Fuentes renovables de energa y aplicaciones.6.1 Conceptos generales de energa SolarLa energa solar es una energa garantizada para los prximos 6000 millones de aos.El Sol, fuente de vida y origen de las dems formas de energa que el ser humano ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades si aprendemos cmo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de aos, y se calcula que todava no ha llegado ni a la mitad de su existencia.Durante el presente ao, el Sol arrojar sobre la Tierra cuatro mil veces ms energa que la que vamos a consumir.Espaa, por su privilegiada situacin y climatologa, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los pases de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al ao unos 1.500 kilovatios-hora de energa, cifra similar a la de muchas regiones de Amrica Central y del Sur. Esta energa puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas tiles como, por ejemplo, en electricidad.Espaa es tambin el pas con ms experiencia en tecnologa solar. Ha sido lder mundial en desarrollo e implantacin de centrales fotovoltaicas (una compaa espaola construir la mayor planta fotovoltaica del mundo), y ocupa tambin el primer puesto en sistemas solares de concentracin, exportando su tecnologa a muchos pases. Por mencionar otro ejemplo, la capacidad total en captadores solares para calentamiento de agua operativos supera a la de los Estados Unidos de Amrica.Sera poco racional no intentar aprovechar, por todos los medios tcnicamente posibles, esta fuente energtica gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petrleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables.Es preciso, no obstante, sealar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una poltica energtica solar avanzada conllevara por s misma, hay que tener en cuenta que esta energa est sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones ms o menos bruscas. As, por ejemplo, la radiacin solar es menor en invierno, precisamente cuando ms la solemos necesitar.Es de vital importancia proseguir con el desarrollo y perfeccionamiento de la todava incipiente tecnologa de captacin, acumulacin y distribucin de la energa solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.Qu se puede obtener con la energa solar?Bsicamente, recogiendo de forma adecuada la radiacin solar, podemos obtener calor y electricidad.El calor se logra mediante los captadores o colectores trmicos, y la electricidad, a travs de los denominados mdulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre s, ni en cuanto a su tecnologa ni en su aplicacin. Hablemos primero de los sistemas de aprovechamiento trmico. El calor recogido en los captadores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo domstico o industrial, o bien para dar calefaccin a nuestros hogares, hoteles, colegios, fbricas, etc. Incluso podemos climatizar las piscinas y permitir el bao durante gran parte del ao.Tambin, y aunque pueda parecer extrao, otra de las ms prometedoras aplicaciones del calor solar es la refrigeracin durante las pocas clidas, precisamente cuando ms soleamiento hay. En efecto, para obtener fro hace falta disponer de una fuente clida, la cual puede perfectamente tener su origen en unos captadores solares instalados en el tejado o azotea. En los pases rabes ya funcionan a pleno rendimiento muchos acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energa solar. Las aplicaciones agrcolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y ms tempranas cosechas; los secaderos agrcolas consumen mucha menos energa si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificacin o desalinizacin de aguas sin consumir ningn tipo de combustible.Las clulas solares fotovoltaicas, dispuestas en paneles solares, ya producan electricidad en los primeros satlites espaciales. Actualmente se perfilan como la solucin definitiva al problema de la electrificacin rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes mviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningn ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Adems, y aunque con menos rendimiento, funcionan tambin en das nublados, puesto que captan la luz que se filtra a travs de las nubes.La electricidad que as se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor elctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. La electricidad fotovoltaica generada tambin se puede inyectar en la red general, obteniendo una buena rentabilidad econmica, bien sea por medio de su autoconsumo o mediante su venta, ya que cada vez ms pases priman tanto a los pequeos como a los grandes productores de electricidad fotovoltaica, dado el beneficio que aporta para el medio ambiente.Si se consigue que el precio de los mdulos solares siga disminuyendo, potencindose su fabricacin a gran escala, es muy probable que, para la tercera dcada del siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los pases ricos en sol tenga su origen en la conversin fotovoltaica.La energa solar trmica puede ser perfectamente complementada con otras energas convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulacin. As, un edificio bien aislado puede disponer de agua caliente y calefaccin solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o elctrico que nicamente funcionara en los periodos sin sol. El coste de la energa convencional sera slo una fraccin del que alcanzara sin la existencia de la instalacin solar.

De qu manera convertimos la energa solar en energa til para su uso cotidiano?Esta energa renovable se usa principalmente para dos cosas, aunque no son las nicas, primero para calentar cosas como comida o agua, conocida como energa solar trmica, y la segunda para generar electricidad, conocida como energa solar fotovoltaica.Los principales aparatos que se usan en la energa solar trmica son los calentadores de agua y las estufas solares.Para generar la electricidad se usan las clulas solares, las cuales son el alma de lo que se conoce como paneles solares, las cuales son las encargadas de transformarla energa elctrica.Sus usos no se limitan a los mencionados aqu, pero estas dos utilidades son las ms importantes. Otros usos de la energa solar son: Potabilizar agua Estufas Solares Secado Evaporacin Destilacin RefrigeracinComo podrs ver los usos que se le pueden dar son muy amplios, y cada da se estn descubriendo nuevas tecnologas para poder aprovecharla mejor.6.2 Celdas fotovoltaicasLas Celdas Fotovoltaicas, son sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoelctrico en su forma ms simple, estos mariales se compone de un nodo y un ctodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el ctodo libera electrones que son atrados hacia el nodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiacin, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio (el segundo elemento ms abundante en la corteza terrestre). Actualmente, existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en nuestras calculadoras solares as como en los cohetes espaciales.Principio de FuncionamientoLa conversin directa de luz en electricidad a nivel atmico se llama generacin fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoelctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como energa para alimentar circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas tambin celdas solares, estn compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en la industria microelectrnica, como por ejemplo el silicio. Figura 6.2.1Una delgada lmina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo elctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energa luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extrados de los tomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores elctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente elctrica que aporta energa. Cuando la luz solar pega en una celda sola resta puede ser: reflejada, absorbida o pasar limpiamente a travs de esta. No obstante, solo aquella luz absorbida es la que va a generar electricidad. La energa de la luz es transferida a electrones en los tomos de la celda foto voltaica. Con su nueva energa, estos escapan de sus posiciones normales en los tomos del material semiconductor fotovoltaico y se convierten en parte del flujo elctrico. Figura 6.2.2Para inducir el campo elctrico construido dentro de una clula foto voltaica, se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre s. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es del tipo con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva. Aunque ambos materiales son elctricamente neutros, la silicona del tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agujeros de sobra. Colocando estos como sndwich se crea entonces un punto de salida p/n en su fase intermedia crendose entonces ah y por esta razn un campo de fuerza elctrico. Cuando n - y silicn del p-tipo entra en el contacto, los electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del p-tipo.

Figura 6.2.3 Esquema Elctrico del Efecto FotoelctricoDebido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se comportan como una batera, creando un campo elctrico en la superficie dnde ellos se juntan en la unin o juntura p/n. El campo elctrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algn circuito elctrico o acumulacin. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en direccin contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en direccin contraria.

Efecto de AbsorcinFigura 6.2.4Tipos Figura 6.2.5Clulas de Silicio monocristalinas. Silicio dopado BFigura 6.2.6Clulas de Silicio policristalinas. Clulas de Silicio amorfo poseen mayor capacidad absorcin de luz, y son mucho ms finas.Figura 6.2.7Celda MulticapasConstruccin de las Clulas SolaresDebido a que una clula solar genera corrientes y tensiones pequeas, stas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prcticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina mdulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos mdulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Mdulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que mdulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los mdulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD.Figura 6.2.8El proceso de fabricacin de las clulas solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:a) Obtencin del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del xido de silicio, SiO2, bsicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrnica. Actualmente se est trabajando con silicio de menor pureza, pero til para la fabricacin de clulas solares y a un menor costo.

b) Obtencin de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilndrica de dimetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creacin de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozar de propiedades semiconductoras.La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 m. En esta etapa hay una prdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrn. Actualmente existen otras formas ms eficientes de cortado de la barra.

c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la clula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

lapeado y pulido, formacin de unin p-n, decapado y limpieza, capa antirreflectante, fotoligrafa para formacin de contactos, formacin de contactos o electrodos, material para soldadura de electrodos, limpieza del decapante y comprobacin de las caractersticas de la celda.La formacin de la unin p- n es la etapa ms crtica de todo el proceso de fabricacin, debido a que el buen funcionamiento de la clula solar depende en gran medida de una buena unin p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante tambin es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiacin de onda larga y un 54% si la radiacin es de onda corta. Figura 6.2.9 Horno de Fusin de SilicioSistema de AcondicionamientoEn la actualidad resulta imprescindible hacer una gestin correcta de la energa, intentando obtener el mximo rendimiento posible desde la generacin hasta la carga, utilizando todos los recursos que se tienen al alcance. La finalidad de esta energa que obtenemos del sol es utilizarla de la manera ms correcta, pero como se sabe es necesario convertir la energa que nos proporciona el sol, en este caso en forma de radiacin electromagntica en electricidad. Las instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cuatro subsistemas principales los cuales sirven de acondicionamiento: Subsistema de captacin: cuya finalidad es la captacin de la energa solar. Subsistema de almacenamiento: cuya finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energa y la demanda, acumulndola cuando est disponible, para poderla ofrecer en cualquier momento en que se solicite, en bateras. Subsistema de regulacin: cuya finalidad es proporcionar la regulacin de carga y descarga de la batera y el control necesario en instalaciones fotovoltaicas. Subsistema de distribucin y consumo: cuya finalidad es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida, adaptndola a las necesidades cuando sea necesario.Figura 6.2.10Un ejemplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un convertidor que transforma la energa proveniente del sol en energa elctrica en forma corriente continua. El objetivo del convertidor es adecuar los niveles de tensin y corriente proporcionados por el panel, a los niveles de tensin y corriente demandados. No se debes olvidar que el convertidor es un intermediario necesario de la energa, que permitir hacer un uso correcto de la misma. Pero por su calidad de intermediario debe tener el mayor rendimiento posible ya que el objetivo es utilizar toda la energa que proporciona el panel.

Figura 6.2.11 Circuito de acondicionamientoLos convertidores de potencia se utilizan de manera genrica para adecuar el tipo de corriente que necesitamos, existen convertidores de alterna a continua, de continua a alterna, etc. Este circuito permite la unin entre dos corrientes continuas con niveles de tensin y corrientes diferentes.Aplicaciones Industrialesa) Electrificacin rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energa elctrica por medio de la red general sera demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. En este caso, la instalacin de un generador fotovoltaico es ampliamente rentable. A menudo se requiere iluminacin en lugares remotos donde el costo de emplear energa de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminacin de seguridad, ayudas a la navegacin (ej. boyas y faros), seales iluminadas en los caminos, seales en cruces ferroviarios y la iluminacin de aldeas. Las clulas solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerir de una batera de almacenaje. Estos sistemas generalmente consisten de un panel fotovoltaico ms una batera de almacenaje, un acondicionador de energa y una lmpara fluorescente de C.C. de baja tensin y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en reas remotas, especialmente en pases en vas de desarrollo y es uno de los usos principales de clulas solares.Figura 6.2.12b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente solucin cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de seal o informacin desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de seales de TV, plataformas de telemetra, radioenlaces, estaciones meteorolgicas.Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solucin rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en rea remotas. Estas estaciones tpicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentacin fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputacin por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operacin y mantenimiento.Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energa solar, los telfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra informacin sobre el medio ambiente y transmitirla automticamente va radio a una central.

c) Ayudas a la navegacin. Aqu la aplicacin puede ser relativa a la navegacin misma o a sus sealizaciones, como alimentar elctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.

d) Transporte terrestre. Iluminacin de cruces de carretera peligrosos y tneles largos. Alimentacin de radiotelfonos de emergencia o puestos de socorro lejos de lneas elctricas. Sealizaciones de pasos a desnivel o cambio de vas en los ferrocarriles.

e) Agricultura y ganadera. Se est teniendo una atencin muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energa elctrica necesaria para granjas que conviene que estn aisladas de las zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicacin ms importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentacin de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevencin de incendios.

f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales aplicaciones en este campo es la obtencin de metales como cobre, aluminio y plata, por electrlisis y la fabricacin de acumuladores electroqumicos.

g) Difusin de la cultura. Televisin escolar para zonas aisladas. Difusin de informacin mediante medios audiovisuales alimentados elctricamente mediante generadores fotovoltaicos.

h) Sistemas De Tratamiento De aguas. en reas alejadas la energa elctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energa solar. La desalinizacin del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de smosis inversa.

i) Sistemas de proteccin Catdicos. La proteccin catdica es un mtodo de proteger las estructuras de metal contra la corrosin. Es aplicable a puentes, tuberas, edificios, estanques, perforaciones y lneas ferroviarias. Para alcanzar la proteccin catdica se aplica un pequeo voltaje negativo a la estructura de metal y ste evita que se oxide o aherrumbre. El terminal positivo de la fuente es conectado a un nodo galvnico o de sacrificio que es generalmente un pedazo del metal de desecho, que es corrodo en vez de la estructura que se desea proteger. Las celdas solares fotovoltaicas se a menudo utilizan en lugares remotos para proporcionar este voltaje.j) Tejas Fotovoltaicas. Los paneles para tejas tienen solamente 4 mm de grosor y las clulas de Silicio policristalino estn montadas sobre una superficie de acero inoxidable que soporta hasta una curvatura de 10mm por el lado ms largo y 5 mm / 8 mm respectivamente por el lado corto. Diodos de corriente inversa estn incluidos, otros tamaos y potencias disponibles bajo demanda. Los tejados solares se orientan siempre hacia el sur y su inclinacin debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 15.Problema Prctico IndustrialFigura 6.2.13La Fotocatlisis, es un proceso cataltico promovido por energa de determinada longitud de onda, capaz de excitar a un semiconductor (catalizador) al grado de hacer que se comporte como un material conductor, en la superficie del cual se desarrollarn reacciones de xido-reduccin, las cuales generan radicales libre muy reactivos, mismos que reaccionarn con las especies a su alrededor, rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxidndolas hasta convertirlas en especies menos complejas. Esta reduccin en la complejidad molecular generalmente se traduce en una reduccin del grado de contaminacin o peligrosidad de la especie que se est tratando. Como es conocido en muchas reas aledaas no existen plantas de tratamiento de agua capaces de eliminar los microorganismos y/o bacterias que se reproducen, para lo cual se hace necesario la implementacin d energa alternativa como el empleo de la energa solar a travs del uso de las celdas fotovoltaicas.La tecnologa Fotocataltica es relativamente nueva (70s). En la reaccin fotocatalitica interviene: un catalizador, un semiconductor (generalmente xido metlico), radiacin con la suficiente energa (de origen natural como la radiacin solar, o de origen artificial como lmparas de luz) y el medio en que se lleva a cabo puede ser gas, lquido o slido.Esta tecnologa tiene muchas aplicaciones, la mayora de ellas enfocadas a procesos amigables con el medio ambiente, como lo es la degradacin fotocataltica de contaminantes, siendo estos de diversos tipos, como plaguicidas, detergentes, explosivos, metales pesados, residuos txicos, peligrosos y en ocasiones biolgicos infecciosos.6.3 Aplicaciones de la energa solar trmicaLa energa solar trmica consiste en el aprovechamiento de la energa procedente del Sol para transferirla a un medio portador de calor, generalmente agua o aire. La tecnologa actual permite tambin calentar agua con el calor solar hasta producir vapor y posteriormente obtener energa elctrica.Segn su forma de trabajar los sistemas de energa solar trmica se clasifican como colectores de baja, media y alta temperatura: Colectores de baja temperatura. Proveen calor til a temperaturas menores de 65 C. Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiacin solar para entregar calor til a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 C. Colectores de alta temperatura. Trabajan a temperaturas superiores a los 500C. Se usan para la generacin de energa elctrica.Sistemas que forman una instalacin solar trmicaEl esquema bsico de una instalacin solar trmica es el siguiente:Figura 6.3.1Una instalacin solar trmica est formada por varios sistemas:I. Sistema de captacin de radiacin solarEl sistema de captacin de radiacin solar est formado por captadores solares conectados entre s. Su misin es captar la energa solar para transformarla en energa trmica, aumentando la temperatura de fluido que circula por la instalacin. El tipo de captador ms extendido es el captador solar plano que consigue aumentos de temperatura de 60 C a un coste reducido. Estos captadores estn indicados para la produccin de agua caliente para diversas aplicaciones: agua caliente sanitaria, calefaccin por suelo radiante, etc.El captador plano est formado por una placa metlica que se calienta con su exposicin al Sol (absorbedor); esta placa es de color negro de forma que no refleja los rayos del Sol. Normalmente la placa est colocada en una caja con cubierta de vidrio. Por el interior de la caja se hace circular agua a travs de un serpentn o un circuito de tubos de forma que el calor se trasmite al fluido. El efecto que se produce es similar al de un invernadero, la luz del Sol atraviesa la placa de vidrio y calienta la placa ennegrecida. El vidrio es una trampa solar, pues deja pasar la radiacin del Sol (onda corta) pero no deja salir la radiacin trmica que emite la placa ennegrecida (onda larga) y como consecuencia, esta placa se calienta y trasmite el calor al lquido que circula por los tubos.Para las aplicaciones de calentamiento de agua de piscinas se pueden emplear los captadores no vidriados. Estos estn formados simplemente por una gran cantidad de diminutos tubos de metal o de plstico dispuestos en serpentn por los que circula el agua. No necesitan caja ni cubierta de cristal, por esta razn el aumento de temperatura es bajo, en torno a 30 C. Las prdidas de calor son grandes lo que limita su aplicacin a otro tipo de instalaciones. Los tubos flexibles toleran bien el paso de aguas agresivas, como el agua de piscina clorada, pero aguantan mal las tensiones mecnicas que se producen al congelarse el agua y los rasguos superficiales. Son ms econmicos que los captadores solares planos.Existen tambin en el mercado los captadores solares de vaco. Consisten en tubos de metal que recubren el tubo metlico que contiene el fluido de trabajo dejando entre ambos una cmara que acta como aislante. Tienen un rendimiento muy elevado, pero su costo tambin es elevado.Para aplicaciones de media y alta temperatura existen otros elementos de captacin, provistos de sistemas concentradores de la radiacin, sistemas de seguimiento de la posicin del Sol a lo largo de da, etc.II. Sistema de acumulacinConsiste en almacenar la energa trmica en un depsito de acumulacin para su posterior utilizacin. El agua caliente obtenida mediante el sistema de captacin, es conducida hasta donde se va a utilizar. Puede ser directamente, como es el caso del calentamiento del agua de una piscina. En aplicaciones de ACS o calefaccin la demanda no siempre coincide con el momento en el que hay suficiente radiacin, por tanto si se quiere aprovechar al mximo las horas de Sol ser necesario acumular la energa en aquellos momentos del da en que esto sea posible y utilizarla cuando se produzca la demanda.El sistema de acumulacin est formado por uno o ms depsitos de agua caliente. La dimensin de los depsitos de almacenamiento deber ser proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua caliente de uno o dos das.III. Sistema de distribucinEn este sistema se engloban todos los elementos destinados a la distribucin y acondicionamiento a consumo: control, tuberas y conducciones, vasos de expansin, bombas, purgadores, vlvulas, etc. Tambin forma parte de este sistema el sistema de apoyo basado en energas convencionales (elctricos, caldera de gas o gasleo), necesarios para prevenir las posibles faltas derivadas de la ausencia de insolacin y hacer frente a los picos de demanda.IV. Sistemas convencionales de apoyoLas instalaciones de energa solar trmica necesitan sistemas de apoyo convencional en previsin a la falta de radiacin o a un consumo superior al dimensionado (gasleo, gas o electricidad). En la mayora de los casos tanto en instalaciones en viviendas unifamiliares, como en edificios de viviendas, las instalaciones solares se disean para proporcionar a las viviendas entre el 60-80 % del agua caliente demandada, aunque en zonas con gran insolacin a lo largo del ao, el porcentaje de aporte suele ser superior.Se puede apreciar como en los meses de ms baja radiacin (enero, febrero, noviembre y diciembre) no se llega a cubrir el 60 % de las necesidades de energa, mientras que en los meses de verano se alcanza prcticamente el 100 % de las mismas. As, el objetivo con el que se disean las instalaciones trmicas es cubrir un mnimo de un 60 % de las necesidades energticas anuales dependiendo de la zona geogrfica.Pretender cubrir por encima de un 60 % o 70 % anual requerira colocar un campo solar muy grande, por lo que resultara un costo sumamente elevado que no se llegara a amortizar nunca, adems de provocar en los meses de mayor radiacin, como son los de verano, un excedente de produccin que no se podra utilizar y que provocara problemas de sobrecalentamiento en toda la instalacin.Por este motivo las instalaciones que mejor funcionan y antes se rentabilizan son las que necesitan ACS para todo el ao, calefaccin (mejor por suelo radiante) para invierno y cuentan con piscina para verano o incluso todo el ao.Aspectos econmicos y socialesLa inversin inicial de un sistema solar trmico ser mayor frente al sistema convencional, si bien su coste de funcionamiento durante los ms de 25 de aos de vida de la instalacin ser irrelevante comparado con el de compra de combustible o energa elctrica, reparaciones, mantenimiento, etc., asociado al sistema convencional. As, la instalacin de energa solar resulta econmicamente ms ventajosa, ya que toda la energa que obtengamos del Sol con los captadores solares trmicos, nos la ahorraremos de producirla (quemando combustible en una caldera) o consumirla (de la red elctrica de distribucin). De esta forma, una instalacin de energa solar acaba rentabilizndose a lo largo de los aos, ya que el ahorro energtico que produce se materializa en ahorro econmico, el cual permite acabar amortizando el coste de la instalacin. Esta amortizacin puede oscilar entre los 5 y 12 aos dependiendo del tamao de la instalacin, de las ayudas obtenidas a fondo perdido, del lugar donde se instale (mayor o menor radiacin) y de las necesidades mayores o menores del usuario.En el caso de colocar estas instalaciones en viviendas de nueva construccin o rehabilitacin, la amortizacin se puede considerar instantnea, ya que el incremento que representa en el precio total de la vivienda es muy pequeo; el importe que se paga por ese mayor costo en un prstamo hipotecario cada ao es inferior al importe en euros que supone el menor gasto de gas o gasleo.Se pueden enumerar toda una serie de ventajas que nos aporta un sistema solar trmico, empezando por las econmicas, pues para unas mismas necesidades el sistema convencional precisar consumir menos combustible, lo que representar para el usuario un menor gasto anual. Podemos continuar resaltando las ventajas medioambientales, puesto que la generacin de energa con sistemas convencionales posee unos costes ambientales muy importantes (emisiones de CO2, cambio climtico, vertidos, residuos nucleares, lluvia cida, etc.) en relacin con los sistemas solares. Adems, la energa solar es independiente del combustible convencional y su abastecimiento, dado que es compatible con cualquier sistema convencional e independiente de la variacin del precio de compra del combustible.Como trmino medio, un m2 de captador solar trmico es capaz de evitar cada ao la emisin a la atmsfera de una tonelada de CO2. Y por ltimo, la larga vida til de las instalaciones solares, superiores a 25 aos, con un mantenimiento que, si bien es necesario hacer, es de mucha menor entidad que en el caso de los sistemas convencionales.La instalacin de sistemas trmicos presenta un inconveniente: se precisa la instalacin del mismo sistema convencional que el que resultara si no se instalasen los captadores solares, y a veces resulta problemtico su montaje en edificios existentes como consecuencia de su falta de previsin a nivel de proyecto.Por otro lado, como consecuencia de la adaptacin a los edificios ya construidos, existe la posibilidad de una imagen esttica negativa, si bien ste es un aspecto subjetivo y cultural, ya que existen otras instalaciones (antenas parablicas, de telefona mvil, equipos de aire acondicionado, etc.) posiblemente ms feas y sin embargo con mayor aceptacin social. De todas formas, con voluntad y buen criterio, siempre existe la posibilidad de integrar arquitectnicamente cualquier instalacin.En cualquier caso, siempre se necesitar de un instalador que ejecute su trabajo adecuadamente, pues hay que ser conscientes de la existencia de instalaciones que no han dado los resultados esperados debido a que han sido realizadas por profesionales sin la experiencia y conocimientos suficientes.Para edificios de viviendas se suelen instalar de media entre 1,5 y 2 m2 por vivienda dependiendo de parmetros tales como la superficie disponible, la zona geogrfica, etc. La inversin necesaria por cada metro cuadrado de superficie de captacin est entre los 600 y los 900 , siendo los costes de operacin y mantenimiento muy bajos. El periodo de amortizacin depende del tipo de energa convencional que sustituya: 10-12 aos en el caso del gas, y 5-6 aos en el caso de energa elctrica.Situacin actual de desarrollo de la energa solar trmicaActualmente los sistemas solares trmicos de baja temperatura (inferior a 100 C) han alcanzado la madurez tecnolgica y comercial en Espaa, existiendo ms de 700.000 m2 instalados a finales de 2004. Estos sistemas son suficientes para suplir aproximadamente dos tercios del consumo energtico para agua caliente, tanto sanitaria como industrial. Son sistemas tecnolgicamente sencillos, fciles de instalar y que se amortizan en pocos aos.La aplicacin ms generalizada de los sistemas solares es la generacin de Agua Caliente Sanitaria (ACS), tanto en servicios de hoteles como en viviendas, residencias, hospitales, campings, instalaciones deportivas y otros tipos de dependencias municipales. Sin embargo, no es todava una aplicacin extendida en nuestro pas el uso de energa solar para calefaccin, debido a que cuando las necesidades son mximas es cuando las condiciones meteorolgicas resultan ms adversas. De cara al futuro se estn introduciendo mejoras tcnicas mediante captadores solares especiales y avanzando en aspectos de diseo en la instalacin de calefaccin por suelo radiante.La evolucin previsible del mercado es positiva y se ve favorecida por factores tales como el potencial disponible, la capacidad de acogida del mercado existente, la experiencia de los fabricantes espaoles, la madurez tecnolgica alcanzada y las tendencias en pases semejantes al espaol y en los de la Unin Europea. Teniendo en cuenta que nuestro potencial solar es el ms elevado de Europa y que, sin embargo, el ratio de superficie de captacin de energa solar trmica por cada 1.000 habitantes est por debajo de la media europea (8,7 frente a 19,9 m2/1.000 habitantes de la Europa de los 15), es previsible que con las medidas propuestas y las dems condiciones de entorno descritas anteriormente se alcancen ratios, al menos, similares a los de pases como Austria o Grecia.

6.4 Almacenamiento y transporte de la energa trmicaLa energa solar es la energa producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusin; Llega a la Tierra a travs del espacio en cuantos de energa llamados fotones, que interactan con la atmsfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiacin solar en el borde exterior de la atmsfera, si se considera que la Tierra est 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 vara un 0,2% en un periodo de 30 aos. La intensidad de energa real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorcin y a la dispersin de la radiacin que origina la interaccin de los fotones con la atmsfera.La intensidad de energa solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del da del ao, de la hora y de la latitud. Adems, la cantidad de energa solar que puede recogerse depende de la orientacin del dispositivo receptor.Sistemas Pasivos:Los sistemas pasivos se usan generalmente en el acondicionamiento calorfico de edificios y tanto lo que sirve de colector como el sistema de almacenamiento se encuentran incorporados en los distintos componentes de mismo edificio, como: pisos, paredes, recipientes con agua y techos. El tipo de almacenamiento de energa utilizado en estos sistemas es generalmente por calor sensible (cambios de temperatura de los distintos componentes del edificio), que explicaremos ms delante. Debido a que en estos sistemas las temperaturas de almacenamiento son bajas, usualmente menores de 40 C, se requiere de grandes volmenes del material que sirve como almacn. Por ejemplo, los distintos componentes de un edificio que representan un gran volumen, pueden absorber energa durante las horas de sol y posteriormente cederla durante la tarde o noche. Para poder calcular la capacidad de almacenamiento de un material determinado, necesitamos conocer sus propiedades como la densidad y el calor especfico.La ventaja del agua sobre el concreto o ladrillo es que tiene una gran capacidad calorfica, y por lo tanto tiene ms capacidad de almacenamiento por unidad de volumen, que los materiales mencionados.Sistemas Activos:La caracterstica principal de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido de trabajo en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o algn otro fluido. Los principales componentes que intervienen en estos sistemas son: el colector solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de conversin y control y el lugar donde se hace la descarga de energa.Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el colector se hace circular un lquido. Similarmente, si en el colector circula aire, el medio de almacenamiento sern rocas o piedras. Las temperaturas alcanzan con este tipo de sistemas entre los 50 y 100 C. En este caso el almacenamiento de energa se puede dar por cualquiera de los mecanismos siguientes, calor sensible, cambio de fase, reacciones qumicas y estanques solares.

Figura 6.4.1 Esquema de la distribucin de la energa solarRecogida directa de energa Solar:La recogida directa de energa solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseados para recoger energa, a veces despus de concentrar los rayos del Sol. La energa, una vez recogida, se emplea en procesos trmicos o fotoelctricos, o fotovoltaicos. En los procesos trmicos, la energa solar se utiliza para calentar un gas o un lquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energa solar se convierte en energa elctrica sin ningn dispositivo mecnico intermedio. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentracin.Almacenamiento de energa por calor sensible o capacidad calorficaDiversos tipos de materiales lquidos, slidos y combinaciones de lquidos y slidos, pueden almacenar energa por cambios de temperatura. Esta energa almacenada es igual al cambio de energa interna (U) que sufre el material al cambiar su temperatura y viene a ser igual al calor sensible (Qs). Una regla de tipo prctico para determinar si un material es apropiado para utilizarse como medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz de almacenar entre 300 y 600 kJ/C-m2 de rea de colector, como mnimo. Tambin encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que pueda alcanzar el medio de almacenamiento, tanto menor ser el tamao del sistema, aunque las prdidas se hacen ms evidentes. Por ejemplo, 1000 litros de agua pueden almacenar aproximadamente 84 MJ de energa cuando su temperatura aumenta de 30 a 50 C y 168 MJ cuando la temperatura vara de 30 a 70 C. Ntese que se requieren aproximadamente 2.5 m3 de rocas para almacenar la misma cantidad de energa con los mismos incrementos de temperatura.El calor especfico o capacidad calorfica especfica de una sustancia es de manera formal, la energa necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de julios de energa necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 Kg de masa.Especificaciones de aceitesLa transferencia trmica es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energa de un medio. Se plantea el uso de aceite como medio de almacenamiento de energa para la calefaccin de una vivienda rural, la razn principal es que los aceites presentan una mayor estabilidad de fase (lquido) a altas temperaturas, por lo que el sistema de transmisin del aceite no es sometido a esfuerzos ni complicaciones producidos por posibles cambios de fase, como por ejemplo en el caso de usar agua. Los aceites para transferencia trmica como su nombre lo indica son fluidos basados en aceites minerales parafnicos, altamente refinados y cuidadosamente seleccionados para proporcionar un performance superior en sistemas de transferencia trmica.Los aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites con base sinttica. Por ejemplo, Shell dispone de aceites con base mineral, conocidos con el nombre de THERMIA OILS, en diferentes grados de viscosidad.Propiedades de los Aceites Trmicos:a) Elevada Estabilidad Trmica b) Buena Resistencia a la Oxidacin c) Poseer un Alto Coeficiente de Transferencia de Calord) Poseer una Prolongada Vida tilPara una adecuada seleccin de Aceites Trmicos se debe considerar el rango de temperaturas entre los cuales va a trabajar. Para este proyecto se usar un aceite de mquina usado y filtrado adecuadamente, cuyos valores estn por debajo que los aceites trmicos pero que puede servir perfectamente para nuestros requerimientos de temperatura y trabajo. Sus caractersticas de trabajo son estables a temperaturas menores de 200C y su Ce es aproximadamente 1.67 KJ/Kg.K.6.5 BiocombustiblesLos biocombustibles ayudan a reducir las emisiones de gases de efecto invernaderoLos biocombustibles contienen componentes derivados a partir de biomasa, es decir, organismos recientemente vivos o sus desechos metablicos. Los biocomponentes actuales proceden habitualmente del azcar, trigo, maz o semillas oleaginosas.Todos ellos reducen el volumen total de CO2 que se emite en la atmsfera, ya que lo absorben a medida que crecen y emiten prcticamente la misma cantidad que los combustibles convencionales cuando se queman.Debido a la actual aplicacin simultnea de tecnologas de componentes en los motores de los vehculos que se fabrican en la mayora de los pases, los biocomponentes son a menudo mezclados con los carburantes en pequeas proporciones, 5 o 10%, proporcionando una reduccin til pero limitada de gases de efecto invernadero. En Europa y Estados Unidos, se ha implantado una legislacin que exige a los proveedores mezclar biocombustibles hasta unos niveles determinados.Los biocombustibles son combustibles de origen biolgico obtenido de manera renovable a partir de restos orgnicos. Estos restos orgnicos proceden habitualmente del azcar, trigo, maz o semillas oleaginosas.Todos ellos reducen el volumen total de CO2 que se emite en la atmsfera, ya que lo absorben a medida que crecen y emiten prcticamente la misma cantidad que los combustibles convencionales cuando se queman, por lo que se produce un proceso de ciclo cerrado.Los biocombustibles son a menudo mezclados con otros combustibles en pequeas proporciones, 5 o 10%, proporcionando una reduccin til pero limitada de gases de efecto invernadero. En Europa y Estados Unidos, se ha implantado una legislacin que exige a los proveedores mezclar biocombustibles hasta unos niveles determinados. Esta legislacin ha sido copiada luego por muchos otros pases que creen que estos combustibles ayudarn al mejoramiento del planeta a travs de la reduccin de gases que producen el denominado Efecto Invernadero.Biodiesel: Qu es el biodiesel?El biodiesel es un biocarburante lquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas ms utilizadas en la actualidad para este fin. Las propiedades del biodiesel son prcticamente las mismas que las del gasleo (gasoil) de automocin en cuanto a densidad y nmero de cetano. Adems, presenta un punto de inflamacin superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el gasleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan stos convenientemente.La definicin de biodiesel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard, asociacin internacional de normativa de calidad) lo describe como steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga derivados de lpidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignicin de compresin. Sin embargo, los steres ms utilizados, como veremos ms adelante, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificacin de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificacin de los cidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas qumicas y fsicas.A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes o biocombustibles presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las caractersticas de los mercados agrcolas, junto a la complejidad que ya de por s presentan los mercados energticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocombustibles no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente. Al asegurar la existencia de una demanda de biocombustibles, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras polticas como la agrcola, favoreciendo la creacin de empleo en el sector primario, la fijacin de poblacin en el mbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrcolas, y reduciendo a la vez los efectos de la desertizacin gracias a la plantacin de cultivos energticos.En cuanto a la utilizacin del biodiesel como combustible de automocin, ha de sealarse que las caractersticas de los steres son ms parecidas a las del gasoil que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del ster es dos veces superior a la del gasoil frente a diez veces o ms de la del aceite crudo; adems el ndice de cetano de los steres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento.Qu es el Bioetanol?El bioetanol, tambin llamado etanol de biomasa, es un alcohol que se obtiene a partir de maz, sorgo, caa de azcar o remolacha. Permite sustituir las gasolinas o naftas en cualquier proporcin y que generan contaminacin ambiental. Brasil es el principal productor de bioetanol, 45% de la produccin mundial, Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la Unin Europea el 3%, India el 1% y otros pases el restante 1%.El bioetanol puede proceder del maz como en los EEUU o de la caa de azcar como el que se fabrica en Brasil. En este ltimo pas se ha venido utilizando el alcohol como combustible de automocin desde los aos 60 aproximadamente.La caa de azcar, la remolacha o el maz no son la nica fuente de azcar. Puede ser utilizada la celulosa para obtener azcar. La celulosa es una larga cadena formada por eslabones de glucosa. De este modo, casi todo residuo vegetal ser susceptible de ser transformado en azcar y luego gracias a la fermentacin por levaduras obtener el alcohol destilando el producto obtenido.Qu es el Biogs?El biogs, resulta de la fermentacin de los desechos orgnicos. Este combustible es una alternativa ms en la matriz energtica del pas.Qu es la Biomasa?Esta fue la primera fuente de energa que conoci la humanidad. La madera o incluso los excrementos secos son biocombustibles. Si se administra bien la madera de los bosques puede ser un recurso renovable y mal administrado puede convertirse en un desastre ecolgico. De este modo se propuso la biomasa como fuente de energa. Biomasas pueden ser virutas o aserrn de madera, producto de la limpieza de bosques o incluso de su explotacin racional.Cmo funcionan?El avanzado proceso de produccin de biocombustibles: del cultivo al vehculoLos biocombustibles convencionales como el etanol y el biodiesel proceden habitualmente del maz, la caa de azcar, la remolacha, el trigo o semillas oleaginosas.Trabajando con investigadores, agricultores y otros asociados, BP y DuPont tienen como objetivo identificar y desarrollar cultivos especficamente mejorados para biocombustibles, incluidos cultivos no comestibles y hierba de crecimiento rpido, cultivadas especialmente para combustibles y labradas de forma sostenible. Posteriormente los cultivos son recogidos y procesados para convertirlos en biocombustibles.Los investigadores de BP y DuPont estn desarrollando nuevos procesos tecnolgicos para utilizar nuevas materias primas y producir molculas mejoradas para la creacin de biocombustibles.Ventajas de los biocombustibles Pueden ser mezclados en grandes cantidades con carburantes convencionales, los cuales pueden ser usados en vehculos sin modificar. Tienen un mayor contenido energtico (ms kms por litro). Facilidad de introduccin dentro del proceso de suministro de carburantes. Reduccin del volumen total de emisiones de CO2 a la atmsfera.En la actualidadLos biocombustibles suponen el 3% de la produccin de combustibles para transportes, aunque se espera que la cifra aumente hasta el 30% en mercados clave. Los biocombustibles avanzados proporcionan una opcin viable para el aprovisionamiento de energa y una aceleracin del cambio a carburantes de transporte renovables con un bajo ndice de emisiones de gases de efecto invernadero.Un mejor ambiente?Uno de los argumentos que se ofrecen para promover los biocombustibles es que su impacto ambiental sera menor que el de los combustibles fsiles. En un estudio realizado por Jorn Scharlemann y William Laurence, del Instituto Smithsoniano de Investigaciones Tropicales, se midi la influencia de los biocombustibles en las emisiones de CO2. Los autores del estudio concluyen que 80% de los biocombustibles reducen las emisiones de CO2 en un 30%. El etanol reducira las emisiones en 13% y el biodiesel en 79%, comparados con el disel petrolero. Adems, segn este estudio, se producen menos partculas suspendidas y holln, que son nocivos para el sistema respiratorio. Scharlemann y Laurence sealan tambin que la relacin entre la energa invertida y la obtenida (balance energtico) del biodiesel es positiva; por cada unidad de energa fsil invertida en producirlo el biodiesel da 3.2 unidades de energa. En el etanol obtenido a partir de la fermentacin del azcar, el rendimiento energtico es de 1.98 unidades; es decir, se obtiene casi el doble de la energa invertida.Sin embargo, otros autores no dan cuentas tan alegres; ellos afirman que los cultivos de los que se extraen biocombustibles presentan balances energticos negativos: para producirlos se necesita invertir ms energa de la que se obtiene. Por ejemplo, se ha calculado que, en el caso del etanol de maz, por cada unidad de energa fsil gastada en su produccin se recuperan 0.78 unidades; y que en el peor de los casos (el del biodiesel producido a partir de la soya) se recuperan 0.53 unidades, la mitad de lo invertido!Y si se contabiliza la deforestacin, el costo ambiental total de los biocombustibles puede resultar mayor que el de usar combustibles fsiles. Producir biocombustibles requiere superficies muy extensas para cultivar maz, caa de azcar, soya o palma de aceite. Convertir ecosistemas en superficies de cultivo contribuira a aumentar el calentamiento global. Los bosques y muchos otros ecosistemas naturales se consideran sumideros de carbono porque los tejidos vegetales fijan el dixido de carbono por medio de la fotosntesis. Con la deforestacin, estos sumideros o depsitos se perderan y se afectara la biodiversidad. Hasta la fecha se observa que los cultivos de palma aceitera y soya que se emplean para producir biodiesel ya han hecho desaparecer selvas tropicales, pantanos y pastizales en Indonesia, as como importantes extensiones de la selva amaznica, ecosistemas que almacenan una gran cantidad de carbono. Al convertirlos en tierras de cultivo se libera a la atmsfera casi 420 veces ms CO2 del que se ahorr al usar los biocombustibles.Estos clculos permiten concluir que los balances energticos del biodiesel y del bioetanol dependen en gran medida de la materia prima que se elija, la eficiencia tecnolgica, el proceso utilizado y el lugar donde se producen los cultivos; es decir, si se usan campos ya abiertos al cultivo o se eliminan ecosistemas naturales para establecerlos. En nuestro pas se ha comenzado a fomentar el cultivo de la palma aceitera, el pino pionero y diversas especies del gnero Jatropha como materias primas de biocombustibles, aunque todava se debate la conveniencia de producir biocombustibles. Rafael Elvira Quesada, secretario del Medio Ambiente y Recursos Naturales, ha opinado que el etanol producido a partir del maz no es una buena opcin para Mxico.La crisis alimentariaDesde hace algunos aos el mundo atraviesa una crisis alimentaria por el aumento de precios de alimentos bsicos como el maz, el arroz y el trigo. Entre las causas de esta crisis se encuentra la demanda de tierras y productos para la produccin de biocombustibles. Segn la Organizacin de las Naciones Unidas (ONU), la oferta alimentaria de granos se ha reducido y los precios de los alimentos han aumentado debido en parte a que pases como Brasil y Estados Unidos usan grandes extensiones para cultivar la materia prima de los biocombustibles en lugar de alimentos. Este fenmeno afecta a los grupos humanos ms vulnerables del planeta.Segn predicciones de la Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo Econmico (OCDE), si se utilizara etanol para producir el 10% de los combustibles empleados en el transporte en Estados Unidos, se requerira que el 30% de la superficie agrcola de ese pas se dedicara al cultivo de materias primas; un porcentaje que en el caso de la Unin Europea ascendera al 72% de la superficie arable; a nivel mundial esta cifra sera del 9%. Es probable que los pases desarrollados promuevan cultivos para biocombustibles fuera de sus territorios para despus comprarlos, y no enfrentar as las consecuencias ambientales ni sociales de su produccin.Finalmente, debe hacerse notar que el uso de biocombustibles est asociado con los intereses de grandes empresas que tienen una enorme oportunidad de crecer y enriquecerse con su produccin y comercializacin. La organizacin Grain un organismo no gubernamental que promueve el uso sustentable de la diversidad agrcola, sostiene que estas empresas pretenden reemplazar millones de hectreas de sistemas agrcolas locales y a las comunidades rurales que trabajan en ellos, erradicando los sistemas indgenas de cultivo y pastoreo para sustituirlos con grandes plantaciones de monocultivo e ingeniera gentica, en las que las empresas multinacionales tengan el control.La alternativa parece ser entonces no producir biocombustibles a partir de alimentos, sino con desechos de industrias como la forestal, la agrcola y la papelera. Estos biocombustibles, que se hacen con celulosa, madera de desecho o algas cultivadas, llamados de segunda generacin, pueden ser una mejor opcin porque no requieren grandes superficies de cultivo. Su uso permitira adems manejar los desechos de manera adecuada y no competir con la industria alimentaria. En Mxico ya se desarrollan proyectos para producir biocombustibles a partir de desechos orgnicos, como cscaras de frutas o aceite quemado.Las alternativasUsar formas alternativas de produccin de energa puede ser una opcin ms limpia y eficiente (vase Un rayo de Sol, un soplo de viento, Cmo ves?, No.121). Una de estas fuentes es el viento. La energa elica es renovable, gratuita y limpia. Tiene algunos inconvenientes, por ejemplo, que los molinos de viento alteran el paisaje con su tamao y su nmero, pues tienen que ser cuantiosos para producir suficiente energa y pueden afectar a las poblaciones de aves migratorias. Sin embargo, los beneficios tecnolgicos, sociales, y econmicos asociados con su uso, adems de la reduccin de las emisiones de carbono, hacen de la energa elica una buena opcin para sustituir a los combustibles fsiles.Otra fuente de energa alternativa es la solar. Hay diversas tecnologas que permiten aprovecharla, en especial las celdas de semiconductores que se activan con la radiacin solar (celdas fotoelctricas) y producen electricidad. Al igual que la energa elica, la solar es autnoma y descentralizada, pues proviene de una fuente gratuita e inagotable y puede obtenerse en prcticamente cualquier sitio, aunque es ms eficiente en zonas calurosas con baja nubosidad, como los desiertos. En conjunto estas energas verdes y los biocombustibles pueden disminuir en gran medida nuestra dependencia de los combustibles fsiles.Los biocombustibles podran ser una buena alternativa si se lograra producirlos sin emplear combustibles fsiles. Hasta ahora, debido a que se producen a partir de cultivos agrcolas, lejos de representar una alternativa sustentable, son una fuente de problemas ambientales, sociales, polticos y econmicos ms graves que los que resultan de usar combustibles fsiles.6.6 HidrgenoEl fin de la era del petrleo ya se vislumbra y un candidato cada vez ms firme para obtener energa es el hidrgeno. Los tomos de este elemento qumico se componen de tan slo un protn y un electrn, y son los ms abundantes: cerca del 90% de todos los tomos que existen en el Universo son de hidrgeno.En nuestro planeta este elemento no es tan abundante: aproximadamente el 15% de todos los tomos son de hidrgeno y juntos constituyen apenas el 0.9% de la masa total del planeta. La mayora de los tomos de hidrgeno que existen en la Tierra estn en las molculas de agua. Pese a su relativa escasez en este planeta, el hidrgeno forma parte de un mayor nmero de compuestos qumicos que ningn otro elemento.En estado elemental, el hidrgeno es un gas formado por molculas diatmicas, que slo alcanzan a ser una millonsima parte de la atmsfera; por ser tan ligeras, la gravedad de la Tierra no alcanza a retenerlas.

La reaccin entre el hidrgeno (H2) y el oxgeno elementales (O2) produce molculas de agua y desprende una importante cantidad de energa. Esto sucede porque los enlaces de la molcula de agua son ms fuertes que los enlaces en las molculas de H2 y O2.2H2 + O2 2H2Osta es la reaccin que se us, por ejemplo, en los cohetes Saturno V (uno de los cuales puso en el espacio al Apolo 11, la primera misin tripulada a la Luna) y los transbordadores espaciales, que utilizan hidrgeno elemental como combustible.La sombra del HindenburgLa reaccin del hidrgeno con el oxgeno es peligrosa por explosiva, pero el peligro se ha exagerado desde la explosin del dirigible Hindenburg, en 1937. El esqueleto del Hindenburg estaba armado con varas de madera, cuerdas de seda y laca. Para la cubierta se us tela de algodn, recubierta primero con una capa de acetato de celulosa, uno de los componentes de la plvora, y despus con aluminio metlico en polvo. La violenta reaccin del aluminio metlico pulverizado con el oxgeno se utiliza tambin en los combustibles de los cohetes espaciales y es el principal responsable de la gran luminosidad de la llama de stos. El incendio del Hindenburg fue provocado por una chispa de electricidad esttica del aire, que caus que el aluminio de la cubierta se incendiara y con l el resto de los materiales, todos inflamables, con los que estaba hecho el globo; y desde luego, tambin el hidrgeno. El hidrgeno arde con una flama casi invisible y por su extrema ligereza, tiende a dispersarse hacia arriba. En el caso del Hindenburg, se tiene registro de que todo el hidrgeno que contena se consumi en tan solo 37 segundos. El fuego que se ve en las fotos no puede atribuirse a la combustin del hidrgeno, sino a la de los materiales del globo y al combustible disel que alimentaba sus motores.De los 97 pasajeros y tripulantes del dirigible, 36 perdieron la vida, 33 de ellos por haber cado o saltado intencionalmente al vaco. Slo tres de las vctimas ms murieron por quemaduras, seguramente causadas no por la combustin del hidrgeno, sino por la del disel usado como combustible del dirigible, ya que la cabina de los pasajeros se ubicaba bajo el globo. El disel y el resto de los materiales inflamables tardaron 10 horas en consumirse.Adis a la gasolina?Hoy en da existen varios prototipos de automviles impulsados por la energa mecnica generada por la reaccin del hidrgeno con el oxgeno. Los fabrican compaas como BMW de Alemania y Mazda de Japn, asociada con la estadounidense Ford. Para hacer automviles de combustin interna impulsados por hidrgeno elemental se requiere una tecnologa parecida a la que se usa para producir motores movidos por gas natural, que ya abundan en nuestros das. La combustin del hidrgeno en estos motores an no es perfecta. Su fuente de oxgeno es el aire, por lo que inevitablemente una pequea fraccin de nitrgeno interviene en la combustin y forma xidos de nitrgeno, NOx, que producen el esmog fotoqumico y el ozono "malo".Comparado con la gasolina, el hidrgeno como combustible extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbn en la cmara de combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor, solo hay que restituirlo peridicamente. Sin embargo, los inconvenientes siguen siendo mayores que las ventajas. Como las molculas de hidrgeno son tan pequeas, se requiere mucha energa para comprimirlo o licuarlo. Por la misma razn, el gas se fuga con mucha facilidad de los recipientes que lo contienen; incluso en el mejor tanque, el H2 se evapora a una tasa de 3% diario.Del hidrgeno a la electricidadOtra posibilidad es aprovechar la energa qumica liberada cuando el hidrgeno reacciona con el oxgeno, no como energa mecnica o trmica, sino almacenndola como energa elctrica. Esta alternativa se va haciendo cada vez ms viable. Los dispositivos que producen electricidad a partir de esta reaccin se conocen como celdas de combustible (vase recuadro).En las celdas de combustible la energa qumica se convierte en electricidad sin necesidad de combustin. Se hace reaccionar el hidrgeno con el oxgeno en dos electrodos (los "polos", o "bornes", de una pila) separados por una membrana de plstico delgada. En uno de los electrodos las molculas de hidrgeno se despojan de sus electrones. stos se suministran al circuito externo al que la celda alimenta para realizar trabajo. Los protones de las molculas de hidrgeno atraviesan la membrana y van al otro electrodo, donde se mezclan con el oxgeno y los electrones en circulacin para dar agua. Es decir, las celdas de combustible permiten obtener energa elctrica totalmente limpia a partir de la reaccin qumica entre el hidrgeno y el oxgeno.Uno de los reactivos necesarios, el oxgeno, se obtiene directamente del aire y es virtualmente inagotable. Cmo obtener el hidrgeno es otra historia.Las fuentesEl hidrgeno se encuentra combinado en forma de agua o de compuestos orgnicos. Por lo tanto, se puede obtener de esas fuentes, pero para separarlo de sus compuestos es preciso suministrar energa. Hoy en da el hidrgeno se obtiene principalmente de sustancias extradas del petrleo: hidrocarburos gaseosos como el metano y el propano, o alcoholes como el metanol o el etanol, que son lquidos.Obtener hidrgeno del metano, por ejemplo, tiene dos inconvenientes. El primero es que el metano del que se parte se obtiene principalmente del petrleo, que se est agotando. Este inconveniente podra evitarse porque se puede extraer metano de biomasa (mediante fermentaciones llevadas a cabo por microorganismos sobre materia orgnica de desecho) y este proceso podra volverse la principal fuente de metano. El segundo inconveniente es que el proceso genera dixido de carbono, igual que cuando se quema el gas natural, lo que contribuye al calentamiento global.La obtencin de hidrgeno a partir de metanol, CH3OH, tiene las mismas desventajas que a partir de metano. La ventaja que ofrece el metanol sobre el metano es que mientras que ste es un gas, aqul es un lquido, que podra transportarse y almacenarse de manera semejante a la gasolina. El inconveniente es que la materia prima para obtener metanol, es justamente el metano. El etanol tambin puede utilizarse para obtener hidrgeno, con la ventaja de que es un alcohol ms fcil de obtener biotecnolgicamente, mediante la fermentacin de azcares.Desde luego, tambin es posible obtener el hidrgeno elemental a partir del agua, que en tanta abundancia tenemos. Sin embargo, la manera ms simple y directa de separar el agua en sus componentes, la electrlisis, no representa ninguna ganancia en cuanto al balance total de energa: para efectuarla hay que proporcionar la misma cantidad de energa elctrica que la que se obtiene al realizar la reaccin inversa. Si esa energa elctrica se obtuvo a partir de la principal fuente actual en nuestro planeta, una planta termoelctrica, estaremos slo dando la vuelta al problema y seguiremos quemando combustibles fsiles.Pero existen otras posibilidades. Si para hidrolizar el agua usamos electricidad proveniente de una planta nuclear, hidroelctrica o elica, las pilas de combustible se convierten en una buena manera de almacenar y transportar esa energa. La energa del Sol tambin puede ser la solucin, ya sea porque la electricidad requerida para hidrolizar el agua puede provenir de celdas solares, o porque la luz solar por s misma es capaz de separar el agua en sus componentes mediante el uso de catalizadores adecuados.Los coches elctricos hoyLos primeros automviles elctricos se desarrollaron en la primera mitad del siglo XIX y llegaron a tener cierto auge durante la primera dcada del siglo XX. Sin embargo, la poca durabilidad de las bateras disponibles en aquel entonces y el advenimiento del automvil con motor de combustin, as como el incremento en las exploraciones petroleras, hicieron que los autos elctricos se convirtieran en una curiosidad. En 1912 un automvil elctrico costaba 1 750 dlares, mientras que uno con motor de gasolina se adquira por 650. El inters en los coches elctricos resurgi a partir de los aos 70 con las crisis energticas provocadas por los embargos petroleros de los pases rabes.En la actualidad, los vehculos elctricos ms populares no son solamente elctricos, sino hbridos. Se llama hbrido a cualquier vehculo que utilice dos fuentes de energa, pero actualmente el trmino se ha vuelto casi exclusivo para designar autos impulsados por energa elctrica y energa proveniente de la combustin de gasolina. Esta combinacin logra rendimientos de gasolina del orden de 20 kilmetros por litro, con una potencia comparable a la de los autos con motores tradicionales a base de gasolina. En realidad esta tecnologa es solamente un paso en la transicin de los vehculos altamente contaminantes con motor de combustin interna hacia vehculos impulsados por fuentes de energa limpia, como podran ser las celdas de combustible.La mayora de las compaas fabricantes de automviles llevan a cabo hoy en da intensos programas de investigacin y desarrollo encaminados a producir autos movidos por celdas de combustible. Por ejemplo, Ford tiene ya un modelo de automvil de este tipo, del cual ha distribuido, a manera de prueba, varias decenas en los Estados Unidos, Canad y Alemania. La produccin de estos vehculos a nivel comercial est a la espera de un sistema de distribucin de hidrgeno que permita a los consumidores reabastecer sus autos. Ford, en colaboracin con su socio Mazda, ha promovido la instalacin de estaciones de hidrgeno en Hiroshima, Detroit y Berln. Honda no slo tiene planes de producir comercialmente su vehculo de celdas de combustible para el ao 2010, sino que tambin participa en el desarrollo de una estacin casera de energa, capaz de producir hidrgeno a partir de gas natural en una escala domstica.El petrleo empieza a escasear y el hidrgeno abunda; la transicin no ser fcil, pero es inexorable. Nos dirigimos hacia una nueva tecnologa energtica, que traer profundos cambios en el mbito econmico y social.