a retenir la radiació infraroja que emet un objecte escalfat dins d'un espai tancat amb un material, amb la intenció d'augmentar la temperatura d'aquest espai. Hi ha tres tipus: cos transparent, reflectant i absorbent.

Sistemes d'aprofitament

• S'utilitzen per estalviar diners en el consum d'energia a l'habitatge i es classifiquen en:

Sistemes passius (Arquitectura bioclimàtica)

Aquest sistema de captació realitza de forma natural la distribució de l'energia tèrmica i és el fonament de l'arquitectura bioclimàtica.

L'arquitectura bioclimàtica busca l'obtenció del confort aprofitant l'energia solar i la ventilació natural. Els elements bàsics són:

• Vidrieres: Capten l'energia solar i retenen la calor mitjançant l'efecte d'hivernacle.
• Massa tèrmica: Té la finalitat d'emmagatzemar la calor. Solen ser elements estructurals.
• Elements de protecció: Són aïllaments, com persianes, teulades, etc.
• Reflectors: Superfícies que produeixen increments de radiació a l'hivern i actuen com a protecció a l'estiu.

Sistemes actius

Sistema de captació de l'energia solar amb un conjunt de col·lectors plans, per poder escalfar un fluid i utilitzar-lo en l'habitatge per a calefacció. Les seves instal·lacions estan formades per:

• Subsistema de captació: Format pels captadors i la resta d'elements que enllacen amb l'emmagatzematge.
• Subsistema d'emmagatzematge: Intermediari entre la captació i el consum.
• Subsistema de consum: Format per canonades i altres elements que enllacen l'emmagatzematge amb els diferents punts de demanda. Aquest subsistema té un equip d'energia que és comandat per un sistema de control. Té dos sistemes: circulació natural i circulació forçada (on l'aigua és impulsada per una bomba).
• Circuit obert: On l'aigua que circula pels col·lectors és utilitzada per al consum, però amb els inconvenients que es puguin originar incrustacions a l'aigua i, en climes freds, s'hagin d'afegir anticongelants.
• Circuit tancat: Està dividit en dos circuits: el primari, on l'aigua té additius contra la corrosió i la congelació i també alimenta l'intercanviador; i el secundari, que és per al consum i rep l'energia del sistema primari.

Captador o col·lector

Element principal de la instal·lació, encarregat de captar l'energia de la radiació solar i transferir-la al fluid que s'ha d'escalfar. El seu funcionament es basa en l'efecte d'hivernacle.

• La placa absorbent: Element encarregat d'absorbir la radiació solar i cedir-la en forma de calor al fluid que circula pel seu interior.
• La coberta transparent: Té la funció de reduir les pèrdues, protegir la placa absorbent de la intempèrie i crear l'efecte d'hivernacle.
• L'aïllament tèrmic: Redueix les pèrdues de calor a través del fons i les parets laterals del captador.
• La caixa contenidora: Allotja tots els elements del col·lector i pot ser de plàstic o acer.

Centrals eòliques

Per aprofitar l'energia eòlica s'utilitzen aeroturbines (molins de vent), les quals converteixen l'energia cinètica del vent en energia mecànica mitjançant pales que giren en un eix.

Els aeromotors són màquines lentes que tenen nombroses pales (entre 12 i 24) i utilitzen l'energia mecànica directament. Els aerogeneradors són màquines ràpides perquè tenen poques pales (2 o 3) i transformen l'energia mecànica en elèctrica.

Parts d'una aeroturbina

• La turbina: Transforma l'energia del vent en mecànica.
• Sistema d'orientació: Orienta la turbina perpendicularment a la direcció del vent.
• Sistema de regulació: Disminueix la velocitat d'engegada, manté la potència i la velocitat de la turbina, i l'atura quan sobrepassa la velocitat determinada.
• El convertidor energètic: S'encarrega de transformar l'energia mecànica obtinguda en la turbina.
• La bancada: Element estructural que suporta i protegeix el convertidor energètic.
• La torre: Té la funció de suport i d'elevar la turbina per millorar la captació.

Tipus d'aerogeneradors

• Aerogeneradors d'eix vertical: No necessiten sistema d'orientació per adaptar-se a la direcció del vent perquè estan orientats per simetria. El seu rendiment és inferior als d'eix horitzontal.
• Aerogeneradors d'eix horitzontal: Tenen un sistema de captació més desenvolupat. En relació amb la posició de la turbina respecte de la torre, es divideixen en:
  • Turbines d'esquena al vent: No necessiten sistemes d'orientació, la carcassa en fa la funció.
  • Turbines de cara al vent: Necessiten sistema d'orientació (cua, hèlix lateral o mecanismes automàtics). Aquestes turbines es classifiquen en pas variable (gira en el seu eix) i pas fix (no gira en el seu eix).

Parcs eòlics

Instal·lacions que aprofiten l'energia elèctrica obtinguda amb aerogeneradors.

Centrals geotèrmiques

L'energia geotèrmica és una part de l'energia intrínseca de la Terra que es manifesta en calor. Les condicions geològiques per determinar un jaciment geotèrmic són:

• Presència a profunditat adient de roques poroses i permeables que permetin l'acumulació i circulació de fluids.
• Un flux de calor anormal que escalfi l'aqüífer.
• Existència d'una capa impermeable, que actuï de cobertor, de manera que s'eviti la dissipació del sistema termal aigua-roca.

La temperatura del fluid extret dels jaciments geotèrmics es divideix en: energia alta (temperatura superior a 150ºC), mitjana (temperatura entre 90 i 150ºC) i baixa (temperatura inferior als 90ºC).

Tipus de centrals geotèrmiques

Per transformar l'energia geotèrmica en elèctrica depèn del tipus de fluid, i això determinarà el tipus de tractament. Hi ha dos tipus de centrals:

• Centrals de condensació: On el vapor que surt de la turbina es condensa i es pot tornar a utilitzar, alhora que tanca el cicle.
• Centrals sense condensació: En què el vapor utilitzat s'evacua directament a l'atmosfera.

L'inconvenient és que les centrals duren uns 40 anys, a causa de la corrosió que provoca el vapor d'aigua sense tractar, i també per l'obstrucció de les canonades.

Centrals mareomotrius

Energia de les marees

El moviment de pujada i baixada del nivell de l'aigua s'aprofita per obtenir energia elèctrica. L'amplitud de les marees té dos nivells: plenamar i baixamar. Es construeix un dic per retenir les aigües de plenamar i, quan baixa el nivell, s'obren les comportes per aprofitar l'energia potencial de l'aigua emmagatzemada i obtenir energia elèctrica. Els inconvenients són l'alt cost d'instal·lació, el funcionament discontinu i que la major part de l'energia es produeix a la nit (on la demanda d'energia és mínima).

L'energia de les ones

La seva font d'energia és el Sol. L'aprofitament és rendible i requereix elevades inversions. Hi ha tres prototips significatius que utilitzen el mateix principi: l'ona pressiona sobre un cos que comprimeix un fluid, el qual acciona una turbina.

• Paleta oscil·lant de Salter: En un eix comú hi ha un conjunt de pales de moviment independent, les quals oscil·len amb el moviment de les ones i accionen un motor que comprimeix un fluid fins a la turbina.
• Convertidor pneumàtic: Utilitza el moviment de les ones per desplaçar l'aire contingut a l'interior de la boia cap a l'exterior mitjançant la turbina (de doble acció).
• Cilindre oscil·lant de Bristol: Cilindre de formigó amb peus extensibles que, amb el seu balanceig, succiona i bombeja aigua a elevada pressió a una turbina mitjançant bombes situades en els seus peus. L'energia generada és transmesa per cables submarins.

L'energia tèrmica dels oceans

Per aprofitar aquesta font d'energia s'utilitza el circuit obert (per evaporar aigua a baixa pressió i moure una turbina) i el circuit tancat (moviment d'un turbogenerador amb l'evaporació d'un fluid de baixa temperatura d'ebullició i l'energia tèrmica de l'aigua calenta de la superfície. Aquest motor mou un turbogenerador i condensa amb l'aigua freda de les profunditats). El principal inconvenient és el rendiment baix.

La biomassa

Matèria orgànica d'origen vegetal o animal, obtinguda de manera natural o mitjançant transformacions artificials, utilitzada amb la finalitat d'energia. La transformació de la biomassa en combustible es divideix en:

Processos físics

Prepara la biomassa per a l'ús com a combustible o per a processos bioquímics o termoquímics.

• Refinament: Adequa la biomassa a condicions de granulometria, humitat o composició per mitjà de la trituració.
• Densificació: Millora la propietat de la biomassa amb briques i pèl·lets per augmentar la possibilitat d'emmagatzemar i transportar.

Processos termoquímics

La biomassa se sotmet a condicions de pressió i temperatura per obtenir combustibles sòlids, líquids i gasosos.

• Piròlisi o Destil·lació seca: Consisteix en la degradació tèrmica de les molècules de la biomassa en absència d'oxigen i és el mètode tradicional d'obtenció de carbó.
• Gasificació: Combustió incompleta de biomassa en presència de l'oxigen de l'aire. S'obté un gas pobre format per CO, H₂ i CH₄, entre altres, i es realitza en gasogens (instal·lacions).

Processos bioquímics

La biomassa és sotmesa a la fermentació seguint dos processos:

• Digestió anaeròbica: Amb la fermentació s'obté el biogàs i la matèria es converteix en gas metà i diòxid de carboni. La durada d'aquest procés depèn de la temperatura.
• Fermentació aeròbica: Per a l'obtenció de bioalcohol, mitjançant la fermentació i la presència d'oxigen a l'aire. El bioalcohol es pot utilitzar com a combustible de motor d'explosió.

Per a la producció d'energia elèctrica s'utilitzen els següents sistemes:

• Combustió de la biomassa en una caldera adequada per a la producció de vapor que acciona un grup turboalternador.
• Transformació de la biomassa en combustibles gasosos mitjançant processos bio- o termoquímics, per alimentar motors alternatius o turbines de gas que accionen el seu alternador.

La biomassa sòlida és per a aplicacions tèrmiques convencionals, la líquida per a motors de vehicles i la gasosa per a la producció d'electricitat (sobretot en el sistema de cogeneració).

Biocombustibles

Combustibles líquids que s'obtenen de transformacions de la biomassa.

• Biodièsel: S'obté a partir d'olis vegetals, ja siguin purs o usats. Actualment, amb processos de fabricació millorats, s'obtenen propietats semblants a les del gasoil.
• Bioalcohols: Són el metanol (s'obtenia per destil·lació de la fusta, però actualment es produeix a partir de gas natural o derivats del petroli i s'utilitza com a additiu [MTBE] per a les gasolines i com a carburant per a motors d'altes prestacions) i l'etanol (s'obté a partir de la fermentació aeròbica de materials orgànics amb elevat contingut de sucres o midons i s'utilitza com a combustible, sol o barrejat amb altres carburants d'origen fòssil [barrejat amb gasoil = motor dièsel i barrejat amb gasolina = motor de gasolina] o additiu [ETBE], per a gasolines sense plom).