tecnología industrial i . tema 5: las energías

Tecnología Industrial I . Tema 5: Las Energías AlternativasEnergía Solar, Biomasa y otros tipos de energía.

Desarrollo del tema:

La energía solar.

1. Introducción. La radiación electromagnética3. Formas de aprovechamiento de la energía solar.

Conversión térmica.Conversión fotovoltaica.

3. Ventajas e inconvenientes de la energía solar.4. Energía solar en España.

Biomasa.

5. Concepto.6. Técnicas para obtener la energía.7. Procesos Térmicos.8. Procesos biológicos.

9. La energía geotérmica.10 La energía mareomotriz.11 Los residuos sólidos urbanos.

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La energía solar.

1. Introducción. Radiación electromagnética

El sol es una esfera de gas cuya composición es prácticamente de hidrógeno(70%) y dehelio(30 %). Es un reactor nuclear de fusión, alcanzando el núcleo solar una temperatura cercana a40 106 ºK ; las presiones que se someten dicho gas es del orden de 11 109 at. , teniendo unatemperatura en la corteza de 5762 ºK.

Como consecuencia de esta elevada temperatura, emite energía en forma de radiaciónelectromagnética, que se propaga mediante ondas transversales; sus longitudes de onda y frecuenciason variables, aunque todas ellas se propagan a la misma velocidad, a la velocidad de la luz,c = 3 108 (m/s).

La relación que existe entre la longitud de onda y la frecuencia se expresa mediante lasiguiente ecuación :

c = υ . λ λ, es la longitud de onda y se mide en submúltiplos de unidades de longitud : en nm., el μm

o el А (angstrom) que equivale a 10-10 m.υ , es la frecuencia y se mide en Hertzios.

El conjunto de ondas electromagnéticas, forma el espectro, que de una forma continua sepuede representar: radiación Rayos X UV uz visible IR microondas Ondas de TV y de radio cósmica

λ (A) 10-4 10-2 1 - 102 104 106 108 1014

energía Para explicar la energía absorbida por los cuerpos, es necesario definir las leyes de radiación.Estas son las siguientes:

1. Todo cuerpo por encima de 0º K emite energía radiante.2. Cuando la radiación luminosa incide sobre un objeto, se cumple que:

r + α + t = 1 , siendo r, α y t los coeficientes de reflexión,absorción y transmisión.

3. La energía emitida por unidad de superficie y por unidad de tiempo es proporcional a la temperatura elevado a la cuarta:

E = σ T4 , siendo σ = 5,6 10-8 ( W/m2 K4)4. Todo cuerpo material emite radiación a una longitud de onda máxima

λmax . T = 2897 ( μm . ºK)La potencia del sol que llega a la tierra es de

E = 1353 (W/m2)

Si esto fuera a sí, la temperatura media de la tierra sería de 120º C. Para disminuiresta temperatura, es necesario que la radiación solar que llega a la tierra, parte sea reflejada y partetransmitida. Así, el vapor de agua, absorbe radiación IR; los gases que forman parte de la atmósfera

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difunden las radiaciones de baja longitud de onda; el hielo de los casquetes polares, reflejan laradiación solar.

2. Formas de aprovechamiento de la energía solar.

La energía procedente del sol se manifiesta fundamentalmente en forma de calor y y luz.Cuando se aprovecha el calor la conversión energética se denomina térmica. Si se aprovecha la luz,la conversión es fotovoltáica.

Cuando un cuerpo se expone al sol, parte de las radiaciones se reflejan, otras se transmiteny otras se absorben. Cuando el curpo es negro, absorbe prácticamente todas las radiaciones y sucoeficiente de absorción, α = 1; si el cuerpo es blanco, refleja todas las radiaciones y su coeficientede reflexión es r = 1. Cuando el cuerpo es completamente transparente, transmite todas lasradiaciones y su coeficiente de transmisión, t = 1.

La conversión térmica se basa en la absorción del calor y puede ser de tres tipos diferentes:de baja, media y alta

Conversión térmica a alta temperatura, se utiliza para la producción de vapor y laobtención de energía eléctrica o para construir hornos solares.

Los captadores son parabólicos, concentrando las radiaciones solares en su foco,que es donde se encuentra el horno. Se pueden conseguir temperaturas hasta los3000º C. El captador parabólico está formado por un espejo de grandesdimensiones, siendo orientados los rayos solares hacia él mediante otros espejosplanos guiados por ordenador, denominados heliostatos. Los hornos solares, permiten obtener elevadas temperaturas para el estudio de lamateria y la construcción de láseres de alta potencia.

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Ejemplo de horno solar

Otra aplicación de la conversión a alta temperatura es la obtención de energía eléctrica,utilizando el vapor de agua generado para mover una turbina de vapor, pudiendo llegar a unapotencia de 10 MW.

En España, en la zona de Almería existen tres centrales de este tipo con una potencia totalde 2 MW.

Conversión térmica de media temperatura. Se utilizan para la producción de vaporde agua para usos industriales o bien para la utilización en lascocinas. Los captadores son cilíndricos parabólicos en dondeel foco es una línea conductora de color negro mate paraabsorber toda la radiación, rodeada de un tubo de vidrio queretiene el calor. Por el interior del tubo negro circula unlíquido que puede ser vapor de agua, aceite o freón. Lastemperaturas conseguidas pueden ser de 200º a 500º C.

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Temperatura elevada

Cambiador decalor


Conversión térmica a baja temperatura. Se utiliza para la calefacción de lasviviendas, producción de agua caliente sanitaria, destilación del agua, secaderos agrícolas,etc.Los captadores son planos . En los dos esquemas siguientes se puede apreciar dosaplicaciones de este sistema:

Agua caliente sanitaria por energía solar

Calefacción doméstica por la energía solar

El aprovechamiento directo de la radiación luminosa se basa en la energía transportada porlas ondas electromagnéticas. De acuerdo a la ecuación de Planck , E = h . υ , siendo h la constantede acción de Planck . Los captadores se fabrican con elementos semiconductores, fabricados deSilicio, aunque, en algunos lugares y experimentalmente se están utilizando nanotúbulos de Titanio.Debido a las propiedades de los semiconductores, cuando éstos reciben una radiación luminosa, esdescargan una corriente eléctrica. Cada célula de Silicio, dopado de impurezas n-p, produce una

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tensión de 0,60 V . Para conseguir 24 Voltios, se necesita 40 células conectadas en serie, formandouna placa solar. El proceso de fabricación de los captadores fotovoltáico es el siguiente:

Las instalaciones fotovoltáicas se utilizan en aquellos casos en que la potencia eléctrica autilizar, es baja y en las instalaciones que es difícil o imposible instalar una línea convencionaleléctrica.

Se aplica, por lo tanto, en la iluminación de viviendas pequeñas, en los hospitales, en zonasdel tercer mundo. Además se puede utilizar para el bombeo de agua con fines agrícolas; en laseñalización eléctrica, en los repetidores de radio, de televisión, etc.

En el siguiente esquema, se puede apreciar una instalación fotovoltáica típica.

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Corriente alterna

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Instalación fotovoltaica

Ondulor u Oscilador

Corriente continua


3. Ventajas e inconvenientes de la energía solar.

La energía solar presenta ciertas ventajas con relación a otros tipos de energías. En primerlugar diremos que es una energía limpia, gratuita e inagotable.

Como inconvenientes se pueden describir los siguientes:

1. La gran superficie de terreno que es necesario ocupara para realizar las instalaciones.2. El carácter errático de la irradiación solar, teniendo más rendimientos en los países demayor cantidad de horas solares.3. El coste de las instalaciones es alto y el rendimiento bastante bajo.4. El proceso de fabricación de los paneles fotovoltáicos es contaminante.5. Las instalaciones fotovoltáicas, provocan modificaciones medioambientales en elentorno.

4. Energía solar en España.

En España por su situación geográfica, por el gran número de horas solares que disfruta a lolargo del año, posee una gran posibilidad de aprovechamiento solar.

A parte de la utilización en viviendas particulares, existe en Almería, en la zona de Tabernasuna central de experimentación . En Sevilla ( Sanlúcar la Mayor), en el año 2007, se ha inauguradouna central (la PS10)de 11 MW y se va construir una nueva central PS20 con una potencia de 20MW. Otra central solar está funcionando en Guadix. En Calahorra (Granada) se ha inaugurado laprimera central solar térmica de almacenamiento de calor mediante sal

En cuanto centrales fotovoltaicas , cabe destacar las instaladas en San Agustín de Guadalix(Madrid), en la Puebla de Montalván (Toledo) y que proporciona una potencia de 1 MW.

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5. Concepto de biomasa.

La biomasa es el conjunto de materia orgánica renovable de procedencia vegetal o animal,teniendo su origen la energía solar. Debido a la función fotosintética , los vegetales toman del sueloel agua y las sales minerales y del aire, el dióxido de carbono, transformándolos en glúcidos(energía) y oxígeno que lo regenera. Es la base de la vida en los seres vivos.

La bioenergía es la energía que produce la biomasa. Puede ser utilizada directamente por losanimales, como nutrientes, transformándola de biomasa vegetal en animal. La parte no usada porlos animales, es la biomasa residual.

La transformación de la biomasa, por lo tanto, puede ser natural, producida por los seresvivos, y la transformación artificial producida por el ser humano. La biomasa puede servir tambiénpara la construcción de muebles, elaboración de tejidos, papel, etc.

6. Técnicas para la obtención de la energía.

Los procesos o técnicas de obtención de energía serán:a. Procesos térmicos

Combustión directa.- Utilización de madera del bosque, residuos de la industria demadera, residuos del bosque. La humedad máxima ha de ser el 15% y el objetivo final es laproducción de calor con un rendimiento del 50 %.

Pirólisis.- Utilización de los residuos de la industria de la madera, paja, cultivos ricosen almidón(cereales), residuos agrícolas verdes. La humedad máxima ha de ser el 15 %. Seutiliza para obtener: carbón de madera, destilados (alquitrán, metanol), gases ( CO, CO2,CH4).

Gasificación.- Se utilizan residuos orgánicos o restos de maderas y cultivos. Se obtieneuna mezcla gaseosa usada como combustible.

b. Procesos biológicos.

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Fermentación.- Se utilizan cultivos ricos en almidón, como son los cereales; tambiénse utiliza el girasol. Por otra parte, se pueden usar los restos de las plantas oleaginosas. Seobtiene bioetanol o biogasoleo.

Digestión.- Se utilizan restos orgánicos producidos en las granjas o restos de materiavegetal verde. Se obtiene biogás, utilizada como combustible.

Fotoproducción de combustibles.- A partir del agua y algunos compuestos orgánicospara obtener hidrógeno.

7. Procesos Térmicos.

Como se ha resumido anteriormente, dentro de los procesos térmicos se pueden destacar:

La combustión. Al quemar la biomasa, reduciendo previamente su humedad, secandola leña al sol, con la presencia de oxígeno, desprende calor, usándose para el calentamientode las viviendas por hogar directo o utilizándola en un circuito de agua caliente, haciendopasar el agua por la caldera, calentada por la acción de la combustión en el hogar de labiomasa. La reacción de combustión es la siguiente:

Celulosa + lignina + minerales + O2 CO2 + H2O + cenizas + calor.

Aunque la madera es un combustible sano y poco contaminante, tiene como inconvenientesla producción de residuos alquitranados, necesita un gran espacio para almacenarla y la aportacióndel material a la estufa o al hogar ha de ser continua..

La pirólisis. Es la descomposición térmica de las moléculas orgánicas en ausencia deoxígeno. La combustión previa necesaria se realiza por la combustión previa de dichomaterial. La pirólisis debe de realizarse en un reactor que se alimenta por diferentes tipos debiomasa, controlando la presión, temperatura y tiempo de reacción. En este proceso segeneran combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. Si la presión y la temperatura son altas,se obtienen hidrocarburos.

La gasificación . La gasificación tiene por objeto producir una combustiónincompleta, por falta de oxígeno, con la producción de CO, H2, CH4 y CO2. Dependiendo delas diferentes condiciones del proceso, la composición del gas es diferente; Cuando el

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<15%humedad


contenido calorífico es grande, se puede sintetizar directamente el metanol

8. Procesos biológicos.

Fermentación. Mediante la fermentación de la biomasa, utilizando ciertas levaduras, sepuede obtener bioetanol o biogasoleo. Para la obtención de bioetanol, se utiliza comobiomasa, restos de vegetales ricos en almidón y azucares como pueden ser los cereales, lasfrutas, la remolacha, caña de azucar, etc. Para obtener biogasoleo, se utiliza restos vegetalesde la familia de las oleaginosas ( olivos, girasol, etc). En la fermentación se observa lasiguiente transformación:

anaerobiasRestos azúcares + levaduras bioetanol + CO2

cereales

Digestión anaeróbica..La digestión anaeróbica permite la descomposición de lamateria orgánica en componentes energéticos ( CH4, H2, etc) y fertilizantes NPK. Lafermentación es producida por las bacterias anaerobias y es conocida esta fermentación

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desde hace muchos años con el nombre de gas de los pantanos . Luis Pasteur, descubrió eidentifico las bacterias responsables de esta fermentación butírica. En algunos paísesasiáticos. Utilizan los restos orgánicos de las granjas para cubrir sus necesidadesenergéticas , para la calefacción, agua caliente sanitaria, combustible de los tractores, luzeléctrica, etc. La producción se realiza en un digestor, que es un recipiente cerradoherméticamente, obteniéndose un gas, que se regula su utilización mediante un gasómetro yun residuo líquido que se purga por la parte inferior del depósito o digestor. Cuando eldigestor se calienta mediante una resistencia y se agita, la obtención del gas combustible escontinuo, sino será discontinua su producción.

9.La energía geotérmica.

La energía geotérmica es la almacenada en el interior de la tierra, siendo su origen elvulcanismo y la radiactividad de las rocas.

El calor del interior de la tierra, se transmite por conducción, aunque algunas rocas de pocaconductividad térmica, retienen el calor. Para su explotación, se debe estudiar las zonas cuyogradiente térmico sea elevado, es decir, que haya un aumento de temperatura grande a medida quese desciende en profundidad.

Hay dos forma de explotación:

Geotérmica de alta temperatura, si se profundiza hasta una capa cuya temperatura seasuperior a 150º C. Se utiliza para obtener electricidad, inyectando agua líquida a presión, poruna tubería en forma de U; cuando asciende, el agua se ha transformado en vapor que se lehace incidir sobre una turbina de vapor y acoplada al rotor de esta turbina, se encuentra eleje del primario del alternador. En el generador, se obtiene corriente alterna. Al pasar por elcondensador, el agua líquida resultante, se vuelve a inyectar a la tubería descendente.

Geotérmica de baja temperatura, si la temperatura es inferior a 150ºC se utiliza para lacalefacción de las viviendas y de las industrias.

Es una energía limpia, no contaminante e inagotable. Tiene el inconveniente en que las zonas

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donde se pueden utilizar, existen gran inestabilidad geológica. En España se utiliza para obteneragua caliente en Balnearios.

10. La energía del agua del mar.

El agua del mar recibe energía por radiación directa de los rayos del sol o por la acción delos campos gravitatorios, produciéndose energías potenciales, debidas al desnivel producida entrela pleamar o la bajamar. Utilizando la energía potencial, se construyen centrales mareomotrices,para la obtención de corriente eléctrica; su funcionamiento es similar a una central hidroeléctrica.

De las olas, se aprovecha sus energías cinéticas, aunque su rendimiento es bajo.

11. Los residuos sólidos urbanos.

Son aquellas sustancias sólidas consideradas como inservibles y que se producen comoconsecuencia de la actividad humana en las zonas urbanas.

Se les someten a los siguientes procesos:

Vertido.- Es el almacenamiento de los residuos, en el terreno, cubriéndolos cada ciertotiempo, para evitar su contaminación. El vertido puede ser controlado o incontrolado. Elincontrolado es altamente perjudicial por su contaminación química y visual.

Compostaje.- Es la fermentación de los residuos, para usarlos posteriormente comoabonos, o para la obtención de biogás.

Incineración.- Al quemarse los restos orgánicos, producen energía calorífica, que seutiliza para la calefacción o para la transformación energética.

Reciclado.- Es la reutilización de la materia prima de parte de los residuos,clasificados previamente .

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