15.10: Fuentes de Energía Renovables
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- Enumere los impactos que pueda tener en el medio ambiente.
Las fuentes de energía que se ponen a disposición de manera más o menos continua en un marco de tiempo útil para las personas se denominan energía renovable. 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 las fuentes de energía convencionales como los combustibles fósiles o la energía nuclear que no son renovables. Debido a 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. Las alternativas renovables derivan del viento, el agua, la energía solar o la biomasa (Figura\(\PageIndex{1}\)). Tenga en cuenta que las fuentes de energía eólica, de agua y de biomasa son fuentes indirectas de energía solar. Una limitación actualmente asociada a la mayoría de las formas de energía renovable es que la energía no está concentrada y no es fácilmente portátil.
La energía es un ingrediente importante en todas las fases de la sociedad. Vivimos en un mundo muy interdependiente, y el acceso a recursos energéticos adecuados y confiables es crucial para el crecimiento económico y para mantener la calidad de nuestras vidas. Los principales recursos energéticos utilizados en el mundo se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\). Con el rápido crecimiento de la generación de electricidad, las energías renovables, incluida la energía solar, eólica e hidroeléctrica, son la fuente de energía de más rápido crecimiento entre 2018 y 2050, superando al petróleo y otros líquidos para convertirse en la fuente de energía más utilizada en el caso de referencia. El consumo mundial de energía renovable aumenta 3.1% anual entre 2018 y 2050, en comparación con 0.6% de crecimiento anual en petróleo y otros líquidos, 0.4% crecimiento en carbón y 1.1% de crecimiento anual en consumo de gas natural.
El consumo global de gas natural aumenta más de 40% entre 2018 y 2050, y el consumo total alcanza cerca de 200 cuatrillones de Btu para 2050. Además del gas natural utilizado en la generación eléctrica, el consumo de gas natural aumenta en el sector industrial. La fabricación de metales químicos y primarios, así como la extracción de petróleo y gas natural, representan la mayor parte de la creciente demanda industrial.
El consumo global de combustibles líquidos aumenta más de 20% entre 2018 y 2050, y el consumo total alcanza más de 240 cuatrillones de Btu en 2050. La demanda en los países de la OCDE (Organización de Cooperación y Desarrollo Económicos) se mantiene relativamente estable durante el periodo de proyección, pero la demanda no perteneciente a la OCDE aumenta alrededor de 45%.
¿Por qué utilizar fuentes de energía renovables?
La mayoría de las fuentes de energía renovables, incluyendo la solar, la eólica, el agua y la biomasa, pueden atribuirse directa o indirectamente al sol. El hecho de que el sol siga ardiendo por otros 4-5 mil millones de años lo hace inagotable como fuente de energía para la civilización humana. Con la tecnología adecuada, las fuentes de energía renovables permiten un control local y descentralizado sobre la energía. Los hogares, las empresas y las comunidades aisladas pueden usar fuentes como la solar para producir electricidad sin estar cerca de una planta de energía o estar conectadas a una red eléctrica. Esto elimina problemas como derrames asociados a la extracción y transporte de combustibles fósiles que se necesita para abastecer estos combustibles fósiles a aquellas áreas que faltan. La mayoría de las fuentes de energía renovables no contaminan el aire con emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes atmosféricos asociados a los combustibles fósiles. Esto es especialmente importante en la lucha contra el cambio climático.
Energía Solar
La energía solar es la fuente de energía definitiva que impulsa la vida en la tierra y muchas actividades humanas. Aunque solo una billonésima parte de la energía que sale del sol (Figura\(\PageIndex{3}\)) 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. Hay dos formas básicas de colectores de energía solar que son pasivos y activos.
Los dispositivos solares fotovoltaicos (PV), o células solares, cambian la luz solar directamente en electricidad. PV utiliza materiales semiconductores como el silicio para producir electricidad a partir de la luz solar: cuando la luz golpea las células, el material produce electrones libres que migran a través de la celda, creando una corriente eléctrica. Las células fotovoltaicas pequeñas pueden alimentar calculadoras, relojes y otros dispositivos electrónicos pequeños. Los arreglos de muchas células solares en paneles fotovoltaicos y los arreglos de múltiples paneles fotovoltaicos en matrices fotovoltaicas pueden producir electricidad para toda una casa o edificio (Figura\(\PageIndex{4}\) a). Algunas plantas de energía fotovoltaica tienen grandes matrices que cubren muchos acres para producir electricidad para miles de hogares.
Cientos de miles de casas y edificios alrededor del mundo tienen sistemas fotovoltaicos en sus techos. También se han construido muchas plantas de energía fotovoltaica de varios megavatios. Cubrir 4% de las zonas desérticas del mundo con energía fotovoltaica podría abastecer el equivalente de toda la electricidad del mundo. El Desierto de Gobi por sí solo podría abastecer casi toda la demanda total de electricidad del mundo.
Las centrales termosolares, como la de la Figura\(\PageIndex{4}\) b, utilizan sistemas colectores solares de concentración para recolectar y concentrar la luz solar para producir el calor de alta temperatura necesario para generar electricidad.
La energía solar tiene un impacto mínimo en el medio ambiente, dependiendo de dónde se coloque. 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.
Energía de Biomasa
La energía de biomasa proviene de la energía almacenada en materiales de origen biológico como plantas y animales. La energía de biomasa es la fuente de energía más antigua utilizada por los humanos. Hasta que la Revolución Industrial provocó un cambio hacia los combustibles fósiles a mediados del siglo XVIII, la energía de biomasa era la fuente de combustible dominante en el mundo. Actualmente, alrededor del 12 por ciento de la energía mundial proviene de la biomasa. La biomasa se utiliza con mayor frecuencia como fuente de combustible en muchos 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 incluso en las naciones desarrolladas.
Combustión directa de biomasa sólida. La fuente más común para la combustión directa es la madera, pero la energía también se puede generar 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 un tipo de carbón sustancia). 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.
La biomasa también se está utilizando a mayor escala, donde las pequeñas centrales eléctricas son alimentadas por biomasa como las astillas de madera (Figura\(\PageIndex{5}\)). Por ejemplo, Central State Hospital, Milledgeville, GA tiene una planta de quema de astillas de madera que era el sistema más avanzado disponible para su época y operando hoy en día. La Universidad Colgate en Hamilton, Nueva York, ha tenido una caldera de leña desde mediados de la década de 1980 que procesa alrededor de 20,000 toneladas de astillas de madera cosechadas localmente y de manera sostenible, el equivalente a 1.17 millones de galones (4.43 millones de litros) de fueloil, evitando 13,757 toneladas de emisiones y ahorrando a la universidad sobre 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. Para más información sobre esto, da clic aquí Colgate University.
Biomasa gaseosa. El material orgánico puede convertirse en metano, el principal componente del gas natural, por descomposición anaeróbica o fermentación, un proceso que utiliza bacterias anaerobias. El metano es un combustible relativamente limpio que se quema de manera eficiente. Se puede generar a partir de cualquier tipo de desechos orgánicos como alcantarillado municipal y basura, estiércol de ganado, cocina y desechos de jardín. De hecho, los vertederos municipales son sitios activos de producción de metano que contribuyen anualmente al metano en la atmósfera y al calentamiento global. Este gas puede y actualmente está siendo capturado por numerosos rellenos sanitarios alrededor de Estados Unidos que lo queman para generar electricidad en las centrales eléctricas o suministrarlo a hogares para calefacción.
Biocombustibles Líquidos. Los biocombustibles son combustibles de transporte producidos a partir de fuentes vegetales y utilizados para alimentar vehículos. Los más comunes son el etanol y el biodiesel.
- El etanol, también conocido como alcohol etílico o alcohol de grano, se produce fermentando cultivos como maíz, caña de azúcar y otros cultivos y luego mezclado con gasolina convencional. Como aditivo, el etanol disminuye la dependencia del petróleo convencional y aumenta la eficiencia de combustión de la gasolina, reduciendo las emisiones contaminantes.
- El biodiesel que es esencialmente aceite vegetal, también puede derivarse de una amplia gama de fuentes vegetales, incluyendo colza, girasoles y soja, y se puede usar en la mayoría de los motores diesel convencionales. El biodiesel también se puede hacer a partir de aceite vegetal usado y se ha producido de manera muy local. Debido a que se quema más limpiamente que su contraparte a base de petróleo, el biodiesel puede reducir la contaminación de vehículos pesados como camiones y autobuses. 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.
Impactos ambientales de la energía de la biomasa
Un reto importante de la biomasa es determinar si realmente es una opción más sustentable. El contenido energético de algunas fuentes de energía de biomasa puede no ser tan alto como el de los combustibles fósiles, por lo que se debe quemar más para generar la misma energía. 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. Si se utilizan cultivos tradicionales de monocultivo como el maíz o la soja, requieren grandes cantidades de combustible fósil para fabricar fertilizantes, ejecutar máquinas agrícolas y enviar el combustible a los mercados, por lo que estos biocombustibles no siempre ofrecen ahorros netos significativos de energía sobre la gasolina y el diesel. En tales casos, los biocombustibles pueden no ser neutros en carbono porque el proceso de producción de los biocombustibles da como resultado más CO 2 agregado a la atmósfera que el eliminado por los cultivos en crecimiento.
La quema de biomasa directamente (madera, estiércol, etc.) produce una alta contaminación de material particulado (ver capítulo 13 sobre Contaminación del Aire), produce CO 2 y priva al suelo de los nutrientes que normalmente habría recibido de la descomposición de la materia orgánica. Cada tipo de fuente de energía de biomasa, por lo tanto, debe ser evaluada por su impacto en el ciclo de vida completo para determinar si realmente está avanzando en la sustentabilidad y reduciendo los impactos ambientales.
Hidrógeno: Ligero y Potente
El gas hidrógeno puede ser un combustible limpio importante del futuro. El hidrógeno es considerado un portador de energía, como la electricidad y las baterías, transporta energía que se puede convertir para su uso posterior. El gas hidrógeno no tiende a existir libremente, sino que los átomos de hidrógeno se unen a otros átomos y las moléculas se incorporan en todo, desde el agua hasta los compuestos orgánicos. Por lo tanto, para obtener gas hidrógeno como combustible, se necesita energía para obligar a estas sustancias a liberar sus átomos de hidrógeno. Uno de esos procedimientos se conoce como electrólisis en la que se pasa una corriente eléctrica a través del agua para descomponer la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno (Figura\(\PageIndex{6}\)). El hidrógeno también se puede producir a partir de hidrocarburos como el gas natural y el carbón, la fermentación del material de desecho vegetal y el uso de algas.
Figura a)\(\PageIndex{6}\) Una corriente eléctrica que pasa a través del agua dando como resultado la separación de átomos de hidrógeno del oxígeno para producir el combustible de hidrógeno. b) Un electrolizador utilizado en la producción de hidrógeno por CambridgeBayWeather. Después de la producción el hidrógeno se utiliza para inflar globos meteorológicos a los que se une una radiosonda. El oxígeno producido es ventilado hacia el exterior.
Las pilas de combustible son plantas de energía altamente eficientes que producen electricidad utilizando combustible de hidrógeno en una reacción química que es un reverso del proceso de electrólisis que produjo el combustible de hidrógeno (Figura\(\PageIndex{7}\)). La energía es liberada por una reacción electroquímica exotérmica que combina iones hidrógeno y oxígeno a través de un material electrolítico para generar electricidad y calor. Se han desarrollado pilas de combustible experimentales que pueden alimentar automóviles (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Desafíos del hidrógeno
Actualmente, falta la infraestructura para el uso del combustible de hidrógeno y convertir a una nación como Estados Unidos en hidrógeno requeriría el desarrollo masivo y costoso de instalaciones para producir, almacenar, transportar y proporcionar el combustible. El impacto ambiental de la producción de hidrógeno en sí depende de la fuente de material utilizado para suministrar el hidrógeno. Por ejemplo, la biomasa y las fuentes de combustibles fósiles generan emisiones basadas en carbono. Algunas investigaciones sugieren que la fuga de hidrógeno de su producción, transporte y uso podría potencialmente agotar el ozono estratosférico. La investigación sobre esto aún está en curso.
Otras Fuentes Renovables
Energía Eólica
El viento es una fuente de energía renovable que utiliza la energía del aire en movimiento para generar electricidad. Los aerogeneradores utilizan palas para recoger la energía cinética del viento. El viento fluye sobre las palas creando sustentación (similar al efecto en las alas del avión), lo que hace que las palas giren. Las palas están conectadas a un eje de transmisión que hace girar un generador eléctrico, el cual produce electricidad (Figura\(\PageIndex{8}\)). 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.
La mayoría de los molinos de viento generan aproximadamente 1kW de electricidad, lo que solo es práctico para la generación descentralizada de energía. California cuenta con alrededor de 17,000 molinos de viento con una capacidad de alrededor de 1,400 MW. Esto es alrededor del 80% de todos los molinos de viento en Estados Unidos En Europa Occidental los generadores de molinos de viento son bastante comunes. Dado que una turbina eólica tiene una pequeña huella física en relación con la cantidad de electricidad que produce, muchos parques eólicos se encuentran en cultivos, pastos, terrenos forestales o áreas costeras. 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 los 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 del ciclo de vida ha encontrado que las turbinas producen mucha más energía que la cantidad utilizada para fabricarlas e instalarlas.