Fuentes de Energía Renovables: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Energía Hidráulica

La energía hidráulica es la que posee el agua de los ríos, adecuadamente encauzada en los embalses. El origen de esta energía es el Sol, que obliga al agua a hacer un ciclo. Ha sido también llamada hulla blanca. En sus primeras aplicaciones se aprovechaban el caudal y el desnivel de los saltos de agua para accionar directamente las turbinas hidráulicas. Hoy en día, dicha energía no se utiliza directamente; la turbina acciona un alternador que produce energía eléctrica, que resulta más fácil de transportar a distancia. Este proceso de conversión se lleva a cabo en las centrales hidroeléctricas.

Centrales Hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas son aquellas instalaciones que transforman la energía potencial del agua de los ríos en energía eléctrica: energía potencial - (tuberías) - energía cinética del agua - (turbinas) - energía cinética del eje - (alternador) - energía eléctrica. Según el caudal, se diferencian dos tipos:

• Centrales de agua embalsada: si el caudal del río es variable, se acumula el agua mediante un embalse para conseguir una producción de energía regular.
• Centrales de agua fluyente: si el caudal es prácticamente constante en las diferentes estaciones, la energía potencial del agua se aprovecha directamente o por medio de un embalse de dimensiones reducidas.

La Presa

La presa es una estructura (generalmente de hormigón) destinada a retener el agua de un río, formando un embalse. Los tipos más importantes son:

• Presas de gravedad: reciben este nombre porque contrarrestan con su peso el empuje del agua. Su sección es triangular o trapezoidal. Son insensibles a los agentes atmosféricos y al desbordamiento, pero su construcción es lenta y necesitan gran cantidad de materiales. Corren peligro de formación de grietas.
• Presas de gravedad aligeradas: poseen una estructura hueca que sirve para disminuir su peso. Su seguridad es mayor y son muy elásticas a las dilataciones.
• Presas de arco o bóvedas sencillas: tienen su parte convexa dirigida aguas arriba, sección triangular, más estilizadas que las presas de gravedad. Se construyen cuando el terreno es lo suficientemente sólido, pues el empuje del agua lo transmiten a los laterales, donde se apoyan en las laderas del valle.

Todas están calculadas para que retengan la máxima cantidad de agua, pero una vez alcanzada la cota máxima, debe asegurarse que el agua en exceso pueda salir libremente, ya sea por encima o a través de aliviaderos, o por medio de un conducto que comunique el interior con el exterior mediante un túnel que desemboca aguas debajo de la presa.

Funcionamiento de una Central Hidroeléctrica

El agua del embalse fluye a través de la tubería. Las compuertas regulan el caudal de agua y actúan como filtro. Al llegar a los grupos turbina-alternador, el agua hace girar la turbina y al alternador, produciéndose una corriente alterna de alta tensión relativamente baja. Mediante transformadores, se convierte en corriente de alta intensidad y baja tensión, que se envía a las líneas de transporte.

Tipos de Centrales

Según la potencia generada, pueden ser:

• Minicentrales hidráulicas: entre 250 kW y 5000 kW.
• Macrocentrales o simplemente centrales hidroeléctricas: generan una potencia superior a 5000 kW.

Clasificación según la estructura:

• Centrales de aprovechamiento por derivación de las aguas.
• Centrales de aprovechamiento por acumulación de las aguas.
• Centrales de bombeo.

Energía Solar

Una parte de esta energía (en forma de radiación visible, infrarroja y rayos ultravioleta) llega a la Tierra. Concretamente, en las capas altas de la atmósfera, la intensidad de la radiación solar es de 1,38 kW/m². Aunque la energía llega continuamente, su incidencia en una zona determinada depende de factores como la hora del día, la inclinación de la Tierra respecto al Sol (variable a lo largo del año), las condiciones meteorológicas y el grado de contaminación de la atmósfera.

Formas de Aprovechamiento de la Energía Solar

Su aprovechamiento se puede realizar desde dos perspectivas diferentes: aprovechando el calor o la luz.

Conversión Térmica

Cuando un cuerpo se expone al Sol, parte de las radiaciones que inciden sobre él son reflejadas y otra parte absorbidas, pudiendo darse todas las situaciones posibles entre los dos casos extremos siguientes: si el cuerpo es negro, absorbe todas las radiaciones y se calienta; si el cuerpo es blanco, es al revés. Se basa en la absorción del calor del Sol y puede ser de tres tipos diferentes: baja, media y alta temperatura.

Conversión Térmica de Baja y Media Temperatura

Se lleva a cabo mediante colectores o captadores, que son dispositivos que absorben el calor del Sol y lo transmiten a un fluido caloportador. Pueden ser:

• Planos: se emplean para calefacción de viviendas e invernaderos, así como para la obtención de agua caliente y la climatización de piscinas.
• De concentración: los sistemas de baja y media temperatura se emplean también para la obtención de sal y para la desalinización y potabilización del agua del mar.

Conversión Térmica de Alta Temperatura

La obtención de altas temperaturas a partir de la energía solar puede llevarse a cabo con distintas finalidades:

• Hornos solares: se utilizan con fines experimentales.
• Centrales solares: son instalaciones que transforman la energía solar en eléctrica. Para que su potencia sea competitiva, se requieren temperaturas altas.

Aprovechamiento Pasivo de la Energía Solar

Se aprovecha para el calentamiento de un recinto, proceso en el que hay dos fenómenos cuyos efectos son: se aísla el recinto por medio de cristales de vidrio que permitan el paso de la radiación solar; se instalan acumuladores que almacenen el calor absorbido en las horas de máxima irradiación y hagan posible su utilización posterior.

Conversión Fotovoltaica

La luz del Sol se transforma directamente en energía eléctrica en las llamadas células solares o fotovoltaicas, constituidas por un material semiconductor, por ejemplo, el silicio. Al incidir la luz sobre estas células, se origina una corriente eléctrica. Aunque el rendimiento de este proceso es muy pequeño (en el mejor de los casos, un 25%), el rendimiento disminuye al elevar la temperatura. Las instalaciones fotovoltaicas han de ir provistas de acumuladores capaces de almacenar la energía eléctrica no utilizada. Con tal objeto, se utilizan baterías de plomo o níquel-cadmio. El único problema que presentan en la actualidad las células fotovoltaicas es su elevado coste. Se utilizan en: centrales fotovoltaicas, pequeñas instalaciones, viviendas, satélites.

Energía Eólica

La energía eólica es la energía cinética del viento. Su origen radica en el Sol. Al calentarse desigualmente las masas de aire de la atmósfera, se producen diferencias de presión que originan el movimiento del aire desde las zonas de altas presiones a las de baja. Se calcula que, aproximadamente, el 2% de la energía solar que llega a la Tierra se transforma en energía cinética de los vientos.

Máquinas Eólicas o Aerogeneradores

Las máquinas eólicas o aerogeneradores son aquellos dispositivos destinados al aprovechamiento de la energía del viento, transformándola en energía eléctrica o mecánica.

Tipos de Máquinas Eólicas

Las más importantes son las de eje horizontal y vertical.

• De eje horizontal: son las más desarrolladas hoy en día, tanto desde el punto de vista técnico como del comercial. El eje se pone paralelamente al viento, el cual incide sobre las palas y las hace girar.
  • Molinos de viento clásicos.
  • Máquinas eólicas de eje horizontal lentas: generan potencias de 0,5 a 50 kW. Sus hélices suelen constar de 12 a 24 aspas uniformemente repartidas y de un diámetro que oscila en torno a los 6 m.
  • Máquinas rápidas: producen potencias superiores a 100 kW. Sus hélices constan de 2 o 3 palas de perfil aerodinámico fabricadas en madera, aluminio o fibra de vidrio.
• De eje vertical: tienen la ventaja de que se adaptan a cualquier dirección del viento, sin necesidad de dispositivos de orientación. Reciben también el nombre de máquinas de panemonas. Producen potencias bajas.

Centrales Eólicas

Las centrales eólicas son aquellas instalaciones que transforman la energía eólica en eléctrica. Utilizan aerogeneradores de eje horizontal de 2 o 3 palas. El viento incide sobre la hélice del aerogenerador y la hace girar. Este movimiento de rotación se transmite al generador, que produce corriente eléctrica. Con objeto de eliminar la electricidad estática, el generador se conecta a tierra.

Energía Geotérmica

La energía geotérmica se puede considerar como el calor almacenado en el interior de la Tierra, cuyo origen se debe principalmente al vulcanismo y a la radiactividad de las rocas.

Métodos de Explotación

La explotación con fines prácticos de la energía geotérmica puede llevarse a cabo aprovechando:

• Agua líquida que fluye de forma natural a la superficie.
• Aumento de temperatura que se observa al profundizar en el interior de la Tierra.

Tipos de Energía Geotérmica

• Geotermia de alta temperatura: hay una zona de magma a alta temperatura (150-500 ºC) y a profundidades que oscilan entre 1500 y 10000 m, cubierta por una capa de materiales impermeables al calor que impiden emanaciones en forma de géiseres o fumarolas.
• Geotermia de baja temperatura: si la temperatura es inferior a 150 ºC, el agua caliente extraída de la placa acuífera se utiliza, por lo general, para la calefacción de viviendas e industrias.

Energía de la Biomasa

Se conoce con el nombre de biomasa a toda la materia orgánica de origen vegetal o animal, y a la obtenida a partir de esta mediante transformaciones naturales o artificiales. La materia viva (biomasa) es sintetizada por las plantas mediante el proceso denominado fotosíntesis. Los animales aprovechan parte de la biomasa de las plantas, apropiándose de su contenido energético y transformándose así la biomasa vegetal en animal. La parte restante se puede considerar como biomasa residual. Son fuentes de biomasa: los residuos agrarios, los residuos forestales procedentes de poda o limpieza de bosques, los residuos industriales, cultivos vegetales energéticos que producen gran cantidad de biomasa.

Conversión Energética de la Biomasa

Se estima que la cantidad total de energía solar almacenada en la biosfera en forma de biomasa es del orden de 1,5 · 10²² J. Su aprovechamiento puede llevarse a cabo por métodos termoquímicos o bioquímicos.

Métodos Termoquímicos

• Combustión directa: al quemar la biomasa en presencia de oxígeno, se desprende calor. Incluso la biomasa previamente prensada en forma de briquetas puede servir como sustituto del carbón o del petróleo en las centrales térmicas, sin más que realizar pequeños cambios en la instalación.
• Pirólisis: consiste en la degradación de la biomasa a elevada temperatura (500 ºC) y en ausencia de oxígeno, en unas instalaciones que reciben el nombre de gasógenos.

Métodos Bioquímicos

Son procesos que tienen lugar en presencia de microorganismos.

• Fermentación alcohólica: consiste en la transformación provocada por determinadas enzimas de los hidratos de carbono en etanol. El proceso transcurre en presencia de oxígeno y el etanol obtenido se recupera por destilación, pudiendo utilizarse como carburante de motores en sustitución de la gasolina.
• Digestión anaerobia: este proceso tiene lugar por la acción de determinadas bacterias que, en ausencia de oxígeno y a una temperatura de alrededor de 30 ºC, transforman la biomasa en biogás, constituido principalmente por etanol y CO₂, y que se puede utilizar en motores de combustión. De esta forma, se consigue el autoabastecimiento energético de algunas granjas e instalaciones agrícolas.
• Fotoproducción de combustibles: mediante la acción de ciertos microorganismos, a partir del agua y de algunos compuestos orgánicos, se pueden obtener hidrógeno de utilización directa como combustible o para producción de energía eléctrica.

Residuos Sólidos Urbanos

Son todas aquellas sustancias sólidas consideradas como inservibles y producidas como consecuencia de la actividad humana en las zonas urbanas.

• Vertido: consiste en el simple almacenamiento de residuos sobre el terreno, recubriéndolos cada cierto tiempo con el fin de evitar su acción contaminante. El vertido puede ser controlado o incontrolado, según se realice en zonas preparadas con esta finalidad.
• Compostaje: consiste en la fermentación de los residuos para su uso posterior como abono o para la obtención de biogás utilizable como combustible.
• Incineración: al quemarse, los residuos combustibles producen energía calorífica que puede aprovecharse directamente para calefacción o bien transformándose en otros tipos de energía.
• Reciclado: consiste en la reutilización como materia prima de parte de residuos previamente clasificados. Los que no sean reciclables se someten a uno de los métodos de tratamiento anteriores. Los residuos son contaminantes; conviene minimizarlos al máximo, procurando, por ejemplo, utilizar envases reciclables y evitar el uso de envoltorios superfluos.

La Energía del Mar

El agua del mar recibe continuamente una gran cantidad de energía en forma de radiación procedente del Sol. Por otra parte, debido a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol, se producen las mareas, con las consiguientes variaciones de energía potencial gravitatoria del agua. Asimismo, las olas provocadas por los vientos y las corrientes marinas que se originan en el interior del mar constituyen una fuente de energía que también puede ser aprovechable.

Energía Mareomotriz

Para el aprovechamiento de la energía de las mareas, se requiere que su amplitud sea considerable. Por ello, las más adecuadas son las costas cercanas a la plataforma continental, donde esta amplitud suele ser mayor de 10 m. Las centrales mareomotrices se suelen instalar en estuarios; constan de un dique provisto de compuertas de comunicación que separa el mar de la costa y que permiten retener el agua en la pleamar. En bajamar, se abren las compuertas y el agua acciona una turbina unida a un alternador en el que se produce energía eléctrica.

Energía de las Olas

El aprovechamiento de la energía cinética del oleaje resulta difícil y costoso, siendo además bastante bajo el rendimiento de los procesos de transmisión (Santoña y Mutriku).

Hidráulica: limpia, no produce residuos ni CO₂, permite regular el caudal de un río, abastecer ciudades. Inconvenientes: irregular (depende de la pluviometría), alteraciones de la flora y la fauna, inundaciones de extensas zonas, acumulación de vertidos, peligro de catástrofes.

Solar térmica y solar fotovoltaica: es limpia, gratuita y inagotable (renovable). Inconvenientes: ocupan gran superficie, poco rendimiento (depende de las horas del sol), instalaciones costosas, contamina al fabricar los paneles, impacto visual.

Eólica: limpia, gratuita, inagotable (renovable). Inconvenientes: instalaciones caras debido a que el aire tiene baja densidad, depende del viento, producción de electricidad irregular, no se puede almacenar la energía eléctrica.