Introducción
Desde sus orígenes, el ser humano ha intentado aprovechar los medios que la naturaleza pone al alcance de su ingenio y capacidad de transformación para satisfacer sus necesidades y mejorar sus condiciones de vida. Además de utilizar inteligentemente la energía procedente del sol para incrementar las cosechas y adaptar sus viviendas a las condiciones climáticas del entorno, el hombre se ha servido, durante milenios, de la fuerza del agua para moler grano, del empuje del viento para mover sus embarcaciones, y del calor del fuego para extraer metales de la tierra.
Aunque el crecimiento de la demanda de energía ha sido constante a lo largo de la historia, es a finales del siglo XVIII, con la revolución industrial, cuando la energía se convierte en uno de los factores más importantes, e incluso condicionantes, para el desarrollo de las actividades humanas.
La necesidad de fuentes energéticas flexibles, no condicionadas por una situación geográfica concreta (en las orillas de un rio o en zonas con vientos abundantes), ni limitadas por fenómenos de la naturaleza, muchas veces imprevisibles, condujo a la potenciación del uso de combustibles fósiles para la producción de energía, en detrimento de los molinos de agua y de viento, de utilidad limitada en un mundo en el que el transporte de energía era dificultoso y caro, cuando no desconocido.
La madera y posteriormente el carbón, constituyeron prácticamente la única fuente de abastecimiento energético hasta las postrimerías del siglo XIX. A partir de esta fecha comienza la explotación masiva de los recursos petrolíferos que, a principios de los años 70, llegarían a cubrir más del 40% de la demanda energética de los países industrializados. Finalmente, a mediados del siglo XX, se descubre y aprende a utilizar la energía nuclear, con unos resultados tan prometedores que hicieron prever un futuro basado en este tipo de energía.
Sin embargo, y a partir de los años 70, coincidiendo con la llamada <<crisis del petróleo>>, el panorama sufre un cambio radical: los combustibles fósiles dejan de ser baratos y se empieza a cuestionar, tanto económica como socialmente, la rentabilidad de las centrales nucleares. Estas circunstancias, unidas al progresivo rechazo social de las tecnologías agresivas con el medio ambiente y a la concienciación sobre las consecuencias futuras de una sobreexplotación de los limitados recursos fósiles, condujeron, no solo a la búsqueda de nuevas fuentes energéticas, sino también a la revisión de alternativas hasta entonces descalificadas o consideradas poco rentables.
En este contexto, resurge con fuerza la idea del aprovechamiento de los recursos renovables, como alternativa no despreciable ante una situación de aumento de la demanda de energía y progresivo agotamiento de las reservas de combustibles tradicionales, situación que, sin duda, tendera a agravarse en un futuro próximo, en tanto los avances de la ciencia no faciliten el acceso a nuevas y a generosas fuentes de energía.
Las energías renovables
Hace mas de 5000 millones de años que el sol, una gigantesca esfera incandescente, situada a 150 millones de kilómetros de la tierra, y con una masa 334000 veces mayor que nuestro planeta, emite energía que se manifiesta básicamente en forma de luz y calor.
A causa de las reacciones de fusión que ininterrumpidamente tienen lugar en su seno, el sol transforma, cada segundo, cuatro millones de toneladas de su masa en energía, lo que supone, de acuerdo con la ecuación de Einstein (E=mc cuadrado), una liberación de energía del orden de los 8600 billones de tep por segundo
A pesar de que solamente dos millonésimas partes de su radiación alcanzan la atmosfera terrestre, el sol, directa o indirectamente, es el origen de todas las formas conocidas de energía, a excepción, tal vez, de la energía nuclear
De todas estas formas de la energía, en particular, se denominan energías renovables o energías alternativas, a aquellas cuya utilización no altera de una manera significativa el medio ambiente, son recuperables cíclicamente de una forma natural, al menos en periodos de tiempo a escala humana, y que, a diferencia de las denominadas energías convencionales, no provienen de la explotación de yacimientos, de carácter finito y no renovable.
Tipos de energías renovables
· La energía solar directamente irradiada y que no es absorbida ni transformada de una manera significativa, se denomina energía solar directa, o simplemente, energía solar, y es la que proporciona a los habitantes de la tierra luz y calor
· La distribución no uniforme de la energía absorbida por la atmosfera, y la consiguiente formación de gradientes térmicos es al causa primaria del movimiento de las masas de aire, y por tanto, origen de la energía eólica, o energía del viento
· Parte de la energía solar que atraviesa la atmosfera es absorbida por las plantas verdes mediante el proceso de fotosíntesis, y es almacenada en ella en forma de energía química. Esta energía, trasmitida a través de la cadena alimentaria al resto de los seres vivos y presente también en los residuos que estos generan, es la denominada energía de la biomasa
· La energía geotérmica es la energía contenida en el interior de la tierra, también con origen remoto en el sol, y que se manifiesta en forma de calor. Si bien, en sentido estricto, no se trata de un recurso infinito, su carácter prácticamente inagotable hace que generalmente se la incluya dentro del grupo de las energías renovables
· Cuando las masas de agua presentes en la superficie terrestre absorben energía solar, elevan su temperatura, evaporándose en parte, pasan a la atmosfera y posteriormente vuelven a caer a la tierra en forma de lluvia o nieve, que se acumulan a diferentes niveles. La energía potencial de estas masas de agua, que de forma natural se transforma en energía cinética al desplazarse hacia zonas de menos altura, es la energía hidráulica, que, en particular, se denomina energía mini hidráulica, cuando su aprovechamiento se realiza por medio de pequeñas instalaciones, poco agresivas con el medio ambiente
· Por ultimo sobre los océanos de las fuerzas gravitatorias de la luna. El calor del sol y los vientos, es el origen de la energía del mar, en sus tres manifestaciones, energía de las mareas o mareomotriz, energía de las olas y energía de los dientes térmicos o maremotermica
Las energía renovables hoy
Pese a los importantes avances tecnológicos que han tenido lugar durante los últimos años en el campo de las energías renovables, su contribución al balance energético es todavía modesta. De los 8000 millones de toneladas equivalentes de petróleo (tep) en que se cifra la producción mundial de energía primaria en el año 1989, menos de un 1% se obtiene a partir de recursos renovables. En España, esta cantidad es el orden del 3% y en Galicia, con una producción total de energía primaria de más 9.5 millones de tep, alcanza apenas el 2% de esta cifra
En un próximo futuro, y en lo que a Europa se refiere, la comisión europea de la energías renovables considera que la contribución de estas energías al total, podría representar entre un 2 y un 8%. Por lo que respecta a Galicia, del estado actual de las tecnologías a aplicar, y partiendo de unas consideraciones razonables sobre su previsible desarrollo, implantación y aplicación, podría concluirse que la participación de las energías renovables en el conjunto del balance energético gallego podría alcanzar hasta un 5% del total
La energía solar
De toda la energía que procedente del sol incide sobre la atmosfera terrestres, solamente una parte (algo mas de la mitad), alcanza la superficie de nuestro planeta. En los niveles superiores de la atmosfera se elimina la mayor parte de la radiación ultravioleta; otra parte de la radiación es devuelta al espacio por reflexión, difusión y refracción, y por ultimo, una parte es absorbida por el vapor de agua y otros componentes de la atmosfera.
Aun así, la energía solar llega a la superficie de la tierra en grandes cantidades: cada diez días se reciben unos sesenta millones de billones de tep, cantidad equivalente a todas las reservas conocidas de carbón, petróleo y gas natural. No obstante, su aprovechamiento presenta ciertas dificultades, que la diferencian y distinguen de otras fuentes energéticas.
Dificultades
La primera de estas dificultades estriba en que se trata de una energía muy dispersa (a nivel del suelo se recibe una potencia máxima de 1kW/m cuadrado), lo que obliga a considerar un replanteamiento en el aprovechamiento y distribución de la energía totalmente distinto del que hoy se considera clásico
En segundo lugar, sus características de intermitencia y aleatoriedad, plantean serios problemas en la optimización de los sistemas basados en el aprovechamiento de la energía solar, especialmente por no encontrarse suficientemente desarrollado, hasta el momento, ningún sistema suficientemente eficaz para el almacenamiento de la energía producida
Por ultimo, la utilización a gran escala de la energía solar, obliga a sistemas de captación de gran superficie, con una importante ocupación de terrenos y una estética, cuando menos, discutible, en un momento en que la sociedad se muestra especialmente sensible frente a las alteraciones de su entorno natural
Sin embargo, y pese a los condicionantes reseñados, resulta evidente que, tanto por su cantidad como por su calidad, la energía solar es una de las fuentes de aprovisionamiento energético más importantes de que dispone la humanidad y por tanto, con todas las limitaciones que imponen unas tecnologías de muy reciente implantación, puede y deber ser aprovechada
Técnicas de aprovechamiento
Además de su aprovechamiento pasivo (soleamiento y sombreamiento), utilizado en numerosos elementos arquitectónicos desde épocas remotas, se dispone de dos vías para el aprovechamiento activo de la energía solar, su transformación en calor, o conversión térmica y su transformación directa en energía eléctrica, o conversión fotovoltaica.
La conversión térmica
La conversión térmica se basa en la utilización de un elemento (panel o colector) que, expuesto a la radiación solar, permite absorber su calor y transferirlo a un fluido para su posterior utilización, ya sea de manera directa (calefacción, agua caliente…), ya sea para su transformación en energía eléctrica mediante grupos turbina-generador
Los sistemas de conversión térmica se clasifican habitualmente en tres tipos, en fusión de la temperatura del fluido utilizado para la transferencia de calor. Así, se habla de sistemas de baja temperatura cuando el fluido trabaja por debajo de los 90ºC, de media temperatura cuando lo hace entre 90 y 300ºC, y de alta temperatura, para valores superiores a los 300ºC
- Sistemas de baja temperatura
Se caracterizan por la utilización de colectores planos y fijos para la captación de la energía, y su principal utilización es para usos domésticos (agua caliente sanitaria y calefacción). El colector, elemento fundamental del sistema, es una superficie que expuesta a la radiación solar, absorbe su calor y lo transmite a un fluido, en general agua o liquido anticongelante
Los colectores planos usualmente utilizados en sistemas de baja temperatura están compuestos por los siguientes elementos:
- Una placa captadora o receptora, fabricada con material (cobre, acero inoxidable e incluso plástico) capaz de absorber el calor de la radiación del sol. Para aumentar su eficacia, la placa suele pintarse, o recubrirse electrolíticamente, de negro
- Un circuito para la circulación del fluido, encargado de transportar el calor producido en la placa al resto de la instalación. La circulación puede ser natural o forzada, según se utilice el efecto torsión o una bomba impulsora para el movimiento del fluido
- Una cubierta transparente que, además de proteger la placa de los agentes externos, aprovecha el efecto invernadero para aumentar el rendimiento del colector
- Una carcasa convenientemente aislada, que contendrá los elementos anteriormente citados.
Además del colector, los sistemas solares de baja temperatura disponen de un dispositivo de acumulación de energía, formado por uno o varios depósitos para el almacenamiento del fluido caliente procedente de los paneles, al objeto de poder guardar el exceso de calor captado para aprovecharlo cuando la demanda lo requiera, y no solamente en los momentos en que esta captación se produce
- Sistemas de media temperatura
Para el aprovechamiento de la energía solar a media temperatura se emplean los colectores de concertación. Se trata de dispositivos que concentran la radiación del sol en una pequeña superficie, de manera que es posible alcanzar temperaturas del orden de los 300ºC, suficientes para la producción de vapor, que se puede aprovechar para la generación de electricidad mediante métodos convencionales, o incluso directamente en determinados procesos industriales
Para su correcto funcionamiento, los colectores de concentración necesitan estar permanentemente orientados hacia el sol, por lo que precisan de un dispositivo eficaz de seguimiento, que les permita recibir en todo momento la radiación solar en su posición óptima
Aunque existen diversos sistemas para concentrar la luz solar (combinaciones de espejos, lentes, espejos parabólicos, etc.), en la actualidad, la técnica mas utilizada es el colector cilindro-parabólico, que consiste en un espejo cilidrico-parabolico que refleja la radiación del sol sobre un tubo de vidrio dispuesto en la línea focal del sistema óptico, en cuyo interior se encuentra el absorbedor y el fluido portador de calor.
- Sistemas de alta temperatura
La producción de energía eléctrica a gran escala, a partir del aprovechamiento térmico de la energía solar, precisa la consecución de elevadas temperaturas, superiores a las que es posible obtener mediante colectores planos o cilindrico-parabolicos
El sistema de conversión térmica más utilizado es el denominado campo de helióstatos con receptor central, que consiste en un conjunto de superficies reflectoras (helióstatos), orientables individualmente, que concentran la radiación solar en un receptor situado en lo alto de una torre. La energía recogida en el receptor se utiliza para calentar un fluido hasta una temperatura que permita, bien directamente, bien empleando un intercambiador de calor, la generación de vapor, que alimentara un grupo turbina-generador convencional para la producción de energía eléctrica
La conversión fotovoltaica
La conversión directa de energía solar en energía eléctrica se realiza por medio de células solares, dispositivos que aprovechan el efecto fotovoltaico, es decir, la capacidad de algunos materiales semiconductores para generar electricidad al incidir sobre ellos una radiación luminosa
Una célula solar típica esta constituida por una lamina de silicio de gran pureza, tratada químicamente con boro y fosforo, y con unos electrodos metálicos en ambas caras. La energía solar que incide en la célula, con parte de los enlaces de los átomos de silicio, creando pares electrón-hueco (negativo-positivo) que dan lugar a un campo eléctrico , y por tanto a una fuerza electromotriz capaz de suministrar una corriente eléctrica
Puesto que los niveles de tensión y potencia suministrados por una célula solar son muy bajos, se suelen agrupar en paneles, de manera que, conectadas las células en serie o en paralelo, sea posible obtener la tensión e intensidad requerida por cada aplicación
En la mayoría de las aplicaciones de baja potencia, los paneles se conectan en paralelo con una batería y, a fin de evitar perdidas, el consumo se realiza directamente en corriente continua. Sin embargo, cuando los receptores a utilizar necesitan suministro de corriente alterna, o cuando la instalación se proyecta para su funcionamiento en conexión con la red general de distribución, es preciso instalar un inversor, dispositivo que convierte en corriente alterna la corriente continua procedente de los paneles o la batería
La energía eólica
La radiación solar, absorbida irregularmente por la atmosfera, da lugar a masas de aire con diferentes temperaturas y, por tanto, diferentes densidades y presiones. El aire, al desplazarse desde las altas hacia las bajas presiones, da lugar al fenómeno conocido como viento
Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la tierra, lo que supone casi dos billones de tep al año y, aunque en la práctica solamente podría ser utilizada una parte muy pequeña de esa cifra (del orden del 5%), la cantidad de energía que ello representa hace de la energía eólica una de las fuentes de energía renovables con mayor potencial
Al igual que sucede con la energía solar, la energía eólica se caracteriza por su aleatoriedad y dispersión, y por tanto, plantea el mismo problema de cara a su aprovechamiento en gran escala, la necesidad de costosos sistemas de almacenamiento para adecuar la producción de energía a las exigencias de las demanda
Aunque el aprovechamiento de la energía eólica data de las épocas más remotas de la humanidad (existen grabados egipcios sobre navegación a vela fechados 5000 años A.C), es a partir de los siglos XII-XIII cuando empieza a generalizarse el uso de los molinos de viento para la elevación de agua y la molienda de grano, basados en diseños rudimentarios, que, con diversas mejoras, especialmente en los sistemas de regulación y orientación, se mantendrán hasta bien entrado el siglo XIX
El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución industrial y la utilización masiva del vapor, la electricidad y los combustible fósiles como fuentes de energía motriz. Es sin embargo en la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los mas importantes avances de la tecnología del aprovechamiento del viento, con la aparición del luego popularísimo <<molino multípala americano>>, utilizado para bombeo de agua prácticamente en todo el mundo, y cuyas características habrían de sentar las bases para el diseño de los modernos generadores eólicos
En los años 70, coincidiendo con la primera crisis del petróleo, se inicia una nueva etapa en el aprovechamiento de la energía del viento. La aplicación de las modernas tecnologías, y en especial las desarrolladas para la aviación ha dado como resultado la aparición de una nueva generación de maquinas eólicas muy perfeccionadas, y con unos rendimientos que permiten su explotación bajo criterios de rentabilidad económica, en zonas de potencial eólico elevado
Técnicas de aprovechamiento
A diferencia de los antiguos molinos de viento, utilizados exclusivamente para el bombeo de agua y la molturación de grano, la práctica totalidad de las modernas instalaciones eólicas se orientan hacia la producción de energía eléctrica, por la facilidad para la manipulación y transporte de este tipo de energía, así como por la versatilidad en sus aplicaciones posteriores.
Maquinas eólicas
Reciben el nombre de maquinas eólicas aquellos dispositivos capaces de aprovechar la energía cinética del viento, transformándola en energía mecánica
Una maquina eólica consta de tres elementos básicos, un sistema de captación o rotor, cuya misión es recoger la energía del viento y transformarla en energía mecánica, un sistema de orientación, que permitirá detectar la dirección del viento y situar el rotor de la manera mas adecuada para un máximo aprovechamiento de la energía, y un sistema de regulación, para controlar la velocidad de rotación de la maquina y detenerla en caso necesario.
El sistema de captación
El sistema de captación o rotor es el elemento mas importante de una maquina eólica. Se compone de una serie de alabes o palas que giran sobre un eje por efecto del viento y transforman su energía cinética en energía mecánica
En función de la posición espacial de su eje, se establece la clasificación más usual de los rotores eólicos, rotores de eje vertical y rotores de eje horizontal.
Rotores de eje vertical
Aunque las maquinas eólicas más conocidas son las que utilizan rotores de eje horizontal, se han diseñado y construido maquinas de eje vertical desde que el hombre dio sus primeros pasos en el aprovechamiento de la energía del viento. Además de una mayor simplicidad estructural, este tipo de maquinas presenta una importante ventaja con respecto a los dispositivos de eje horizontal, el rotor funciona para cualquier dirección del viento y por tanto no precisa ningún sistema para su orientación
Entre los numerosos diseños de rotores de eje vertical que se conocen, son tres los que presentan unas perspectivas de desarrollo más favorables, el rotor Savonius, el Darrieus y el Giromill
El rotor Savonius consiste en dos semicilindros, desplazados horizontalmente una cierta distancia de manera que pueda circular el aire entre ellos, dispuesto en posición vertical. Se trata de un dispositivo muy sencillo, de fácil construcción y, en general, de pequeña potencia.
El rotor Darrieus consta de dos o tres palas, rectas o en forma de parábola, unidas a un eje vertical por sus extremos. Pese a su incapacidad para ponerse en marcha sin otros medios auxiliares, es hoy en día uno de los rotores de eje vertical mas avanzados
El rotor tipo Giromill es básicamente similar al Darrieus, con la particularidad de que, por medio de un mecanismo excéntrico, se modifica automáticamente la inclinación de las palas en función de su orientación con respecto al viento, lo que da lugar a un mejor rendimiento a bajas revoluciones y le proporciona la capacidad de poder arrancar por si mismo.
Rotores eje horizontal
De aparición posterior a los molinos de eje vertical, las maquinas eólicas con rotor de eje horizontal son actualmente las mas extendidas y perfeccionadas. Pese a la necesidad de un mecanismo de orientación elevado su rendimiento ha relegado la utilización de los rotores de eje vertical prácticamente a fines experimentales
En función de su número de alabes y, en consecuencia, de su velocidad de rotación, los rotores de eje horizontal se clasifican en lentos y rápidos
Los rotores lentos, con un numero de alabes comprendido entre 12 y 36, y un diámetro generalmente inferior a los 8m, se usan exclusivamente en aplicaciones de baja potencia. A causa de su reducida velocidad de giro y elevado par motor, encuentran su principal utilización en bombeo de agua
Los rotores rápidos se construyen habitualmente con dos o tres alabes. Presentan la ventaja de que, a igual potencia, son mucho más ligeros que los rotores lentos, y su rendimiento aerodinámico es mayor. Por el contrario, necesitan unas velocidades de viento relativamente elevadas (del orden de 5m/s) para que comiencen a funcionar. Su aplicación mas generalizada es la producción de energía eléctrica.
El sistema de orientación
A diferencia de los primitivos molinos de viento, en los que era preciso orientar manualmente el rotor de cara al viento, todas las maquinas eólicas modernas están provistos de dispositivos que realizan automáticamente esta función. Aunque existen diversos sistemas de orientación, en la actualidad se emplean solamente dos de ellos en la práctica totalidad de las instalaciones de eje horizontal, las aletas estabilizadoras y los servomecanismos
El primero de ellos, utilizado en maquinas de pequeña potencia, consiste en una simple aleta, fijada a modo de veleta detrás del rotor de manera que lo enfrenta constantemente al viento
En los grandes aerogeneradores, el sistema de orientación es un mecanismo automático, compuesto por una pequeña veleta que capta la dirección del viento y gobierna un servomecanismo que actúa girando el rotor hasta situarlo en la dirección adecuada.
El sistema de regulación
Muchas aplicaciones de las maquinas eólicas necesitan que su velocidad de rotación se mantenga constante, evitando las fluctuaciones producidas por las variaciones en la velocidad del viento y, en todos los casos, es preciso algún sistema que detenga el rotor cuando esta velocidad supere el limite de seguridad. Existen dos métodos básicos de regulación de la velocidad de rotación, la regulación por variación de incidencia del rotor y la regulación por variación de incidencia de los alabes
La regulación por variación de la incidencia del rotor es la mas primitiva, y actualmente solo se usa en maquinas sencillas y de pequeña potencia. Consiste en una veleta rígidamente unida a la carcasa del rotor, que provoca una inclinación del eje de la aeroturbina con respecto al viento cuando la velocidad de este aumenta. Como consecuencia de la reducción de la superficie expuesta, mayor a medida que la velocidad de rotación se mantiene constante, y la maquina llega a pararse cuando el eje de la turbina alcanza una posición perpendicular al viento
El sistema de regulación mas eficaz y de utilización mas extendida en maquinas de mediana y gran potencia es la regulación por variación de incidencias de los alabes, o variación de paso. Este sistema actúa variando el ángulo de ataque de las palas del rotor, con lo que se aumenta o disminuye su rendimiento, y en consecuencia, la potencia de la maquina. En maquinas de pequeña y mediana potencia, se utilizan dispositivos directos de acción centrifuga que, por medio de muelles y contrapesos, modifican el paso de las palas, o de parte de ellas cuando su velocidad de rotación aumenta, llegando a ponerlas en posición de bandera, es decir, paralelas al viento, cuando su velocidad alcanza el limite de seguridad. En las modernas maquinas de gran potencia, la variación del ángulo de incidencia de las palas se lleva a cabo a través de una serie de servomecanismos, gobernados por un microprocesador, que establece en todo momento la posición idónea de las palas para las condiciones de viento reinantes.
La energía mini hidráulica
En potencial bruto de la energía hidráulica en nuestro planeta se estima en unos mil millones de tep anuales. Pese a que condicionantes de tipo técnico, geográfico e incluso económico, hacen que solamente sea posible el aprovechamiento de algo mas de una tercera parte de este potencial, la cantidad de energía que aquello supone, alrededor de mil quinientos millones de tep al año, es lo suficientemente importante como para que este tipo de energía pueda ser considerada como una fuente de abastecimiento energético de primera magnitud
El aprovechamiento de la energía mini hidráulica tiene sus orígenes más remotos en las ruedas chinas de acción, construidas hace más de 4000 años. La primera referencia documentada de un molino de agua es la del molino romano, y data del año 85 a.C. se trataba de una rueda hidráulica de eje horizontal con alabes planos, y fue ampliamente utilizada durante la dominación romana para la molienda de grano. Aunque durante la edad media y el periodo renacentista la energía de origen hidráulico llevo la prosperidad económica a numerosas ciudades edificadas junto a los grandes ríos, la técnica constructiva de los molinos apenas sufrió modificaciones, y no es sino hasta mediados del siglo XIX cuando se inicia el desarrollo de las maquinas que darán lugar a las modernas turbinas hidráulicas
En esa época, coincidiendo con la revolución industrial, se construyen la primeras turbinas de reacción (fourneyron 1832, y Francis 1848), posteriormente, fue recuperado el aprovechamiento de la rueda hidráulica, considerablemente mejorado (turbina de impulsión pelton) y por ultimo, en 1906 aparece la turbina Kaplan. Estas maquinas, de gran rendimiento y con unas velocidades de giro elevadas, abrieron el camino para una nueva aplicación de la energía hidráulica, que contribuiría a satisfacer gran parte de las necesidades energéticas de los países industrializados durante la primera mitad del siglo XX, la producción de electricidad a través de las denominadas centrales hidroeléctricas
Si bien a partir de la década de los años 50, la participación de la energía hidroeléctrica en el mercado energético disminuye rápidamente, fundamentalmente a causa de la drástica reducción en el precio de los combustibles fósiles, que impulso la construcción de las grandes centrales térmicas, tras la crisis energética acaecida en los años 70, los aprovechamientos hidroeléctricos en pequeña escala vuelven a ser tenido en cuanta. La existencia constatada de un importante potencial hidráulico todavía no aprovechado, unida a los avances tecnológicos de los últimos años que posibilitan una explotación rentable, y al creciente interés social por la utilización de fuentes energéticas poco agresivas al entorno, han devuelto a las pequeñas centrales hidroeléctricas el protagonismo perdido en décadas pasadas.
Técnicas de aprovechamiento
En la actualidad, la práctica totalidad de la energía hidráulica en explotación se utiliza para la producción de energía eléctrica por medio de las centrales hidroeléctricas.
Centrales hidroeléctricas
Se llama central hidroeléctrica al conjunto de instalaciones necesarias para transformar en energía eléctrica en energía potencial y cinética de un curso de agua, y en concreto, se adopta la denominación de minicentral hidroeléctrica, cuando la potencia de la instalación no supera los 5000 kW
En función de su capacidad para almacenar el agua del rio, se diferencian dos tipos básicos de centrales hidroeléctricas, las centrales de agua fluyente y las centrales con regulación
Las centrales de agua fluyente aprovechan una parte del caudal del rio, que sin ningún tipo de regulación es desviado y conducido a la central para su conversión en energía eléctrica. Puesto que el caudal utilizado es variable en función de la aportación de agua en cada momento, la potencia disponible estará relacionada directamente con el caudal instantáneo del rio
En las centrales con regulación, existe la posibilidad de almacenar el agua por medio de una presa, lo que permite su aprovechamiento en el momento en que se precise, acomodando la producción a las necesidades de consumo, al margen de los caudales que en cada momento aporta el rio
En las centrales de agua fluyente, la obra de captación consiste en un muro de pequeña altura (llamado azoud o presa), transversal al curso del agua y construido generalmente en hormigón o mampostería, cuyo objeto es crear un pequeño remanso en el rio y encauzar parte de su caudal hacia el resto de las instalaciones de la central. En las centrales con regulación, la obra de captación sirve además para elevar el nivel del rio y almacenar el agua mediante la creación de un embalse
El agua recogida en la captación se conduce a nivel prácticamente constante hasta las proximidades de la turbina por medio de un canal, en general a cielo abierto, que sigue las líneas de nivel del terreno con una ligera pendiente y proporciona el desnivel de agua necesario para el aprovechamiento hidráulico
El canal de derivación desemboca en la cámara de carga, que no es más que un depósito regulador, cuya misión es absorber las puntas de consumo de la turbina en los arranques, evitando la entrada de aire a causa de un descenso brusco del nivel de agua
Por último, a través de la tubería de presión o tubería forzada, el agua es conducida a la turbina, donde su energía potencial y cinética se convierte en energía mecánica de rotación, para posteriormente, y por medio de un generador, transformarse en energía eléctrica.
Turbinas hidráulicas
Entre los numerosos tipos de turbinas desarrolladas a los largo de la historia, en la actualidad, son tres las de uso mas habitual, las turbinas Pelton, Francis y Hélice, con su variante la turbina Kaplan
La turbina Pelton pertenece al grupo de las denominadas turbinas de acción o turbinas de impulsión, esta compuesta por un disco circular, o rodete, con una serie de cucharas montadas perpendicularmente y de forma simétrica en su periferia, sobre las que incide el chorro de agua de uno o mas inyectores repartidos a su alrededor.
Los inyectores regulan el caudal de agua, y por tanto, la potencia de la maquina. Este tipo de turbina, cuyo eje puede disponerse tanto en posición horizontal como vertical, se utiliza en aprovechamientos hidroeléctricos de gran altura y pequeño caudal. Su rendimiento es superior al 90 %
La turbina Francis se compone de una cámara de entrada, de forma espiral, que encauza el agua hacia distribuidor, constituido por una serie de alabes móviles, cuya misión es regular el caudal y dirigirlo en forma radial hacia el rodete, formado por una corona de alabes que recibe la corriente de agua y transforma su energía en movimiento de rotación. Al igual que sucede con las turbinas pelton, el eje de las turbinas Francis puede ser horizontal o vertical es el tipo de turbina mas versátil para su adaptación a distintos caudales y saltos, y su rendimiento máximo es próximo al 90%
La turbina hélice es una turbina en la que el rodete se ha reducido a una simple hélice, de cuatro a cinco alabes, dispuesta en el interior de una cámara, generalmente cilíndrica. Cuando la inclinación de estos alabes es ajustable, la turbina recia el nombre de turbina Kaplan, y presenta sobre la turbina hélice la ventaja de una mayor adaptabilidad a regimenes de caudales variables. Estas turbinas son las más adecuadas para aprovechamientos de poca altura y elevado caudal, y su rendimiento máximo es del orden del 95%.
La energía del mar
Los océanos, que cubren algo más de la tercera parte de la superficie el planeta, constituyen una fuente de energía prácticamente inagotable, y sin embargo muy poco aprovechada. Se estima que el potencial energético de los mares es del orden de los 50000 millos de tep/año, es decir, más de cinco veces el consumo total de energía en el momento actual
Son tres las manifestaciones más importantes de la energía de los océanos, la energía de las mareas, la energía de las olas y la energía maremotermica.
La energía de las mareas
Los ascensos y descensos del nivel del mar, provocados por la acción de las fuerzas gravitatorias del sol y de la luna han sido aprovechados por el hombre para la producción de energía desde hace muchísimos años. Ya en el antiguo Egipto eran utilizados primitivos molinos de marea para la molturación del grano, y aunque han existido molinos de este tipo a lo largo de toda la historia, es en el año 1996 cuando, con la puesta en marcha de la central mareomotriz del estuario del rio rance, en Francia, se lleva a cabo el primer proyecto importante para el aprovechamiento de la energía de las mareas. Esta central, junto con la de la bahía de kislaya, en la unión soviética, puesta en funcionamiento en 1968, son las únicas centrales mareomotrices en servicio en la actualidad.
Técnicas de aprovechamiento
Las centrales mareomotrices, al igual que las centrales hidroeléctricas, aprovechan la energía de una masa de agua que se desplaza desde un nivel superior hasta otro inferior. En su forma más elemental, una central de este tipo consta de un embalse, formado por un estuario o bahía natural, y un dique, que lo separa del mar y en el que se sitúan una compuerta y una turbina hidráulica, similar a las turbinas tipo Kaplan utilizadas en las centrales hidroeléctricas
Básicamente, el funcionamiento de una central mareomotriz es el siguiente, mientas sube la marea, la compuerta del dique permanece abierta, y el estuario recibe el agua procedente del mar. En el momento de la pleamar, la compuerta se cierra, evitando el retorno del agua al mar mientras baja la marea. Por último, antes de la bajamar, el agua contenida en el estuario se vacía nuevamente en el mar a través de la turbina, con la consiguiente producción de energía
Mediante este sistema, llamado ciclo de efecto simple, solamente es posible obtener energía durante unas seis horas al día, en dos periodos de tres horas, y coincidiendo con las bajamares. Se puede mejorar el rendimiento de la central mediante la utilización de turbinas reversibles, es decir, capaz de funcionar en los dos sentidos. Este sistema, denominado ciclo de efecto doble, permite turbinar durante el llenado y el vaciado del estuario, lo que da lugar a una mayor y más regular producción de energía.
La energía de las olas
Aunque el primer dispositivo diseñado para extraer la energía de las olas data de finales del siglo XVI, hasta el momento presente no se ha construido ninguna instalación de carácter industrial que permita el aprovechamiento de este tipo de energía
Mientas que las variaciones de las mareas son perfectamente conocidas, tanto la distribución como la magnitud de las olas en un punto concreto son imposibles de prever. Esto supone una enorme dificultad para el diseño de dispositivos captadores de su energía, que deberán ser capaces de responder de una manera eficaz ante olas con formas, tamaños y frecuencias muy dispares.
Técnicas de aprovechamiento
En la actualidad se encuentran en fase de experimentación varios sistemas para el aprovechamiento de la energía de las olas, todos ellos basados en un mismo esquema de funcionamiento, las olas presionan un cuerpo, provocando la compresión de un fluido que posteriormente se utilizara para mover una turbina y producir energía eléctrica. Entre los sistemas mas desarrollados hoy en día, se encuentran el <<pato>> de Salter, la balsa cockerell, el convertidor de columna oscilante, el rectificador Russell y la boya nasuda
El <<pato>> de Salter esta compuesto por una serie de flotadores alargados, unidos por un eje longitudinal y con una sección que recuerda la forma de los patos. La acción de las olas provoca la oscilación de los flotadores alrededor del eje, oscilación que es aprovechada para accionar una bomba de aceite, que a su vez se encarga de mover un grupo turbina-generador, para la producción de energía eléctrica.
La balsa cockerell consta de un grupo de flotadores, usualmente tres, con forma de balsa y articulados entre si. El movimiento relativo entre los flotadores producido por las olas es aprovechado para mover un generador, por medio de un sistema hidráulico instalado en cada articulación
El convertidor de columna oscilante utiliza la presión de las olas como pistón para producir trabajo. Una variante de este sistema, desarrollada en noruega, aprovecha la fuerza de las olas que penetran por la parte inferior de un cilindro semisumergido fijado a la costa, para comprimir una columna de aire, que a su vez acciona una turbina situada en su parte superior
El rectificador Russell esta formado por dos cámaras, fijadas en el fondo del mar y dispuestas una encima de la otra, paralelamente a la dirección de las olas, penetra en la cámara superior y, por gravedad, fluye hacia la inferior, haciendo girar una turbina
La boya nasuda, desarrollada en Japón, es una cámara flotante y semisumegida, en la que el movimiento de las olas se aprovecha para aspirar e impulsar el aire a través de una turbina unidireccional de baja presión, cuya rotación se utiliza posteriormente para la producción de energía eléctrica por medio de un generador
La energía maremotermica
Una parte de la energía solar que incide sobre la tierra es almacenada por los océanos en forma de calor. Esta energía, también llamada energía maremotermica, puede ser transformada en energía eléctrica aprovechando el gradiente térmico de las aguas del mar, es decir, la diferencia de temperaturas entre sus capas superficiales, más calientes, y sus capas profundas, mas frías
Desde 1930, año en que se llevo a la práctica el primer ingenio capaz de aprovechar la energía térmica del mar, las investigaciones en este campo han sido constantes. Aunque todavía quedan por resolver numerosos problemas técnicos, especialmente los relacionados con la resistencia de los materiales a los ambientes marinos, los resultados obtenidos hasta el momento, aunque son modestos, permiten que pueda considerarse esta manifestación de la energía como una importante fuente de abastecimiento energético en un futuro no demasiado lejano.
Técnicas de aprovechamiento
Existen dos técnicas fundamentales para el aprovechamiento de la energía térmica del mar, los sistemas de ciclo abiertos y los sistemas de ciclo cerrado
En un sistema de ciclo abierto, el agua caliente procedente de la superficie del mar penetra en una cámara de vacío, donde se convierte en vapor a baja presión. Este vapor, tras accionar una turbina, donde genera energía, se condensa de nuevo gracias al agua fría de las profundidades del mar, que actúa como refrigerante
En un sistema de ciclo cerrado, se utiliza un fluido de baja temperatura de ebullición, como el amoniaco o el freón, en el ciclo de trabajo. El fluido, en contacto con el agua caliente de las capas altas del mar, se evapora, mueve la turbina y por ultimo, tras condensarse con el agua fría del fondo marino, inicia de nuevo el ciclo
Es importante señalar el bajo rendimiento de esto sistemas (alrededor del 7%), debido fundamentalmente a la baja temperatura del foco caliente y a la pequeña diferencia de temperaturas entre el foco frio y el foco caliente.
La energía geotérmica
Se llama energía geotérmica a la energía derivada del calor almacenado en el interior de la tierra. Aunque todavía no se conocen exactamente las causas que han originado este calor, son varias las teorías que tratan de explicar este fenómeno. Unas sostienen que es debido a las elevadísimas presiones que existen bajo la corteza terrestre, otras suponen que su causa es la desintegración natural de los isotopos radiactivos presentes en todas las rocas y por ultimo hay una teoría que lo atribuye a la materia incandescente que en sus orígenes formo el planeta
Esta energía, que surge de forma natural o puede extraerse de las entrañas de la tierra, es bien conocida desde la más remota antigüedad. Ya en los relatos de Plinio el joven se describe la utilización de las aguas termales, no solo en piscinas, sino como fuente de calor para el acondicionamiento de viviendas y locales de recreo. Sin embargo, es a partir de los comienzos del siglo XX cuando este recurso comienzo a utilizarse a gran escala. Actualmente existen numerosos aprovechamientos geotérmicos en todo el mundo, tanto para usos domésticos como agrícolas e industriales. Sirva de ejemplo un país como Islandia, en el que una tercera parte de sus necesidades energéticas se satisface a través de fuentes geotérmicas
De todos los recursos geotérmicos mundiales, estimados en unos 20000 billones de tep, solamente una pequeñísima parte puede ser aprovechada por el hombre con las técnicas actualmente disponibles. Para ello es preciso que se cumplan al menos dos condiciones fundamentales, la primera es que la zona de elevada temperatura que se pretende explotar se encuentre situada a una profundidad asequible, a la que se pueda llegar con los medios tecnológicos disponibles. La segunda condición se deriva de la imposibilidad de extraer el calor directamente de las rocas. Es por tanto también necesaria la existencia en la zona de formaciones geológicas porosas, capaces de retener agua, de la que si es posible extraer el calor y transportarlo a la superficie
En función de la temperatura que puede alcanzar el agua en contacto con las rocas calientes, los yacimientos geotérmicos se dividen en dos tipos: de baja temperatura (baja entalpia), cuando su temperatura es inferior a los 150 ºC y de alta temperatura (alta entalpia), cuando su temperatura es superior
Los yacimientos geotérmicos de baja temperatura son los más abundantes y mejor distribuidos en el planeta, y en particular, los únicos existentes en Galicia. Con una temperatura casi siempre inferior a los 100 ºC, encuentran su principal aplicación como fuente de calor para instalaciones de calefacción, ya sea domestica, industrial o agrícola
Los yacimientos de alta temperatura se encuentran localizados exclusivamente en zonas de actividad volcánica reciente. La elevada temperatura del fluido, generalmente vapor, permite su utilización para la producción de energía eléctrica, por medio de un grupo turbina-generador.
Técnicas de aprovechamiento
El esquema basado de funcionamiento de una explotación geotérmica es muy sencillo, basta con realizar una perforación hasta la zona donde se encuentra el agua caliente, extráela y utilizar el calor para la aplicación de que se trate. Este sistema, sin embargo, tiene una serie de inconvenientes que hacen que en la practica, no sea utilizado por una parte, la extracción a gran escala de los fluidos geotérmicos puede alterar de una forma significativa la hidrología de la zona, tanto a nivel de la capa freática como a nivel superficial. Por otra parte, el agua procedente del interior de la tierra presenta, en la mayoría de los casos, un alto contenido de sustancias, muchas veces nocivas, que impiden su utilización directa, por los problemas de contaminación y corrosión que daría lugar
Estos inconvenientes pueden evitarse reinyectando el fluido por vaciamiento geotérmico, una vez utilizada su energía. Así, una explotación geotérmica clásica está compuesta por dos perforaciones, con sus correspondientes bombas, y de un intercambiador de calor. El fluido extraído a través de una de las perforaciones (pozo de producción), pasa por el intercambiador, donde cede parte de su calor a un segundo fluido para su uso en los centros de consumo, y por ultimo, es inyectado de nuevo a la tierra a través de la segunda perforación (pozo de inyección)
Como ya se ha indicado anteriormente con los medios técnicos disponibles hoy en día, solo es posible extraer el calor de las rocas, cuando, a causa de su porosidad permiten la circulación de un fluido a través de ellas. Para poder aprovechar los grandes yacimientos geotérmicos impermeables que existen en el subsuelo, se esta investigando un sistema, llamado de roca seca caliente, que en esencia, consiste en producir fracturas en la roca, a fin de proporcionarle una porosidad artificial que permita la extracción del calor inyectado un fluido, de acuerdo con las técnicas convencionales.
La energía de la biomasa
La biomasa, primera fuente de energía utilizada por el hombre, es toda aquella materia orgánica originada como consecuencia de procesos biológicos. Son biomasa, por tanto, las plantas terrestres y acuáticas y sus productos derivados, los animales que se alimentan de ellas, y todos los residuos producto de la actividad de los seres vivos
El componente energético de la biomasa procede de la energía solar, que las plantas verdes son capaces de captar y transformar en energía química, mediante el proceso de fotosíntesis. Esta energía, almacenada en forma de hidratos de carbono, se transmite al resto de seres vivos a través de la cadena alimentaria y, como consecuencia, se encuentra también presente en los residuos que estos generan
La biomasa es un recurso renovable cuya utilización presenta características singulares y notables beneficios indirectos. Además de tratarse de una fuente prácticamente inagotable, producida cíclica y continuamente por el reino vegetal, el reino animal, el sistema urbano y el sistema industrial, existe, al menos en alguna de sus formas, en casi todos los espacios geográficos
Cuenta con múltiples aplicaciones, y no solo energéticas, puesto que las pertinentes operaciones, su transformación es beneficiosa, y aun necesaria, para el entorno, así, la recuperación de la biomasa de los bosques supone un notable incremento de los rendimientos forestales, y una considerable reducción del riesgo de incendio. De manera general, y para todos los medios, es el sistema idóneo de eliminación de residuos, con la subsiguiente mejora del medio ambiente natural, urbano e industrial. Incluso, y en ciertos casos, puede ser un modo de equilibrar determinados excedentes agrícolas
En función de su grado de transformación, se suelen considerar tres tipos de biomasa: la primaria o biomasa vegetal, la secundaria o biomasa animal y, finalmente la biomasa residual
La biomasa vegetal es la que se produce directamente a partir de la actividad fotosintética de los vegetales, es decir, esta formada por las propias plantas. Pese a que el rendimiento máximo de la transformación de la energía solar en biomasa no llega al 5%, y solamente una pequeña parte de esta es aprovechable (el 40% esta en el océano y la biomasa vegetal terrestre se encuentra muy dispersa), su potencial como fuente de abastecimiento energético es muy importante. Así, se estima en 70000 millones de tep la energía solar fijada en las plantas cada año, lo que equivale a unas diez veces la energía del carbón y petróleo que se consume anualmente en el mundo
Dentro de la biomasa vegetal, merecen especial atención los denominados cultivos energéticos, cuya finalidad es la producción de biomasa para su transformación en combustibles, y no para la obtención de productos alimentarios o de uso industrial, como sucede en la agricultura tradicional
La biomasa animal es la constituida por los seres vivos que se alimentan, directa o indirectamente, de las plantas. Debido a la baja eficacia de la transformación de la biomasa vegetal en animal (alrededor del 15%), no resulta interesante su uso con fines exclusivamente energéticos
La biomasa residual esta formada por los desechos de carácter orgánico, producto de la actividad de los seres vivos que pueblan el planeta, es decir, comprende la parte no aprovechable en los procesos que se realizan sobre la biomasa vegetal y la animal. Atendiendo a su origen, la biomasa residual puede clasificarse en tres tipos: agraria (residuos agrícolas, forestales y ganaderos), industrial y urbana
La importancia del aprovechamiento de la biomasa residual como fuente de aprovisionamiento de energía resulta evidente si se tiene en cuenta que, en la actualidad, se genera un promedio de dos toneladas de residuos de todo tipo por habitante y año, cuyo valor energético supone del orden de 2400 millones de tep/año. Un aspecto favorable para la recuperación energética de estos residuos es el hecho de que, a diferencia de otros tipos de biomasa, suelen encontrarse concentrados, lo que facilita y abarata su recogida y tratamiento.
Técnicas de aprovechamiento
En el estado en que se recupera de los residuos, o se recoge directamente del terreno, la biomasa presenta generalmente una baja densidad física y energética, así como un contenido de humedad relativamente alto, circunstancias que impiden su uso directo como combustible. Dependiendo del tipo de biomasa, y del estado en que se encuentra, se utilizan una serie de procesos para su transformación en otros productos más útiles desde el punto de vista energético. Estos procesos pueden ser de dos tipos: termoquímicos y bioquímicos.
Procesos termoquímicos
Los procesos termoquímicos se basan en la acción del calor sobre la biomasa. Sometida a altas temperaturas, la biomasa sufre una serie de reacciones químicas irreversibles que, dependiendo de la cantidad de oxigeno implicada en el proceso, se clasifican entres tipos: combustión, cuando el calentamiento tiene lugar con exceso de oxigeno, gasificación, cuando la cantidad de oxigeno es limitada y pirolisis, cuando el calentamiento se realiza en ausencia de oxigeno
- La combustión
La combustión es le proceso mas simple y mas antiguo utilizado por el hombre para el aprovechamiento energético de la biomasa, y consiste en la oxidación completa de la materia, con producción de vapor de agua, dióxido de carbono, cenizas y calor. Prácticamente cualquier tipo de biomasa puede ser utilizada mediante este proceso, siempre y cuando su contenido de humedad sea bajo y no presente cantidades apreciables de azufre, cloro o flúor, que pueden provocar problemas con corrosión en las instalaciones y la emisión a la atmosfera de gases contaminantes
La combustión de la biomasa, cuya energía puede destinarse a la producción de agua o aire caliente para usos domésticos e industriales y a la producción de electricidad, tiene una especial aplicación en las industrias que generan sus propios residuos quemables, como las industrias papeleras, azucareras y de derivados de la madera, ya que, al producirse la biomasa en el mismo lugar en que se consume, se simplifica enormemente su manejo y se evitan los costes asociados al transporte. Un caso similar es el de las plantas de tratamiento de residuos sólidos urbanos, donde cada día es más habitual el uso de esta técnica para la recuperación de energía a partir de las basuras.
- La gasificación
La gasificación es el proceso mediante el cual la biomasa, calentada a temperaturas superiores a los 700 ºC en presencia de poco oxigeno, produce un gas combustible, compuesto básicamente por un monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogeno y metano, en proporciones variables según la composición de la biomasa utilizada y las condiciones en que se realiza la gasificación. En particular, la utilización como comburente de aire u oxigeno, da lugar a dos tipos de gas diferente, no solo en su composición y poder calorífico, sino también en sus posibles aplicaciones
Cuando la gasificación tiene lugar en presencia de oxigeno puro, se obtiene el llamado gas de síntesis. Este gas, cuyo poder calorífico oscila entre los 5000 y los 10000 kJ/m cubico, puede ser utilizado directamente, y tiene las mismas aplicaciones que los combustibles gaseosos tradicionales (butano, propano, gas natural, etc.). Sin embargo, el interés del gas de síntesis radica en la posibilidad de transformarlo, por medio de procesos catalíticos, en combustibles líquidos (metanol, gasolina sintética, etc.), con mayor demanda en la actualidad y mucho más interesantes, desde el punto de vista económico, que los combustibles gaseosos
Si la gasificación de la biomasa se realiza en presencia de aire, el producto obtenido se denomina gas de gasógeno o gas probé. Con un poder calorífico reducido (entre 3500 y 5500 kJ/m cubico), solamente puede ser utilizado como combustible, ya que, la presencia de nitrógeno en su composición, impide la transformación de este gas en otros productos mas elaborados.
- La pirolisis
La pirolisis, procedimiento usado tradicionalmente para la obtención de carbón vegetal, es la descomposición de la biomasa seca por la acción del calor en ausencia de oxigeno. En función de la temperatura a que tiene lugar el proceso (entre 275 y 500ºC), y de las características de la biomasa utilizada, se obtienen como resultado productos sólidos (carbones, alquitranes y cenizas) líquidos (compuestos hidrocarbonatazos) y gaseosos (gas pobre), en diferentes proporciones
Puesto que las fracciones solida y liquida resultantes de la operación, son mas interesantes, desde el punto de vista energético, que la fracción gaseosa, es habitual utilizar esta ultima como combustible para le secado previo de la biomasa, lo que da lugar a un notable incremento en el rendimiento del proceso. En este caso, y por termino medio, a partir de una tonelada de biomasa seca, se obtienen alrededor de 2250 kg de líquidos, con un poder calorífico de 25000 kJ/kg, y unos 75 kg de productos sólidos (coque), con un poder calorífico medio de 20000 kJ/kg
Los procesos de pirolisis se utilizan para el tratamiento de residuos forestales, desechos agrícolas y, especialmente, residuos sólidos urbanos, campo en que se centra actualmente la investigación y donde se prevé un mayor desarrollo de esta técnica.
Procesos bioquímicos
Los procesos bioquímicos son aquellos que aprovechan la acción de una serie de microorganismos, contenidos en la materia prima o añadidos durante el proceso, para descomponer la biomasa en otros productos más simples, pero con mayor valor energético. De estos procesos, especialmente indicados para el tratamiento de biomasa con un elevado grado de humedad, los más utilizados son dos: la fermentación alcohólica y la digestión anaeróbica
- La fermentación alcohólica
La fermentación alcohólica consiste en la transformación biológica de los compuestos azucarados en etanol, combustible con alto poder energético, y anhídrido carbónico
Puesto que la biomasa vegetal contiene un elevado porcentaje de glucosa y otros compuestos convertibles en azucares sencillos, resulta una excelente materia prima para este tipo de proceso
La transformación de la biomasa en etanol tiene lugar en tres fases: el pretratamiento, cuyo objetivo es preparar la biomasa para la fermentación, convirtiendo los almidones y celulosas presentes, en azucares fermentables, la fermentación, o conversión de estos azucares en etanol por medio de la acción de microorganismos, y por ultimo, la destilación, operación destinada a purificar y concentrar el etanol obtenido
El etanol, también llamado tioalcohol, producto final de la fermentación alcohólica, se emplea industrialmente en la producción de bebidas alcohólicas, como disolvente, como materia prima para la fabricación de productos químicos, y especialmente, como sustituto total o parcial de la gasolina en prácticamente todas sus aplicaciones.
- La digestión anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso de descomposición de la materia orgánica, realizado en ausencia de aire por ciertos microorganismos ( bacterias anaerobias) , y que da lugar a una mezcla de gases, llamada genéricamente biogas, armas de un residuo de productos sólidos y líquidos
El proceso, bastante complejo, se lleva a cabo en unos recipientes impermeables al aire llamados digestores. Consta fundamentalmente de dos etapas, en una primera, los compuestos orgánicos complejos presentes en la biomasa, son convertidos por bacterias acidificantes en otros de masa molecular mas baja, como el acido acético, el gas carbónico y el hidrogeno. En una segunda etapa, y por medio de bacterias metanogénicas, los ácidos son transformados en metano y más gas carbónico, mezcla de gases que constituyen el biogas. Como residuo, se obtiene una suspensión acuosa de materias solidas, compuesta por los productos no digeridos y las bacterias responsables del proceso
La digestión anaerobia, utilizada desde hace cientos de años para la obtención de gas combustible, encuentra su principal aplicación en el tratamiento de residuos ganaderos, efluentes de industrias agroalimentarias y lodos de depuradoras, cuyo alto contenido de nutrientes favorece el desarrollo de las bacterias necesarias para la digestión
El biogas es una mezcla de metano (50-70 %), dióxido de carbono (30-50%) y otros productos, como nitrógeno, oxigeno, hidrogeno y acido sulfhídrico, en pequeñas proporciones. Su bajo poder calorífico (del orden de los 25000 kJ/m cubico), en comparación con otros combustibles gaseosos, no justifica su transporte fuera de la zona donde se produce, por lo que se suele utilizar en las propias instalaciones, bien quemándolo directamente para aplicaciones de tipo domestico ( calefacción, cocina, agua caliente), o bien usándolo como combustible de motores de combustión interna, para elevación de agua por medio de bombas o producción de electricidad, a través de generadores eléctricos
El residuo resultante del proceso de fermentación anaerobia, formado por los productos no digeridos, fundamentalmente proteínas, grasas, celulosa y sales, es también un producto aprovechable. Las transformaciones bioquímicas que tienen lugar durante la digestión, convierten los nutrientes vegetales contenidos en la biomasa, como el nitrógeno, el fosforo y el potasio, en formas químicas mas fácilmente asimilables por las plantas, por lo que estos residuos constituyen un excelente abono orgánico, de calidad muy superior a la biomasa sin tratar.
