Aprovechamiento de Energías Renovables: Hidráulica, Eólica, Solar, Biomasa, Geotérmica y Oceánica

Energía Hidráulica

La energía hidráulica es la energía de un flujo de agua, cinética cuando se mueve por un cauce, potencial cuando está embalsada a cierta altura.

Clasificación

Según aprovechamiento

• Derivación de aguas: se desvía parte del caudal de un río para aprovecharlo y el flujo vuelve al río por un canal.
• Acumulación de aguas: se represa un flujo de agua y se aprovecha para producir energía.

Según caudal

• Si caudal variable (de regulación): se acumula agua para generar energía en horas punta.
• Si caudal constante (fluyentes): la energía se aprovecha directamente o con embalse reducido.

Según potencia

• Minicentrales: potencia menor de 10 MW, se ubican en pequeños ríos y suministran corriente a pueblos o empresas, están conectadas a la red general.
• Centrales hidroeléctricas: potencia mayor de 10 MW, se colocan en cuencas de gran caudal para producir energía a gran escala.
• Centrales de bombeo: útiles cuando la demanda de energía es baja y se emplea la energía sobrante del resto de las centrales en elevar agua de embalse inferior a embalse superior; se almacenan los excedentes de energía.

Tipos de centrales de bombeo

• De bombeo puro: necesitan que se bombee agua desde embalse inferior a superior para después producir energía eléctrica, porque al embalse superior solo llega agua de bombeo.
• Mixta con bombeo: puede producir energía con o sin bombeo previo, porque al embalse superior llega un flujo de agua, se diferencia de una central normal en que tiene un embalse inferior que represa el agua.

Componentes

Presa

Barrera interpuesta en el cauce de un río para retener y almacenar agua, elevando el nivel y regulando el caudal de salida.

Tipos de presa según la forma de resistir el empuje del agua

• Presa de gravedad: contrarresta con su peso el empuje del agua, sección triangular o trapezoidal, insensibles al desbordamiento por la cresta, peligro de formación de grietas, se construyen con lentitud; en ocasiones se construyen aligeradas, con estructura hueca para utilizar los espacios interiores, más elásticas ante dilataciones.
• Presa de bóveda: parte convexa dirigida aguas arriba, sección triangular, se construyen cuando el terreno es lo suficientemente sólido, más barata que la de gravedad.

Desagües

Para que el agua en exceso pueda salir libremente por encima (presas de rebose) o por aliviaderos, para regular los aliviaderos y controlar caudal descargado se incorporan compuertas.

Tipos de compuertas

• Compuerta vertical: se desliza por raíles y se construye de un material que resista el empuje del agua (chapa de acero reforzado).
• Compuertas de sector: formadas por una estructura metálica sujeta a un eje de giro, para caudales no muy elevados.

Pueden existir desagües de medio fondo, que se alimentan a media altura, o de fondo, situados en la parte inferior de la presa. También son importantes los elementos y amortiguación aguas abajo, para evitar la erosión a pie de presa.

Canalizaciones

Todas han de disponer de rejillas y filtros para evitar que elementos extraños entren en la turbina y la hagan cavitar (provocar turbulencias que la averíen).

Tipos de canalizaciones

• Canal de derivación: canaliza el agua desde el embalse, puede ser abierto (canal) o cerrado (tubo) por medio de túneles; las conducciones deben ser lo más rectas y lisas posibles para reducir al mínimo las pérdidas por fricción, necesitan un sistema para regular el caudal, tienen menos pendiente que el cauce del río, si el salto es inferior a 15 m el caudal desemboca directamente en la cámara de turbinas.
• Cámara de presión: punto de unión del canal de derivación con la tubería de presión, en esta cámara se instala la chimenea de equilibrio, que consiste en un depósito de compensación cuya misión es evitar las variaciones bruscas de presión (golpe de ariete) debidas a las fluctuaciones del caudal de agua provocadas por la regulación de su entrada a la cámara de turbinas.
• Tubería de presión: se encarga de conducir el agua hasta la cámara de turbinas.

Sala de máquinas

En ella está el conjunto alternador-turbina para la conversión de energía, el eje de la turbina será solidario con el eje del alternador en la mayoría de los casos, produciéndose en este último la energía eléctrica.

Turbinas

Tipos de turbinas

• De acción: para hacer girar las aspas se aprovecha únicamente la energía cinética del agua, el modelo más habitual es la Pelton, consta de un eje horizontal y un disco circular que tiene montados unos álabes a los que llega el agua impulsada por inyectores que regulan el caudal hacia los álabes, para aumentar la potencia basta aumentar el número de chorros, cada tobera lleva un deflector para regular la presión del agua sobre los álabes, en cada rodete es posible montar hasta 4 toberas, puede utilizarse en saltos de altura superior a 200 m, pero requiere una altura mínima de 25 m, se emplean centrales con un gran salto de agua y caudal constante; existen otros modelos de turbinas de acción como la Turgo de inyección lateral y la de Ossberger o Banki-Michell de doble impulsión.
• De reacción: el movimiento de los álabes es provocado tanto por la velocidad como por la presión del agua. Ejemplos:
  • Francis: totalmente sumergida en agua, se utiliza en centrales con altura de salto de 15 a 400 m y es apropiada para saltos y caudales medianos, dispone de un eje vertical y su rodete está constituido por paletas alabeadas, el agua es conducida hasta la periferia del rodete por un distribuidor y se evacua por un canal que sale a lo largo del eje, llega el agua en sentido radial y se expulsa en el sentido de su eje.
  • Kaplan: se utiliza para saltos pequeños y grandes caudales, pueden tener el eje horizontal, vertical o inclinado, su rodete está formado por una hélice de palas orientables, lo que permite mejorar su rendimiento y disminuir el tamaño del alternador.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Producción limpia de energía.
• Los represamientos permiten regular el caudal del río durante todo el año.
• El agua represada permite el regadío o el abastecimiento de poblaciones.
• Los embalses pueden ser utilizados como zonas de recreo para la práctica de deportes acuáticos.

Inconvenientes

• Modifica la flora y fauna del entorno.
• Inunda tierras, poblaciones, monumentos…
• Es necesario un control de vertidos aguas arriba para evitar la acumulación de residuos orgánicos en los embalses.
• Los embalses retienen la arena que el río arrastra con la corriente y reduce la sedimentación aguas abajo alterándose los deltas en la desembocadura de los ríos.

Funcionamiento

El agua procedente de un represamiento de agua o de una derivación de un caudal mayor, es conducida por unas tuberías con caída libre o forzada hasta las turbinas. Las tuberías tienen compuertas, rejillas y filtros para proteger la instalación de elementos extraños y evitar turbulencias en las turbinas que las hagan cavitar. Al incidir el agua sobre las turbinas, empuja a los álabes y les imprime un giro, que es transmitido al generador a través del eje de giro. El agua se conduce de nuevo al río aguas abajo. En los terminales del generador, aparece una tensión de media intensidad, que se pasa a alta tensión, en transformadores para un transporte con menos pérdidas.

Fórmulas

P = g C h

P_útil = η P

Energía Eólica

Las variables que definen el régimen de vientos en un punto determinado son: situación geográfica, características climáticas, estructura topográfica, irregularidades del terreno y altura sobre el nivel del suelo. La energía del viento es de tipo cinético, lo que hace que la potencia obtenida del mismo dependa de forma acusada de su velocidad, así como del área de la superficie captadora.

Aerogeneradores

Máquinas que transforman la energía eólica en eléctrica o mecánica, deben situarse en zonas geográficas favorables; como la velocidad del viento aumenta con la altura, el rotor del aerogenerador se ha de situar lo más alto posible.

Funcionamiento

El viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar, este movimiento de rotación se transmite al generador a través de un sistema multiplicador de velocidad, el generador producirá corriente eléctrica que se deriva hasta las líneas de transporte.

Tipos

De eje horizontal

Son los más utilizados y desarrollados, deben mantenerse paralelos al viento, lo que exige una orientación previa, de modo que este incida sobre las palas y haga girar el eje, para orientar las palas se usan veletas y motores controlados por ordenador, el cual recibe información de la veleta acerca del viento. Estos aerogeneradores pueden ser:

• De potencia baja o media (0.5 a 50 kW): suelen tener muchas palas, se utilizan en el medio rural y como complemento para viviendas.
• De alta potencia (más de 50 kW): suelen tener como máximo cuatro palas de perfil aerodinámico, aunque normalmente tienen tres, necesitan vientos de entre 5 m/s y 25 m/s, tiene uso industrial, disponiéndose en parques o centrales eólicas.

De eje vertical

No necesitan orientación y ofrecen menos resistencia al viento, se usan en baja potencia, el viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar, este movimiento de rotación se transmite al generador a través de un sistema multiplicador de velocidad, el generador producirá corriente eléctrica que se deriva hasta las líneas de transporte, para asegurar en todo momento el suministro eléctrico, es necesario disponer de acumuladores.

Tipos de aerogeneradores de eje vertical

• Aerogenerador Savonius: formada por dos semicilindros iguales.
• Aerogenerador Darrieu: está formada por palas biconvexas.

Aerogeneradores marinos (offshore)

También son de eje horizontal, pero con unas características especiales de tamaño y cimentación.

Constitución

• Soportes (torres o tirantes).
• Sistema de captación (rotor).
• Sistema de orientación.
• Sistema de regulación (controlan la velocidad de rotación).
• Sistema de transmisión (ejes y multiplicador).
• Sistema de generación (generador).

Aplicaciones

• Energía mecánica: bombeo de agua y riego.
• Energía térmica: acondicionamiento y refrigeración de almacenes, refrigeración de productos agrarios, secado de cosechas, calentamiento de agua.
• Energía eléctrica: aplicación más frecuente, pero que obliga a su almacenamiento o a la interconexión del sistema de generación autónomo con la red de distribución eléctrica.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Energía limpia.
• Reduce el consumo de combustibles fósiles, por lo que contribuye a evitar el efecto invernadero y la lluvia ácida.
• Es gratuita e inagotable.

Inconvenientes

• La instalación solo puede realizarse en zonas de vientos fuertes y regulares.
• El terreno no puede ser muy abrupto.
• La producción de energía es irregular.
• El parque eólico exige construir infinidad de aerogeneradores, lo cual es costoso.
• Puede afectar a la fauna, especialmente aves, por impacto con las palas.
• Contaminación acústica y visual.

Fórmulas

P = ½ dsv³

s = πr²

Energía Solar

Energía procedente del Sol debida a reacciones termonucleares de fusión, en las que el hidrógeno se transforma en helio, llega a la Tierra por medio de ondas electromagnéticas a modo de radiación, la cantidad de radiaciones que llegan a la tierra depende de la inclinación estacional, la hora del día, el estado atmosférico y la polución. Presenta dos características que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales:

• Dispersión: su densidad apenas alcanza 1 kW/m², muy por debajo de otras densidades energéticas, lo que hace necesarias grandes superficies de captación o sistemas de concentración de los rayos solares.
• Intermitencia: hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento de la energía captada.

Arquitectura Solar

Son aquellas soluciones arquitectónicas que permiten la captura, almacenamiento y aprovechamiento de energía solar.

Tipos

Utilización pasiva de la energía solar

Dando un rendimiento máximo a los sistemas de aislamiento térmico, un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Los elementos básicos usados por la arquitectura solar pasiva son:

• Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor igual que un invernadero.
• Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún material acumulador específico, tiene como misión almacenar la energía captada.

Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumenta la eficacia de los sistemas pasivos, y se les conoce como “híbridos”, ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos.

Utilización activa de la energía solar

Obteniendo energía para satisfacer las necesidades del edificio.

Conversión térmica

• Baja temperatura (menor 90ºC): con colectores solares planos se capta la energía solar y se convierte en energía térmica para transferirla a un portador; un colector, es una placa de color oscuro, cuya misión es captar la radiación solar y transferirla al fluido que circula por unos tubos, situados sobre él, suele estar cubierto por un cristal para aumentar el efecto invernadero, el calor del fluido puede usarse para un sistema de calefacción o de agua caliente; se requieren un subsistema de almacenamiento (depósitos que almacenan el agua caliente procedente de los paneles) y un subsistema de distribución (instalación de tuberías y accesorios que permite transportar el agua caliente desde el colector hasta los depósitos de almacenamiento y desde aquí a los puntos de consumo); los equipos solares de baja temperatura no garantizan la totalidad de las necesidades energéticas, por lo que necesitan de un equipo convencional de apoyo que suplan la carencia de energía solar.
• Media temperatura (entre 90ºC y 200ºC): se aplican sobre todo en procesos industriales para la obtención de vapor industrial, para la destilación de agua, para el accionamiento de compresores y para la generación de energía eléctrica, para obtener temperaturas superiores a los 100°C se debe concentrar la radiación solar, para lo que se pueden utilizar lentes o espejos, canalizando la radiación hacia un punto o una superficie llamado foco, este eleva su temperatura muy por encima de la alcanzada en los colectores planos; aunque la superficie que recibe los rayos concentrados puede tener cualquier forma dependiendo de la técnica usada, en la actualidad la solución más favorable para una concentración de tipo medio es el colector cilindro-parabólico, que consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto en la línea focal, dentro del tubo se vidrio está el fluido portador del calor; para que se puedan concentrar los rayos solares, estos colectores se montan mirando al Sur y con una inclinación igual a la latitud del lugar, además necesitan un dispositivo que vaya haciendo girar los espejos a lo largo del día, sincronizado con el movimiento aparente del Sol; los colectores cilindro-parabólicos tienen la ventaja de requerir depósitos de acumulación más pequeños y de tener menores superficies de absorción y menores pérdidas de calor.
• Alta temperatura (+ 500ºC):
  • Centrales solares: para conversiones térmicas superiores a los 500 °C, encaminadas a la producción de energía eléctrica a gran escala, es necesario concentrar la radiación solar mediante grandes paraboloides (captadores parabólicos) o un gran número de espejos enfocados hacia un mismo punto, el sistema más extendido es el de receptor central, formado por un campo de espejos orientables, llamados “heliostatos”, que concentran la radiación solar sobre una caldera situada en lo alto de una torre, el calor captado es cedido a un fluido portador circulando en circuito cerrado y que suele ser sodio fundido o vapor de agua a presión; este fluido primario caliente se hace pasar a un sistema de almacenamiento, para luego ser utilizado en un sistema de generación de vapor, que se alimenta a una turbina, la cual actúa sobre un alternador, que permite obtener energía eléctrica; los captadores tienen que estar constantemente orientados hacia el Sol, por lo que sus soportes han de ser móviles y cuentan con un sistema informático que determina de forma precisa la posición en cada momento del día.
  • Hornos solares: formados por un espejo parabólico que concentra en su foco los rayos provenientes de la reflexión de las radiaciones solares en un cierto número de espejos, llamados heliostatos, convenientemente dispuestos, estos hornos permiten alcanzar temperaturas muy elevadas (hasta 6000 ºC), suelen emplearse para generar energía eléctrica y con fines experimentales.

Conversión fotovoltaica

La conversión directa de la energía luminosa en energía eléctrica se produce en las células solares o fotovoltaicas; la luz transporta fotones, que inciden sobre un metal semiconductor, transfieren parte de su energía a los electrones del material, estos electrones consiguen liberarse de su unión con el núcleo atómico y salen a la superficie, en una cara del semiconductor aparecen cargas (negativas) libres y en la cara opuesta se produce una falta de electrones (huecos), estableciéndose entre ambas caras una diferencia de potencial. Las células solares se ven afectadas por el ángulo de incidencia de la radiaciones solares, por la temperatura, por el número de células (la producción de cada célula es aproximadamente de 0.6 V). Las células del panel están protegidas por un cristal y se construyen de forma que se pueden unir con otros paneles. Las instalaciones fotovoltaicas han de ir provistas de acumuladores, capaces de almacenar la energía eléctrica no utilizada en forma de energía química. En algunos casos, también puede estar conectado en paralelo con la red, para emplear la energía de la misma cuando falte el Sol.

Aplicaciones

• Aplicaciones remotas: lugares donde solo se prevé un pequeño consumo de electricidad y en los que es necesario una acumulación a base de baterías.
• Usos rurales: instalaciones aisladas de la red general que no suelen requerir acumulación.
• Autogeneración: centros de consumo conectados a la red, utilizando la energía solar como base y la de la red como complemento.
• Grandes centrales: generación masiva de electricidad.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Energía limpia.
• Fuente inagotable y gratuita.
• Compensa desigualdades.

Inconvenientes

• Instalaciones requieren gran superficie.
• Radiación solar no es uniforme.
• Coste de las instalaciones alto.
• Producir y mantener paneles contamina.
• Instalaciones modifican entorno.

Fórmulas

Q = Kts

Energía de la Biomasa

Fuentes

• Residuos agrarios: se transforman para obtener combustibles líquidos, previamente deben ser tratados mediante un proceso que requiere energía previa.
• Residuos animales: estiércol, purines, camas o, también, descomposición de animales muertos o restos de mataderos, se transforman para obtener biogás del tipo metano, que se usa como combustible para producir electricidad.
• Residuos forestales.
• Residuos industriales: proceden de la industria maderera y papelera, siendo utilizados como combustible dentro del mismo sector que los produce, de la agrícola y agroalimentaria.
• Cultivos vegetales concretos para este fin:
  • Cultivos tradicionales: cultivos clásicos que se utilizan con fines alimenticios o industriales y se emplean para obtener energía con plantaciones del tipo leñoso.
  • Cultivos poco frecuentes: aquellos que han empezado a desarrollarse de forma masiva por su interés energético.
  • Cultivos acuáticos: algas y jacintos de agua.
  • Combustibles líquidos: plantas leñosas que son transformadas en combustibles alternativos semejantes a la gasolina, pero que apenas producen impacto ambiental.
• Residuos sólidos urbanos: generados como consecuencia de la actividad humana, RSU y ARU (aguas residuales urbanas), se tratan con varias técnicas:
  • Eliminación por vertedero.
  • Reciclaje-compostaje.
  • Incineración con recuperación de energía.

Tratamiento

• Procesos físicos: compactación para su tratamiento directo como combustible, secado para realizar posteriormente un tratamiento térmico.
• Procesos termoquímicos:
  • Combustión directa de la biomasa con aire: al quemar la biomasa, se obtiene calor para producir vapor que mueva una turbina que arrastra un alternador que produce electricidad; también se aprovecha para calefacción, la biomasa debe ser baja en humedad.
  • Pirólisis: consiste en un calentamiento sin la presencia de oxígeno, la materia orgánica se descompone, obteniendo productos finales más energéticos.
  • Gasificación: oxigenación parcial o hidrogenación, que permite la obtención de hidrocarburos.
• Procesos bioquímicos:
  • Fermentación alcohólica (aerobia): proceso de transformación de la glucosa en etanol por la acción de los microorganismos, el resultado es el bioalcohol, un combustible para vehículos.
  • Fermentación anaerobia: consiste en fermentar en ausencia de oxígeno y durante largo tiempo la biomasa, origina productos gaseosos (biogás), que son granjas para activar motores de combustión o calefacción.
• Procesos químicos: transformación de ácidos grasos: consiste en transformar aceites vegetales y grasas animales en una mezcla de hidrocarburos mediante procesos químicos no biológicos para crear un producto llamado biodiésel, que sirve de combustible, como materia prima se emplean, principalmente cereales, trigo, soja, maíz, etc.

En definitiva, las tres grandes aplicaciones de la biomasa son: para calefacción, para mover turbinas-generadores, es decir, para obtener energía eléctrica y como combustible de vehículos.

Residuos sólidos urbanos

Son aquellos residuos sólidos generados por la actividad doméstica en los núcleos de población o zonas de influencia. El tratamiento de estos residuos se lleva a cabo mediante los siguientes métodos:

• Incineración: consiste en quemar los residuos combustibles, con la idea de obtener energía eléctrica o térmica o fermentar los residuos orgánicos para obtener biogás.
• Vertido controlado: en un terreno previamente preparado para ello, se almacenan los residuos sobre el terreno, cubriéndolos con material adecuado para evitar contaminación, en muchos lugares que no están adecuadamente preparados, se depositan residuos, lo que se conoce como vertido incontrolado.
• Compostaje: se hace fermentar los residuos de origen orgánico para, posteriormente, emplearlo como abonos.
• Reciclado: consiste en separar y clasificar los componentes que puedan ser utilizados como materia prima para fabricar otros productos.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Soluciona los problemas de la destrucción incontrolada de residuos.
• Disminuye el riesgo de incendios en bosques.
• Su uso hace que se reduzca el consumo de otras fuentes de energía no renovables.

Inconvenientes

• Se corre el riesgo de llevar a cabo talas excesivas.
• Rendimiento neto muy pequeño.
• Aprovechamiento no resulta económico.
• Proceso de combustión genera CO₂.
• Aumento de la demanda de cereales y subida de su precio.

Energía Geotérmica

Se entiende como “geotermia” todo fenómeno que se refiere al calor almacenado en el interior de la Tierra, siendo la “energía geotérmica” la derivada de este calor (debido principalmente al vulcanismo y a la radiactividad natural de las rocas). El calor se transmite a través del subsuelo y llega a la superficie muy lentamente, por lo que la mayor parte queda almacenado en el interior de la tierra durante mucho tiempo. La temperatura del núcleo puede llegar hasta 4000ºC, pero esta varía con la profundidad, siendo el gradiente de 30ºC/km (3ºC/100 m). Generalmente las alteraciones geotérmicas de mayor magnitud presentan unas “manifestaciones superficiales” que indican su posible existencia, y que pueden ser vulcanismo reciente, zonas de alteración hidrotermal, emanaciones gaseosas, fuentes termales y minerales y anomalías térmicas.

Yacimientos geotérmicos

Volumen de roca con temperatura anormalmente elevada para la profundidad a que se encuentra, susceptible de ser recorrida por una corriente de agua que pueda absorber calor y transportarlo a la superficie.

Tipos

• Sistemas hidrotérmicos: formado por una fuente de calor a profundidad relativamente pequeña (500 m – 10 km), que garantiza un elevado flujo térmico por un largo periodo de tiempo, recubierto de roca impermeable caliente que permite la transferencia de calor a la capa de roca permeable que hay por encima de ella conteniendo agua (acuífero), permitiendo la circulación de esta cerca de la roca caliente, sobre el acuífero se encuentra una capa de roca impermeable y algunas fallas que delimitan el yacimiento y permiten el aporte de agua a partir de las precipitaciones, el agua adquirirá la temperatura del sistema geotérmico y se encontrará en estado líquido, en forma de vapor o como mezcla de líquido y vapor según las condiciones de P y T del yacimiento; los sistemas en los que predomina el vapor se utilizan para producir energía eléctrica en turbinas de vapor, obteniéndose agua caliente como subproducto, los sistemas en los que predomina el agua, a mayor o menor T, pueden presentar dificultades de uso pues contiene sales disueltas, gases corrosivos y partículas sólidas (corrosión de los álabes).
• Sistemas geopresurizados: son similares a los anteriores pero se encuentran a mucha más profundidad, por lo que el líquido caloportador se encuentra sometido a grandes presiones, pudiendo alcanzar hasta 100 atm (1000 bares), en estas formaciones hay energía acumulada en tres formas: presión hidráulica, agua caliente y metano.
• Sistemas de roca seca caliente: formados por bolsas de rocas impermeables a muy alta temperatura (250 – 300ºC) y sin fluido portador de calor, por lo que es necesario aportar agua de forma artificial para poder extraer el calor (se hacen dos perforaciones; se introduce agua fría por una de ellas y se obtiene agua caliente por la otra. Problema, toda la roca es impermeable, con lo que el agua no pasa de un conducto a otro y si se ponen muy juntos no hay mucha transferencia de calor), además de la necesidad de crear grandes superficies de transmisión de calor fracturando la roca; los sistemas explotados hasta ahora son los correspondientes a los yacimientos hidrotérmicos que, a su vez, según la temperatura del yacimiento pueden ser de baja temperatura (60 – 150 ºC, para uso doméstico, aplicación directa del calor por rentabilidad), la temperatura del foco oscila en torno a los 100 ºC, el agua fría a presión se introduce en las proximidades del foco de calor, donde se eleva su temperatura y luego se extrae, el agua caliente puede utilizarse directamente o bien puede ceder el calor acumulado al fluido que circulará posteriormente por el circuito de calefacción; o de alta temperatura (a partir de 150 ºC, para producción de electricidad), la temperatura del foco puede llegar a alcanzar 1250ºC, es necesario que existan capas de materiales permeables que permiten la circulación de los fluidos capaces de extraer el calor de la roca (1,5 – 2 km), y otras impermeables para evitar la disipación de calor, el agua inyectada se convierte en vapor sobrecalentado por efecto del foco de calor y posteriormente se extrae, este vapor cede su calor a un fluido, el freón, que se vaporiza, el vapor generado mueve el grupo turbina-alternador y se genera la energía eléctrica.

Explotación y utilización

Antes de proceder a la explotación de un yacimiento geotérmico es necesario conocer la profundidad y espesor del acuífero, la calidad, caudal y temperatura del fluido y la permeabilidad y porosidad de las rocas; una vez conocidos estos factores, la explotación se realiza mediante sondeos análogos a los petrolíferos, sin embargo, para no agotar el agua se suele reinyectar esta al acuífero mediante otro pozo; asimismo, es necesario evitar la corrosión que suele producir el fluido geotérmico utilizando materiales no atacables lo que hace que, en general, este tipo de explotación precise de una inversión inicial muy elevada. La energía geotérmica puede ser utilizada en dos campos, definidos por la temperatura que alcanza el fluido geotérmico: alta y baja temperatura. El límite práctico entre ambos no está claramente fijado, pero se puede situar entre 130º y 150ºC. Los yacimientos de alta temperatura se utilizan en la producción de energía eléctrica, cuyo coste suele ser casi la mitad que el de la electricidad producida en una central térmica convencional. Ahora bien, al ser la calidad de la energía geotérmica inferior a la de los combustibles convencionales, el rendimiento de conversión es muy pobre. Por su parte, la mayor abundancia de los yacimientos de baja temperatura ha obligado a desarrollar nuevos procesos que permitan el aprovechamiento del agua caliente de los mismos, cuya temperatura no suele ser superior a los 100ºC. Así los tres campos en los que la geotermia de baja temperatura puede encontrar aplicación son calefacción urbana, calefacción industrial y calefacción agrícola. Los principales obstáculos que se oponen a la geotermia de baja temperatura son básicamente las grandes inversiones iniciales, el bajo rendimiento y la imposibilidad de transporte.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

• Fuente renovable.
• Reduce el consumo de combustibles fósiles.
• Permite efectuar previsiones de abastecimiento.

Inconvenientes

• Las zonas de aprovechamiento presentan una gran actividad geológica, lo que encarece las instalaciones.
• Impacto visual.
• Niveles de ruido.
• Contaminación del aire y las aguas.

Energía de los Océanos

: Energia mareomotriz: Mareas: en la mayoría de los lugares hay dos mareas altas y dos mareas bajas por día, las mareas altas generalmente tienen lugar cuando la luna está en el horizonte, las mareas más altas son las de la luna llena y la luna nueva; las más bajas, a medio camino entre esos puntos. Las mareas altas de luna llena y nueva se llaman mareas vivas, las más bajas en el primer y tercer cuartos se llaman mareas muertas. El grado de las mareas (diferencia de altura) es generalmente de 1 a 3 metros, pero pueden ser mucho más. La explicación de las mareas solares, las mareas diarias del sur de China, o las mareas de 15 m de la bahía de Fundí (Newfoundland) es debida a las irregularidades de los fondos oceánicos. Las mareas dependen de la atracción gravitatoria Tierra – Luna, la fuerza centrifuga, la atracción gravitatoria Sol -Tierra- Luna, la profundidad de los océanos y las irregularidades de los fondos oceánicos. Centrales mareomotrices: La capacidad de producción real es muy limitada, pues para que sea rentable construir una central mareomotriz, es necesario que la diferencia de altura de las mareas sea significativamente grande (mínimo 5 m) y la fisonomía de la costa permita la construcción de diques. La construcción de una central mareomotriz requiere el cerramiento de un estuario o una bahía mediante un dique provisto de compuertas. En cada una de ellas se instala una turbina tipo bulbo de baja presión y de palas orientables, conectada a un alternador. Estos grupos son capaces de funcionar como generadores de electricidad y como bombas de impulsión del agua en ambos sentidos La secuencia de funcionamiento durante un ciclo pleamar – bajamar es la siguiente: al subir la marea, el agua penetra en el embalse y acciona los grupos turbina alternador, con los que se obtiene energía eléctrica Al final de la pleamar, las turbinas actúan como bombas y provocan el sobrellenado del embalse. Cuando baja la marea, el agua regresa de nuevo al mar, vuelve a accionar los grupos turbina alternador y de nuevo se obtiene energía eléctrica Al final de la bajamar, las turbinas actúan otra vez como bombas y provocan un sobrevaciado del embalse. La única central mareomotriz operativa en la actualidad es la del estuario de La Rance, en Francia, inaugurada en 1967 con una potencia generada de 240MW. Ventajas e inconvenientes: ventajas- fuente de energia renovable, disponibilidad todo el año, apto para zonas a las que no llega el suministro de manera convencional. inconvenientes- impacto visual, depende de la diferencia de amplitud de las mareas, impacto en los ecosistemas de la zona, alto coste de las instalaciones. Energia maremotermica: La absorción de energía solar por el mar, da lugar a que el agua de la superficie posea un nivel térmico superior al de las capas inferiores, pudiendo variar hasta 25ºC desde la superficie (25 – 30ºC) a 1000 m de profundidad (4ºC), siendo esta diferencia de temperatura constante a lo largo del año. Para aprovechar este gradiente térmico se emplean los motores térmicos, que funcionan entre dos focos de calor; el foco caliente a la temperatura del agua superficial (Tc) y el foco frio o punto a menos temperatura (Tf). La transformación de la energía térmica en eléctrica, se lleva a cabo por medio del ciclo de “Rankine” (ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo), en el que un líquido se evapora para pasar luego a una turbina. El ciclo puede ser: abierto- utilizan directamente el agua del mar, el agua de la superficie se evapora a baja presión y acciona las turbinas, posteriormente se devuelve al mar donde se licua de nuevo. cerrado- se utilizan fluidos de bajo punto de ebullición, como el amoniaco, el freón o el propano; el calor de las aguas superficiales es suficiente para evaporarlos; el vapor generado se utiliza para mover las turbinas, y posteriormente es enfriado utilizando agua de las capas profundas, con lo que el ciclo vuelve a comenzar. Los componentes principales de una planta maremotérmica, son: evaporador, turbina, condensador, tuberías y bombas, estructura fija o flotante, sistema de anclaje y cable submarino. Problemas principales: escasa diferencia de temperatura, necesaria energía para bombear el agua de las profundidades y problemas de corrosión. Usos de una planta maremotérmica: producción de energía eléctrica, producción de agua potable en los sistemas de ciclo abierto, generación de hidrogeno y acuicultura, utilizando el agua de las profundidades, más rica en nutrientes, para desarrollar diferentes especies marinas. Ventajas e inconvenientes: ventajas- fuente de energia renovable, disponibilidad todo el año. desventajas- impacto visual, depende de la diferencia de temperatura, impacto en los ecosistemas, alto coste de las instalaciones. Energia de las olas (undimotrices): Las olas que se producen en la superficie del mar son provocadas por los vientos, de los que recogen y almacenan energía. Al no ser estos constantes ni en velocidad ni en dirección, las olas producidas no son regulares, por lo que es bastante complicado determinar y aprovechar la energía que transportan. Como aproximación, una ola de 3 m de altura es capaz de suministrar entre 25 y 40 kW por metro de frente. El aprovechamiento es difícil y complicado, y el rendimiento obtenido es muy bajo, a lo que hay que añadir el impacto ambiental que sufriría la zona. Los captadores de olas pueden ser de dos tipos: activos- los elementos de la estructura se mueven como respuesta a la ola y se extrae la energía utilizando el movimiento relativo que se origina entre las partes fijas y móviles. Pasivos- la estructura se fija al fondo del mar o en la costa y se extrae la energía directamente del movimiento de las partículas de agua. Se pueden aprovechar tres fenómenos básicos que se producen en las olas: empuje de la ola, variación de la altura de la superficie de la ola y variación de la presión bajo la superficie de la ola. Los absorbedores más rentables se caracterizan en tres grupos: totalizadores- situados perpendicularmente a la dirección de la ola incidente, es decir, paralelo al frente de ola para captar la energía de una sola vez (Rectificador Russel, Pato Salter, Balsa Cockerell). Atenuadores- largas estructuras con su eje mayor colocado paralelo a la dirección de propagación de las olas, para absorber la energía de un modo progresivo (Buque Kaimei, Bolsa de Lancaster). Absorbedores puntuales- captan la energía de la porción de ola incidente y la de un entorno más o menos amplio, suelen ser cuerpos de revolución, por lo que no importa la dirección (Boya Masuda, Convertidor de Belfast). Boya masuda: el movimiento del cilindro se transmite a las bombas, situadas en la base de los tubos de anclaje. Estas succionan agua y la bombean a elevada presión a una turbina. La electricidad generada se transmite hasta la orilla por medio de cables submarinos. El cilindro de hormigón tiene una longitud de 45m y 11m de diámetro. Ventajas e inconvenientes: ventajas- fuente de enrgia renovable, disponible todo el año. inconvenientes- impacto visual, depende del oleaje, impacto en los ecosistemas, alto coste de las instalaciones, problemas en epocas de temporal.