15.12: Energía del Viento y del Agua
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Los fluidos en movimiento son fuentes ricas de energía que pueden ser aprovechadas, generalmente por turbinas conectadas a generadores eléctricos. El agua en movimiento y los vientos soplantes son fluidos ricos en energía que tienen algunas similitudes como fuentes de energía por lo que se consideran juntos en esta sección. Ambos son renovables y ambos son medios indirectos de aprovechamiento de la energía solar, vientos producidos por el calentamiento desigual de las masas de aire y del agua transportadas por el ciclo hidrológico alimentado por energía solar. Ambas se encuentran entre las fuentes de energía más antiguas, como el viento utilizado para propulsar veleros y las ruedas hidráulicas utilizadas durante siglos para moler grano. Y ambas se encuentran entre las fuentes de energía más nuevas: vientos con turbinas eólicas tecnológicamente avanzadas y agua a través de ingeniosos dispositivos como los que se utilizan para capturar la energía del agua en movimiento en las mareas oceánicas.
Vientos favorables
A medida que el sol calienta las masas de aire de manera desigual, se generan vientos que pueden ser aprovechados como una forma indirecta de energía solar. La energía eólica está experimentando un rápido crecimiento en varios países y se ha vuelto competitiva en costos con fuentes más convencionales en algunas áreas. En partes de Europa, California, Wyoming y otros lugares, la visión de generadores eólicos montados en torres se ha vuelto común (Figura 15.15). En 2009 la capacidad mundial de energía eólica aumentó 31% alcanzando una capacidad de 158 gigavatios. Durante 2009 la capacidad de energía eólica de China se duplicó de 12GW a 25 GW y la capacidad de Estados Unidos creció en 10 GW a 35 GW de capacidad total. Esto le dio a Estados Unidos la mayor capacidad de energía eólica de cualquier nación del mundo, aunque rápidamente fue superada por China.
Las turbinas eólicas modernas son generalmente máquinas grandes y sofisticadas con diámetros de 40 a 50 metros y clasificadas entre 0.5 y 2 megavatios. Las turbinas más grandes disponibles a partir de 2010 se clasificaron en 7 MW. Las turbinas eólicas están diseñadas para operar de manera consistente a velocidades variables del viento, para responder a los cambios en la dirección del viento y para operar en un amplio rango de temperaturas. Se prevén para el calentamiento por resistencia eléctrica de álabes de turbina en climas fríos donde es probable la acumulación de hielo.
Las ubicaciones en alta mar con turbinas firmemente ancladas al fondo marino ofrecen varias ventajas para la producción de energía eólica, incluyendo vientos generalmente consistentes en áreas costeras y falta de conflicto con los usos de la tierra. El mayor proyecto de energía eólica marina hasta la fecha comenzó a operar frente a la costa del sureste de Inglaterra en septiembre de 2010. Esta instalación operada por Vattenfall, una compañía energética sueca, cuenta con 100 turbinas cada una de 115 metros de altura, y produce hasta 300 megavatios de electricidad, suficiente para alimentar 200,000 hogares
Energía del agua en movimiento
Desde la antigüedad se han utilizado diversos medios para aprovechar la energía del agua en movimiento con veleros y ruedas hidráulicas impulsadas por agua corriente para moler granos conocidos en la antigua Grecia y Roma. Las ruedas hidráulicas de hasta 50 caballos de fuerza se desarrollaron en la Edad Media y se aplicaron ampliamente a molinos de molienda, aserraderos y operaciones de talleres de cuero, textiles y máquinas en América Colonial. Estas fuentes sufrieron problemas debido al flujo irregular del agua y la congelación durante el invierno por lo que muchas de estas instalaciones fueron abandonadas cuando las máquinas de vapor se pusieron ampliamente disponibles a principios del siglo XIX.
Un renacimiento en la energía hídrica ocurrió a fines del siglo XIX cuando se hizo práctico accionar generadores eléctricos con agua. Comenzando con la primera planta hidroeléctrica en Estados Unidos en el río Fox cerca de Appleton, Wisconsin, en 1882, la energía hidroeléctrica impulsada por sofisticadas turbinas de potencia creció rápidamente en Estados Unidos y en todo el mundo. Para 1980 la energía hidroeléctrica constituía el 25% de la producción mundial de electricidad y el 5% de la generación total de energía mundial. Noruega genera esencialmente toda su energía eléctrica y alrededor del 50% de su energía total a partir de fuentes hidroeléctricas.
La morfología de la geosfera tiene una fuerte influencia en el potencial de generación de energía hidroeléctrica, que se ve favorecida por el terreno montañoso y grandes valles fluviales. Las lluvias abundantes y el deshielo también son factores importantes. China tiene alrededor de 1/10 del potencial mundial de energía hidroeléctrica y su enorme instalación Tree Gorges en el río Yangtze es la más grande del mundo. El embalse para esta fuente de energía ha sido incautado con una presa de 185 metros de altura y 1,300 m de largo ubicada al final de una serie de cañones empinados que albergan un cuerpo de agua que se extiende por 630 km con una anchura promedio de 1.2 km. Cuando esté completamente operativa, esta instalación masiva contará con 32 unidades generadoras y una capacidad de 22.5 gigavatios, lo que equivale a 22 grandes centrales eléctricas de carbón.
Con el ciclo hidrológico bombeando agua continuamente hacia ella, la energía hidroeléctrica es ciertamente sustentable y evita la liberación de gases de efecto invernadero. Los cuerpos de agua incautados para proporcionar energía pueden servir como suministros de agua para la agricultura, los municipios y las industrias. Existe el potencial para practicar la acuicultura en embalses mediante la cría de peces y camarones de agua dulce (langostinos). En el lado negativo, el desarrollo de la energía hidroeléctrica puede presentar algunos problemas ambientales graves. En la era moderna, la construcción de un gran depósito de energía desplaza a un número significativo de personas (más de 1 millón para el proyecto de las Tres Gargantas de China), altera el flujo de los ríos, cambia la ecología acuática y llena de agua alguna vez valles pintorescos. En varios casos significativos se han retirado presas de los ríos para restaurar sus valles a su estado anterior.
Agua Energía sin Presas
Se están desarrollando dispositivos hidrocinéticos y de conversión de energía de las olas para cosechar la energía cinética del agua en movimiento en arroyos naturales, estuarios de marea, corrientes oceánicas y vías fluviales construidas libres de presas. Un dispositivo típico de este tipo consiste en una turbina con palas relativamente grandes y espaciadas ampliamente acopladas directamente a un generador que se fija en un río u otra corriente de agua. Dicho dispositivo puede anclarse directamente a un lecho de río o unirse a soportes de puente.
Otra fuente de energía del agua en movimiento es la de las mareas, cambiando los niveles de agua de mar como resultado de la atracción gravitacional del sol y la luna. La energía mareomotriz es factible como lo demuestra la central de energía mareomotriz de 240 megavatios que ha operado de manera confiable en la región del estuario de Rance en Francia desde que se construyó en 1966. Esta instalación tiene aproximadamente 1/4 de la capacidad de una planta nuclear o de carbón estándar de 1,000MW. Se han construido varias otras pequeñas instalaciones, incluida una unidad experimental de 18MW en Annapolis Royal, Canadá. Las estaciones generadoras de electricidad mareomotriz sufren la desventaja de que fluye suficiente agua para generar electricidad solo alrededor de 10 horas al día. Sin embargo, la cantidad de energía potencialmente disponible de las mareas es enorme y es completamente renovable.
Una manera interesante de aprovechar la energía del agua es la ósmosis retardada por presión en la que el agua salina del océano y el agua dulce están separados por una membrana permeable al agua y el flujo de agua a través de la membrana desde el agua dulce al lado del agua salina genera presión en este último que puede ser aprovechado para producir electricidad. La ósmosis retardada por presión se ilustra en la Figura15.16. Aunque el proceso opera de manera continua, se muestra como un proceso paso a paso en la Figura 15.16 para ilustrar el principio de funcionamiento. La primera planta osmótica del mundo, una unidad de demostración con una capacidad minúscula, entró en funcionamiento en Tofte, Noruega, en noviembre de 2009. Las plantas de ósmosis retardada por presión se pueden ubicar en casi cualquiera de la gran cantidad de lugares en todo el mundo donde el agua dulce fluye hacia el mar.
