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Energías Renovables



    Abstract—In this paper is presented a
    recompilation about the current state of Renewable Energies,
    their uses, applications and ways to transform some physical
    phenomena in Electric Energy from Solar, Geothermal or Wind
    Energy or Biomass. Also this document will present a brief
    definition and state of Smart Cities.

    A continuación se presenta el estado actual de las
    energías renovables, como un mecanismo de ayuda al medio
    ambiente y generación de energía eléctrica limpia,
    completamente alejada de los medios convencionales de
    obtención de la misma

    INTRODUCCION

    Desde hace muchos años se han
    propuesto varias soluciones

     

    I-A. Energía

    Energías
    renovables

    al problema del cambio climático, pero sin duda la
    que más logró recopilar apoyo para su desarrollo fue la
    idea de sustituir las formas comunes de obtención de
    energías por elementos más amigables al ambiente. El
    primer paso agigantado a favor de estas energías se dio en
    el año 2008 con la reforma de energías renovables en
    Taiwan, la mismas que establecía valores techo para los
    años 2020 y 2025 para regular las emisiones de carbón y
    aumentar la eficiencia de dichos sistemas [1].

    Los métodos actuales de obtención de
    energía en su mayoría provienen de fuentes que generan
    emisiones de gases o sustan- cias altamente nocivas para la salud
    de los seres que habitan en una determinada región
    geográfica; pero sin duda, la mayor parte del daño se
    ve reflejada en el medio ambiente; dismi- nución del grosor
    de la capa de ozono, cambios climáticos como aumento de la
    temperatura, desorden en la temporada de huracanes en los
    países del norte de América, inundaciones y
    sequías por todo el globo terráqueo, son evidencias
    claras de que los métodos actuales no contribuyen de forma
    positiva al desarrollo de la sociedad, más se han convertido
    en una forma fácil de explotar recursos sin conciencia
    ambiental [2].

    Como una solución emergente a estos daños, en
    el año 2002 fue suscrito en la ciudad de Kioto, Japón
    un convenio que establecía techos de tiempo para regular las
    emisiones de seis gases de invernadero por parte de los
    países industrializados que contribuían con las
    contaminación. Entre los gases de invernadero considerados
    se encuentran el dióxido de carbono (C O2 ), metano (C H4 ),
    óxidos de nitrógeno (N Ox ), Cloro- fluorocarbonos
    (CFC), etc. Los países implicados son 37 más la
    unión europea, los mismo que fueron regulados para reducir
    los niveles de emisión al menos en un 5 % desde el año
    2008 hasta el año 2012 que concluye el primer período
    [3].

    Un segundo período de ocho años fue
    establecido desde el año 2012 hasta año 2020,
    lastimosamente el compromiso por parte de los países
    más grandes del mundo, como Estados Unidos, Rusia, China y
    la Unión Europea, no fue el esperado. Estas son evidencias
    claras de la intromisión de ciertos intere- ses
    económicos y políticos en la que es una tarea mundial,
    con el fin de salvar el medio que entrega una forma de
    subsistencia para los seres que lo habitan [4].

    La energía está definida como la
    capacidad para producir un trabajo, mientras que la
    electricidad es una propiedad de la materia expuesta por el
    efecto de atracción y repulsión de cargas, debido a su
    polaridad, estas cargas pueden ser electrones (carga negativa) y
    protones, cargas positiva [5]. Por lo tanto la energía
    eléctrica es aquella que puede generar un trabajo y que
    resulta del movimiento de electrones debido a una diferencia de
    potencial entre dos puntos [6].

    I-B. Energías no Renovables

    En la actualidad hay muchas métodos de
    obtención de energía, entre las formas más
    convencionales están aquellas que provienen de recursos no
    renovables como la energía termoeléctrica por
    combustión, la misma que procede de ele- mentos
    anteriormente procesados del petroleo. Cuando estos compuestos
    con altos contenidos de metano son combustiona- dos para obtener
    movimiento en los generadores de energía eléctrica, se
    expulsan una variedad de gases de invernadero, que no
    únicamente afectan al medio ambiente, por las razones antes
    expuestas, sino que los compuestos viajan por medio del aire
    hasta afectar a los seres inmersos en dicho espacio
    [7].

    Una forma de eficiente de mejorar el uso de este tipo de
    métodos de obtención de energía, es el
    aprovechamiento del calor generado por lo gases y vapor de
    combustión, para calentar reservas de agua contenidas en
    depósitos colocados de forma que este incremento de
    temperatura, genere vapor de agua conducido por medio de
    tuberías hasta una turbina de vapor, que se conecta con un
    generador y de esta forma mejorando el rendimiento de la
    máquinas hasta en un 50 % [7].

    Existe una infinidad de técnicas que a través
    del tiempo han evolucionando en métodos que permiten obtener
    una mayor cantidad de energía, desde el invento de la
    máquina de vapor de James Watt en 1776, como el primer motor
    de combustión interna patentado por Nikolaus Otto. El
    desarrollo de estos dos importantes elementos han permitido en la
    actualidad el diseño de centrales de combustión
    avanzadas con un alto nivel de eficiencia y potencia, pero todas
    estas con un grave problema, el costo de la energía no
    justifica el daño ambiental [8].

    I-C. Energías Renovables

    Las energías renovables también conocidas como
    energías blandas o alternativas son un grupo de fuentes
    energéticas cuyo función principal es generar potencia
    eléctrica sin provocar los mismos efectos dañinos
    contra el medio ambiente. El término renovable también
    se refiere a la re-utilización de ciertos elementos como
    sustancias, gases, luz, calor o vapor para la generación de
    energía a partir de otra fuente no renovable. En la
    actualidad se han desarrollado muchos formas de estas
    energías pero sin duda, la procedencia de las mismas se
    remonta a los primeros intentos por aprovechar luz y el calor
    radiado por el Sol para convertirlos en electricidad.
    [9].

    I-C1. Energía Solar: La energía
    solar puede ser usada de dos distintas formas para
    obtener electricidad; la energía solar fotovoltaica y la
    energía termosolar de concentración .

    Le energía solar fotovoltaica
    conocida como (SFV) permite convertir la luz radiada
    en electricidad por medio de una celda fotovoltaica, cuando la
    luz incide sobre esta placa de material semiconductor, por lo
    general de silicio mono cristalino, se da el fenómeno foto
    voltaico, es decir que los fotones de luz inyectan energía
    sobre los electrones presentes en el material semiconductor, esta
    energía positiva permite que dichas partí- culas puedan
    dejar los niveles de energía internos, y de esta forma
    ionizar los átomos. El movimiento de electrones genera una
    corriente eléctrica debido a una diferencia de potencial
    creada por dicho fenómeno. En la figura 1 se puede observar
    dicho proceso [10].

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    Figura 1. Efecto
    Fotovoltaico.

    La energía solar fotovoltaica generada, es guardada
    en baterías para su posterior uso, el nivel de carga de la
    misma es controlada por un dispositivo conocido como controlador
    de carga, cuya función es sondear el nivel de carga de la
    batería, si esta se encuentra cargada, el dispositivo
    desconecta el flujo de corriente proveniente de las celdas
    fotovoltaica [11]. Otra función importante es limitar la
    corriente y proteger de sobrecargas. Este proceso se completa con
    la conversión de corriente continua a alterna por medio de
    un inversor, posterior a ello la tensión de salida de estas
    estaciones es elevada a voltajes de transmisión de media
    tensión, todo este proceso es controlado y monitoreado en la
    actualidad por medio de sistemas digitales interconectados [11].
    El proceso se puede visualizar en la figura 2:

    Por otra parte, la energía
    Termosolar de concentración

    (CSP) consiste en la recolección de radiación
    calorífica por

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    Figura 2. Proceso de generación
    Energía Solar Fotovoltaica.

    medio de un colectores parabólicos, los mismos que
    reflejan la radiación hacia una torre que contiene un fluido
    térmico que absorbe el calor y genera vapor para mover
    turbinas y generar energía eléctrica. Dependiendo de la
    potencia de la central, los elementos puedan cambiar; en el caso
    del fluido térmico se usa agua desmineralizada cuando la
    temperatura no debe sobrepasar los 150 °C, aceite
    sintético para temperaturas entre 230-400 °C, este
    material requiere de menos presión que el agua
    desmineralizada debido a su mejor capacidad de compresión.
    Para aplicaciones de alta potencia se usa sales fundidas, este
    material resulta tener un costo elevado pero permite manejar
    temperaturas entre 450-500 °C [12].

    Otro aspecto importante de este sistema, son los
    colectores, su forma parabólica favorece a que la
    radiación infrarroja se concentre en el foco del colector y
    de esa forma obtener la mayor potencia posible por unidad de
    colector. La radiación infrarroja se refleja por un
    dispositivo de alta reflexión, el reflector, el cual
    está construido de generalmente de aluminio o láminas
    de plata. El tubo absorbente está construido a partir de dos
    cilindros concéntricos con un alto índice de
    absorción y baja reflexión de modo que el fluido
    térmico ubicado en el interior del mismo absorba la mayor
    potencia calorífica posible. El fluido posteriormente
    calienta agua y genera vapor de modo que un grupo de turbinas en
    una casa de máquinas genera electricidad [13]. El proceso
    puede ser sintetizado en la figura 3:

    I-C2. Energía Geotérmica: La energía
    Geotérmica se basa en el calentamiento de un fluido, al
    igual que en la energía termosolar, mediante el calor del
    núcleo del planeta. Este sistema de generación es
    considerado uno de los más limpios y renovables del planeta,
    debido a que no existe contaminación alguna con elementos
    externos a las fuentes de calor, y el fluido es devuelto en su
    totalidad. La energía Geotérmica representa una gran
    porcentaje de la generación de energía eléctrica
    en países con alta actividad volcánica, como Indone-
    sia con una capacidad instalada de 1861 MW, que representa el 16
    % de la capacidad total de generación eléctrica, le
    siguen Nicaragua con 70 MW (11.4 %) y el Salvador con 105
    MW

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    Figura 3. Generación de
    electricidad por Energía Termosolar.

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    Figura 4. Proceso de obtención de
    electricidad por medio de Energía

    Geotérmica.

    (10.5 %) [14].

    El proceso de generación está dado por el
    aprovechamiento del vapor de agua; las centrales Geotérmica
    son ubicadas a las orillas de fuentes termales, caso contrario
    son obtenidas mediante construcción de pozos. El agua
    caliente es calentada en el pozo por medio del calor emitido por
    el centro de la Tierra, lo que claramente muestra que dichos
    pozos deben tener cierta profundidad, lo que provoca que el agua
    pase a estado gaseoso, este vapor es conducido por medio de
    tuberías hasta un termo cambiador cuya función es dejar
    pasar únicamente vapor de agua hasta la turbina, mientras el
    agua se va condensando. El agua que ha logrado enfriarse lo
    suficiente se transforma nuevamente a estado líquido y es
    conducida de regreso al pozo térmico, mientras que el vapor
    que generó movimiento en la turbina es conducido a un
    condensador donde es enfriado para se devuelto de igual forma al
    pozo; de este forma el ciclo se repite sin tener que generar un
    impacto ambiental por emisión de elementos químicos en
    el agua, o por la pérdida del fluido [15].

    El proceso de generación por medio
    de energía Geotérmica se puede observar en
    la figura 4.

    I-C3. Energía Eólica: Le energía
    eólica es aquella que proviene del movimiento del aire como
    elemento mecánico. Esta es una de las energías con
    más desarrollo en la actualidad debido a su alta eficiencia
    en ciertas regiones geográficas. Los países con
    más desarrollo de esta tecnología son China, Ale-
    mania, Estados Unidos y España, para este último
    representa

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    Figura 5. Aerogenerador.

    el 13.2 % de la capacidad de generación del
    país .

    Las masas de aire en movimiento generan grandes flujos
    de viento en ciertas horas del día, el aire que proviene del
    mar resulta ser más frío que el aire que se encuentra
    sobre los continentes, esto hace que el flujo de viento aire
    caliente sea más liviano y por ende las torres de los
    parques eólicos deben tener una altura considerable,
    dependiendo de la ubicación geográfica del
    mismo.

    Las torres eólicas conocidas como
    aerogeneradores están formados por una
    hélice construida a base de un material liviano, como la
    fibra de vidrio, de modo que el flujo de aire puede empujar cada
    una de las palas. Dependiendo de la disposición del eje de
    la hélice, estas pueden ser verticales y horizontales. Estas
    palas están diseñadas para trabajar a una velocidad de
    unos 3 a 4 metros por segundo. Cuando la hélice gira se
    produce un movimiento rotatorio en el eje que permite trasladar
    movimiento hacia un multiplicador de velocidad, cuya función
    es aumentar la velocidad de de giro de un eje de salida, debido a
    una relación mecánica entre engranes. Con este aumento
    de velocidad, el movimiento es trasladado hacia un alternador que
    se encarga de transformar la energía mecánica en
    energía eléctrica alterna y conducirla a una
    estación de transformación para aumentar la
    tensión y poder conectar el sistema a la red de
    transmisión [17].

    La estructura de un aerogenerador se puede
    observar en la figura 5.

    I-C4. Biomasa: La Biomasa es materia creada a partir de
    algún proceso fisicoquímico con alta cantidad de
    carbono que es utilizada para generar energía, según el
    RAE [18].

    La Biomasa en la actualidad esta ganando
    terreno en el campo de las energías renovables
    puesto que es una energía que puede ser obtenida de forma
    masiva. Está compuesta generalmente de carbono, entre el 45
    y 50 % del total de materia, además posee un 42 a 50 % de
    Oxígeno y el restante de Hidrógeno, Nitrógeno y
    Azufre [19].

    Esta materia puede ser obtenida a partir de
    procesos bioló-gicos en donde su mayor
    exponente es la digestión Anaerobia, por procesos
    mecánicos como prensado, producción de pellets, etc.
    Los métodos que más se practican en este momento son
    los térmicos en donde resaltan la torrefacción,
    carbonización, pirólisis y gasificación; y los
    procesos químicos aplicados a la industria Papelera
    [19].

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    Figura 6. Generación de
    Energía Eléctrica mediante Biomasa.

    La Biomasa contiene una gran cantidad de energía
    debido al Sol, debido al proceso de fotosíntesis, en el cual
    la materia guarda energía solar a través de los
    procesos químicos propios. Para generar energía
    eléctrica es necesario diferenciar dos procesos diferentes.
    El primero se da partir de la creación de Etanol, el cual es
    un combustible derivado de una fermentación alcohólica
    de la Biomasa. Esta técnica unida a la generación de
    Biogas por medio de fermentación metánica son usadas
    para generación de electricidad a partir de centrales
    térmicas [20].

    El combustible generado a partir de los dos
    procesos ante-riores es conducido a una caldera, la
    cual calienta el agua que se encuentra en un depósito,
    generando de ella vapor que es conducido por medio de
    tuberías hasta una turbina de vapor que entrega movimiento
    al eje de un alternador que genera energía eléctrica,
    la misma que es transportada a una etapa de transformación
    para elevar la tensión y poder cargar dicha potencia
    eléctrica al sistema Interconectado de energía [20],
    [21].

    El proceso de generación puede ser
    visualizado en la figura 6.

    I-D. Smart Cities

    El concepto de Smart Cities varía muy a menudo
    según la región a la que está referida este
    sistema, pero generalmente se lo traduce como una Ciudad
    Inteligente o Eficiente en la forma en la que usa su
    energía, controla los sistemas de transporte y
    telecomunicaciones, invierto dinero en el desarrollo social y
    cultural de sus habitantes. Dentro de estos aspectos también
    se encuentran monitoreo de construcciones y actividades de
    mantenimiento [22], [23], [24].

    Las tecnologías inmersas en este
    concepto están el Internet como servicio vital
    y gratuito para todos los ciudadanos, además de realizar
    construcciones con aprovechamiento de energías renovables
    como medio de generación auxiliar. Las energías
    renovables que actualmente se prestan para imple- mentación
    en las Edificaciones inteligentes son la energía solar por
    medio de estructuras colocadas en los techas de dichas
    construcciones, a esto se suman el uso de las energías
    térmicas como los módulos de calentamiento solar que
    pueden ser utilizados para el reflejo de las ondas infrarrojas o
    como tuberías que permitan calentar agua,
    igualmente colocadas en la parte superior de los edificios
    [25].

    Estos modelos de ciudades se están empezando a im-
    plementar con el fin de integrar las nuevas tecnologías de
    comunicación, con la eficiencia y el desarrollo sostenible
    del mundo actual [26].

    Conclusiones

    The current research of the renewable energies is
    centered in the development and improving the efficiency of this
    technology as an emergent solution to the climate change;
    existing methods to generate electric energy have a heavy
    environmental impact due their gas and substances emissions to
    the air and water. The renewable energies seek to provide new
    options environment friendly with the same capacity in power than
    no renewable energies.

    Nowadays, solar energies are leading this initiative,
    their simplicity to implement in diverse places, as their variety
    of applications make of this energy, the main representative of
    this group of energy solutions .

    Renewable Energies try to exploit different physical
    phe- nomena from which can obtain energy trough of some transfor-
    mation procedures, such as Solar Energy with the photovoltaic
    effect or heating fluid trough infrared radiation, Geothermal
    Energy using Earth"s Center heat, the Wind Energy which transform
    the air flow in mechanic force or the energy form Biomass, which
    is revolutionizing the current methods to obtain Electric energy
    due to its massive applications for obtain biogas, biofuels or
    pellets.

    In a not distant future, its expected the implementation
    of smart constructions which can produce own electric energy
    using very effective renewable methods like a sustainable
    solution in order to help to climate change.

    Referencias

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    Journal Special Topics. 2012.

     

     

    Autor:

    Oswaldo Sebastián
    Peñaherrera Pulla

    Universidad Politécnica Salesiana,
    Sede Cuenca.

    Ingeniería Electrónica,
    Analógica II.

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