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Electricidad y Energía Renovable

ACTUALIZADO: JUNIO 2007




INTRODUCCIÓN

La tecnología para usar a la naturaleza para que haga el trabajo de abastecer las necesidades hu-manas es tan viejo como como el primer barco a vela. Existe un atractivo fundamental para dominar tales fuerzas en una época que es muy conciente de los efectos ambientales del quemado de com-bustibles fósiles.

El sol, el viento, las olas, los ríos, las mareas y el calor de la descomposición radioactiva en el núcleo de la Tierra, como también la biomasa, son abundantes y constantes, de allí el término "renovables". Sólo una, el poder del agua que cae en los ríos, ha sido hasta ahora suficientemente usada para el uso eléctrico. La principal aplicación de la energía solar ha sido en la agricultura y silvicultura, me-diante la fotosíntesis, y se está usando cada vez más extensamente para calor. La biomasa (por ej.: el bagazo de la caña de azúcar), se quema cuando puede ser utilizado. Las demás son poco usadas en la actualidad.

Volviendo al uso de las fuentes de energía renovable para electricidad, hay retos inmediatos para realmente dominarlas. Aparte de los sistemas fotovoltaicos (FV), la cuestión es cómo hacer que ellas hagan girar dínamos para generar electricidad. Si es el calor quien es dominado, es a través de un sistema generador de vapor.

Si la oportunidad fundamental de los renovables es su abundancia y relativamente amplia ocurrencia, el problema fundamental, especialmente para generación de electricidad, es su naturaleza variable y difusa*. Esto significa que deben existir confiables fuentes de electricidad duplicadas, o algún tipo de almacenamiento de electricidad a gran escala. Aparte de los sistemas hidráulicos de almacenamien-to por bombas (ver más abajo) no existe hasta ahora ningún sistema de tal tipo, y no hay ninguno en vista.

* La excepción es la energía geotermal, que no es accesible de manera amplia.

Para un sistema aislado, el problema del almacenmaiento de la energía se mantiene como un pro-blema gigantesco. Si se encadena a una red, surge el problema de la duplicación de la fuente. para l generación eléctrica a gran escala, en especial la de carga fundamental, hay muy poco sentido en la dominación de la energía solar.

ENERGÍA SOLAR

"Solar, no nuclear" es un un reclamo cautivador para los grupos ecologistas anti-nucleares y muchos optimistas tecnológicos, de modo particular a medida de que se fueron haciendo avances en calentamiento solar directo. Ciertamente, en el futuro podemos esperar ver más superficie de techos ocupada por alguna clase de colectores de calor, a medida de que su precio se vaya reduciendo y adaptemos nuestros usos de la energía para usar mejor la energía que proviene de esta fuente.

Sin embargo, para la generación de electricidad, la energía solar tiene un potencial limitado, ya que es demasiado difusa* y demasiado intermitente. Primero, la disponibilidad solar se interrumpe de noche y bajo una cubierta de nubes, lo que significa que la generación eléctrica solar tiene inevita-blemente un bajo factor de capacidad, típicamente menos del 15%. Además, hay una baja intensidad en la radiación incidente, y convertir esto en electricidad de alta potencia todavía sigue siendo relati-vamente ineficiente (12- 16 por ciento), aunque esto ha sido motivo de intensa investigación durante varias décadas.

* Durante un día soleado en Australia, llega hasta 1 kW/m2 sobre una superficie mantenida en ángulo recto con los rayos solares. En Europa se recibe mucho menos que esto durante gran parte del año. Por ejemplo, durante el invierno Europeo el promedio es menor a 1 kWh/m2 por día (en una supeficie horizontal).

El foco de atención son dos métodos de convertir a la energía radiante del sol en electricidad. El método más conocido utiliza a la luz solar actuando sobre células fotovoltaicas para producir elec-tricidad. Esto tiene aplicación en satélites y para ciertos equipos de señales y de comunicaciones tales como equipos remotos de telecomunicaciones en Australia. Las ventas de módulos FV solares están aumentando mucho a medida que su eficiencia aumenta y el precio se reduce. (ahora cerca de $4,000/kWh). Pero el costo por unidad ordinaria de electricidad todavía lo hace prohibitivo para usos comunes.

Para un sistema aislado se deben usar algunos medios para almacenar la energía colectada durante las horas de oscuridad o de nublado --ya sea como electricidad en batería, o en alguna otra como el hidrógeno (producida por la electrólisis del agua) o superconductores. En cualquier caso, otra etapa de conversión de energía está involucrada, lo que significa una pérdida extra de energía, bajando en consecuencia la eficiencia neta total, aumentando los costos de capital.

Varias plantas experimentales de energía FV, en su mayoría de 300 - 500 kW de capacidad están conectadas en red en Europa y los Estados Unidos. Japón tiene 150 MWe instalados. También se ha planeado una gran planta FV solar para Creta. Continúa la investigación sobre las formas eco-nómicas de almacenar la energía que se recogió de los rayos solares durante el día.

Una planta de calor solar tiene un sistema de espejos para concentrar la luz del sol en un absor-bente, usando la energía para hacer funcionar turbinas. Normalmente, el concentrador es un espejo parabólico orientado norte-sur, que rastrea el paso del sol durante el día. El absorbente está ubicado en el punto focal y convierte a la radiación solar en calor (unos 400°C), que es transferido a un fluido como el aceite sintético. El fluido caliente hace funcionar una turbina y un generador convencionales. Varias instalaciones de este tipo, en módulos de 80 MW están operando en la actualidad. Cada módulo requiere de unas 50 hectáreas de tierra y requiere de una ingeniería y un control muy preci-sos. Estas plantas están suplementadas por una caldera alimentada por gas que genera un cuarto de la potencia total, y mantiene a la instalación caliente durante la noche. El 80% del total de la electricidad solar producida hasta mediados de los años 90 en todo el mundo se hizo a través de una capacidad de 350 MWe.

El principal rol de la energía solar en el futuro será el de calentamiento directo. Mucha de nuestra necesidad de energía es para calor debajo de los 60°C - por ej.: en sistemas de agua caliente o calefacción hogareña. Bastante más, particularmente en la industria, es para calor en el rango de 60°C - 110°C. Juntas, estas pueden tomar cuenta de una significativa proporción del uso primario de energía en las naciones industrializadas. La primera necesidad puede ser fácilmente suministrada por la energía solar durante bastante tiempo en algunos lugares, y la segunda aplicación comercial probablemente no esté demasiado lejos. Tales usos disminuirán en alguna medida la demanda de electricidad y el consumo de combustibles fósiles, particularmente si se aúnan a medidas de conser-vación de la energía tales como las aislaciones.

Con aislación adecuada, bombas de calor que usan el ciclo convencional de refrigeración se pueden usar para calentar y enfriar edificios, con muy poco suministro de energía, fuera de la del sol. Even-tualmente, hasta el 10% del total de la energía primaria en los países industrializados puede ser suministrada por las´técnicas de calor solar directo, y en alguna medida esto subsituirá a la energía eléctrica de base fundamental.

ENERGÍA EÓLICA

Durante muchas décadas, en áreas remotas se han usado turbinas de viento de pequeña escala para la generación de electricidad hogareña, en conjunto con almacenamiento en baterías. Ahora están funcionando en diversos países unidades generadoras de 1 MWe. La potencia de salida es una función del cubo de la velocidad del viento, de modo que muchas turbinas requieren de vientos en el rango de 3 a 25 metros/segundo (11- 90 km/hr) En la práctica, pocas regiones tienen vientos significativamente prevalentes. Del mismo modo que la solar, la energía eólica requiere de fuentes alternativas de potencia para tomar cuenta de los períodos de calma.

Sin embargo, existen hoy muchos miles de turbinas de viento en diversas partes del mundo, con una capacidad total de más de 25,000 MWe. Este ha sido el método de generación eléctrica que más ha crecido al final del siglo y proporciona un valioso complemento a las estaciones de base fundamental de gran tamaño. Dinamarca obtiene el 10% de su electricidad a partir del viento. El tamaño más práctico y económico de las turbinas de viento parece ser el de alrededor de 800 kWe - 1 MWe, agrupado en granjas de viento de hasta 6 MWe. La mayoría de las turbinas operan cerca de un factor de carga del 25% durante el curso de un año, pero algunas llegan hasta el 30%.

RÍOS

La energía hidroeléctrica, usando la energía potencial de los ríos, abastece ahora el 19% de la electricidad mundial (10% en Australia). Aparte de unos pocos países que tienen abundancia de ella, la capacidad de la hidroelectricidad se aplica a la demanda de picos de carga, porque es fácilmente iniciada y detenida. No es una gran opción para el futuro en los países desarrollados, porque la mayor parte de los sitios en estos países con el potencial de usar la gravedad de esa manera ha sido ya explotado o no están disponibles por otras razones como consideraciones ambientales.

La principal ventaja de los sistemas hidroeléctricos es su capacidad de manejar cargas picos estacionales (como también las diarias). En la práctica, el uso del agua almacenada es a veces complicado por las demandas de irrigación que pueden ocurrir fuera de fase con las demandas pico de energía. Snowy Hydro de Australia produce electricidad a unos 3 centavos de dólar Australiano el kWh.

GEOTÉRMICA

En los lugares donde el agua caliente subterránea puede llevarse a la superficie se puede usar para generar electricidad. Tales fuentes geotermales tienen potencial en algunas partes del mundo como Nueva Zelandia, los Estados Unidos, Filipinas e Italia. Unos 6,000 MWe de capacidad están en operación. Existen algunos proyectos en otras áreas para bombear agua subterránea a regiones muy calientes de la corteza terrestre, usando el vapor producido para generar electricidad.

MAREAS

Dominar las mareas en una bahía o estuario se ha conseguido en Francia (desde 1966) y en Rusia, y podría ser logrado en otras partes del mundo donde las mareas tienen una gran variación de altura. El agua atrapada puede ser usada para mover grandes turbinas a medida que es liberada a través de la "barrera de mareas" en ambos sentidos. A escala mundial, esta tecnología parece tener poco potencial, principalmente debido a restricciones ambientales.

OLAS

Dominar el poder del movimiento de las olas es una posibilidad que puede generar mucha más energía que las mareas. Se ha investigado la factibilidad de esto, de manera particular en Gran Bretaña. Generadores acoplados, ya sea a dispositivos flotantes o movidos por el aire desplazado por las olas dentro de una estructura de concreto puede producir electricidad para transportar a la costa. El progreso ha sido frustrado por numerosos problemas prácticos.

RENOVABLES en relación con DEMANDA DE ELECTRICIDAD DE CARGA FUNDAMENTAL

El sol, viento, mareas y olas no pueden ser controlados para suministrar directamente, ya sea potencias de carga fundamental directa, o potencias de cargas pico cuando es necesitada. En términos prácticos, están limitados a un 20% de la capacidad de una red eléctrica, y no pueden aplicarse directamente como substitutos económicos del carbón o la energía nuclear, por más importantes que puedan ser en áreas con condiciones favorables. A pesar de ello, tales tecnologías contribuirán en cierta medida a la energía mundial del futuro. Aún cuando no son adecuadas para cargar con el mayor peso de la demanda.

Si existiese alguna manera en que grandes cantidades de electricidad de productores intermitentes -como los solares y los eólicos- pudiesen ser almacenados de manera eficiente, la contribución de estas tecnologías para proporcionar energía de base fundamental sería mucho mas´grande. Actualmente ya se está bombeando agua almacenada hacia grandes alturas durante las horas fuera de pico (baja demanda), usando el exceso de carga fundamental de fuentes de carbón o nucleares. Durante las horas pico el agua es usada para generar hidroelectricidad. (Por ejemplo: el complejo Central Nuclear Embalse, Córdoba, Argentina y la Central Hidroeléctrica Río Grande, a 45 km una de otra). Relativamente pocos lugares tienen oportunidad de tener diques de almacenamiento por bombeo cercanos a donde se necesita la electricidad, y la eficiencia general es baja. Por otro lado, no se han desarrollado medios para almacenar electricidad en baterías gigantes.

Hay alguna posibilidad de revertir la manera en que vemos al abastecimiento de energía, en su ciclo de 24 horas diarias, 7 días a la semana, usando equipos de carga pico simplemente para abastecer los picos diarios. Actualmente, el equipo de carga pico podría ser usado en cierta medida para suministrar capacidad de relleno en un sistema que descansaría en gran parte sobre los renovables. La capacidad pico podría complementar la generación solar o eólica de gran escala, suministrando potencia cuando ellas no están en condiciones de hacerlo.El mejoramiento de la habilidad de predecir la disponibilidad intermitente del viento permite un mejor uso de este recurso. En Alemania es posible hoy predecir una producción de energía eólica con un 90% de certeza con 24 horas de antelación. Esto significa que es posible desplegar otra planta más efectivamente de modo que el valor económico de esa contribución del viento se incremente de gran manera.

Sin embargo, cualquier uso substancial de sol o el viento para electricidad en una red significa que deber permitirse un "back-up" o respaldo del 100% con capacidad de hidroelectricidad o producida por combustibles fósiles o nucleares. Esto lleva a muy altos costos de generación de electricidad según las normas actuales, pero en algunas partes puede llegar a ser la forma del futuro.

LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO

Se ve ampliamente al hidrógeno como un posible combustible para el transporte, si ciertos problemas pueden ser resueltos económicamente. Podría ser usado en motores convencionales de combustión interna, o en celdas de combustible que convierten energía química directamente en electricidad sin un quemado normal.

Fabricar hidrógeno requiere, ya sea reformar gas natural (metano) con vapor, o la electrólisis del agua. El primer método tiene al dióxido de carbono como subproducto, que exacerba (o por lo menos no mejora) las emisiones de gases de invernadero relacionadas a la actual tecnología. Con la electrólísis, la carga de invernadero depende de la fuente de la energía usada, y entonces aquí son consideradas las energías renovables intermitentes y la nuclear.

Con las energías intermitentes como la solar y la eólica, igualar el suministro con la demanda de la red es sumamente difícil, y más allá del 20% del suministro total, se hace aparentemente imposible. Pero si estas fuentes fuesen usadas para producir hidrógeno, entonces podrían ser usadas totalmente cuando estén disponibles, de manera oportunística. A grandes rasgos, no importa cuándo entren o salgan de disponibilidad: el hidrógeno simplemente se almacena y es usado cuando se requiera.

Un razonamiento muy diferente se aplica cuando se refiere al uso de la energía nuclear para fabricar hidrógeno. Aquí la planta operaría de manera constante al 100% de su capacidad, quizás con toda la salida de energía aplicada a la red en períodos pico, y toda aquella no precisada por la demanda civil sería usada para la fabricación de hidrógeno en otros momentos. Esto significaría la máxima eficiencia para las centrales nucleares y el hidrógeno se produciría oportunamente, cuando le resultase conveniente al gerenciador de la red.

Para producir un kilogramo de hidrógeno son necesarios unos 50 kWh, de manera que el costo de la electricidad se vuelve crucial.

ASPECTOS AMBIENTALES

Las fuentes de energía renovables tienen un conjunto de costos ambientales totalmente diferentes que la generación eléctrica con combustibles fósiles o energía nuclear.

En el lado positivo está que no emiten dióxido de carbono u otros contaminantes atmosféricos (salvo algunos productos de descomposición de los nuevos reservorios hidroeléctricos), pero a causa de que están aparejando energía de relativamente baja intensidad, su "pisada" -el área que ellos ocupan- es necesariamente mucho mayor.

Es dudoso que Australia pueda aceptar el impacto ambiental de otro esquema hidráulico com Snowy Mountains (que suministra el 3,5% de la electricidad del país más irrigación). Aunque serían aceptables grandes áreas dedicadas a colectores solares cerca de las ciudades, aún resta por verse si tales propuestas son hechas alguna vez. Más allá de utilizar techos, 1000 MWe de capacidad solar de generación requerirían por lo menos 20 km cuadrados de colectores, poniendo a la sombra gran cantidad de terreno

En Europa, las turbinas de viento no se han hecho querer por los vecinos por su estética, su naturaleza conservacionista o por su ruido, y esto ha restringido su aceptación en Gran Bretaña. Sin embargo, las obligaciones europeas a los no-fósiles a llevado aun desarrollo de la energía eólica en el extranjero.

Sin embargo, mucho del impacto ambiental puede ser reducido. Cccolectores solares fijos pueden servir como barreras de ruido a lo largo de carreteras, los techos están actualmente disponibles, y hay lugares donde las turbinas de viento no se entrometerían demasiado.

FUENTES Boyle, G (ed), 1996, Renewable Energy - Power for a Sustainable Future, Open University, UK
OECD IEA (1987) Renewable Sources of Energy
European Wind Energy Association + Greenpeace (2002), Wind Force 12.
Duffey & Poehnell, 2001, Hydrogen production, nuclear energy & climate change, CNS Bulletin 22,3.




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