1.14: Fuentes de Energía Renovables

INTRODUCCIÓN

Las fuentes de energía renovables a menudo se consideran fuentes alternativas porque, en general, la mayoría de los países industrializados no confían en ellas como su principal fuente de energía. En cambio, tienden a depender de fuentes no renovables como los combustibles fósiles o la energía nuclear. Debido a que la crisis energética en Estados Unidos durante la década de 1970, la disminución del suministro de combustibles fósiles y los peligros asociados con la energía nuclear, el uso de fuentes de energía renovables como la energía solar, hidroeléctrica, eólica, biomasa y geotérmica ha crecido.

La energía renovable proviene del sol (considerada un suministro “ilimitado”) u otras fuentes que teóricamente pueden renovarse al menos tan rápido como se consumen. Si se utilizan a un ritmo sustentable, estas fuentes estarán disponibles para su consumo por miles de años o más. Desafortunadamente, algunas fuentes de energía potencialmente renovables, como la biomasa y la geotérmica, en realidad se están agotando en algunas áreas porque la tasa de uso excede la tasa de renovación.

ENERGÍA SOLAR

La energía solar es la fuente de energía definitiva que impulsa la tierra. Aunque solo una billonésima parte de la energía que sale del sol llega realmente a la superficie terrestre, esto es más que suficiente para satisfacer las necesidades energéticas del mundo. De hecho, todas las demás fuentes de energía, renovables y no renovables, son en realidad formas almacenadas de energía solar. El proceso de conversión directa de la energía solar en calor o electricidad se considera una fuente de energía renovable. La energía solar representa un suministro esencialmente ilimitado de energía, ya que el sol durará mucho más que la civilización humana en la tierra. Las dificultades radican en el aprovechamiento de la energía. La energía solar se ha utilizado durante siglos para calentar hogares y agua, y la tecnología moderna (células fotovoltaicas) ha proporcionado una manera de producir electricidad a partir de la luz solar.

Existen dos formas básicas de uso de la energía solar radiante: pasiva y activa. Los sistemas pasivos de energía solar son estáticos y no requieren la entrada de energía en forma de partes móviles o fluidos de bombeo para utilizar la energía del sol. Los edificios pueden ser diseñados para capturar y recolectar la energía del sol directamente. Los materiales son seleccionados por sus características especiales: el vidrio permite que el sol ingrese al edificio para proporcionar luz y calor; los materiales de agua y piedra tienen altas capacidades de calor. Pueden absorber grandes cantidades de energía solar durante el día, que luego se puede utilizar durante la noche. Un invernadero de exposición sur con ventanas de vidrio y piso de concreto es un ejemplo de un sistema de calefacción solar pasiva. Los sistemas activos de energía solar requieren la entrada de cierta energía para impulsar dispositivos mecánicos (por ejemplo, paneles solares), que recogen la energía y bombean fluidos utilizados para almacenar y distribuir la energía. Los paneles solares generalmente se montan en un techo orientado al sur o al oeste. Un panel solar generalmente consiste en una caja con revestimiento de vidrio, sellada y aislada con un acabado interior negro mate. En su interior hay bobinas llenas de un medio líquido colector de calor (generalmente agua, a veces aumentada por anticongelante).

El sol calienta el agua en las bobinas, la cual es bombeada a serpentines en un tanque de transferencia de calor que contiene agua. El agua en el tanque se calienta y luego se almacena o bombea a través del edificio para calentar habitaciones o suministrar agua caliente a los grifos del edificio.

Las células fotovoltaicas generan electricidad a partir del sol. Cientos de celdas están unidas entre sí para proporcionar el flujo de corriente requerido. La electricidad puede ser utilizada directamente o almacenada en baterías de almacenamiento. Debido a que las células fotovoltaicas no tienen partes móviles, son limpias, silenciosas y duraderas. Las células fotovoltaicas tempranas eran extremadamente caras, lo que hacía prohibitivo el costo de los paneles solares eléctricos. El reciente desarrollo de materiales semiconductores económicos ha ayudado en gran medida a reducir el costo hasta el punto en que los paneles eléctricos solares pueden competir mucho mejor en términos de costos con la electricidad producida tradicionalmente.

Aunque la energía solar en sí es gratuita, se pueden asociar grandes costos con el equipo. Los costos de construcción de una casa calentada por energía solar pasiva pueden ser inicialmente más caros. El vidrio, los materiales de piedra y el excelente aislamiento necesarios para que el sistema funcione correctamente tienden a ser más costosos que los materiales de construcción convencionales. Sin embargo, una comparación a largo plazo de las facturas de servicios públicos generalmente revela ahorros notables. Los paneles solares utilizados en la energía solar activa pueden ser costosos de comprar, instalar y mantener. Las fugas pueden ocurrir en la extensa red de tuberías requeridas, lo que ocasiona gastos adicionales. El mayor inconveniente de cualquier sistema de energía solar es que requiere un suministro constante de luz solar para funcionar. La mayoría de las partes del mundo tienen condiciones menos que ideales para un hogar solo con energía solar debido a su latitud o clima. Por lo tanto, suele ser necesario que las casas solares cuenten con sistemas de respaldo convencionales (por ejemplo, un horno de gas o un calentador de agua caliente). Este requisito de doble sistema se suma aún más a su costo.

ENERGÍA HIDROELÉCTRICA

La energía hidroeléctrica se genera mediante el uso de la energía del agua que fluye para alimentar turbinas generadoras para producir electricidad. La mayor parte de la energía hidroeléctrica es generada por presas a través de ríos de gran caudal. Una presa construida a través del río crea un embalse detrás de él. La altura del agua detrás de la presa es mayor que la que hay debajo de la presa, lo que representa la energía potencial almacenada. Cuando el agua fluye hacia abajo a través del penstock de la presa, impulsando las turbinas, parte de esta energía potencial se convierte en electricidad. La energía hidroeléctrica, al igual que otras fuentes alternativas, es limpia y relativamente barata a largo plazo, incluso con costos iniciales de construcción y mantenimiento. Pero debido a que el caudal normal del río es reducido por la presa, los sedimentos normalmente transportados aguas abajo por el agua se depositan en el embalse. Eventualmente, el sedimento puede obstruir los penstocks y hacer que la presa sea inútil para la generación de energía.

Las presas a gran escala pueden tener un impacto significativo en el entorno regional. Cuando el río está inicialmente represa, las tierras agrícolas a veces se inundan y poblaciones enteras de personas y vida silvestre son desplazadas por las aguas ascendentes detrás de la presa. En algunos casos, el embalse puede inundar cientos o miles de kilómetros cuadrados. La disminución del flujo aguas abajo de la presa también puede afectar negativamente a las poblaciones humanas y de vida silvestre que viven aguas abajo. Además, la presa puede actuar como una barrera para los peces que deben viajar río arriba para desovar. Los organismos acuáticos son frecuentemente capturados y asesinados en el penstock y las pipas de salida. Debido a la gran superficie del embalse, el clima local puede cambiar debido a la gran cantidad de evaporación que se produce.

ENERGÍA EÓLICA

El viento es el resultado del calentamiento desigual de la atmósfera por parte del sol. El aire caliente se expande y sube y el aire frío se contrae y se hunde. Este movimiento del aire se llama viento. El viento se ha utilizado como fuente de energía durante milenios. Se ha utilizado para bombear agua, alimentar barcos y moler granos. Las áreas con vientos constantes y fuertes pueden ser utilizadas por las turbinas eólicas para generar electricidad. En Estados Unidos, el estado de California cuenta con alrededor de 20 mil turbinas eólicas, y produce la mayor cantidad de electricidad generada por el viento. La energía eólica no produce contaminación del aire, puede ser prácticamente ilimitada y es relativamente económica de producir. Hay un costo inicial de fabricación de la turbina eólica y los costos asociados con el mantenimiento y las reparaciones, pero el viento en sí es gratuito.

Los principales inconvenientes de los generadores eólicos son que requieren mucho terreno abierto y un suministro de viento bastante constante. Menos del 15% de Estados Unidos es apto para generar energía eólica.

Los molinos de viento también son ruidosos, y algunas personas los consideran estéticamente poco atractivos y los etiquetan como contaminación visual. Las aves migratorias y los insectos pueden enredarse y matarse por las cuchillas giratorias. Sin embargo, los terrenos utilizados para granjas de molinos eólicos pueden ser utilizados simultáneamente para otros fines como la ganadería, la agricultura y la recreación.

ENERGÍA DE BIOMASA

La energía de biomasa es la fuente de energía más antigua utilizada por los humanos. La biomasa es la materia orgánica que compone los tejidos de plantas y animales. Hasta que la Revolución Industrial provocó un cambio hacia los combustibles fósiles a mediados del siglo XVIII, era la fuente de combustible dominante en el mundo. La biomasa se puede quemar para calentar y cocinar, e incluso generar electricidad. La fuente más común de energía de biomasa proviene de la quema de madera, pero la energía también puede generarse quemando estiércol animal (estiércol), material vegetal herbáceo (no maderero), turba (tejidos vegetales y animales parcialmente descompuestos) o biomasa convertida como carbón vegetal (madera que ha sido parcialmente quemada para producir una sustancia similar al carbón). La biomasa también se puede convertir en un biocombustible líquido como el etanol o el metanol. Actualmente, alrededor del 15 por ciento de la energía mundial proviene de la biomasa.

La biomasa es una fuente de energía potencialmente renovable. Desafortunadamente, los árboles que se cortan para leña con frecuencia no se replantan. Para ser utilizado de manera sostenible, se debe plantar un árbol por cada corte.

La biomasa se utiliza con mayor frecuencia como fuente de combustible en los países en desarrollo, pero con la disminución de la disponibilidad de combustibles fósiles y el aumento de los precios de los combustibles fósiles, la biomasa se está utilizando cada vez más como fuente de combustible en los países desarrollados. Un ejemplo de energía de biomasa en los países desarrollados es la quema de residuos sólidos municipales. En Estados Unidos se han construido varias plantas para quemar residuos de biomasa urbana y utilizar la energía para generar electricidad.

El uso de biomasa como fuente de combustible tiene graves efectos ambientales. Cuando los árboles cosechados no se replantan, se puede producir erosión del suelo. La pérdida de actividad fotosintética da como resultado mayores cantidades de dióxido de carbono en la atmósfera y puede contribuir al calentamiento global. La quema de biomasa también produce dióxido de carbono y priva al suelo de nutrientes que normalmente habría recibido de la descomposición de la materia orgánica. La quema libera partículas (como cenizas) en el aire, lo que puede causar problemas de salud respiratoria.

ENERGÍA GEOTÉRMICA

La energía geotérmica utiliza el calor de los procesos geológicos internos de la tierra para producir electricidad o proporcionar calefacción. Una fuente de energía geotérmica es el vapor. Las aguas subterráneas se filtran a través de grietas en las rocas subsuperficiales hasta llegar a rocas calentadas por el magma subyacente, y el calor convierte el agua en vapor. En ocasiones este vapor regresa a la superficie en forma de géiser o manantial termal. Se pueden excavar pozos para aprovechar el depósito de vapor y llevarlo a la superficie, para impulsar turbinas generadoras y producir electricidad. Se puede hacer circular agua caliente para calentar edificios. Las regiones cercanas a los límites de las placas tectónicas tienen el mejor potencial para la actividad geotérmica.

La parte occidental de Estados Unidos es más propicia para las fuentes de energía geotérmica, y más de la mitad de la electricidad utilizada por la ciudad de San Francisco proviene de los Geysers, un campo geotérmico natural en el norte de California. California produce alrededor del 50 por ciento de la electricidad del mundo que proviene de fuentes geotérmicas.

Ciudades enteras de Islandia, que se encuentra en una región volcánicamente activa cerca de una cresta oceánica, son calentadas por energía geotérmica. La región del Valle del Rift en África Oriental también cuenta con plantas de energía geotérmica. La energía geotérmica no siempre puede ser renovable en una región en particular si el vapor se retira a una velocidad más rápida de lo que se puede reponer, o si la fuente de calefacción se enfría. La energía producida por la región de Geysers de California ya está en declive debido a que el uso intensivo está haciendo que la fuente de calor subterránea se enfríe.

La recuperación de energía geotérmica puede ser menos invasiva para el medio ambiente que emplear métodos de recuperación de fuentes de energía no renovables. Aunque es relativamente amigable con el medio ambiente, no es práctico para todas las situaciones. Sólo regiones geográficas limitadas son capaces de producir energía geotérmica económicamente viable. Por lo tanto, probablemente nunca se convertirá en una fuente importante de energía. El costo y los requisitos de energía para aprovechar y transportar vapor y agua caliente son altos. El sulfuro de hidrógeno, un contaminante tóxico del aire que huele a huevos podridos, también suele asociarse con la actividad geotérmica.