14.3: Fuentes de Energía Renovables
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Hidroelectricidad
La energía hidroeléctrica (hidroeléctrica) se considera una fuente de energía limpia y renovable ya que no produce directamente emisiones de contaminantes atmosféricos y la fuente de energía se regenera. Sin embargo, las presas hidroeléctricas, los embalses y la operación de generadores pueden tener impactos ambientales. La siguiente figura muestra la Central Eléctrica Hoover ubicada en el río Colorado. La energía hidroeléctrica proporciona el 35 por ciento del consumo de energía renovable de Estados Unidos. En 2003 la capacidad estaba en 96,000 MW y se estimó que la capacidad de 30,000 MW no está desarrollada.
Figura\(\PageIndex{1}\): Vista de la central eléctrica Hoover de la central eléctrica Hoover en el río Colorado vista desde arriba. Fuente: Departamento de Gobernación de Estados UnidosLa migración de peces a sus áreas de desove aguas arriba puede ser obstruida por una presa que se utiliza para crear un embalse o para desviar el agua a una central hidroeléctrica corriente de río. Un embalse y la operación de la presa pueden afectar el hábitat natural del agua debido a cambios en la temperatura del agua, la química, las características de flujo y las cargas de limo, todo lo cual puede conducir a cambios significativos en la ecología y las características físicas del río río arriba y abajo. La construcción de embalses puede provocar la cobertura de áreas naturales, granjas y sitios arqueológicos y obligar a las poblaciones a reubicarse. Las turbinas hidráulicas matan y lesionan a algunos de los peces que pasan por la turbina aunque hay formas de reducir ese efecto. En áreas donde el salmón debe viajar río arriba para desovar, como a lo largo del río Columbia en Washington y Oregón, las presas se interponen en el camino. Este problema se puede aliviar parcialmente mediante el uso de “escaleras de pescado” que ayudan al salmón a subir las presas.
También se pueden formar dióxido de carbono y metano en reservorios donde el agua está más estancada y se emite a la atmósfera. La cantidad exacta de gases de efecto invernadero producidos por los reservorios de las centrales hidroeléctricas es incierta. Si los embalses se encuentran en regiones tropicales y templadas, incluyendo Estados Unidos, esas emisiones pueden ser iguales o mayores que el efecto invernadero de las emisiones de dióxido de carbono de una cantidad equivalente de electricidad generada con combustibles fósiles (EIA, 2011).
Pequeños sistemas hidroeléctricos
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 una presa en absoluto. Por lo tanto, efectos como agotamiento de oxígeno, aumento de la temperatura, disminución del flujo y rechazo de ayudas de migración aguas arriba como las escaleras de peces no son problemas para muchos proyectos de ejecución del río.
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 reservas 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 alterador o generador para generar electricidad.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 sistemas pequeños - 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 microsistemas hidroeléctricos (Figura anterior). La mayoría de los sistemas utilizados por los propietarios de viviendas y pequeñas empresas calificarían como sistemas microhidroeléctricos. De hecho, un sistema de 10 kW generalmente puede proporcionar suficiente energía para una casa grande, un complejo pequeño o una granja de pasatiempos.
Residuos Sólidos Municipales
Los procesos de residuos a energía están ganando un interés renovado ya que pueden resolver dos problemas a la vez: la eliminación de desechos a medida que disminuye la capacidad de relleno sanitario 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. Dado que la fuente de combustible está menos estandarizada que el carbón y los materiales peligrosos pueden estar presentes en los desechos sólidos municipales (RSU), o la basura, los incineradores y las centrales eléctricas de residuos en energía necesitan limpiar la pila 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
Biomasa
La biomasa se deriva de las plantas. Los ejemplos incluyen aserrín de aserrín de aserradero, lodo de fábrica de papel, desechos de jardín o cálices de avena de una planta de procesamiento de harina de avena. Un reto importante de la biomasa es determinar si realmente es una opción más sustentable. A menudo se necesita energía para hacer energía y la biomasa es un ejemplo donde el procesamiento para hacerla puede no ser compensado por la energía que produce. Por ejemplo, la combustión de biomasa puede aumentar o disminuir la emisión de contaminantes atmosféricos dependiendo del tipo de biomasa y los tipos de combustibles o fuentes de energía que sustituya. La biomasa reduce la demanda de combustibles fósiles, pero cuando se cultivan las plantas que son las fuentes de biomasa,\(\ce{CO2}\) se captura una cantidad casi equivalente de a través de la fotosíntesis, por lo que recicla el carbono. Si estos materiales se cultivan y cosechan de manera sustentable no puede haber incremento neto en\(\ce{CO2}\) las emisiones. 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.
Figura\(\PageIndex{3}\): Astillas de madera La fotografía muestra un montón de astillas de madera, las cuales son un tipo de biomasa. Fuente: UlrichulrichBiomasa Sólida: Madera 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\(\ce{CO2}\) emisiones. 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 también se está utilizando a mayor escala, donde hay pequeñas centrales eléctricas. Por ejemplo, Colgate College ha tenido 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, el equivalente a 1.17 millones de galones (4.43 millones de litros) de fueloil, evitando 13,757 toneladas de emisiones, y ahorrando el universidad de 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 por ciento de las necesidades de calor y agua caliente doméstica del campus.
Biomasa Gaseosa: Gas de Relleno Sanitario o
El gas de relleno sanitario y el biogás es una especie de gas “biogénico” artificial como se discutió anteriormente. El metano y el dióxido de carbono se forman 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 generalmente para generación in situ. La electricidad puede reemplazar la electricidad producida por la quema de combustibles fósiles y resultar en una reducción neta de\(\ce{CO2}\) las emisiones. Los únicos impactos ambientales son de la construcción de la propia planta, similar a la de una planta de gas natural.
Biocombustibles Líquidos: Etanol y Biodiesel
Los biocombustibles pueden considerarse neutros en carbono porque las plantas que se utilizan para elaborarlos (como el maíz y la caña de azúcar para el etanol, y los frijoles de soya y las palmeras para biodiesel) absorben a\(\ce{CO2}\) medida que crecen y pueden compensar los\(\ce{CO2}\) producidos cuando se elaboran y queman los biocombustibles. El cálculo de la energía neta o\(\ce{CO2}\) generada o reducida en el proceso de producción del biocombustible es crucial para determinar su impacto ambiental. Incluso si el impacto ambiental es neto positivo, 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 cultivos de 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. Los biocombustibles pueden derivarse de partes de plantas no utilizadas como alimento (biomasa celulósica) reduciendo así ese impacto. La materia prima de etanol celulósico incluye pastos nativos de pradera, árboles de rápido crecimiento, aserrín e incluso papel usado. También, en algunas partes del mundo, grandes áreas de vegetación natural y bosques han sido talados para cultivar caña de azúcar para etanol y soja y árboles de palma aceitera para hacer biodiesel. Esto no es un uso sustentable del suelo.
Los biocombustibles suelen reemplazar al petróleo y se utilizan para alimentar vehículos. Si bien el etanol tiene mayor octano y las mezclas de etanol-gasolina se 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 ser mezclada con etanol.
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 más óxido de nitrógeno.
Motivaciones sociales y ambientales para la producción de biocombustibles
Los biocombustibles son combustibles elaborados a partir de biomasa. El ejemplo más conocido es el etanol, que puede fermentarse fácilmente a partir del jugo de caña de azúcar, como se hace en Brasil. El etanol también se puede fermentar a partir de almidón de maíz descompuesto (saccarificado), como se hace principalmente en Estados Unidos. Más recientemente, se han dedicado esfuerzos a fabricar biocombustibles de reemplazo de hidrocarburos llamados gasolina verde, diesel verde o combustible para aviones verdes. En este capítulo se discute la necesidad de biocombustibles, los tipos de biocombustibles que se pueden producir a partir de las diversas materias primas de biomasa disponibles, y las ventajas y desventajas de cada combustible y materia prima. También se revisan las diversas formas de producir biocombustibles.
La necesidad de combustibles renovables para el transporte
En petróleo crudo, carbón y gas natural, (denominados colectivamente combustibles fósiles) nuestro planeta nos ha proporcionado fuentes de energía que han sido fáciles de obtener y convertir en combustibles y químicos útiles. Esa situación pronto cambiará, sin embargo, en unas pocas décadas para el crudo de petróleo y en unos pocos siglos para el carbón y el gas natural. El pico de petróleo se refiere al pico de producción de petróleo que debe ocurrir a medida que se agota el crudo de petróleo.
Dado que el petróleo es cada vez más difícil de encontrar, ahora tenemos que obtenerlo de lugares menos accesibles como lejos bajo el océano, lo que ha provocado accidentes difíciles de reparar como el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en mayo de 2010. Un efecto adicional es el mayor costo de refinar el petróleo ya que proviene de lugares más remotos o en formas menos deseables como la “arena alquitranada” gruesa y rocosa o “arena de petróleo” que se encuentra en Canadá o Venezuela. En general, el uso del crudo de petróleo no puede exceder la cantidad de petróleo que se ha descubierto, y asumiendo que no hay grandes descubrimientos de petróleo por delante, la producción de petróleo a partir del crudo debe comenzar a disminuir. Algunos analistas piensan que este pico ya ha ocurrido.
Un aspecto adicional de la escasez de petróleo es la independencia energética. Estados Unidos actualmente importa cerca de dos tercios de su petróleo, lo que lo hace dependiente de la beneficencia de países que poseen grandes cantidades de petróleo. Los países de Oriente Medio se encuentran entre los que tienen mayores reservas de petróleo. Con su economía y nivel de vida tan basado en crudo de petróleo importado es fácil ver por qué Estados Unidos está profundamente involucrado en la política de Oriente Medio.
Una segunda motivación importante para alejarse del crudo de petróleo es el cambio climático global. Si bien actualmente se está debatiendo la correlación de la concentración de dióxido de carbono (\(\ce{CO2}\)) en la atmósfera con la temperatura global promedio, el aumento de\(\ce{CO2}\) en nuestra atmósfera que ha venido de quemar combustibles fósiles desde la revolución industrial es de aproximadamente 280 ppm a aproximadamente 390 ppm en la actualidad, y no se puede negar. Se necesitan fuentes de energía como la eólica, la solar, la nuclear y la biomasa que minimicen o eliminen la liberación de la atmósfera\(\ce{CO2}\). La biomasa se incluye en esta lista ya que el carbono que compone la fibra vegetal se toma de la atmósfera en el proceso de fotosíntesis. La quema de combustible derivado de la biomasa libera la\(\ce{CO2}\) espalda a la atmósfera, donde nuevamente se puede incorporar a la masa vegetal. La Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) de 2007 define un biocombustible avanzado como uno que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida (emisiones de todos los procesos involucrados en la obtención, refinación y finalmente quema del combustible) en 60% en relación con la línea base del crudo de petróleo de 2005.
Energía geotérmica
El cinco por ciento de la cartera de energía renovable de Estados Unidos proviene de energía geotérmica. La temperatura subsuperficial de la tierra proporciona un recurso energético sin fin. 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 uno por ciento 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 por ciento 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.
Los sistemas geotérmicos de fuentes terrestres utilizan un sistema de intercambio de calor que corre en el subsuelo aproximadamente 20 pies (5 metros) por 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 que se requiere para generar calor a partir de gas, vapor, agua caliente y enfriadores y sistemas de aire acondicionado eléctricos convencionales.
Energía Solar
La energía solar tiene un impacto mínimo en el medio ambiente, dependiendo de dónde se coloque. En 2009, el uno por ciento de la energía renovable generada en Estados Unidos fue de energía solar (1646 MW) del ocho por ciento 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.
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 que produce electricidad con cero emisiones. Fuente: Oficina de Sustentabilidad, UICViento
El viento 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 por ciento de la energía eólica instalada en todo el mundo. De acuerdo con la Asociación Americana de Energía Eólica, más del 35 por ciento de toda la nueva capacidad de generación eléctrica en Estados Unidos desde 2006 se debió al viento, superada sólo por el gas natural.
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, UICDado que una turbina eólica tiene una pequeña huella física en relación con la cantidad de electricidad que produce, muchos parques eólicos se encuentran en terrenos de cultivo, pastos y bosques. 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 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 por ciento y Japón al 30 por ciento) o desarrollar recursos renovables domésticos como la energía hidroeléctrica y eólica (Escandinavia), la geotérmica (Islandia), la solar, la biomasa y para la electricidad y 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 del petróleo desde 1998, y la creciente dependencia de muchos países desarrollados del petróleo extranjero (60 por ciento del petróleo de Estados Unidos y 97 por ciento 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 calentamiento global, y la amenaza del 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.
Como relativamente recién llegados a la producción de energía, la energía renovable generalmente opera con menor eficiencia que sus contrapartes convencionales. Por ejemplo, los mejores módulos solares fotovoltaicos comerciales operan con aproximadamente un 20 por ciento de eficiencia, en comparación con casi el 60 por ciento de eficiencia para las mejores turbinas de gas natural de ciclo combinado. Los módulos fotovoltaicos en el laboratorio operan por encima del 40 por ciento de eficiencia pero son demasiado caros para uso general, lo que demuestra que hay un amplio margen para mejoras de rendimiento y reducciones de costos. Las turbinas eólicas están más cerca de su límite teórico del 59 por ciento (conocida como la ley de Betz) a menudo logrando una eficiencia del 35 al 40 por ciento. La biomasa es notoriamente ineficiente, convirtiendo típicamente menos del uno por ciento de la luz solar incidente en energía almacenada en los enlaces químicos de sus raíces, tallos y hojas. La reproducción y la modificación genética pueden mejorar esta pobre eficiencia energética, aunque cientos de millones de años de evolución desde la aparición de organismos multicelados no han producido un avance significativo. La energía geotérmica ya está en forma de gradientes de calor y temperatura, por lo que se pueden aplicar técnicas estándar de ingeniería térmica para mejorar la eficiencia. La energía de las olas y las mareas, aunque demostrada en varias plantas de trabajo, se encuentran en etapas tempranas de desarrollo y su desarrollo tecnológico permanece en gran parte inexplorado.
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 uno por ciento 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 100x100 km2 de desierto con 10 por ciento de células solares eficientes produciría 0.29 TW de energía, alrededor del 12 por ciento de la demanda humana mundial 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 por ciento 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.
El potencial global de producción de energía eléctrica y combustibles para el transporte a partir de energía solar, eólica y biomasa está limitado por la disponibilidad geográfica de terrenos adecuados para generar cada tipo de energía (descrito como el potencial geográfico), la eficiencia técnica del proceso de conversión (reduciendo la potencial al potencial técnico), y el costo económico de construcción y operación de la tecnología de conversión (reduciendo el potencial técnico al potencial económico). El grado en que se desarrolle realmente el potencial global de los recursos renovables depende de muchos factores desconocidos, como el alcance futuro del avance económico y tecnológico en los mundos en desarrollo y desarrollado, el grado de globalización a través de los vínculos empresariales, intelectuales y sociales entre países y regiones, y la importancia relativa de las agendas ambientales y sociales en comparación con los objetivos económicos y materiales. Los escenarios que evalúan el desarrollo de los recursos energéticos renovables bajo diversos supuestos sobre las trayectorias económicas, tecnológicas y sociales del mundo muestran que la energía solar tiene 20-50 veces el potencial de la energía eólica o biomasa para producir electricidad, y que cada uno por separado tiene el potencial suficiente para proveer las necesidades de electricidad del mundo en 2050 (de Vries, 2007).
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 por ciento 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.
Recursos eólicos y solares en Estados Unidos
Estados Unidos cuenta con abundantes recursos renovables. La irradiación solar en el suroeste de Estados Unidos es excepcional, equivalente a la de África y Australia, que contienen los mejores recursos solares del mundo. Gran parte de Estados Unidos tiene irradiación solar tan buena o mejor que España, considerada la mejor de Europa, y mucho más alta que Alemania. La variación en la irradiación sobre Estados Unidos es de aproximadamente un factor dos, bastante homogénea en comparación con otros recursos renovables. El tamaño de Estados Unidos se suma a su recurso, lo que lo convierte en una excelente oportunidad para el desarrollo solar.
El recurso eólico de Estados Unidos, aunque abundante, es menos homogéneo. Los vientos fuertes requieren gradientes constantes de temperatura y presión para conducirlos y sostenerlos, y estos se asocian frecuentemente con características topológicas como cadenas montañosas o costas. El mapa eólico terrestre de Estados Unidos muestra este patrón, con el mejor viento a lo largo de un corredor norte-sur aproximadamente a mediados del continente. Los vientos marinos sobre los Grandes Lagos y las costas este y oeste son más fuertes y estables, aunque cubren áreas más pequeñas. El potencial técnico para la energía eólica terrestre es de más de 8000 GW de capacidad (Lu, 2009; Black & Veatch, 2007) y en alta mar es de 800 — 3000 GW (Lu, 2009; Schwartz, Heimiller, Haymes, & Musial, 2010). A modo de comparación, Estados Unidos utilizó electricidad en 2009 a razón de 450 GW promediados sobre los picos y valles día-noche y verano-invierno.
Barreras para el despliegue
La energía renovable enfrenta varias barreras para su despliegue generalizado. El costo es uno de los más serios. Aunque el costo de las energías renovables ha disminuido significativamente en los últimos años, la mayoría siguen siendo más altos en costo que las alternativas fósiles tradicionales. Las tecnologías de energía fósil tienen una mayor experiencia en la racionalización de la fabricación, incorporando nuevos materiales, aprovechando las economías de escala y entendiendo los fenómenos físicos y químicos subyacentes del proceso de conversión energética. La electricidad de menor costo la genera el gas natural y el carbón, con la hidroeléctrica y la eólica entre los retadores renovables. El costo, sin embargo, no es una métrica aislada; debe compararse con las alternativas. Una de las incertidumbres del entorno empresarial actual es el costo final de las emisiones de carbono. Si los gobiernos ponen un precio a la emisión de carbono para compensar el costo social del calentamiento global y la amenaza del cambio climático, el costo relativo de las energías renovables se volverá más atractivo aunque su costo absoluto no cambie. Esta incertidumbre política en el costo eventual de la generación de energía a base de carbono es un factor importante en el atractivo económico futuro de las energías renovables.
Una segunda barrera para el despliegue generalizado de las energías renovables es la opinión pública. En el mercado de consumo, las ventas muestrean directamente la opinión pública y la conexión entre el despliegue y la aceptación pública es inmediata. La energía renovable no es una elección que hacen los consumidores individuales. En cambio, las elecciones energéticas son hechas por los responsables de políticas gubernamentales a nivel municipal, estatal y federal, quienes equilibran las preocupaciones por el bien común, por la “equidad” con los actores y por el costo económico. Sin embargo, la aceptación pública es un factor importante para equilibrar estas preocupaciones: una opción energética fuertemente favorecida o desfavorecida se verá reflejada en las decisiones gubernamentales a través de representantes electos o que respondan al público. El rango de aceptación va de fuertemente positivo para solar a fuertemente negativo para nuclear. Llama la atención la disparidad en la aceptación pública y el costo económico de estas dos alternativas energéticas: la solar es a la vez la alternativa más cara y la más aceptable para el público.
La importancia de la opinión pública queda ilustrada por el desastre nuclear de Fukushima de 2011. El terremoto y tsunami que en última instancia provocó la fusión del combustible en varios reactores del complejo de Fukushima y la liberación de radiación en una zona poblada provocó que muchos de los ciudadanos de muchos países cuestionaran la seguridad de los reactores y de la empresa de electricidad nuclear en general. La respuesta fue rápida, con algunos países registrando consenso público para acciones drásticas como el cierre de la electricidad nuclear cuando expiren las licencias para los reactores actualmente en funcionamiento. Si bien su resolución final es incierta, el impacto repentino y serio del evento de Fukushima en la opinión pública muestra el papel clave que juega la aceptación social en la determinación de nuestra trayectoria energética.