estado del arte de las energÍas alternas en mÉxico

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERIA CIVIL

ESTADO DEL ARTE DE LAS ENERGÍAS ALTERNAS EN MÉXICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO CIVIL

P R E S E N T A

FRAGOSO REYES MARIO

ASESOR: ING. RAÚL MANJARREZ ÁNGELES

MÉXICO D.F. AGOSTO DEL 2007.

AGRADECIMIENTOS

AMELIA REYES VELAZQUEZ Y MARIO FRAGOSO SANTILLAN.

MIS PADRES

Este es uno de los logros mas

grandes que un hijo puede tener, por

las muestras de amor, por la comprensión, por su apoyo

constante, por todo lo que me han dado, sinceramente……… GRACIAS.

BRADBURY Y KANTERBURY

MIS HIJOS

Quienes son la luz de mis ojos, el

amor, la ternura; son el impulso que me da seguridad para lograr

este paso, y así con el transcurrir de la vida, valoren y deseen con

todo el corazón, algún día; superar esta etapa, seguro estoy de eso y más; Kanter & Brad.

MARIA DINA, MARITZA, JESUS, AMPARO, ROBERTO.

MIS HERMANOS

Es tan bello saber que cuento con su amor, con su comprensión, con

su cariño, gracias, sobre todo por todos los momentos tan agraciados

que me han hecho vivir. Mis guerreras incansables las amo, los amo hermanos.

A TI INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Orgullosamente Politécnico, desde el primer momento que supe que

me albergarías en tus aulas para formarme todo un profesional, me

senti privilegiado, y jamás te traicionare……… GRACIAS.

A TI ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

Por brindarme un lugar dentro de

cada aula, donde solo queda el recuerdo y la esencia de los

momentos que como alumno viví a lado de los profesores y

compañeros. Comprometido por velar por ti hoy y siempre…….. GRACIAS ESIA.

A TODOS LOS PREFESORES

QUE HAN HECHO BRILLAR A ESTA INSTITUCIÓN.

Por su paciencia, por su enseñanza, por todos sus logros, y

sobre todo por su Profesionalismo. Pero sobre todo al ING, RAUL

MANJARREZ ÁNGELES por haber sido mi asesor para que esta

Tesis se llevara a cabo…..GRACIAS.

ULISES ALEJANDRO, HUGO ANTONIO, ELOY, MÓNICA Y MIGUEL ANGEL LUNA.

MIS AMIGOS

Aunque son pocos, es para mi un honor plasmar sus nombres

porque me han enseñado lo mágico que es ser amigo de

verdad; de los que jamás te abandonan ni en los tiempos de

adversidad, ya que es muy difícil ser amigo como Ustedes,

sumando a esta corta lista al PBRO. MIGUEL ÁNGEL LÓPEZ ALARCON, quien me ha enseñado que la vida, es un

don divino de DIOS, Seres Honestos, Sencillos y de gran corazón, a todos Ustedes.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA


“ESTADO DEL ARTE DE LAS ENERGÍAS ALTERNAS EN MÉXICO”

PÁGINAS CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1.1 Introducción. 4 1.1.1 Justificación. 8 1.1.2 Hipótesis. 8 1.2 Objetivo General. 8 1.3 Objetivos Par ticulares. 8 1.4 Antecedentes. 10

CAPÍTULO II GENERALIDADES 2.1 Generalidades. 11

CAPÍTULO III ENERGÍA SOLAR 3.1 Energía Solar . 14 3.1.2. Energía Solar Térmica 16 3.2 Energía Solar Fotovoltaica 16 3.3 Propiedades de los Semiconductores 17 3.4 Sistema Térmico Solar 20 3.5. Colectores de Baja , Media y Alta Temperatura 21

CAPÍTULO IV ENERGÍA EÓLICA

4.1 Energía Eólica. 25 4.2. Par tes de un Aerogenerador 26 4.3 Sistemas de un Aerogenerador 27

CAPÍTULO V ENERGÍA DEL OLEAJE 5.1 Energía del Oleaje. 29 5.2 Energía de las Mareas. 31 5.3 Energía Térmica Oceánica. 32



CAPÍTULO VI BIOMASA Y BIOGAS 6.1 Biomasa o Biogás 34

6.2. BIOMASA Y R.S.U. 34

CAPÍTULO VII

MICROHIDRÁULICAS

7.1 Micro hidr áulicas (Pequeñas Centr ales Hidroeléctr icas) 37 7.2 Centr ales de Aguas Fluyentes 38

CAPÍTULO VIII

OTRAS ENERGÍAS

2.7 Otras Fuentes Energéticas 45 8.2 Energía Geotérmica 45 8.3 Energía Nuclear 48 8.4 Energía Térmica 48 8.5 Hidrogeno Líquido 52

CONCLUSIONES 54 BIBLIOGRAFÍA 55 ANEXOS 57



INDICE DE FIGURAS

FIG. TÍTULO PÁGINA

1.1 Las diferentes energías alternas 4

2.1 Paneles Fotovoltaicos captando energía solar 11

3.1 Energía r adiante producida por el sol 14 3.2 Módulos fotovoltaicos captadores de energía solar 15 3.3 Sistema térmico solar 20 3.4 El colector solar plano 21 3.5 Colectores de media y alta temperatura 22

4.1 Energía eólica (aerogeneradores) 25 4.2 Tipos de aerogenerador 26 4.3 Par tes internas de un aerogenerador 27 4.4 Aerogenerador 27

5.1 Energía del oleaje 29 5.2 Boya de nasuda 30 5.3 Energía de las mareas 31

6.1 Biomasa residual 34 6.2 Biomasa natural 34

7.1 Pequeñas centr ales hidroeléctr icas 37 7.2 Centrales de pie de pr esa 38 7.3 Turbina kaplan 39 7.4 Turbina Francis 40 7.5 Turbina Pelton 41 7.6 Aprovechamiento de la energía cinética de una centr al

Hidroeléctr ica 42

8.1 Diagrama de una centr al geotérmica 47 8.2 Caldera de una planta termoeléctr ica 49 8.3 Diagrama de una centr al termoeléctr ica 50 8.4 Estudiantes tr abajando en el laborator io con hidrógeno líquido 52



CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO



INTRODUCCIÓN

Si el siglo XX se movió con energías sucias, como el petróleo, el gas o el carbón, el XXI abre las puertas a energías verdes. Estas, que además de limpias son inagotables, se perfilan como la gran solución para un mundo que devora cada vez más kilovatios y combustible.

Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos e incluso mientras dormimos estamos consumiendo energía. Esta es indispensable y no sólo para las sociedades actuales. El ser humano inventó el fuego, y con la madera como combustible, cocinaba y se calentaba con él. Desde tiempos remotos ha utilizado, además de su propio esfuerzo físico, el de algunos animales domésticos para obtener esa energía. Creó la rueda que, unida a la fuerza del viento y el agua, le proporcionaba energía mecánica.

Con la revolución industrial, que comenzó en el siglo XVIII en Inglaterra, y continuó en casi todo el mundo en el XIX, el modelo energético empleado hasta entonces se desmoronó y otras fuentes de energía, como el carbón, arrancaron con fuerza. En 1559, se realizó en Estados Unidos la primera perforación petrolífera.

Se inició así la fiebre del oro negro que dura hasta nuestros días. En poco tiempo el carbón, los hidrocarburos y la energía nuclear desbancaron a las otras fuentes que se usaban hasta ese momento. Para ello fue necesario un espectacular desarrollo tecnológico que va desde la máquina de vapor al reactor nuclear, pasando por el motor de explosión y el generador eléctrico. Pero es importante destacar las nuevas fuentes de energía que se pueden utilizar, sin generar gran contaminación, como son la Biomasa, Eólica, Solar e Hidráulica.

Fig. 1.1. Las diferentes Energías Alternas



Este trabajo se divide en ocho capítulos, todos ellos relacionados con el estado del arte de las energías alternas en nuestro país; y consta de lo siguiente:

En el capítulo I, Titulado Marco Teór ico, donde se marca la introducción a lo que es este tema, el de las Energías Alternas (Energía Solar, Energía Eólica, Energía del Oleaje, Biomasa y Biogás, Micro hidroeléctricas, entre otras energías. Para ello fue necesario un espectacular desarrollo tecnológico que va desde la máquina de vapor al reactor nuclear, pasando por el motor de explosión y el generador eléctrico. Pero es importante destacar las nuevas fuentes de energía que se pueden utilizar, sin generar gran contaminación, como son la Biomasa, Eólica, Solar e Hidráulica.

El capitulo II, habla de las generalidades o la disponibilidad de los recursos energéticos que es uno de los factores más importantes en el desarrollo tecnológicos de las naciones. A su vez, el desarrollo tecnológico determina la utilización de ciertos tipos de energía y, por lo tanto, la disponibilidad de ese recurso. Los recursos energéticos son usados por el hombre para satisfacer algunas de sus necesidades básicas en forma de calor y trabajo.

Las sociedades modernas precisan de un elevado consumo de energía que en los países desarrollados procede fundamentalmente del petróleo y las centrales nucleares. El inconveniente de los combustibles fósiles es que se agotan y que el consumo crea graves problemas ecológicos y medioambientales. Las centrales nucleares, que prometían ser una alternativa, han resultado ser antieconómicas, en gran parte debido a la exigencia de complejos sistemas de seguridad para evitar catástrofes y al difícil problema de la eliminación de los residuos contaminantes. En la actualidad, el desafío consiste fundamentalmente en encontrar energías alternativas no contaminantes, que sean eficaces y que favorezcan el ahorro energético.

En el capitulo III se hace mención de lo que es la Energía Solar, donde el aprovechamiento de la energía solar parece ser la alternativa más prometedora, pues permite diversas formas de captación y transformación. Así, las células fotovoltaicas convierten la luz solar en energía eléctrica; los colectores absorben calor directamente y lo transfiere a otro medio como el agua; las centrales heliotérmicas utilizan baterías de espejo para concentrar los rayos, solares sobre un colector central, donde se forma el vapor que acciona la turbina generándose electricidad.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a hogares, hoteles, colegios o fábricas. También, se podrá conseguir refrigeración durante las épocas cálidas. En agricultura se pueden conseguir otro tipo de aplicaciones como invernaderos solares que favorecieran las mejoras de las cosechas en calidad y cantidad, los



secaderos agrícolas que consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores. Dentro el capitulo IV, habla de la importancia de la Energía Eólica en nuestro país, dando inicio en el perfeccionamiento del tradicional molino de viento, mismo que ha dado lugar a modernos aeromotores que aprovechan la energía eólica para generar electricidad. Estos aeromotores pueden instalarse aislados o bien en agrupaciones que aportan energía a las redes de distribución. Sin embargo, el viento tiene dos características que lo diferencia de otras fuentes energéticas: su imprevisible variabilidad y su dispersión. Ello obliga a sutiles perfeccionamientos en el diseño de las palas y el sistema de control que regula las revoluciones por minuto, para evitar velocidades, excesivas durante los vendavales y orientar el rotor hacia la posición más favorable. La fuente de energía eólica es el viento, o mejor dicho, la energía mecánica que, en forma de energía cinética transporta el aire en movimiento. El viento es originado por el desigual calentamiento de la superficie de nuestro planeta, originando movimientos conectivos de la masa atmosférica.

En capitulo V contiene la Energía del Oleaje donde se argumenta que las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento, y el viento genera las olas. Únicamente el 0.01% del flujo de la energía solar se transforma en energía de las olas. Una de las propiedades características de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin apenas pérdida de energía. Por ello, la energía generada en cualquier parte del océano acaba en el borde continental. De este modo la energía de las olas se concentra en las costas, que totalizan 336000 Km. de longitud. La densidad media de energía es del orden de 8 Kw. /m de costa. En comparación, las densidades de la energía solar son del orden de 300 W/m2. Por tanto, la densidad de energía de las olas es, en un orden de magnitud, mayor que la que los procesos que la generan. Las distribuciones geográficas y temporales de los recursos energéticos de las olas están controladas por los sistemas de viento que las generan (tormentas, alisios, monzones). La tecnología de conversión de movimiento oscilatorio de las olas en energía eléctrica se fundamenta en que la ola incidente crea un movimiento relativo entre un absorbedor y un punto de reacción que impulsa un fluido a través del generador.

El capítulo VI habla del Biogás y Biomasa, misma que nos indica que es una de las formas más antiguas de aprovechamiento de la energía solar, inventada por la Naturaleza misma, es la fotosíntesis. Mediante este mecanismo las plantas elaboran su propio alimento (su fuente de energía) y el de otros seres vivientes en las cadenas alimenticias. Pero también mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, además de su valor energético. A partir de la fotosíntesis puede utilizarse la energía solar para producir sustancias con alto contenido energético (liberable mediante una combustión) como el alcohol y el metano.

Desde el punto de vista energético, la biomasa se puede aprovechar de dos maneras; quemándola para producir calor o transformándola en combustible para su mejor transporte y almacenamiento la naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propia fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir que se compone de hidratos de carbono, lípidos y prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone mayoritariamente de hidratos de carbono y



la animal de lípidos y prótidos. La utilización con fines energéticos de la biomasa requiere de su adecuación para utilizarla en los sistemas convencionales.

En el capítulo VII se encuentra con las Micro hidráulicas o pequeñas centrales hidroeléctricas que ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla. El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica. Finalmente en el capítulo VIII se habla de Otras Energías como el hidrógeno líquido ha sido utilizado en la propulsión de prototipos de automóviles, pero su elevado costo y su difícil almacenamiento, y el hecho de ser muy explosivo, limitan por el momento su comercialización, pese a tratarse de una de las energías más limpias y adecuadas para el medio ambiente, Otra fuente de energía la constituyen las centrales geotérmicas, las cuales aprovechan el calor de las rocas en las zonas calientes del interior de la tierra. Las centrales nucleares generan energía eléctrica. En ellas, el vapor necesario para mover las turbinas se obtiene del calor emitido por reacción nuclear en el reactor. La energía geotérmica en nuestro planeta guarda una enorme cantidad de energía en su interior, como un volcán o un geiser nos dan la muestra de lo majestuoso que es la presencia de esta energía. La energía nuclear, energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas del átomo. La energía fósil es llamada así la que se obtiene de la combustión (oxidación) de ciertas substancias que, según la geología, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de años.

El petróleo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) en fase líquida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilación y otros procesos, se obtienen las diversas gasolinas, el diesel, la turbosina, la tractolina, el chapopote, etc. En el ámbito mundial ya no es un recurso abundante. El gas natural está compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracción más ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa. El carbón mineral es principalmente carbono, también de origen fósil, que se encuentra en grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial, el carbón mineral es abundante. Los problemas ecológicos que causa son aún mayores que los inherentes al petróleo y sus derivados.



JUSTIFICACIÓN

La realización de este trabajo, permite actualizar y valorar las diferentes energías que la madre naturaleza nos brinda en los distintos puntos de ubicación del globo terráqueo y que con ello los humanos debemos hacer el uso de ellas, las energías alternas y sacar el mayor provecho. De esta manera con el paso del tiempo nos haremos servir de todas y cada una de estas Energías Alternas

Con el paso de los años se debe hacer uso de las Energías Alternas como primer punto, experimentando de cada una; su uso, hasta hacer de estas una gran perfección y satisfacción en el ahorro de energía eléctrica.

HIPÓTESIS

Si mediante la investigación del estado del arte de cada una de las Energías alternas y su uso dentro de nuestro País es el mas adecuado y propicio para precisar su uso y generar nuevamente la energía eléctrica; y así cubrir pequeñas necesidades tales como los calentadores solares o en su defecto producir esta, en lugares donde no ha llegado este servicio de primera necesidad y también de paso ahorrar la que por medios ya tradicionales llega hasta los hogares de cada familia.

OBJETIVO GENERAL

Elaborar un trabajo que contenga información específica; de forma clara y referente a la captación; generación y uso de la Energía Eléctrica; a través de las Energías Alternas en México; nuestro País.

OBJETIVOS PARTICULARES.

1) Ver que tan útil resulta la captación de Energía Solar a través de paneles fotovoltaicos para la posterior generación de Energía Eléctrica en el País.

2) Si el uso de los aerogeneradores que a través del viento provocan también la captación de energía y esta convertirla en energía eléctrica, resulta factible en México.

3) Que otras energías tales como la del Oleaje, Biomasa, Biogás etc., sean aprovechadas al máximo de acuerdo al punto de encuentro, todas con el único fin; el de generar mediante la naturaleza la energía eléctrica.



ANTECEDENTES

Se entiende por marco teórico (1) el uso de alguna teoría para encuadrar el problema de estudio, se le considera a este como el conjunto de conceptos relacionados que presentan la naturaleza de una realidad.

Para el autor Bandura (1978) una teoría es un conjunto de constructor (conceptos), definiciones y preposiciones relacionadas entre si, que presenta un punto de vista sistematizado de fenómenos especificando relaciones entre las variables con el objeto de explicar y predecir los fenómenos.

La integración del marco teórico es una parte del proceso de investigación que sirve para justificar la importancia del estudio que nos proponemos realizar, que brinda al lector del informe los antecedentes sobre el problema y que sirve para interpretar y analizar nuestros resultados, pues nos permite contrastarlos con las de otras personas que han investigado acerca del mismo tema.

Una vez hecha la revisión más o menos exhaustiva y profunda de la información relacionada con el tema en libros, revistas u otras fuentes, y que se ha organizado y almacenado, el siguiente paso es la redacción de lo que será el marco teórico. La integración de las fichas bibliografías y de trabajo de un cuerpo de texto lógico, coherente y claro que fundamente el interés que se tiene por el tema elegido.

Algunos autores especializados en los métodos de investigación sugieren que para la elaboración del marco teórico se requiere manejar tres niveles de información, el primero es el manejo de las teorías o elementos teóricos sobre el problema. El segundo consiste en analizar la información empírica secundaria o indirecta provenientes de distintas fuentes, como investigaciones o informes publicados en libros, revistas, periódicos o algún otro medio, cifras estadísticas y otros datos significativos provenientes de otros archivos publicados o privados. El tercer nivel implica el manejo de la información empírica o directa a través de instrumentos tales como guía y registros de observación de experimentación o fenómenos espontáneos, encuestas, entrevistas, etc.

Cuando se cuenta con teoría para encuadrar el problema, la información proveniente de los últimos dos niveles (manejo de datos) permite conceptualizar el problema.

Algunos autores especializados en los métodos de investigación sugieren que para la elaboración del marco teórico se requiere manejar tres niveles de información, el primero es el manejo de las teorías o elementos teóricos sobre el problema.

El segundo consiste en analizar la información empírica secundaria o indirecta provenientes de distintas fuentes, como investigaciones o informes publicados en libros, revistas, periódicos o algún otro medio, cifras estadísticas y otros datos significativos provenientes de otros archivos públicos o privados. El tercer nivel implica el manejo de la información empírica o directa a través de instrumentos tales como guía y registros de observación de experimentación o fenómenos espontáneos, encuestas, entrevistas, etc.



(1) El marco teórico, referenciado de la Antología Métodos y Técnicas de Investigación 1999, Ed. UAEM Pp. 22, 23,25.

CAPÍTULO II

GENERALIDADES



GENERALIDADES

La disponibilidad de los recursos energéticos es uno de los factores más importantes en el desarrollo tecnológicos de las naciones. A su vez, el desarrollo tecnológico determina la utilización de ciertos tipos de energía y, por lo tanto, la disponibilidad de ese recurso. Los recursos energéticos son usados por el hombre para satisfacer algunas de sus necesidades básicas en forma de calor y trabajo.

Todas estas formas de energía han sido producidas por el hombre, sin embargo, existe una fuente de energía inagotable que no ha sido aprovechada al máximo; la energía solar. Esta y otros tipos de energía serán estudiadas a través de todo el desarrollo del trabajo la luz y la Energía (2)

Fig. 2.1. Paneles Fotovoltaicos captando energía solar

La principal fuente de energía para los seres vivos del planeta es la luz solar, es decir, el conjunto de radiaciones que nos llegan del Sol y que atraviesa el espacio, primero, y después la atmósfera. No todas las radiaciones alcanzan la superficie de la tierra y menos el fondo de los océanos, ni tampoco la energía que transporta.

Más o menos la mitad del total de esas radiaciones se agrupa bajo lo que llamamos luz visible.

Además, nos llegan también rayos gamma, luz ultravioleta y luz infrarroja, entre otras. Toda esa energía se aprovecha de diversas maneras, pero son las plantas autótrofas los principales organismos que la utilizan para sintetizar, con su ayuda y a partir de elementos o compuestos inorgánicos, materia orgánica. Los animales y los restantes organismos heterótrofos se alimentan después a partir de esa materia orgánica ya elaborada, incorporando así su cuerpo la energía solar fijada a través de los autótrofos.



(2) La energía solar como una alternativa mas de Alonso Concheiro, Antonio y Luís Rodríguez Viqueira, Alternativas energéticas, CONACYTFCE, México, 1985.

Las sociedades modernas precisan de un elevado consumo de energía que en los países desarrollados procede fundamentalmente del petróleo y las centrales nucleares. El inconveniente de los combustibles fósiles es que se agotan y que el consumo crea graves problemas ecológicos y medioambientales. Las centrales nucleares, que prometían ser una alternativa, han resultado ser antieconómicas, en gran parte debido a la exigencia de complejos sistemas de seguridad para evitar catástrofes y al difícil problema de la eliminación de los residuos contaminantes. En la actualidad, el desafío consiste fundamentalmente en encontrar energías alternativas no contaminantes, que sean eficaces y que favorezcan el ahorro energético.

En el mercado actual de la energía, los generadores eólicos compiten con las centrales térmicas de carbón, y si tomamos en cuenta el impacto ambiental y el tiempo de construcción, los generadores eólicos resultan una opción tangible para generar energía eléctrica limpia.

En nuestro país hay muchas zonas con alto potencial energético proveniente del viento. Están el Istmo de Tehuantepec, especialmente en las cercanías de Salina Cruz y Juchitán; Zacatecas en el Cerro de la Bufa y el de la Virgen. Estos son los que más destacan por la intensidad del viento y por la extensión en la cual sopla. En Pachuca, San Quintín y Mazatlán el aire se encajona y se requiere de estudios minuciosos para localizar con toda exactitud el lugar ideal para cada torre.

Las lagunas costeras mexicanas, ecosistemas ricos en biodiversidad y de gran valor comercial, han sufrido las consecuencias de las actividades económicas realizadas por el hombre. Turismo, industria, pesca, explotación de hidrocarburos y acumulación de residuos orgánicos, han convertido a muchos de esos antiguos paraísos en depósitos de contaminantes, poniendo en riesgo la existencia de la flora y fauna marina y la salud y forma de vida de los habitantes de la zona.

Biomasa: Una energía limpia para sacarle provecho, y es la cantidad de materia viva producida en un área determinada de la superficie terrestre Puede ser de origen vegetal o animal. En el primer caso, las plantas reciben la luz y a través del proceso denominado fotosíntesis elaboran sustancias complejas a partir de sustancias simples que le proporciona el suelo, y fijan en sus tejidos el carbono que en la atmósfera se encuentra combinado con oxígeno formando el dióxido de carbono (CO2). La forma más antigua de utilización de la biomasa es el fuego. Luego el hombre domesticó animales y aprendió a utilizar su fuerza, que proviene precisamente de la ingestión de alimentos vegetales Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2).



CAPÍTULO III

ENERGÍA SOLAR



ENERGÍA SOLAR

El aprovechamiento de la energía solar parece ser la alternativa más prometedora, pues permite diversas formas de captación y transformación. Así, las células fotovoltaicas convierten la luz solar en energía eléctrica; los colectores absorben calor directamente y lo transfiere a otro medio como el agua; las centrales heliotérmicas utilizan baterías de espejo para concentrar los rayos, solares sobre un colector central, donde se forma el vapor que acciona la turbina generándose electricidad.

Ahora bien, la capacidad de los rayos solares se encuentra muy disminuida en la superficie terrestre, por lo que se están realizando investigaciones sobre la posibilidad de sintetizar inmensos paneles que, situados en órbita geoestacionaria, radiarían la energía captada a la tierra.

Fig. 3.1. Energía radiante producida por el Sol

Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres Fig. 3.1.. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min./cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.



El sol ha sido una constante fuente energética a través de la evolución de la humanidad y en las diferentes áreas de actividad que el hombre ha desarrollado, como la agrícola, urbana o industrial. Pero para conseguir un aprovechamiento completo ha sido necesario aplicar una serie de sistemas de captación que se han ido desarrollando a medida que avanzaba la tecnología. Esta energía posee como ventajas su elevada calidad energética, su escaso impacto ecológico y su largo período de duración. Los inconvenientes se deben a que llega a la tierra de forma dispersa y además no se puede almacenar de forma directa. España, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kilovatioshora de energía. Según la forma de recogida de la radiación solar, podemos obtener calor y electricidad. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos (3). Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación.

Fig. 3.2 Módulos fotovoltaicos captadores de energía solar

(3) Fernández Zayas, José Luís, "La energía solar en México: su importancia actual y futura", Información Científica y Tecnológica, núm. 93, CONACYT, México, 1984.



ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Se trata de recoger la energía del sol a través de paneles solares y convertirla en calor. El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a hogares, hoteles, colegios o fábricas. También, se podrá conseguir refrigeración durante las épocas cálidas. En agricultura se pueden conseguir otro tipo de aplicaciones como invernaderos solares que favorecieran las mejoras de las cosechas en calidad y cantidad, los secaderos agrícolas que consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores.

El colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como:

Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del punto de ebullición.

Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 100º C. Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 300º C.

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol (4) para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica. Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores. Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las propiedades de estos semiconductores. La energía del sol se recoge en paneles solares y se convierte en electricidad Esta se basa en la aplicación del efecto fotovoltaico que se produce al incidir la luz sobre unos materiales semiconductores, generándose un flujo de electrones en el interior del material, y en condiciones adecuadas, una diferencia de potencial que puede ser aprovechada con múltiples aplicaciones como la de la electricidad, tanto doméstica como en servicios públicos. Es especialmente importante para aquellos lugares aislados, granjas o caseríos. También se puede aplicar en agricultura y ganadería, no solo en electrificación sino también en sistemas de bombeo de aguas, de riego, depuración...etc. Las células solares se usan también en calculadoras, relojes o juguetes. En señalización y comunicaciones pueden desarrollar un papel muy importante, tanto en navegación aérea como marítima, así como de carreteras y ferrocarriles, en repetidores de radio y TV, telefonía móvil, satélites artificiales o en aplicaciones especiales como oxigenación de aguas y vehículos eléctricos.



(4) Martínez, Manuel y Nora Montes, "El Sol, fuente de energía nueva y renovable", Información Científica y Tecnológica, núm. 92, CONACYT, México, 1984.

En Tabernas, Almería existe una plataforma solar que funciona desde los años 80 y donde se vienen desarrollando numerosos proyectos de investigación y desarrollo de estos recursos.

PROPIEDADES DE LOS SEMICONDUCTORES

Los electrones que se encuentran orbitando al rededor del núcleo atómico no pueden tener cualquier energía, solamente unos valores determinados, que son denominados, niveles energéticos, a los que se pone nombre: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p.

Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de electrones en su última capa y por electrones que faltan para completarla. En el silicio, material que se usa para la construcción de una célula solar, en su última capa, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla.

Cuando los átomos de silicio se unen a otros, comparten los electrones de las últimas capas con la de los átomos vecinos, formando lo que se denomina enlace covalente. Estas agrupaciones dan lugar a un sólido de estructura cristalina.

De la forma, que los electrones de un átomo no pueden tener cualquier energía, los electrones de un cristal tampoco pueden tomar cualquier energía.

Teniendo en cuenta que en el átomo sus propiedades se determinan en la última capa, ahora son agrupaciones de capas, llamadas bandas de energía, y que definen las propiedades electrónicas de un cristal.

Las dos últimas capas ocupadas por electrones reciben el nombre de banda de conducción y banda de valencia. Estas están separadas por una energía denominada gap.

Para poder entender esto describiremos los tipos de materiales existentes, eléctricamente hablando:

Conductores, disponen de unos electrones de valencia poco ligados al núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un estímulo externo.

Semiconductores, sus electrones de valencia están más ligados a sus núcleos que los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energía para que se comporten igual que estos.

Aislantes, los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo y la energía a suministrar para poder desprenderse del átomo sería excesivamente grande.

Llegando a este punto, podemos decir que a cierta temperatura, algunos electrones tendrán energía suficiente para desligarse de los átomos, a estos electrones libres se les denomina "electrones" y se les asocia con los niveles energéticos de la banda de conducción.



A los enlaces que han dejado vacíos se les denomina "huecos"; para entender mejor este racionamiento diremos que los "huecos" se comportan de la misma forma que partículas con carga positiva.

Si pusiéramos un cristal de estas características, lo único que conseguiríamos sería calentar el cristal, ya que los electrones se moverían dentro del propio cristal, se generarían pares electrón hueco, que constan de un electrón que se mueve y deja un hueco, a ese hueco irá otro electrón próximo, generando otro hueco y así sucesivamente.

Para generar una corriente eléctrica hace falta un campo magnético, que se consigue con la unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo "p" y otro de tipo "n".

Estos semiconductores se obtienen con un cristal semiconductor muy puro, introduciéndoles impurezas (dopado).

Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, de forma que esta región dopada muestra una afinidad por los electrones mayor que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo n.

La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno menos que el silicio, de forma que esta región muestra una afinidad por los electrones inferior que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo p.

De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una región de tipo p y otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p. Por esta razón los electrones son enviados a la zona n y los huecos a la zona p.

Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión pn, es cuando entonces se rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrónhueco. Las células solares, para poder suministrar energía al exterior, van provistas de unos dedos o mallas de metalización frontal, que consisten en partes metálicas por la que circula al exterior la corriente eléctrica generada.

Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, estos pares serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p. De esta forma se da una corriente de la zona n a la zona p.

Si estos electrones consiguen ser recolectados por la malla de metalización, obtendremos energía eléctrica. Si la longitud de difusión es muy corta, el par electrónhueco, se recombinará, lo cuál dará origen a calor. Por supuesto esto siempre que la célula esté iluminada.

De todas formas no todos los fotones incidentes generan electricidad, hay factores que hacen que existan pérdidas en esta generación.



Energía de fotones incidentes, hay veces que los fotones incidentes no disponen de la energía necesaria para romper un enlace covalente y crear un par electrónhueco, y otras, el fotón tiene demasiada energía, lo cual se disipa en forma de calor.

Recombinación, es el hecho de que los electrones liberados ocupen un hueco próximo a ellos. Malla de metalización, estos contactos eléctricos en el exterior de la célula, disminuye la superficie de captación.

Resistencia serie, es el efecto Joule producido por el paso de electrones a través del silicio, la malla de metalización y resistencia de los contactos de conexión eléctricas al circuito exterior.

Resistencia paralelo, tiene origen en las imperfecciones de la unión pn, creando fugas de corriente.

Estas células conexionadas entre sí, y montadas en un módulo o panel es lo que llamamos panel solar. Cuyas características eléctricas vienen determinadas por el número y forma de conexión de las células.

Conexión serie, conexionadas de forma que el lado p sea conectado con el lado n de otra célula, así sucesivamente, quedando cada extremo con un lado n y otro p.

Las tensiones generadas de cada célula se suman, la corriente es el valor de una célula. Conexión paralelo, conexionados todos los lados de tipo p, por un lado, y los de tipo n por otro. La tensión generada es la de una célula y la corriente es la suma de todas. Conexión mixta, es la conexión en serie y en paralelo de las células.

Donde la tensión generada es la suma de las tensiones de células en serie y la corriente es la suma de todas las células en paralelo.

I total = I x número de células en paralelo V total = V x número de células en serie

Existen varios tipos de paneles fotovoltaicos, que se diferencian bien por su tecnología de fabricación de células o por su aplicación.

Silicio monocristalino Silicio policristalino Silicio amorfo Policristalinos de lámina delgada Paneles para el espacio Sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre Teluro de cadmio Seleniuro de cobre e indio Arseniuro de galio o de concentración Bifaciales



SISTEMA TÉRMICO SOLAR

Los Sistemas foto térmicos convierten la radiación solar en calor y lo transfieren a un fluido de trabajo. El calor se usa entonces para calentar edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad, secar granos o destruir desechos peligrosos. Los Colectores Térmicos Solares se dividen en tres categorías:

Fig. 3.3. Sistema térmico solar

• Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65º C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor a 60º C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.

• Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300º C. En esta categoría se tienen a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.

• Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas mayores a los 500º C y se usan para generar electricidad y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas.



COLECTORES DE BAJA TEMPERATURA

El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar foto térmica. Su principal aplicación es en el calentamiento de agua para baño y albercas, aunque también se utiliza para secar productos agropecuarios mediante el calentamiento de aire y para destilar agua en comunidades rurales principalmente.

Esta constituido básicamente por:

1. Marco de aluminio anodizado. 2. Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en fierro. 3. Placa absorbedora. Enrejado con aletas de cobre. 4. Cabezales de alimentación y descarga de agua. 5. Aislante, usualmente poliestireno, o unicel 6. Caja del colector, galvanizada.

Fig. 3.4. El colector solar plano

Para la mayoría de los colectores solares se tienen dimensiones características. En términos generales la unidad básica consiste de un colector plano de 1.8 a 2.1 m 2 de superficie, conectado a un termotanque de almacenamiento de 150 a 200 litros de capacidad; a este sistema frecuentemente se le añaden algunos dispositivos termostáticos de control a fin de evitar congelamientos y pérdidas de calor durante la noche. Las unidades domésticas funcionan mediante el mecanismo de termosifón, es decir, mediante la circulación que se establece en el sistema debido a la diferencia de temperatura de las capas de líquido estratificadas en el tanque de almacenamiento. Para



instalaciones industriales se emplean varios módulos conectados en arreglos serieparalelo, según el caso, y se emplean bombas para establecer la circulación forzada.

En México el principal mercado del colector solar plano se ubica en las grandes ciudades, ya que en ellas el problema de la contaminación ambiental es realmente complejo. Numerosos estudios han identificado con bastante precisión las principales fuentes contaminadoras, algunas de ellas no tan evidentes como lo son los procesos de combustión de los automotores y de las plantas industriales, pero que son igualmente dañinas y que aportan en gran escala agentes para la formación de ozono. Blake y Sherwood (1995) reportan que en 180 muestras de aire tomadas en 5 sitios diferentes de la Ciudad de México, entre febrero de 1993 y mayo de 1995, se encuentran presentes altas concentraciones de hidrocarburos reactivos derivados del gas L.P., principal fuente de energía de los hogares mexicanos para cocinar y calentar agua. Estas concentraciones son causadas principalmente por fugas de gas L.P., las cuales se reflejan a una escala masiva en la atmósfera. Estos hidrocarburos reactivos, junto con los componentes olefínicos y los componentes acetilénicos de la combustión incompleta del gas L.P., juegan el rol dominante en la producción de ozono en el Valle de México. El problema antes mencionado puede ser atacado mediante un amplio espectro de posibilidades tecnológicas termo solares, probadas todas ellas, en las que se puede confiar para reducir el impacto ambiental en las grandes ciudades de la República.

COLECTORES DE MEDIA Y ALTA TEMPERATURA

Los sistemas tipo canal parabólica usan reflectores parabólicos en una configuración de canal para enfocar la radiación solar directa sobre un tubo largo que corre a lo largo de su foco y que conduce al fluido de trabajo, el cual pude alcanzar temperaturas hasta de 500º C.

Fig. 3.5. Colectores de media y alta temperatura



La generación foto térmica de electricidad es actualmente una de las aplicaciones más extensas de la energía solar en el mundo. Existen más de 2.5 millones de m 2 de concentradores solares instalados en 9 plantas Solar Energy Generation System (SEGS) de la Compañía Luz de Israel, que representan 354 MW y más del 85% de la electricidad producida con energía solar. La compañía Luz salió del mercado en 1991 a causa de la reducción que se dio paralelamente en los costos de los energéticos convencionales y en los subsidios a los energéticos renovables en los Estados Unidos. Sus plantas usan aceite sintético como medio de transferencia de calor en el campo de concentradores; como circuito primario, el calor recogido por el aceite se intercambia posteriormente con agua donde se lleva a cabo la generación de vapor, el cual a su vez se expande para completar un ciclo Rankine. Durante los periodos de baja insolación, o bien para nivelar la oferta, se asisten con gas natural.

Actualmente se ha introducido el ciclo combinado para mejorar la eficiencia termodinámica de estos sistemas y se estudia en varios países, entre ellos México, la posibilidad de generar directamente el vapor en el campo de concentradores. Con esto se espera lograr llevar los precios de generación a niveles competitivos con las plantas termoeléctricas convencionales.

Existen otros sistemas, no comerciales aún, como los de torre central que usan helióstatos (espejos altamente reflejantes) para enfocar la luz solar, con la ayuda de una computadora y un servomecanísmo, en un receptor central. Los sistemas parabólicos de plato usan estos reflectores para concentrar la luz del sol en un receptor montado arriba del plato, en su punto focal.



CAPÍTULO IV

ENERGÍA EÓLICA



ENERGÍA EÓLICA

El perfeccionamiento del tradicional molino de viento ha dado lugar a modernos aeromotores que aprovechan la energía eólica para generar electricidad. Estos aeromotores pueden instalarse aislados o bien en agrupaciones que aportan energía a las redes de distribución. Sin embargo, el viento tiene dos características que lo diferencia de otras fuentes energéticas: su imprevisible variabilidad y su dispersión. Ello obliga a sutiles perfeccionamientos en el diseño de las palas y el sistema de control que regula las revoluciones por minuto, para evitar velocidades, excesivas durante los vendavales y orientar el rotor hacia la posición más favorable.

Fig. 4.1. Energía eólica (aerogeneradores)

La fuente de energía eólica (5) es el viento, o mejor dicho, la energía mecánica que, en forma de energía cinética transporta el aire en movimiento. El viento es originado por el desigual calentamiento de la superficie de nuestro planeta, originando movimientos conectivos de la masa atmosférica.

La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol. Esta energía, en lugares favorables, puede ser del orden de 2.000 Kwh. /m2 anuales. El 2 por ciento de ella se transforma en energía eólica con un valor capaz de dar una potencia de 10E+11 Giga vatios. En la antigüedad no se conocían estos datos, pero lo que sí es cierto, es que intuitivamente conocían el gran potencial de esta energía.

Las formas de mayor utilización son las de producir energía eléctrica y mecánica, bien sea para autoabastecimiento de electricidad o bombeo de agua. Siendo un aerogenerador los que accionan un generador eléctrico y un aeromotor los que accionan dispositivos, para realizar un trabajo mecánico.

(5) La Energía Eólica en México Instituto de Investigaciones Eléctricas, "El aprovechamiento de la energía eólica y el IIE", Boletín del IIE, agosto septiembre de 1980, vol. 4, núm. 8/9, México, 1980.



PARTES DE UN AEROGENERADOR:

Cimientos, generalmente constituidos por hormigón en tierra, sobre el cual se atornilla la torre del aerogenerador. Torre, fijada al suelo por los cimientos, proporciona la altura suficiente para evitar turbulencias y superar obstáculos cercanos; la torre y los cimientos son los encargados de transmitir las cargas al suelo. Chasis, es el soporte donde se encuentra el generador, sistema de frenado, sistema de orientación, equipos auxiliares (hidráulico), caja de cambio, etc. Protege a estos equipos del ambiente y sirve, a su vez, de aislante acústico. El buje, pieza metálica de fundición que conecta las palas al eje de transmisión. Las palas, cuya misión es la de absorber energía del viento; el rendimiento del aerogenerador depende de la geometría de las palas, interviniendo varios factores:

• Longitud • Perfil • Calaje • Anchura

Fig. 4.2. Tipos de aerogenerador



Fig. 4.3 Partes internas de un aerogenerador

SISTEMAS DE UN AEROGENERADOR Orientación, mantiene el rotor cara al viento, minimizando los cambios de dirección del rotor con los cambios de dirección de viento; Estos cambios de dirección provocan pérdidas de rendimiento y genera grandes esfuerzos con los cambios de velocidad.

Regulación, controla la velocidad del rotor y el par motor en el eje del rotor, evitando fluctuaciones producidas por la velocidad del viento.

Transmisión, utilizados para aumentar la velocidad de giro del rotor, para poder accionar un generador de corriente eléctrica, es un multiplicador, colocado entre el rotor y el generador.

Generador , para la producción de corriente continua (DC) dinamo y para la producción de corriente alterna (AC) alternador, este puede ser síncrono o asíncrono.

Fig. 4.4 Aerogenerador



CAPÍTULO V

ENERGÍA DEL OLEAJE



ENERGÍA DEL OLEAJE

Las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento, y el viento genera las olas. Únicamente el 0.01% del flujo de la energía solar se transforma en energía de las olas (6). Una de las propiedades características de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin apenas pérdida de energía. Por ello, la energía generada en cualquier parte del océano acaba en el borde continental. De este modo la energía de las olas se concentra en las costas, que totalizan 336000 Km. de longitud. La densidad media de energía es del orden de 8 Kw. /m de costa. En comparación, las densidades de la energía solar son del orden de 300 W/m2. Por tanto, la densidad de energía de las olas es, en un orden de magnitud, mayor que la que los procesos que la generan. Las distribuciones geográficas y temporales de los recursos energéticos de las olas están controladas por los sistemas de viento que las generan (tormentas, alisios, monzones).

La densidad de energía disponible varía desde las más altas del mundo, entre 5060 Kw. /m en Nueva Zelanda, hasta el valor medio de 8 Kw. /m.

Fig. 5.1. Energía del Oleaje

Los diseños actuales de mayor potencia se hallan a 1 Mwe de media, aunque en estado de desarrollo.

La tecnología de conversión de movimiento oscilatorio de las olas en energía eléctrica se fundamenta en que la ola incidente crea un movimiento relativo entre un absorbedor y un punto de reacción que impulsa un fluido a través del generador.

La potencia instalada en operación en el mundo apenas llega al Mwe. La mayor parte de las instalaciones lo son de tierra. Los costes fuera de la costa son considerablemente mayores. En el momento actual, la potencia instalada de los diseños más modernos varía entre 1 y 2 MW. Pero todos los diseños deben considerarse experimentales.

(6) Programa Universitario de Energía, Tecnologías Energéticas del Futuro, Foro de Consulta Permanente, 2 de marzo de 1983, UNAM, México, 1983.



De los sistemas propuestos, para aprovechar la energía de las olas, se puede hacer una clasificación, los que se fijan a la plataforma continental y los flotantes, que se instalan en el mar.

Uno de los primeros fue el convertidor noruego Kvaerner, cuyo primer prototipo se construyó en Bergen en 1985. Consistente en un tubo hueco de hormigón, de diez metros de largo, dispuesto verticalmente en el hueco de un acantilado. Las olas penetran por la parte inferior del cilindro y desplazan hacia arriba la columna de aire, lo que impulsa una turbina instalada en el extremo superior del tubo. Esta central tiene una potencia de 500 Kw. y abastece a una aldea de cincuenta casas.

El pato de Salter, que consiste en un flotador alargado cuya sección tiene forma de pato. La parte más estrecha del flotador se enfrenta a la ola con el fin de absorber su movimiento lo mejor posible. Los flotadores giran bajo la acción de las olas alrededor de un eje cuyo movimiento de rotación acciona una bomba de aceite que se encarga de mover una turbina. La dificultad que presenta este sistema es la generación de electricidad con los lentos movimientos que se producen.

Balsa de Cockerell, que consta de un conjunto de plataformas articuladas que reciben el impacto de las crestas de las olas. Las balsas ascienden y descienden impulsando un fluido hasta un motor que mueve un generador por medio de un sistema hidráulico instalado en cada articulación.

Rectificador de Russell, formado por módulos que se instalan en el fondo del mar, paralelos al avance de las olas. Cada módulo consta de dos cajas rectangulares, una encima de la otra. El agua pasa de la superior a la inferior a través de una turbina.

Boya de Nasuda, consistente en un dispositivo flotante donde el movimiento de las olas se aprovecha para aspirar e impulsar aire a través de una turbina de baja presión que mueve un generador de electricidad.

Fig. 5.2 Boya de nasuda



Los mares y los océanos son inmensos colectores solares, de los cuales se puede extraer energía de orígenes diversos.

La radiación solar incidente sobre los océanos, en determinadas condiciones atmosféricas, da lugar a los gradientes térmicos oceánicos (diferencia de temperaturas) a bajas latitudes y profundidades menores de 1000 metros. La iteración de los vientos y las aguas son responsables del oleaje y de las corrientes marinas. La influencia gravitacional de los cuerpos celestes sobre las masas oceánicas provoca mareas.

ENERGÍA DE LAS MAREAS

La energía estimada que se disipa por las mareas es del orden de 22000 TWh. De esta energía se considera recuperable una cantidad que ronda los 200 TWh.

El obstáculo principal para la explotación de esta fuente es el económico. Los costes de inversión tienden a ser altos con respecto al rendimiento, debido a las bajas y variadas cargas hidráulicas disponibles. Estas bajas cargas exigen la utilización de grandes equipos para manejar las enormes cantidades de agua puestas en movimiento. Por ello, esta fuente de energía es sólo aprovechable en caso de mareas altas y en lugares en los que el cierre no suponga construcciones demasiado costosas.

La limitación para la construcción de estas centrales, no solamente se centra en el mayor coste de la energía producida, si no, en el impacto ambiental que generan.

La mayor central mareomotriz se encuentra en el estuario del Rance (Francia). En nuestro país hay una central mareomotriz en Península de Valdés (Chubut).

Fig. 5.3. Energía de las mareas



ENERGÍA TÉRMICA OCEÁNICA

La explotación de las diferencias de temperatura de los océanos ha sido propuesta multitud de veces, desde que d’Arsonval lo insinuara en el año 1881, pero el más conocido pionero de esta técnica fue el científico francés George Claudi, que invirtió toda su fortuna, obtenida por la invención del tubo de neón, en una central de conversión térmica.

La conversión de energía térmica oceánica es un método de convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua que se encuentra a 100 m de profundidad. En las zonas tropicales esta diferencia varía entre 20 y 24 ºC. Para el aprovechamiento es suficiente una diferencia de 20º C.

Las ventajas de esta fuente de energía se asocian a que es un salto térmico permanente y benigno desde el punto de vista medioambiental. Puede tener ventajas secundarias, tales como alimentos y agua potable, debido a que el agua fría profunda es rica en sustancias nutritivas y sin agentes patógenos.

Las posibilidades de esta técnica se han potenciado debido a la transferencia de tecnología asociada a las explotaciones petrolíferas fuera de costa. El desarrollo tecnológico de instalación de plataformas profundas, la utilización de materiales compuestos y nuevas técnicas de unión harán posible el diseño de una plataforma, pero el máximo inconveniente es el económico.

Existen dos sistemas para el aprovechamiento de esta fuente de energía:

El primero consiste en utilizar directamente el agua de mar en un circuito abierto, evaporando el agua a baja presión y así mover una turbina. El departamento de energía americano (DOE) está construyendo un prototipo de 165 Kw. en las islas Hawai, con él se pretende alcanzar la experiencia necesaria para construir plantas de 2 a 15 MW.

El segundo consiste en emplear un circuito cerrado y un fluido de baja temperatura de ebullición (amoniaco, freón, propano) que se evaporan en contacto con el agua caliente de la superficie. Este vapor mueve un turbogenerador, se condensa con agua fría de las profundidades y el fluido queda dispuesto de nuevo para su evaporación.

El rendimiento de este sistema es su bajo rendimiento, sobre un 7%, esto es debido a la baja temperatura del foco caliente y la poca diferencia de temperatura entre el foco frío y caliente. Además es preciso realizar un coste extra de energía, empleado para el bombeo de agua fría de las profundidades para el condensado de los fluidos.



CAPÍTULO VI

BIOMASA Y BIOGAS



BIOMASA O BIOGAS

La forma más antigua de aprovechamiento de la energía solar, inventada por la Naturaleza misma, es la fotosíntesis. Mediante este mecanismo las plantas elaboran su propio alimento (su fuente de energía) y el de otros seres vivientes en las cadenas alimenticias. Pero también mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, además de su valor energético. A partir de la fotosíntesis puede utilizarse la energía solar para producir sustancias con alto contenido energético (liberable mediante una combustión) como el alcohol y el metano. La más amplia definición de BIOMASA (7) sería considerar como tal a toda la materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial. Clasificándolo de la siguiente forma: Biomasa natural, es la que se produce en la naturaleza sin la intervención humana.

Biomasa residual, que es la que genera cualquier actividad humana, principalmente en los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basuras y aguas residuales.

Fig. 6.1. Biomasa residual

Biomasa producida, que es la cultivada con el propósito de obtener biomasa transformable en combustible, en vez de producir alimentos, como la caña de azúcar en Brasil, orientada a la producción de etanol para carburante.

Fig. 6.2. Biomasa natural

(7) En nuestro país esta clase de generación de energía se encuentra en etapa experimental, por lo que se usa en una mínima porción. El biogás es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el bióxido de carbono, producido por la fermentación de la materia orgánica en ausencia de aire, por la acción de microorganismos. Cuando esta mezcla se produce en forma natural se llama “gases de los pantanos”. El biogás con su alto contenido de metano, es una fuente de energía que puede usarse para cocinar, iluminar, operar maquinaria agrícola, bombear agua, generar calor o electricidad.



Desde el punto de vista energético, la biomasa se puede aprovechar de dos maneras; quemándola para producir calor o transformándola en combustible para su mejor transporte y almacenamiento la naturaleza de la biomasa es muy variada, ya que depende de la propia fuente, pudiendo ser animal o vegetal, pero generalmente se puede decir que se compone de hidratos de carbono, lípidos y prótidos. Siendo la biomasa vegetal la que se compone mayoritariamente de hidratos de carbono y la animal de lípidos y prótidos. La utilización con fines energéticos de la biomasa requiere de su adecuación para utilizarla en los sistemas convencionales. Estos procesos pueden ser:

Físicos, son procesos que actúan físicamente sobre la biomasa y están asociados a las fases primarias de transformación, dentro de lo que puede denominarse fase de acondicionamiento, como, triturado, astillado, compactado e incluso secado. Químicos, son los procesos relacionados con la digestión química, generalmente mediante hidrólisis pirolisis y gasificación. Biológicos, son los llevados a cabo por la acción directa de microorganismos o de sus enzimas, generalmente llamado fermentación. Son procesos relacionados con la producción de ácidos orgánicos, alcoholes, cetonas y polímeros. Termoquímicos, están basados en la transformación química de la biomasa, al someterla a altas temperaturas (300ºC 1500ºC). Cuando se calienta la biomasa se produce un proceso de secado y evaporación de sus componentes volátiles, seguido de reacciones de cráneo o descomposición de sus moléculas, seguidas por reacciones en la que los productos resultantes de la primera fase reaccionan entre sí y con los componentes de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción, de esta forma se consiguen los productos finales. Según el control de las condiciones del proceso se consiguen productos finales diferentes, lo que da lugar a los tres procesos principales de la conversión termoquímica de la biomasa: Combustión: Se produce en una atmósfera oxidante, de aire u oxígeno, obteniendo cuando es completa, dióxido de carbono, agua y sales minerales (cenizas), obteniendo calor en forma de gases calientes. Gasificación: Es una combustión incompleta de la biomasa a una temperatura de entre 600ºC a 1500ºC en una atmósfera pobre de oxígeno, en la que la cantidad disponible de este compuesto está por debajo del punto estequiométrico, es decir, el mínimo necesario para que se produzca la reacción de combustión. En este caso se obtiene principalmente un gas combustible formado por monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano. Pirolisis: Es el proceso en la descomposición térmica de la biomasa en ausencia total de oxígeno.

En procesos lentos y temperaturas de 300ºC a 500ºC el producto obtenido es carbón vegetal, mientras que en procesos rápidos (segundos) y temperaturas entre 800ºC a 1200ºC se obtienen mezclas de compuestos orgánicos de aspectos aceitosos y de bajo pH, denominado aceites de pirolisis. Pudiéndose obtener combustibles: Sólidos, Leña, astillas, carbón vegetal Líquidos, biocarburantes, aceites, aldehídos, alcoholes, ácidos orgánicos. Gaseosos, biogás, hidrógeno.



CAPÍTULO VII

MICRO HIDRÁULICAS



MICRO HIDRÁULICA PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Ya desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

Fig. 7.1. Pequeñas Centrales Hidroeléctricas

Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electricidad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla. El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica.

Hoy en día, con los problemas medioambientales, se ven las cosas desde otra perspectiva. Esto ha hecho que se vayan recuperando infraestructuras abandonadas dotándolas de nuevos equipos automatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es más del que ya existía o por lo menos inferior al de una gran central. A estas instalaciones, con potencia inferior a 5.000KW se les denomina mini hidráulicas.

Las minicentrales hidroeléctricas (8) están condicionadas por las características del lugar de emplazamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina.

(8) Viejo Zubicaray, Manuel y Pedro Alonso Palacios, Energía hidroeléctrica, Ed. Limusa, México, 1977.



CENTRALES DE AGUAS FLUYENTES

Aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, para después devolverlo al cauce del río.

CENTRALES DE PIE DE PRESA

Son los aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la opción de almacenar las aportaciones de un río mediante un embalse. En estas centrales se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando se precisen

Centrales de Canal de Riego o Abastecimiento

Fig. 7.2 Centrales de pie de presa

Se pueden distinguir dos tipos:

Con desnivel existente en el propio canal: Se aprovecha mediante la instalación de una tubería forzada, que conduce el agua a la central, devolviéndola posteriormente al curso normal del canal.

Con desnivel existente entre el canal y el curso de un r ío cer cano: En este caso la central se instala cercana al río y se aprovechan las aguas excedentes en el canal.

A la hora de realizar un proyecto de una minicentral hidroeléctrica y dependiendo del tipo por su emplazamiento, la determinación del caudal y la altura de salto determinará la potencia a instalar, así como, el tipo de mini turbina.

Existen var ios tipos de mini turbinas (9): De reacción, que aprovecha la energía de presión del agua en energía cinética en el estator, tanto en la entrada como en la salida, estas aprovechan la altura disponible hasta el nivel de desagüe.

(9) Para una mayor comprensión de los tipos de turbinas consultar bibliografía. Aprovechamientos hidroeléctricos y de bombeo. Autor Humberto Gardea Villegas, Ed. Trillas 1992 P.p. 141,142,143,144.



Kaplan: se componen básicamente de una cámara de entrada que puede ser abierta o cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con cuatro o cinco palas fijas en forma de hélice de barco y un tubo de aspiración. (10)

Fig. 7.3. Turbina Kaplan

(10) Turbinas Kaplan mejor referencia en la Bibliografía. Aprovechamientos hidroeléctricos y de bombeo. Autor Humberto Gardea Villegas Ed. Trillas 1992. P.p. 143



Francis: caracterizada por que recibe el flujo de agua en dirección radial, orientándolo hacia la salida en dirección axial. (11).

Fig. 7.4 Turbina Francis

Se compone de:

Un distribuidor que contiene una serie de alabes fijos o móviles que orientan el agua hacia el rodete. Un rodete formado por una corona de paletas fijas, torsionadas de forma que reciben el agua en dirección radial y lo orientan axialmente. Una cámara de entrada, que puede ser abierta o cerrada de forma espiral, para dar una componente radial al flujo de agua. Un tubo de aspiración o de salida de agua, que puede ser recto o acodado y se encarga de mantener la diferencia de presiones necesaria para el buen funcionamiento de la turbina.

De flujo cruzado: también conocida como de doble impulsión, constituida principalmente por un inyector de sección rectangular provisto de un alabe longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con múltiples palas dispuestas como generatrices y soldadas por los extremos a discos terminales.




El caudal que entra en la turbina es orientado por el alabe del inyector, hacia las palas del rodete, produciendo un primer impulso. Posteriormente, atraviesa el interior del rodete y proporciona un segundo impulso, al salir del mismo y caer por el tubo de aspiración. De acción, que aprovecha la energía de presión del agua para convertirla en energía cinética en el estator, estas aprovechan la altura disponible hasta el eje de la turbina.

Pelton: Consta de un disco circular que tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un inyector que dirige y regula el chorro de agua que inciden sobre las cucharas, provocando el movimiento de giro de la turbina. (12).

Fig. 7.5 Turbina Pelton




En las centrales hidroeléctricas se aprovecha la energía cinética del agua procedente de los ríos y en los países montañosos con muchos ríos constituye una importante fuente de suministro energético. Una alternativa interesante son las centrales mareomotrices. En ellas se utiliza la energía desarrollada por las mareas, es decir, se aprovecha la diferencia de nivel entre pleamar y bajamar. En consecuencias, se precisan lugares donde estas diferencias sean considerablemente. (13)

Fig. 7.6 Aprovechamiento de la energía cinética de una central hidroeléctrica.

(13) Comisión Federal de Electricidad, Del fuego a la fisión, CFE,1987.



CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

NOMBRE UBICACIÓN UNIDADES CAPACIDAD MW Chicoasen (Manuel Moreno Torres) Chicoasen, Chis. 5 1,500.000 Malpaso Tecpatán, Chis. 6 1,080.000 Infiernillo La Unión, Gro. 6 1,000.000 Aguamilpa (Solidaridad) Tepic, Nay 3 960.000 Angostura (Belisario Domínguez) V. de Alcala, Chis. 5 900.000 Caracol (Carlos Ramírez Ulloa) Apaxtla, Gro. 3 600.000 Huites (Luís Donaldo Colosio) Choix, Sin. 2 422.000 Peñitas (Ángel Albino Corzo) Otzuacan, Chis. 4 420.000 Temascal I San Miguel, Oax. 6 354.000 Villita (José Maria Morelos) L.Cardenas Mich. 4 295.000 Zimapan Simapan Hgo. 2 292.000 Agua Prieta Zapopan, Jal. 2 240.000 Mazatepec Tlatlauquitepec, Pue. 4 220.000 El Novillo (Plutarco Elias Calles) Soyapan Son 3 135.000 Comedero (Prof. Raúl J. Marsal) Cosalá, Sin 2 100.000 Bacurato S. de Leiva, Sin. 2 92.000 Humaya Badirahuato, Sin. 2 90.000 Cupatitzio Uruapan, Mich 2 72.450 La Amistad Cd. Acuña, Coah. 2 66.000 Santa Rosa Amatitlan, Jal. 2 61.200 27 de Septiembre El Fuerte, Sin. 3 59.400 Cobano G Zamora, Mich 2 52.020 Colimitla Colimilla, Jal. 4 51.200 Tuxpango Ixtaczoquitlan, Ver. 4 36.000 Flacón Rio Bravo, Tamps 3 31.500 La venta (Ambrosio Figueroa) La venta, Gro. 5 30.000 Chilapan Catemaco, Ver. 4 26.000 Boquilla S Fco. Conchos, Chi 4 25.000 El Retiro ( José Cecilio del Valle) Tapachula, Chis 3 21.000 Oviachic Cajeme, Son 2 19.200 El Salto (Camilo Arriaga) Cd. Del Maíz 2 18.000



CAPÍTULO VIII

OTRAS ENERGÍAS



OTRAS FUENTES ENERGÉTICAS

El hidrógeno líquido ha sido utilizado en la propulsión de prototipos de automóviles, pero su elevado costo y su difícil almacenamiento, y el hecho de ser muy explosivo, limitan por el momento su comercialización, pese a tratarse de una de las energías más limpias y adecuadas para el medio ambiente.

Las diferencias calóricas entre las aguas superficiales y las profundas del mar son también aprovechadas en las centrales termo marinas, sobre todo en zonas cercanas al ecuador.

Otra fuente de energía la constituyen las centrales geotérmicas, las cuales aprovechan el calor de las rocas en las zonas calientes del interior de la tierra.

Las centrales nucleares generan energía eléctrica. En ellas, el vapor necesario para mover las turbinas se obtiene del calor emitido por reacción nuclear en el reactor.

En el interior de dichos reactores se dividen núcleos atómicos pesados, por ejemplo el uranio, y se libera energía en forma de calor.

Sin embargo, además de calor, una central nuclear genera gran cantidad de radiación nociva. En consecuencia, es necesario dotarla de un escudo protector formado por tres barreras, la última de las cuales es un revestimiento exterior, para todo el conjunto de hormigón armado.

Pese a la comprobada peligrosidad de los accidentes en centrales nucleares, estas siguen construyéndose.

ENERGÍA GEOTÉRMICA

Nuestro planeta guarda una enorme cantidad de energía en su interior. Un volcán o un geiser es una buena muestra de ello (14). Son varias las teorías que tratan de explicar las elevadas temperaturas del interior de la Tierra. Unas sostienen que se debe a las enormes presiones existentes bajo la corteza terrestre; otras suponen que tienen origen en determinados procesos radiactivos internos; por último, hay una teoría que lo atribuye a la materia incandescente que formó nuestro planeta.

Diversos estudios científicos realizados en distintos puntos de la superficie terrestre han demostrado que, por término medio, la temperatura interior de la Tierra aumenta 3ºC cada 100m. de profundidad. Este aumento de temperatura por unidad de profundidad es denominado gradiente geotérmico.

Se supone que variará cuando alcancen grandes profundidades, ya que en el centro de la Tierra se superarían los 20.000ºC, cuando en realidad se ha calculado que es, aproximadamente, de 6.000ºC.

(14) Las centrales geotérmicas utilizan como fuente primaria de energía el vapor que existe a altísima temperatura en el subsuelo.



La forma más generalizada de explotarla, a excepción de fuentes y baños termales, consiste en perforar dos pozos, uno de extracción y otro de inyección.

En el caso de que la zona esté atravesada por un acuífero se extrae el agua caliente o el vapor, este se utiliza en redes de calefacción y se vuelve a inyectar, en el otro caso se utiliza en turbinas de generación de electricidad.

En el caso de no disponer de un acuífero, se suele proceder a la fragmentación de las rocas calientes y a la inyección de algún fluido.

Es difícil el aprovechamiento de esta energía térmica, ocasionado por el bajo flujo de calor, debido a la baja conductividad de los materiales que la constituyen; pero existen puntos en el planeta que se producen anomalías geotérmicas, dando lugar a gradientes de temperatura de entre 100 y 200ºC por kilómetro, siendo estos puntos aptos para el aprovechamiento de esta energía.

Tipos:

Hidrotérmicos, tienen en su interior de forma natural el fluido calo portador, generalmente agua en estado líquido o en vapor, dependiendo de la presión y temperatura. Suelen encontrarse en profundidades comprendidas entre 1 y 10 km.

Geopresur izados, son similares a los hidrotérmicos pero a una mayor profundidad, encontrándose el fluido calo portador a una mayor presión, unos 1000 bares y entre 100 y 200ºC, con un alto grado de salinidad, generalmente acompañados de bolsas de gas y minerales disueltos.

De roca caliente, son formaciones rocosas impermeables y una temperatura entre 100 y 300ºC, próximas a bolsas magmáticas.



Fig. 8.1 Diagrama de una central geotérmica



ENERGÍA NUCLEAR

Energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas del átomo (15).

La energía de cualquier sistema, ya sea físico, químico o nuclear, se manifiesta por su capacidad de realizar trabajo o liberar calor o radiación. La energía total de un sistema siempre se conserva, pero puede transferirse a otro sistema o convertirse de una forma a otra. Debido a los altos costos que enfrenta la generación de energía por la volatilidad en los precios de los combustibles fósiles y la creciente dependencia de la importación, el gobierno mexicano creó un comité para desarrollar un programa de expansión nuclear, informó la Secretaría de Energía. (Milenio, 12 mayo 2006)

ENERGÍA TÉRMICA

Central térmica, instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fueloil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los alabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.

El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.

(15) Las centrales núcleoeléctricas tienen cierta semejanza con las termoeléctricas convencionales, ya que también utilizan vapor a presión para mover las turbinas o turbogeneradores. En este caso se aprovecha el calor que se obtiene al fisionar los átomos de un isótopo de uranio en el interior de un reactor, para producir vapor que activa las turbinas. México cuenta con una sola central de este tipo en el estado de Veracruz (LAGUNA VERDE), que tiene una capacidad instalada con mas de 1, 300 MW y que opera en condiciones máximas de seguridad, de acuerdo a la Asociación Mundial de Operadores Nucleares, y la cual por cierto; se ha hecho acreedora a diversos reconocimientos internacionales.



Fig. 8.2 Caldera de una planta termoeléctrica



La descripción anterior se refiere a las centrales clásicas, ya que existe, aunque todavía en fase de investigación, otra generación de térmicas que mejoran el rendimiento en la combustión del carbón y disminuyen el impacto medioambiental: son las Centrales de Combustión de Lecho Fluidificado. En estas centrales se quema carbón sobre un lecho de partículas inertes (por ejemplo, de piedra caliza), a través de las que se hace circular una corriente de aire que mejora la combustión. La última generación de térmicas son las GICC, Gasificación de Carbón Integrada en Ciclo Combinado, que parten de una tecnología con la que se consiguen gases combustibles a partir de la gasificación del carbón con una inyección de oxígeno. El gas combustible obtenido se depura y pasa a una turbina en cuyo alternador asociado se produce energía eléctrica, como en el ciclo de una térmica convencional. La obtención de gases combustibles a partir del carbón es un proceso conocido desde hace más de cien años, y fue impulsado en Alemania durante la II Guerra Mundial. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. Es una tecnología todavía en desarrollo, de forma que en Europa, a finales de la década de los noventa, sólo existían cinco plantas GICC, una de ellas en Puertollano, España. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.

Fig. 8.3. Diagrama de una central termoeléctrica



España contaba a finales de la década de 1990 con un parque de 160 centrales térmicas clásicas, con 21.029 MW de potencia instalada. La central de Puentes de García Rodríguez, en La Coruña, es la de mayor potencia, con 1.400 MW conseguidos con la combustión de lignitos que se extraen de una mina situada a pie de central.

Una central nuclear también se puede considerar una central térmica, donde el combustible es un material radiactivo, que en su fisión genera la energía necesaria para su funcionamiento (véase Energía nuclear); no obstante, en la bibliografía industrial, en sentido estricto, sólo se consideran centrales térmicas las antes citadas.

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS

NOMBRE UBICACIÓN UNIDADES CAPACIDAD MW Tuxpan (Adolfo López Mateos) Tuxpan, Ver. 6 2,100.000 Tula (Francisco Pérez Ríos) Tula, Hgo. 5 1,500.000 Manzanillo I (M. Álvarez Moreno) Manzanillo, Col. 4 1,200.000 Salamanca Salamanca, Gto. 4 866.000 Altamira Altamira, Tmps. 4 800.000 Valle de México Acolman, Méx. 4 750.000 San Luís Potosí Villa de Reyes, S.L.P. 2 700.000 Manzanillo II Manzanillo, Col. 2 700.000 Puerto Libertad Pitiquito, Son. 4 632.000 Tijuana (Presidente Juárez) Rosario B.C. 6 620.000 Mazatlán II ( José Aceves Pozos) Mazatlán, Sin 3 616.000 Guaymas II (C. Rodríguez Rivero) Guaymas, Son 4 484.000 Monterrey S.N. Garza N. l. 6 465.000 Delicias (Francisco Villa) Delcias, Chis 5 399.000 Rio Bravo (Emilio Portes Gil) Rio Bravo Tamps 3 375.000 Topolobampo Ahome, Sin 3 360.000 Lerdo (Guadalupe Victoria) Lerdo, Dgo. 2 320.000 Samalayuca Cd. Juárez, Chis. 2 316.000 Mérida II Mérida Yuc. 2 168.000 Campeche II (Lerma) Campeche, Camp 4 150.000 Poza Rica Tihuatlan, Ver. 3 117.000 Punta prieta II La Paz, B.C. 3 112.500 San Jerónimo Monterrey N.L. 2 75.000 Valladolid (Felipe Carrillo Puerto) Valladolid, Yuc 2 75.000 Guaymas I Guaymas, Son. 2 70.000 Nachi – Cocoóm Mérida, Yuc. 2 49.000 La Laguna Gómez Palacio,Dgo. 1 39.000



HIDROGENO LÍQUIDO

El hidrógeno líquido, obtenido por primera vez por el químico británico James Dewar en 1898, es incoloro (excepto en capas gruesas, que tienen un aspecto azul pálido) y tiene una densidad relativa de 0,070. Si se deja evaporar rápidamente bajo poca presión se congela transformándose en un sólido incoloro. Se sabe que el hidrógeno tiene tres isótopos. El núcleo de cada átomo de hidrógeno ordinario está compuesto de un protón.

EL hidrógeno en estado libre sólo se encuentra en muy pequeñas cantidades en la atmósfera, aunque en el espacio interestelar abunda en el Sol y otras estrellas El hidrógeno se halla en todos los componentes de la materia viva y de muchos minerales. También es parte esencial de todos los hidrocarburos y de una gran variedad de otras sustancias orgánicas. Industrialmente se producen grandes cantidades de hidrógeno a partir de los combustibles gaseosos. El hidrógeno se separa del vapor de agua, del gas natural y del gas de hulla, bien por licuación de los demás componentes del gas, bien por conversión catalítica del monóxido de carbono en dióxido de carbono, que resulta fácilmente extraíble.

Fig. 8.4 Estudiantes trabajando en el laboratorio con hidrógeno líquido.



Es el gas menos pesado que existe y se ha utilizado para inflar globos y dirigibles. Sin embargo, arde fácilmente y varios dirigibles, como el Hindenburg, acabaron destruidos por incendios. El helio, que tiene un 92% de la capacidad de elevación del hidrógeno, y además no es inflamable, se emplea en su lugar siempre que es posible. Normalmente se almacena el hidrógeno en cilindros de acero bajo presiones de 120 a 150 atmósferas. También se usa el hidrógeno en sopletes para corte, fusión y soldadura de metales. El hidrógeno es un combustible muy limpio, ya que su combustión produce exclusivamente agua.

ENERGÍA FÓSIL

Se llama energía fósil la que se obtiene de la combustión (oxidación) de ciertas substancias que, según la geología, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de años.

El petróleo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) en fase líquida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilación y otros procesos, se obtienen las diversas gasolinas, el diesel, la turbosina, la tractolina, el chapopote, etc. En el ámbito mundial ya no es un recurso abundante. El gas natural está compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracción más ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa. El carbón mineral es principalmente carbono, también de origen fósil, que se encuentra en grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial, el carbón mineral es abundante. Los problemas ecológicos que causa son aún mayores que los inherentes al petróleo y sus derivados.



CONCLUSIONES

De acuerdo al desarrollo de tan importantes temas he notado que un 87 % de energía generada es contaminante, y el 13 % restante es limpia. Cabe señalar que desde la revolución industrial, el petróleo, el gas y el carbón, junto con la energía nuclear mueven el mundo. Pero si seguimos consumiendo al ritmo actual, el cambio climático acabara con la humanidad.

Pero lo que es mas importante destacar, que las energías alternas analizadas en el contenido de esta tesis, generan empleo en altos países del mundo como son: Europa, a cerca de 1.6 millones de personas para el año 2020, el aumento de empleo se dará principalmente en Alemania, Francia e Italia, sin olvidar a nuestro País Mexicano que se encuentra escalando cada vez mas los peldaños en el uso de estas, tan importantes energías alternas, llegando a la culminación que nuestro territorio nacional mexicano, cuenta con los sitios adecuados para explotar las diferentes energías alternas, lo cual será posible con la vinculación de las diferentes áreas de la Ingeniería que le permitan llevar a cabo el desarrollo de ellas.

Ya que el objetivo del gobierno es que la generación de electricidad por viento, que ahora representa apenas 0,005 por ciento del total, suba a seis por ciento en 2030. En nuestro país hay muchas zonas con alto potencial energético proveniente del viento. Están el Istmo de Tehuantepec, especialmente en las cercanías de Salina Cruz y Juchitán; Zacatecas en el Cerro de la Bufa y el de la Virgen. Estos son los que más destacan por la intensidad del viento y por la extensión en la cual sopla. En Pachuca, San Quintín y Mazatlán el aire se encajona y se requiere de estudios minuciosos para localizar con toda exactitud el lugar ideal para cada torre.

Las lagunas costeras mexicanas, ecosistemas ricos en biodiversidad y de gran valor comercial, han sufrido las consecuencias de las actividades económicas realizadas por el hombre. Turismo, industria, pesca, explotación de hidrocarburos y acumulación de residuos orgánicos, han convertido a muchos de esos antiguos paraísos en depósitos de contaminantes, poniendo en riesgo la existencia de la flora y fauna marina y la salud y forma de vida de los habitantes de la zona.

Con la idea de sanear esos lugares, el doctor en oceanografía física Steven Czitrom Baus y un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias del Mar y Limnología de la Universidad Nacional Autónoma de México (ICMLUNAM), desarrollaron un sistema de bombeo que sanea las aguas de puertos o lagunas costeras de los desechos orgánicos y algunas sustancias químicas con el movimiento de las olas del mar; una energía gratuita, inagotable y ecológica.



BIBLIOGRAFÍA

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PÁGINAS WEB CONSULTADAS

Comision Nacional Para El Ahorro De Energía

www.monografias.com

www.ambienteecologico.com

www.renovables.com

www.eldiariomontanes.es

http://lectura.ilce.edu.mx:3000/sites/3milenio/volca/html/sec_22.htm

http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/c03/c031/circulosa3/publicaciones/publi externas/energia.htm

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http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/c03/c031/circulosa3/publicaciones/publi-externas/energia.htm



ANEXOS

Debido a los altos costos que enfrenta la generación de energía por la volatilidad en los precios de los combustibles fósiles y la creciente dependencia de la importación, el gobierno mexicano creó un comité para desarrollar un programa de expansión nuclear, informó la Secretaría de Energía. (Milenio, 12 mayo 2006).

El alto porcentaje de la cartera de generación eléctrica basada en la tecnología de ciclos combinados con base en el gas natural también es un factor que se tomó en cuenta por el Comité para la Toma de Decisiones en Materia Nuclear, instancia que analiza la factibilidad de desarrollar un programa de expansión nucleoeléctrica en México. Para ello se formarán tres subcomités: el de Confinamiento de Desechos Radioactivos, el de Adición de Capacidad Nuclear Adicional y el de Diversificación de Combustibles. El Secretario Fernando Canales designó como presidente del Comité a José Alberto Acevedo Monroy, subsecretario de electricidad. El comité también estará integrado por altos directivos de la Sener, Comisión Federal de Electricidad y expertos mexicanos en materia nuclear que dirigen los institutos de investigaciones nuclear y eléctrica y la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas. El primer acuerdo del comité fue que en octubre a más tardar se tendrá una definición de política en materia de energía nuclear que sirva como plan de trabajo para la siguiente administración.

La Constitución, con su Ley Reglamentaria del Artículo 27 en Materia Nuclear, señala que corresponde al Estado, a través de la Sener, ejercer de manera exclusiva los derechos de la nación en materia de energía nuclear.

ENERGIA

La Energía es un concepto esencial de las ciencias. Desde un punto de vista material complejo de definir. La más básica de sus definiciones indica que se trata de la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir la cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son capaces de realizar.

La realidad del mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede presentarse bajo diversas Formas capaces de Transformarse unas a otras.

• Formas de Energía

Algunas formas básicas de energía son:

Energía Mecánica.

http://www.monografias.com/trabajos10/teca/teca.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/concient/concient.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/fintrabajo/fintrabajo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/moviunid/moviunid.shtml



Por ejemplo, aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o bien la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna.

o Energía Electromagnética.

Generada por Campos Electrostáticos, Campos Magnéticos o bien por Corrientes Eléctricas.

o Energía Térmica.

Energía interna de los cuerpos que se manifiesta externamente en forma de Calor.

o Energía Química.

Energía que poseen los compuestos. Se pone de manifiesto por el proceso de conversión generado en una reacción química.

o Energía Metabólica.

Es la generada por los organismos vivos gracias a procesos químicos de oxidación como producto de los alimentos que ingieren.

• Fuentes y transformaciones de energía

Las fuentes de energía se pueden clasificar en:

Fuentes de energía renovables

Las energías renovables son aquellas que llegan en forma continua a la Tierra y que a escalas de tiempo real parecen ser inagotables.

Son fuentes de energía renovable:

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/origen-tierra/origen-tierra.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml

http://www.monografias.com/Quimica/index.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml

http://www.monografias.com/Quimica/index.shtml


http://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/alim/alim.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/formulac/formulac.shtml


http://www.monografias.com/trabajos6/meti/meti.shtml




o Energía Hidráulica

Es aquella energía obtenida principalmente de las corrientes de agua de los ríos. El agua de un río se almacena en grandes embalses artificiales que se ubican a gran altura respecto de un nivel de referencia. El agua adquiere una importante cantidad de energía potencial (aquella que poseen los cuerpos que se encuentran a cierta altura respecto de un nivel de referencia). Posteriormente, el agua se deja caer por medio de ductos hasta el nivel de referencia, por lo tanto toda su energía potencial se forma en energía cinética (aquella que posee un cuerpo gracias a su estado de movimiento). La energía cinética de las caídas de agua se aprovecha, por ejemplo, para mover turbinas generadoras de electricidad, tal es el principio de las Centrales Hidroeléctricas.

o Energía Solar

Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro. La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo.

http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml




http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml



http://www.monografias.com/trabajos10/nofu/nofu.shtml


http://www.monografias.com/trabajos12/sol/sol.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/fuentesener/fuentesener.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/fuso/fuso.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/creun/creun.shtml



El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica. En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz incide sobre la superficie de un material semiconductor (ej.: el silicio), produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares.

o Energía Eólica

Esta energía es producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el mismo principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura.

Al igual que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la cual sin embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos de aire constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes.

Este tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas y de difícil acceso y que tienen necesidades de energía eléctrica, y cuyos vientos son apreciables en el transcurso del año.

http://www.monografias.com/trabajos15/fundamento-ontologico/fundamento-ontologico.shtml



http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml


http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtml


http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml


http://www.monografias.com/trabajos/atm/atm.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/genytran/genytran.shtml

http://www.monografias.com/Agricultura_y_Ganaderia/index.shtml


http://www.monografias.com/trabajos7/filo/filo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/aire/aire.shtml


http://www.monografias.com/trabajos4/costo/costo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/genytran/genytran.shtml



o Biomasa

Esta energía se obtiene de ciertos compuestos orgánicos que se han producido en el tiempo por procesos naturales, es decir, producto de transformaciones químicas y biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales. Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se transforman con posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos domésticos es necesario como paso previo a la obtención de energía, un plan amplio para la adecuada clasificación de las basuras y su posterior reciclaje.




http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml


http://www.monografias.com/Agricultura_y_Ganaderia/index.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/plane/plane.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/recibas/recibas.shtml



o Energía Mareomotriz

Es la energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar. El Movimiento de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a generadores de electricidad.

La gran dificultad para la obtención de este tipo de energía es por una parte su alto costo y el establecimiento de un lugar apto geográficamente para confinar grandes masas de agua en recintos naturales.

Fuentes de energía no renovables

Son fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta y se agotan a medida que se les consume.

Son fuentes de energía no renovables:

o El Carbón o El Petróleo o El Gas Natural o La Energía Geotérmica o La Energía Nuclear o El Carbón



http://www.monografias.com/trabajos10/nofu/nofu.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/coad/coad.shtml




http://www.monografias.com/trabajos10/petro/petro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtml



Es un combustible fósil, formado por la acumulación de vegetales durante el Periodo Carbonífero de la era Primaria de nuestro planeta. Estos vegetales a lo largo del tiempo han sufrido el encierro en el subsuelo terrestre, experimentando cambios de presión y temperatura lo que ha posibilitado la acción de reacciones químicas que los han transformado en variados tipos de carbón mineral.

o El Petróleo

Es un aceite natural de origen mineral constituido por una mezcla de hidrocarburos. Estos hidrocarburos se producen por antiguos restos de organismos vegetales, organismos acuáticos y organismos vivos depositados en las profundidades de la corteza terrestre en forma de sedimentos.

o El Gas Natural

Es una mezcla de gases combustibles depositados en forma natural en el subsuelo de la Tierra y que poseen un gran poder calorífico. En ocasiones los yacimientos de gas natural se encuentran acompañados por yacimientos de petróleo.

El principal componente del gas natural es el metano y en menor proporción los gases de etano, propano y butano.

o Energía Geotérmica

Energía contenida también en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor y agua hirviendo (geiser) y en forma de agua caliente (fuentes termales).






http://www.monografias.com/trabajos13/termodi/termodi.shtml


http://www.monografias.com/trabajos12/foucuno/foucuno.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml





http://www.monografias.com/trabajos11/tierreco/tierreco.shtml









o Energía nuclear

La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la relación Masa Energía producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.

http://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtml


http://www.monografias.com/trabajos6/fuso/fuso.shtml


http://www.monografias.com/trabajos14/fisicos-notabl/fisicos-notabl.shtml

estado del arte de las energÍas alternas en mÉxico

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