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].
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
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
Figura 3. Generación de
electricidad por Energía Termosolar.
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
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].
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.
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Autor:
Oswaldo Sebastián
Peñaherrera Pulla
Universidad Politécnica Salesiana,
Sede Cuenca.
Ingeniería Electrónica,
Analógica II.