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11.3: Fuentes de Energía Renovables

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    Hidroelectricidad

    La energía hidroeléctrica (hidroeléctrica) depende del agua para hacer girar turbinas y crear electricidad. Se considera una fuente de energía limpia y renovable porque no produce directamente contaminantes y porque la fuente de energía se regenera. La energía hidroeléctrica proporciona el 35% del consumo de energía renovable de Estados Unidos.

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    Figura\(\PageIndex{1}\). Vista de la planta de energía Hoover de la central eléctrica Hoover en el río Colorado vista desde arriba. Fuente: Departamento de Gobernación de Estados Unidos

    Las presas hidroeléctricas y los embalses que crean pueden tener impactos ambientales. Por ejemplo, la migración de peces a sus áreas de desove aguas arriba puede ser obstruida por presas. En áreas donde el salmón debe viajar río arriba para desovar, como a lo largo del río Columbia en Washington y Oregón, las presas bloquean su camino. Este problema se puede aliviar parcialmente mediante el uso de “escaleras de pescado” que ayudan al salmón a moverse por las presas. Los peces que viajan aguas abajo, sin embargo, pueden morir o lesionarse a medida que el agua se mueve a través de las turbinas Los embalses y la operación de presas también pueden afectar los hábitats acuáticos debido a cambios en la temperatura del agua, la profundidad del agua, la química, las características de flujo y las cargas de sedimentos, todo lo cual puede conducir a cambios significativos en la ecología y las características físicas del río, tanto aguas arriba como aguas abajo. A medida que los embalses se llenan de agua, puede provocar que áreas naturales, granjas, ciudades y sitios arqueológicos se inunden y obliguen a las poblaciones a reubicarse.

    Pequeños sistemas hidroeléctricos

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    Figura\(\PageIndex{2}\). Sistema microhidroeléctrico. Si bien hay varias formas de aprovechar el agua en movimiento para producir energía, los sistemas corrientes de río, que no requieren grandes reservorios de almacenamiento, a menudo se utilizan para proyectos microhidroeléctricos y, a veces, para proyectos hidroeléctricos a pequeña escala. Para proyectos hidroeléctricos de corriente, una porción del agua de un río se desvía a un canal, tubería o tubería presurizada (penstock) que la entrega a una rueda hidráulica o turbina. El agua en movimiento hace girar la rueda o turbina, que hace girar un eje. El movimiento del eje se puede utilizar para procesos mecánicos, como el bombeo de agua, o puede usarse para alimentar un alternador o generador para generar electricidad.

    Los proyectos hidroeléctricos de presas a gran escala a menudo son criticados por sus impactos en el hábitat de la vida silvestre, la migración de peces y el flujo de agua Sin embargo, los pequeños proyectos de ejecución del río están libres de muchos de los problemas ambientales asociados con sus parientes a gran escala porque utilizan el flujo natural del río y, por lo tanto, producen relativamente pocos cambios en el canal y flujo del arroyo. Las presas construidas para algunos proyectos corrientes de río son muy pequeñas y incautan poca agua, y muchos proyectos no requieren de una presa en absoluto. Por lo tanto, efectos como agotamiento de oxígeno, aumento de la temperatura, disminución del flujo e impedida migración aguas arriba no son problemas para muchos proyectos corrientes del río.

    Los pequeños proyectos hidroeléctricos ofrecen soluciones eléctricas libres de emisiones para muchas comunidades remotas en todo el mundo, como las de Nepal, India, China y Perú, así como para países altamente industrializados como Estados Unidos. Los pequeños sistemas hidroeléctricos son aquellos que generan entre .01 y 30 MW de electricidad. Los sistemas hidroeléctricos que generan hasta 100 kilovatios (kW) de electricidad a menudo se denominan sistemas micro hidroeléctricos (Figura\(\PageIndex{2}\)). La mayoría de los sistemas utilizados por los propietarios de viviendas y pequeñas empresas calificarían como sistemas de microenergía. De hecho, un sistema de 10 kW generalmente puede proporcionar suficiente energía para una casa grande, un pequeño resort o una granja de pasatiempos.

    Residuos Sólidos Municipales

    Los residuos sólidos municipales (RSU) se conocen comúnmente como basura y pueden crear electricidad quemándolos directamente o quemando el metano producido a medida que se descompone. Los procesos de residuos a energía están ganando un interés renovado ya que pueden resolver dos problemas a la vez: la eliminación de residuos y la producción de energía a partir de un recurso renovable. Muchos de los impactos ambientales son similares a los de una planta de carbón: contaminación del aire, generación de cenizas, etc. Debido a que la fuente de combustible está menos estandarizada que el carbón y los materiales peligrosos pueden estar presentes en RSU, los incineradores y las centrales eléctricas de residuos en energía necesitan limpiar los gases de materiales nocivos. La EPA de Estados Unidos regula estas plantas de manera muy estricta y requiere la instalación de dispositivos anticontaminación. Además, mientras que la incineración a alta temperatura muchos de los químicos tóxicos pueden descomponerse en compuestos menos dañinos. La ceniza de estas plantas puede contener altas concentraciones de diversos metales que estuvieron presentes en los desechos originales. Si la ceniza está lo suficientemente limpia, puede ser “reciclada” como cubierta de vertedero RSU o para construir carreteras, bloques de cemento y arrecifes artificiales

    Biocombustible

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    Figura\(\PageIndex{3}\). Astillas de madera La fotografía muestra un montón de astillas de madera, que son un tipo de biomasa. Fuente: Ulrichulrich

    La biomasa se refiere al material hecho por organismos, como las células y los tejidos. En términos de producción de energía, la biomasa casi siempre se deriva de las plantas, y en menor medida, de las algas. Para que la biomasa sea una opción sustentable, generalmente necesita provenir de material de desecho, como aserrín de aserrín de aserradero, lodo de fábrica de papel, desechos de jardín o cálices de avena de una planta de procesamiento de avena, material que de otra manera simplemente se pudriría. El estiércol ganadero y los desechos humanos también podrían considerarse biomasa. El uso de biomasa puede ayudar a mitigar el cambio climático porque cuando se quema no agrega carbono nuevo a la atmósfera. Pensando en el ciclo del carbono (capítulo 3), recordará que la fotosíntesis elimina CO 2 a través del proceso de fijación de carbono. Cuando se quema la biomasa, se crea CO 2, pero esto es igual a la cantidad de CO 2 capturada durante la fijación del carbono. Por lo tanto, la biomasa es una fuente de energía neutra en carbono porque no agrega nuevo CO 2 al ciclo del carbono. Cada tipo de biomasa debe ser evaluada por su impacto ambiental y social para determinar si realmente está avanzando en la sustentabilidad y reduciendo los impactos ambientales. Por ejemplo, talar grandes franjas de bosques solo para la producción de energía no es una opción sustentable porque nuestras demandas energéticas son tan grandes que rápidamente desforestaríamos el mundo, destruyendo hábitat crítico.

    Leña Ardiente

    El uso de madera y carbón vegetal hecho de madera para calentar y cocinar puede reemplazar a los combustibles fósiles y puede resultar en menores emisiones de CO 2. Si la madera se cosecha de bosques o leñales que tienen que ser adelgazados o de árboles urbanos que se caen o necesitan ser talados de todos modos, entonces su uso para biomasa no afecta a esos ecosistemas. Sin embargo, el humo de la madera contiene contaminantes dañinos como monóxido de carbono y partículas. Para la calefacción del hogar, es más eficiente y menos contaminante cuando se usa una estufa de leña moderna o un inserto de chimenea que están diseñados para liberar pequeñas cantidades de partículas. Sin embargo, en lugares donde la madera y el carbón son los principales combustibles para cocinar y calentar, como en los países subdesarrollados, la madera puede cosecharse más rápido que los árboles pueden crecer, lo que resulta en la deforestación.

    La biomasa se puede utilizar en pequeñas plantas de energía. Por ejemplo, Colgate College cuenta con una caldera de leña desde mediados de la década de 1980 y en un año procesó aproximadamente 20,000 toneladas de astillas de madera cosechadas de manera local y sostenible, lo que equivale a 1.17 millones de galones (4.43 millones de litros) de fueloil, evitando 13,757 toneladas de emisiones y ahorrando el universidad más de 1.8 millones de dólares en costos de calefacción. La instalación de leña que genera vapor de la Universidad ahora satisface más del 75% de las necesidades de calor y agua caliente doméstica del campus.

    Gas de Relleno Sanitario o Biogás

    El gas de relleno sanitario (biogás) es una especie de gas “biogénico” artificial como se discutió anteriormente. El metano se forma como resultado de procesos biológicos en plantas de tratamiento de aguas residuales, vertederos de desechos, compostaje anaeróbico y sistemas de manejo de estiércol ganadero. Este gas es capturado y quemado para producir calor o electricidad. La electricidad puede reemplazar la electricidad producida por la quema de combustibles fósiles y resultar en una reducción neta de las emisiones de CO 2. Los únicos impactos ambientales son de la construcción de la propia planta, similar a la de una planta de gas natural.

    Bioetanol y Biodiesel

    El bioetanol y el biodiesel son biocombustibles líquidos fabricados a partir de plantas, típicamente cultivos. El bioetanol se puede fermentar fácilmente a partir del jugo de caña de azúcar, como se hace en Brasil. El bioetanol también se puede fermentar a partir de almidón de maíz descompuesto, como se hace principalmente en Estados Unidos. Es necesario considerar los efectos económicos y sociales del cultivo de plantas para combustibles, ya que la tierra, los fertilizantes y la energía que se utilizan para cultivar biocombustibles podrían ser utilizados para cultivar cultivos alimentarios. La competencia de la tierra por el combustible vs. los alimentos puede incrementar el precio de los alimentos, lo que tiene un efecto negativo en la sociedad. También podría disminuir el suministro de alimentos aumentando la desnutrición y el hambre a nivel mundial. También, en algunas partes del mundo, grandes áreas de vegetación natural y bosques han sido talados para cultivar caña de azúcar para bioetanol y soja y árboles de palma aceitera para hacer biodiesel. Esto no es un uso sustentable del suelo. Los biocombustibles pueden derivarse de partes de plantas que no se utilizan como alimento, como los tallos, reduciendo así ese impacto. El biodiesel puede estar hecho de aceite vegetal usado y se ha producido de manera muy local. En comparación con el diesel de petróleo, la combustión de biodiesel produce menos óxidos de azufre, partículas, monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados y otros, pero produce más óxido de nitrógeno.

    Los biocombustibles líquidos suelen reemplazar al petróleo y se utilizan para alimentar vehículos. Si bien las mezclas de etanol-gasolina queman más limpias que la gasolina pura, también son más volátiles y por lo tanto tienen mayores “emisiones evaporativas” de los tanques de combustible y los equipos dispensadores. Estas emisiones contribuyen a la formación de ozono dañino, a nivel del suelo y smog. La gasolina requiere un procesamiento adicional para reducir las emisiones evaporativas antes de mezclarla con etanol.

    Energía geotérmica

    El cinco por ciento de la energía renovable de Estados Unidos proviene de la energía geotérmica: utilizando el calor del subsuelo de la Tierra para proporcionar energía sin fin. Los sistemas geotérmicos utilizan un sistema de intercambio de calor que corre en el subsuelo aproximadamente 20 pies (5 metros) debajo de la superficie donde el suelo está a una temperatura constante. El sistema utiliza la tierra como fuente de calor (en invierno) o disipador de calor (en verano). Esto reduce el consumo de energía requerido para generar calor a partir de gas, vapor, agua caliente y sistemas de aire acondicionado eléctricos convencionales.El impacto ambiental de la energía geotérmica depende de cómo se esté utilizando. El uso directo y las aplicaciones de calefacción casi no tienen impacto negativo en el medio ambiente.

    Las centrales geotérmicas no queman combustible para generar electricidad por lo que sus niveles de emisión son muy bajos. Liberan menos del 1% de las emisiones de dióxido de carbono de una planta de combustibles fósiles. Las plantas geotérmicas utilizan sistemas de lavado para limpiar el aire del sulfuro de hidrógeno que se encuentra naturalmente en el vapor y el agua caliente. Emiten 97% menos compuestos de azufre que causan lluvia ácida que los emitidos por las plantas de combustibles fósiles. Después de que se hayan utilizado el vapor y el agua de un reservorio geotérmico, se inyectan de nuevo en la tierra.

    Energía Solar

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    Figura\(\PageIndex{4}\). Instalaciones solares en azoteas La instalación solar en la azotea en Douglas Hall de la Universidad de Illinois en Chicago no tiene ningún efecto sobre los recursos terrestres, mientras produce electricidad con cero emisiones. Fuente: Oficina de Sustentabilidad, UIC

    La energía solar convierte la energía de la luz en energía eléctrica y tiene un impacto mínimo en el medio ambiente, dependiendo de dónde se coloque. En 2009, 1% de la energía renovable generada en Estados Unidos fue de energía solar (1646 MW) del 8% de la generación total de electricidad que fue a partir de fuentes renovables. La fabricación de células fotovoltaicas (PV) genera algunos desechos peligrosos a partir de los productos químicos y solventes utilizados en el procesamiento. A menudo, las matrices solares se colocan en techos de edificios o sobre estacionamientos o se integran en la construcción de otras maneras. Sin embargo, se pueden colocar grandes sistemas en tierra y particularmente en desiertos donde esos frágiles ecosistemas podrían dañarse si no se tiene cuidado. Algunos sistemas termosolares utilizan fluidos potencialmente peligrosos (para transferir calor) que requieren un manejo y eliminación adecuados. Los sistemas solares concentrados pueden necesitar ser limpiados regularmente con agua, que también es necesaria para enfriar la turbina-generador. El uso de agua de pozos subterráneos puede afectar el ecosistema en algunos lugares áridos.

    Viento

    La energía eólica es una fuente de energía renovable que es limpia y tiene muy pocos desafíos ambientales. Las turbinas eólicas se están convirtiendo en una vista más prominente en todo Estados Unidos, incluso en regiones que se considera que tienen menos potencial eólico. Las turbinas eólicas (a menudo llamadas molinos de viento) no liberan emisiones que contaminan el aire o el agua (con raras excepciones), y no requieren agua para enfriarse. La industria eólica estadounidense tenía 40,181 MW de capacidad eólica instalados a finales de 2010, con 5,116 MW instalados solo en 2010, proporcionando más del 20% de la energía eólica instalada en todo el mundo. De acuerdo con la Asociación Americana de Energía Eólica, más del 35% de toda la nueva capacidad de generación eléctrica en Estados Unidos desde 2006 se debió al viento, superada únicamente por el gas natural.

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    Figura\(\PageIndex{5}\). Parque Eólico Twin Groves, Illinois La energía eólica se está convirtiendo en una fuente de energía más popular en Estados Unidos. Fuente: Oficina de Sustentabilidad, UIC

    Debido a que una turbina eólica tiene una pequeña huella física en relación con la cantidad de electricidad que produce, muchos parques eólicos se encuentran en tierras de cultivo y pasto. Contribuyen a la sustentabilidad económica al proporcionar ingresos extra a los agricultores y ganaderos, lo que les permite permanecer en el negocio y evitar que sus propiedades se desarrollen para otros usos. Por ejemplo, la energía se puede producir instalando turbinas eólicas en las montañas Apalaches de Estados Unidos en lugar de dedicarse a la remoción de la cima de las montañas para la minería del carbón. Las turbinas eólicas marinas en los lagos o el océano pueden tener impactos ambientales más pequeños que las turbinas terrestres.

    Las turbinas eólicas tienen algunos desafíos ambientales. Hay preocupaciones estéticas para algunas personas cuando las ven en el paisaje. Algunas turbinas eólicas se han incendiado, y algunas han filtrado fluidos lubricantes, aunque esto es relativamente raro. A algunas personas no les gusta el sonido que hacen las palas de aerogeneradores. Se ha encontrado que las turbinas causan muertes de aves y murciélagos, especialmente si se encuentran a lo largo de su trayectoria migratoria. Esto es de particular preocupación si se trata de especies amenazadas o en peligro de extinción. Hay formas de mitigar ese impacto y actualmente se está investigando. Hay algunos pequeños impactos de la construcción de proyectos eólicos o parques, como la construcción de caminos de servicio, la producción de las turbinas mismas, y el concreto para los cimientos. Sin embargo, el análisis general ha encontrado que las turbinas producen mucha más energía que la cantidad utilizada para fabricarlas e instalarlas.

    Interés por las Energías Renovables

    Un fuerte interés por las energías renovables en la era moderna surgió en respuesta a los choques petroleros de la década de 1970, cuando la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) impuso embargos petroleros y elevó los precios en pos de objetivos geopolíticos. La escasez de petróleo, especialmente gasolina para el transporte, y la eventual subida del precio del petróleo por un factor de aproximadamente 10 de 1973 a 1981 trastornó la operación social y económica de muchos países desarrollados y enfatizó su precaria dependencia de los suministros energéticos extranjeros. La reacción en Estados Unidos fue un cambio de petróleo y gas a abundante carbón doméstico para la producción de electricidad y la imposición de estándares de economía de combustible para los vehículos para reducir el consumo de petróleo para el transporte. Otros países desarrollados sin grandes reservas fósiles, como Francia y Japón, optaron por enfatizar la energía nuclear (Francia al nivel del 80% y Japón al 30%) o desarrollar recursos renovables domésticos como la hidroeléctrica y eólica (Escandinavia), la geotérmica (Islandia), la solar, la biomasa y para la electricidad y el calor. A medida que los precios del petróleo colapsaron a finales de la década de 1980, el interés por las energías renovables, como la eólica y la solar, que enfrentaban importantes barreras técnicas y de costos, disminuyó en muchos países, mientras que otras renovables, como la hidroeléctrica y la biomasa, continuaron experimentando crecimiento.

    El aumento del precio y la volatilidad de los precios del petróleo desde 1998, y la creciente dependencia de muchos países desarrollados del petróleo extranjero (60% del petróleo de Estados Unidos y 97% del petróleo japonés se importó en 2008) estimularon un renovado interés por las alternativas renovables para garantizar la seguridad energética. Una nueva preocupación, no conocida en anteriores crisis petroleras, agregó más motivación: nuestro conocimiento de la emisión de gases de efecto invernadero y su creciente contribución al cambio climático. Una motivación económica adicional, el alto costo de los pagos extranjeros de petróleo a los países proveedores (aproximadamente 350 mil millones de dólares anuales para Estados Unidos a precios de 2011), creció cada vez más importante a medida que los países desarrollados lucharon por recuperarse de la recesión económica de 2008. Estas preocupaciones sobre la seguridad energética, las emisiones de carbono y el cambio climático impulsan aumentos significativos en los estándares de economía de combustible, el cambio de combustible del transporte de petróleo extranjero incierto y volátil a electricidad doméstica y biocombustibles, y la producción de electricidad a partir de fuentes bajas en carbono.

    Origen Físico de la Energía Renovable

    Si bien la energía renovable suele clasificarse como hidroeléctrica, solar, eólica, biomasa, geotérmica, ola y marea, todas las formas de energía renovable surgen de solo tres fuentes: la luz del sol, el calor de la corteza terrestre y la atracción gravitacional de la luna y el sol. La luz solar proporciona, con mucho, la mayor contribución a la energía renovable. El sol proporciona el calor que impulsa el clima, incluyendo la formación de áreas de alta y baja presión en la atmósfera que hacen viento. El sol también genera el calor requerido para la vaporización del agua del océano que finalmente cae sobre tierra creando ríos que impulsan la energía hidroeléctrica, y el sol es la fuente de energía para la fotosíntesis, que crea biomasa. La energía solar puede capturarse directamente para agua y calefacción de espacios, para impulsar turbinas convencionales que generan electricidad y como energía de excitación para electrones en semiconductores que impulsan la energía fotovoltaica. El sol también es responsable de la energía de los combustibles fósiles, creados a partir de los restos orgánicos de plantas y organismos marinos comprimidos y calentados en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante decenas a cientos de millones de años. La escala de tiempo para la regeneración de combustibles fósiles, sin embargo, es demasiado larga para considerarlos renovables en términos humanos.

    La energía geotérmica se origina del calor que sube a la superficie a partir del núcleo de hierro fundido de la tierra creado durante la formación y compresión de la tierra temprana, así como del calor producido continuamente por la desintegración radiactiva de uranio, torio y potasio en la corteza terrestre. La energía de las mareas surge de la atracción gravitacional de la luna y del sol más distante en los océanos de la tierra, combinada con la rotación de la tierra. Estas tres fuentes —la luz solar, el calor atrapado en el núcleo de la tierra y generado continuamente en su corteza, y la fuerza gravitacional de la luna y el sol sobre los océanos— dan cuenta de toda la energía renovable.

    Capacidad y Distribución Geográfica

    Si bien las energías renovables como la eólica y la solar han experimentado un fuerte crecimiento en los últimos años, todavía constituyen una pequeña fracción de las necesidades energéticas totales del mundo. La mayor parte proviene de la biomasa tradicional, en su mayoría leña reunida en las sociedades tradicionales para la cocina y la calefacción domésticas, a menudo sin tener en cuenta el reemplazo sustentable. La energía hidroeléctrica es el siguiente contribuyente más importante, una tecnología establecida que experimentó un crecimiento significativo en el siglo XX. Los otros contribuyentes son más recientes y menores en contribución: agua y calefacción de espacios por combustión de biomasa o cosecha de calor solar y geotérmico, biocombustibles derivados del maíz o caña de azúcar, y electricidad generada a partir de energía eólica, solar y geotérmica. La electricidad eólica y solar, a pesar de su gran capacidad y su significativo crecimiento reciente, aún aportaron menos del 1% de la energía total en 2008.

    El potencial de los recursos energéticos renovables varía drásticamente. La energía solar es, con mucho, la más abundante, entregada a la superficie de la tierra a una tasa de 120,000 Teravatios (TW), en comparación con el uso humano global de 15 TW. Para poner esto en perspectiva, cubrir 100×100 km2 de desierto con 10% de células solares eficientes produciría 0.29 TW de energía, alrededor del 12% de la demanda humana global de electricidad. Para abastecer todas las necesidades de electricidad de la tierra (2.4 TW en 2007) requeriría 7.5 de tales cuadrados, un área aproximadamente del tamaño de Panamá (0.05% de la superficie terrestre total de la tierra). Las reservas mundiales de petróleo convencional se estiman en tres billones de barriles, incluyendo todo el petróleo que ya ha sido recuperado y que queda para su futura recuperación. El equivalente de energía solar de estas reservas de petróleo es entregado a la tierra por el sol en 1.5 días.

    La distribución geográfica de las energías renovables utilizables es bastante desigual. La luz solar, a menudo pensada que está distribuida de manera relativamente uniforme, se concentra en desiertos donde la cobertura de nubes es rara. Los vientos son hasta un 50% más fuertes y más firmes en alta mar que en tierra. El potencial hidroeléctrico se concentra en regiones montañosas con altas precipitaciones y deshielo. La biomasa requiere tierra disponible que no compita con la producción de alimentos, y sol y lluvia adecuados para apoyar el crecimiento.

    Colaboradores y Atribuciones


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