CAPITULO 1-MARCO TEORICO

1.1-Antecedentes:

El hombre, a lo largo de su historia evolutiva ha realizado mediante su propio esfuerzo físico actividades que consumían energía, apoyándose adicionalmente en los animales domésticos como los caballos, bueyes, etc.

Hasta la llegada de la Revolución Industrial, la utilización de sistemas mecánicos para proporcionar energía se limitaban a los molinos de viento o de agua. Cualquier aplicación de estas tecnologías para la realización de trabajos resultaba de poco rendimiento.

Las fuentes de energía

De las fuentes de energía, la primera y más importante de las utilizadas por el hombre fue la leña, gracias a la abundancia de bosques que proliferaban por todas partes del mundo. Otras fuentes puntuales solamente se utilizaban allí donde eran accesibles, tales como filtraciones superficiales de petróleo, carbón o asfaltos.

En la edad media comenzó a utilizarse la leña para fabricar carbón vegetal con cuyas menas se obtenían metales, y que posteriormente vendría a ser sustituido por el carbón mineral en los principios de la revolución industrial.

Aplicación práctica de la energía

Durante el primer tercio del siglo XIX, aproximadamente hacia 1825-30, se pudo avanzar en la aplicación práctica de la máquina de vapor, que daría comienzo a la era contemporánea; se trataba de la primera

herramienta que no utilizaba fuerzas o tracción de origen animal, y que comenzó a emplearse industrialmente.

Junto con la llegada y desarrollo de los motores de combustión interna y la utilización del gas para calefacción y alumbrado, se produjeron grandes avances en la generación práctica de energía eléctrica.

La era Contemporánea comenzó con la aplicación práctica de la máquina de vapor

Apartir de la máquina de vapor se producirían cambios en la evolución tecnológica, económica y social, de niveles sorprendentes en comparación con toda la historia precedente.

La crecientes demandas de energía

La nueva sociedad que nació de la Revolución Industrial trajo también nuevas demandas de energía. Con la máquina de vapor aparecieron inventos revolucionarios que mejoraron los medios de transporte, como la locomotora que George Stephenson construyó en 1825.

Sin embargo, a pesar de que este sistema de locomoción era seguro y eficaz, consumía grandes cantidades de carbón para convertir la energía calorífica en mecánica; el rendimiento que producía era inferior a un 1%. Aún hoy día se consume gran cantidad de energía para producir un rendimiento muy inferior; por ejemplo, una central eléctrica que utilice carbón o petróleo rinde menos del 40%, y en el caso de un motor de combustión interna incluso menos del 20%. Esta pérdida de rendimiento es a causa de las leyes físicas; la energía que no utilizamos (o no somos capaces de aprovechar) no se pierde sino que se transforma; en los casos de combustión interna, por ejemplo, el resto de energía que no aprovechamos se disipa en forma de calor. Por ello, una lucha tecnológica constante es la de mejorar el rendimiento de las máquinas para aprovechar al máximo la energía

La nuevas demandas de petróleo y sus derivados

La enorme demanda de carbón comenzó a declinar con la comercialización del petróleo y sus derivados. El número de compañías petrolíferas creció en proporción a los nuevos mercados que se crearon: transportes, energía, calefacción, etc.

La búsqueda de yacimientos petrolíferos fue una constante ante las expectativas que se intuían. Oriente próximo se convirtió en una zona sensible, siendo Gran Bretaña la que estableció en Irán en 1941 el primer campo petrolífero.

Las crecientes demandas de petróleo obligó a la búsqueda de nuevos yacimientos

La segunda guerra mundial generó grandes demandas de combustibles, siendo las empresas de Estados Unidos las que se expandieron con mayor éxito por todo el mundo; de hecho, en 1955 las dos terceras partes del petróleo del mercado mundial, salvo el bloque soviético y América del Norte, eran suministradas por cinco empresas de petróleo de Estados Unidos. A la vez, Oriente Próximo se convirtió en la mayor reserva de crudo del mundo.

Las crisis del petróleo

En 1973 la creciente demanda de energía del mundo desarrollado sufrió una acusada crisis. Los países árabes productores de petróleo embargaron el suministro de crudo a Estados Unidos, y recortaron su producción, generando alarma entre todos los implicados, productores y consumidores. Una segunda crisis del petróleo se daría de nuevo en

1978 cuando fue destronado el Sha de Persia; la producción de Irán cayó a niveles mínimos. En 1980 el crudo se había revalorizado 19 veces en comparación con 1970.

Desde 1973 el precio del crudo ha ido en constante aumento, ante esa situación, los mercados que hasta entonces se habían consolidado en el petróleo y gas, dieron nuevas expectativas al carbón que había quedado rezagado, convirtiéndose en la alternativa en costes para las industrias, muy especialmente las centrales eléctricas. De esta forma el carbón comenzó a recuperar el mercado perdido.

Prácticamente todas las actividades que se desarrollan en la moderna sociedad tecnológica utilizan fuentes de energía no renovables. El origen de esa energía es el carbón, petróleo o fisión nuclear del uranio, los cuales precisan en su mayoría ser transformadas antes de ser consumidas. Estas fuentes de energía  no son renovables porque no tienen posible sustitución una vez agotadas o, dicho de otro modo, el ciclo cronológico de formación es tan largo que no es posible su restauración.

El carbón o el petróleo existen en cantidades limitadas y se consumen a un régimen mayor que el de su producción; estas materias necesitan miles de años para formarse, sin embargo al ritmo actual de consumo su agotamiento se estima en unos pocos cientos de años.

Las energías basadas en la fisión nuclear del uranio son igualmente no renovables. Además de la ausencia de ciclo de renovación, para generar este tipo de energías se precisa centrales muy costosas, debido a las extremas medidas de seguridad que exigen. Generan además unos residuos de difícil eliminación, por el largo periodo de radiactividad latente que poseen.

La inagotable energía del Sol

Una energía renovable es una energía alternativa a las que utilizamos actualmente (ecológicamente hablando). Al encontrarse en cantidades infinitas puede renovarse tan pronto como es consumida.

Existen energías renovables que apenas aprovechamos, generalmente motivado por el rendimiento. Sin embargo, sólo es necesario ver a nuestro alrededor para darnos cuenta que estamos rodeados de energía.

El Sol y el viento son fuentes de energía renovables porque pueden ser sustituidas tan pronto como son consumidas

El sol, por ejemplo, emite una ingente cantidad de energía que es aprovechada por las plantas para realizar la fotosíntesis, y para otros muchos procesos físicos del ciclo ecológico. La mayor parte de esa energía no es utilizada por el hombre. Una utilización práctica de esta energía puede llegar a ser la obtención de electricidad, y de hecho se le ha prestado la mayor atención en el estudio de las energías alternativas.

La energía eólica

También se puede generar energía eléctrica mediante otra fuente renovable ya utilizada de antiguo para otros fines. Se trata de la energía eólica, que aprovecha las diferencias de presión del aire para mover una palas, las cuales mediante una tracción transmite el movimiento a un generador eléctrico. Este sistema ya era utilizado en los molinos de harina o para extracción de agua.

Otras posibilidades de energías alternativas

Un combustible que puede reemplazarse con facilidad es el alcohol. Podría ser utilizado con éxito como sustituto de las gasolinas en motores de combustión interna. Al ser obtenido de plantas que crecen con rapidez, se convertiría en una fuente renovable de interés. Su limitación se encuentra en la potencia que puede desarrollar, muy inferior a la del petróleo.

Otras posibilidades de energías alternativas que podrían ser realmente viables, son las que originan las mareas (véanse los artículos Centrales maremotrices y Centrales maretérmicas); las geotérmicas, basadas en el aprovechamiento del calor natural del interior de la corteza terrestre (véase el artículo Energía geotérmica); o las que provienen de la

combustión de residuos orgánicos (véase el artículo Los biocombustibles).

ENERGIA SOLAR

El Sol es de las fuentes de energía a la que se le prestó una primera atención, y en la que se centró gran parte de la investigación en materia de energías alternativas, no en vano se trata de una energía totalmente limpia y 100% renovable. Más aun, salvo por su intervención en el ciclo ecológico, los humanos aprovechamos una ínfima parte. A pesar de ello, existe una gran diversidad de sistemas que permiten aprovechar esta energía.

La energía que recibimos del Sol es totalmente limpia y 100% renovable

Las limitaciones técnicas y geográficas

La aplicación práctica de la energía solar tiene no obstante sus limitaciones técnicas, generalmente relacionados con el rendimiento obtenido, además de que no todos los habitantes de nuestro planeta tienen las mismas oportunidades para su aprovechamiento.

El Sol ilumina la Tierra de forma desigual, y con diferente ángulo e intensidad según la región terrestre de que se trate, la estación del año y el ciclo día/noche. Lo ideal es disponer de una zona que se encuentre iluminada durante la mayor parte del año, eso implica que determinados lugares quedan al margen de su aprovechamiento, tal es el caso de los países nórdicos, en detrimento de los más próximos al Ecuador, que se ven altamente beneficiados.

Captación y acumulación de la energía del sol

Los sistemas de captación de la energía del sol se centran, generalmente, en su superficie captadora, así como en la capacidad para el seguimiento del Sol en toda su trayectoria. Igualmente, en la concentración de la radiación para alcanzar altas temperaturas, que

permitan un rendimiento aceptable para su procesamiento  por los elementos transformadores.

Otro punto de importancia está referido al sistema de acumulación de la energía obtenida; hay que señalar que durante el periodo de ausencia del Sol, es preciso almacenar esa energía, a la vez que deben entrar en funcionamiento otros recursos energéticos de carácter auxiliar, que permitan mantener en funcionamiento los sistemas o redes conectados a él.

Sus aplicaciones

Las aplicaciones de la energía solar suelen estar relacionadas con el empleo de sistemas térmicos, tales como producción de agua caliente, calefacción industrial, generación de vapor, generación de electricidad y otros usos variados.

Para información sobre los diferentes sistemas de aprovechamiento de la energía solar véanse los artículos: Energía fotovoltaica, Colectores solares, Horno solar de torre central y Energía eólico-solar.

los sistemas de energía fotovoltaica permiten la transformación de la luz solar en energía eléctrica, es decir, la conversión de una partícula luminosa con energía (fotón) en una energía electromotriz (voltaica).

El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica, un dispositivo construido de silicio (extraído de la arena común). Los paneles solares están constituidos por cientos de estas células, que conexionados adecuadamente suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de unas baterías. Tienen utilidad en múltiples campos, desde el ámbito doméstico, hasta los satélites artificiales.

Panel de células fotoeléctricas utilizado en una instalación doméstica

Los satélites artificiales utilizan paneles solares para generar la energía eléctrica que necesitan sus equipos

Cómo se construye una célula fotoeléctrica

Para construir una célula fotoeléctrica se utiliza arena común con alto contenido en silicio; se obtiene inicialmente una barra de silicio sin estructura cristalina (amorfo), una vez separados sus dos componentes básicos, y que acoge gran cantidad de impurezas.

Mediante un proceso electrónico, que también permite eliminar las impurezas, la barra de silicio amorfo es transformada en una estructura monocristalina, la cual posee características de aislante eléctrico, al estar formada por una red de uniones atómicas altamente estables (los cuatro electrones de la capa de valencia de los átomos de silicio tienen enlaces covalentes con los demás).

Antes de proceder al cortado del material hay que asegurarse de que está totalmente ausente de impurezas, pues una sola impureza entre un millón lo hace inservible. A continuación se corta el material en obleas (finas láminas de sólo una décima de milímetro). Las obleas son entonces fotograbadas en celdillas con polaridades positiva y negativa; la polaridad positiva se consigue a base de introducir lo que

electrónicamente hablando se denominan huecos, es decir, impurezas que están compuestas por átomos que en su capa de valencia sólo tienen tres electrones (les falta un electrón para completar los cuatro que precisa para ser estable, por eso se dice que tienen un hueco). Por su parte, en la zona negativa se sigue un proceso similar al de la zona positiva, pero en este caso las impurezas que se inyectan son átomos que en su capa de valencia tienen cinco electrones, es decir, en la estructura de cristal sobra un electrón (existe un electrón libre, por eso se dice que es una carga negativa).

El conjunto de ambos materiales (positivos y negativos) forman un diodo; este dispositivo tiene la característica de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el otro, y aunque los diodos son utilizados generalmente para rectificar la corriente eléctrica, en este caso, permitiendo la entrada de luz en la estructura cristalina del diodo permitiremos que se produzca movimiento de electrones dentro del material, por eso este diodo es denominado más concretamente fotodiodo o célula fotoeléctrica.

Cómo se genera la energía eléctrica

cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material (positivo y negativo) observaremos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.

Si le aplicamos una carga eléctrica, veremos que es posible obtener una corriente de 28 miliamperios por cada centímetro cuadrado iluminado. Hemos convertido el dispositivo en una especie de batería eléctrica, que permanecerá aportando energía indefinidamente en tanto reciba iluminación.

Pero esta pequeña cantidad de energía es insuficiente e inútil, si no somos capaces de obtener mayores voltajes y corrientes que permitan aplicaciones prácticas. Para ello se diseñan en cada oblea cientos de diodos del tipo descrito, los cuales, interconectados en serie y paralelo son capaces de suministrar tensiones de varios voltios, así como corrientes del orden de amperios.

Control y almacenamiento

Este sistema básico de generación de energía por medio de la luz solar, puede obtener un rendimiento mayor si se disponen dispositivos de control adecuados. Por ejemplo, unos motores conectados a unos servos pueden orientar los paneles hacia la mayor radiación solar, tanto en acimut como en elevación, según la posición que el Sol ocupe en ese

momento. Posteriormente, la energía obtenida debe ser almacenada para que pueda ser utilizada por la noche, en que la ausencia de luz no permite su obtención directa. Los paneles solares pueden acoplarse  en forma modular, ello permite que puedan pasar de un sistema doméstico de generación de energía, a otro más potente para industrias o instalaciones de gran consumo.

Los inconvenientes

Los inconvenientes de este sistema de generación de energía, no es tanto el origen de esa energía, el Sol, que excede nuestras necesidades, ni tampoco la materia prima de donde se extrae el silicio, consistente en arena común muy abundante en nuestras playas; se trata de la técnica de construcción de las obleas, excesivamente compleja y cara. Un segundo motivo, es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por los elementos captadores; el rendimiento final se estima en un 13%

Una central de energía fotovoltaica para uso industrial precisa disponer de un notable espacio de terreno para que sea rentable

Como contrapunto a sus inconvenientes, es un sistema ideal para instalar en lugares remotos donde no sea posible tender cableados eléctricos o disponer de personal de mantenimiento, tales como teléfonos de emergencia en determinadas zonas (autopistas, alta montaña, etc.), faros marinos en costas poco accesibles, boyas en bajos marinos peligrosos para la navegación que sea preciso señalar, equipos de salvamento a bordo de buques, etc.

Colectores solares

Así como los sistemas de célula fotoeléctrica aprovechan la energía electromagnética del sol que nos llega en forma luz, para después ser transformada en energía eléctrica, los sistemas de colector solar utilizan su potencia calorífica para calentar un líquido, que posteriormente será empleada generalmente en suministrar calefacción.

Existen sistemas de colector solar con y sin concentración. Los que no utilizan concentración reciben el Sol directamente, sin ningún elemento auxiliar, como los rotores que permiten el seguimiento en todo su ciclo. Aunque con menor rendimiento, tienen sin embargo la ventaja de su simplicidad, facilidad de construcción y menor mantenimiento, gracias a que su posibilidad de presentar fallos técnicos también es menor.

Central para suministro industrial que combina varios sistemas de paneles (fotovoltaicos, colectores fijos, de concentración...)

Colectores sin concentración

Los sistemas sin concentración utilizados son del tipo colector plano convencional y colector de vacío.

Colector plano convencional

El colector plano convencional es el de uso más extendido por su sencillez de fabricación. Dispone únicamente de cuatro elementos: un circuito de conducción del agua, la placa de absorción, una cubierta y la caja de protección. La ausencia de partes móviles le da una característica de gran durabilidad.

El circuito de conducción del agua consiste en una especie de serpentín de tubos metálicos por donde circulará el agua que se pretende calentar. Su diámetro es muy pequeño para que el nivel de líquido que circula por é tenga tiempo a calentarse en todo su recorrido. Los tubos se fabrican con materiales que mantengan la temperatura, como cobre o aluminio, y se les pinta de color negro para que no reflejen el calor, sino que la absorban. El conjunto se encuentra montado sobre una placa de absorción igualmente, que también capta calor y la induce en los tubos.

La cubierta transparente y la caja de protección no sólo protegen físicamente todo el conjunto sino que sirven de aislante térmico, impidiendo que la energía captada y transferida al agua que circula por los tubos se pierda a través de sus paredes. Para ello se aplica al interior

de la caja un recubrimiento aislante, como la fibra de vidrio, u otro material que mantenga el calor en su interior.

El panel solar así construido juega un papel análogo al de un radiador de calefacción, pero justamente a la inversa. Así como el radiador tiene una superficie metálica diseñada para emitir el máximo de potencia calorífica a través de sus elementos, el panel solar tiene sus elementos diseñados para captar el máximo de calor y transferirlo a los tubos, los cuales precisamente alimentarán generalmente a sistemas de radiadores de calefacción, u otros servicios de agua caliente.

El funcionamiento del colector solar sin concentración se basa en el efecto invernadero. La radiación solar que entra a través de la cubierta transparente, incide directamente sobre el sistema de conducción de agua (conectados al suministro de agua fría) y la placa absorbente. De la energía entrante sólo una décima parte es reflejada a la atmósfera. Al principio, cuando el colector entra en funcionamiento (entrada de agua fría por primera vez), el sistema absorbe gran cantidad de energía, ya que precisa calentar todos los elementos y el agua del interior del serpentín, pero una vez llegado al punto denominado de equilibrio dinámico, es la propia placa la que emite calor, del cual sólo una pequeña parte inferior al 10% se perderá por radiación a través de la cubierta de vidrio. Es entonces cuando se mantiene un efecto invernadero en el interior de la caja colectora, que es preciso mantener mediante un buen aislamiento de las paredes, evitando las pérdidas denominadas de convección. Todo el sistema tiene un rendimiento que varía en función de la intensidad de luz que recibe y la temperatura interior, pero es siempre inferior a un 60%; generalmente se aprovechan entre 30 y 50 vatios por cada 100 que se reciben.

Colectores sin concentración (continuación)

Colector plano de vacío

n sistema más avanzado de colector solar sin concentración es el colector plano de vacío. El diseño es muy similar al colector plano convencional, pero fabricado con materiales que obtienen altos rendimientos, y que poseen características especiales, tales como superficies selectivas, es decir, materiales que absorben ciertas frecuencias como los infrarrojos, pero que apenas los emiten, permitiendo absorciones del orden del 95%. Además, las pérdidas de convección están minimizadas al máximo mediante el vacío de la caja, que aumenta el rendimiento considerablemente. Con este sistema

pueden alcanzarse temperaturas de hasta 120 grados centígrados. La desventaja de este sistema radica en el empleo de materiales más costosos y el delicado proceso de vacío.

Ambos sistemas de colector solar precisan algún sistema alternativo de energía. Por esta razón es imprescindible el empleo de acumuladores de calor que almacenen la energía calorífica que no ha sido utilizada, ejemplo de los clásicos termos de agua caliente, para su posterior empleo en ausencia de radiación solar.

Colectores con concentración

Así como en los sistemas de colector solar sin concentración, las placas son expuestas directamente al Sol y se encuentran ausentes de elementos móviles, en los sistemas con concentración, como su nombre indica, se concentra la luz solar sobre la zona que se desea calentar. Esto se realiza mediante espejos o lentes apoyados en materiales selectivos, que calientan el líquido que circula por el interior de un tubo, en el que incide la radiación concentrada del Sol, permitiendo un mejor rendimiento que los colectores sin concentración.

Los modelos mas simples de colectores con concentración son los de uno y dos ejes, aunque existe otro sistema más complejo utilizado en generación de grandes potencias, y que permite su transformación en energía mecánica: véase el artículo: Horno solar de torre central.

El sistema de concentración de un eje consiste en un tubo, por el que circula el líquido que se desea calentar, y que se encuentra ubicado delante de una superficie parabólica reflectante. La energía reflejada por el elemento parabólico incide sobre el tubo (de longitud que puede llegar incluso a los 100 metros) y cuya concentración es cincuenta veces superior a otro sistema similar sin lentes, permitiendo temperaturas no inferiores a 100 grados centígrados, pero que pueden llegar a alcanzar los 350. El tubo debe ser fabricado con un material muy selectivo (generalmente óxido de cobre sobre níquel). Los espejos se construyen con vidrios bajos en contenido de hierro o con metales esmerilados de gran pureza, para proporcionar el máximo de rendimiento.

El sistema de colector de un eje precisa que la superficie perpendicular de la parabólica esté siempre posicionado hacia la máxima radiación del Sol. Para ello se disponen sistemas asados en ordenadores, que utilizan sensores de posición y servos, para mover el conjunto y mantenerlo siempre orientado hacia el Sol.

El detector de posición consiste en una serie de fotodiodos o fototransistores, que generan una corriente eléctrica proporcional a la luz que les incide. Si la iluminación decae, la señal eléctrica emitida por el

detector decaerá también, entonces el ordenador activará los motores de posición para modificar y reorientar el colector hacia el punto de mayor radiación del Sol. Este sistema, al ser de un único eje, solo permite el seguimiento del Sol de Este a Oeste, es decir, desde que nace hasta que se oculta, pero no de Norte a Sur. Este problema se acrecienta cuanto más nos alejemos del Ecuador.

El problema del colector de un eje radica en que el Sol se mueve realmente en dos ejes, uno Este-Oeste y otro Norte-Sur. El eje Este-Oeste es diario, y puede ser seguido con el colector de un único eje. Sin embargo, conforme nos alejamos del Ecuador y según la estación del año, desde nuestro punto de observación el Sol acusa más el movimiento sobre el eje Norte-Sur. Para poder corregir esta variación se han diseñado los colectores de dos ejes, que realizan un seguimiento del Sol sobre ambos mediante dos motores, el de acimut y el de elevación, todo ello situado sobre una torre vertical. El sistema presenta complejidades mecánicas que no compensan el rendimiento obtenido, por lo que son poco utilizados.

En general, los sistemas de colectores solares con concentración permiten únicamente aplicaciones para calefacción, y en todo caso pequeñas turbinas para generación de energía de energía eléctrica. No posee suficiente potencia para convertirla en energías mecánicas de importancia; para este caso existen otros métodos mas sofisticados de concentración, como los Hornos solares de torre central.

Horno solar de torre central

El horno solar de torre central es un sistema más complejo de colector solar con concentración. Con esta tecnología se pueden conseguir elevadas temperaturas, del orden de 2000 grados centígrados, con los que se puede obtener energía calorífica aplicable a la transformación en energía mecánica, que no pueden realizar otros sistemas de concentración más sencillos.

El dispositivo consta de una torre central de altura comprendida entre 60 y 100 metros, el cual aloja el horno solar en su parta más alta. La base de la torre posee una columna vertical en la que se encuentran situados un conjunto de heliostatos (paneles reflectantes de entre 20 y 50 metros cuadrados de superficie), que son orientados en acimut y elevación mediante unos servos. El número de paneles varía entre 100 y 300, pero en determinadas instalaciones llegar a los 2000 elementos. Pueden ocupar una superficie de terreno de una hectárea.

Sistema de horno solar. Se pueden observar los heliostatos iluminando el horno en su parte superior

La orientación de los paneles reflectores se encarga a un ordenador que determina el ángulo que deberá tomar cada uno de ellos, dependiendo de la incidencia de la luz en su superficie; de esta forma todos los heliostatos proyectan el máximo de luz sobre la zona de la torre donde se encuentra ubicado el elemento a calentar.

Detalle de un heliostato

El horno puede trabajar como receptor-evaporador, que es el modo más habitual, haciendo hervir el agua para producir vapor que se aplicará a las palas de una turbina generadora de energía eléctrica.

Otro modo de funcionamiento es el de receptor de fluidos líquidos como sodio y potasio, que por sus características pueden ser fusionados a baja presión; este sistema obliga a tomar alguna precaución en el manejo de las sales. 

Finalmente, el modo de funcionamiento de mayor rendimiento, aunque con variaciones de temperatura muy peligrosas para el dispositivo, es el de receptor de aire, mediante el cual se calienta aire a altas temperaturas que mueven una turbina de gas.

El horno solar es el sistema de colector solar por concentración, más adecuado para la generación de energía eléctrica de elevada potencia, tiene capacidad para proporcionar potencias del orden de los megavatios, esto los hace especialmente apropiados para aplicaciones industriales.

Diagrama de un horno solar de torre central

A pesar de que este sistema mejora su rendimiento con respecto a otros colectores de concentración y fotovoltaico, gracias a que a mayor superficie crece aritméticamente sus prestaciones, tiene por el contrario una menor fiabilidad, debido al gran número de heliostatos que precisa controlar (que actúan independientemente mediante su propio sistema) y por tanto a su mantenimiento

Energía eólica

El viento es un movimiento del aire desde áreas de presión más altas, hacia áreas de baja presión. Estas diferencias de presión son causadas por diferencias de temperaturas.

Generalmente, las temperaturas más frías desarrollan presiones más altas, debido al aire fresco que se desplaza en dirección a la superficie de La Tierra. Las bajas presiones se forman por el aire caliente que se irradia desde la superficie terrestre. En resumen, el viento se produce al existir una variación de temperatura entre dos puntos.

Molino de eje horizontal de dos palas. (para más información sobre los generadores de este tipo véanse los artículos: Generadores eólicos)

La existencia de viento pone a nuestro alcance una energía totalmente renovable, la energía eólica, aunque siempre estaremos a merced de su variabilidad, lo que nos obligará en muchos casos a disponer de otras fuentes alternativas para poder mantener un régimen continuo de consumo.

Campo de generadores eólicos

La energía eólica es de las más antiguas empleadas por el hombre. En sus inicios el viento solamente era utilizado para ser transformado en energía mecánica, tales como extracción de agua o en molinos de harina. Hoy día su aplicación más extendida es la generación de electricidad, ya que ésta puede ser fácilmente distribuida y empleada en la mayoría de fines.

Diseño de un generador eólico

Para el diseño de un generador eólico se precisa valorar determinados parámetros. En primer lugar hay que determinar la ubicación; es necesario tener en cuenta que la potencia obtenida varía con respecto al cubo de la velocidad del viento. Por tanto, el mayor rendimiento se obtendrá en los lugares de mayor velocidad (aunque una velocidad constante mejora ese rendimiento). Además, la velocidad aumenta con la altura, mientras que las zonas con obstáculos interfieren y alteran su potencia y dirección.

Otro punto de importancia radica en la estabilidad que presente el viento; dado que se pueden presentar situaciones de variaciones imprevistas que harían arrancar y parar el molino alternativamente, se diseñan con ciertas características de aprovechamiento, que dependen del régimen máximo y mínimo de rotación. Por ello, por debajo del régimen mínimo el sistema dejará de generar energía, pues podría darse el caso que la que generase fuese inferior a la que consumiese, dando un rendimiento negativo.

Típico molino de harina en Lanzarote (Islas Canarias)

Por su parte, un régimen excesivo no generará mayor energía, con objeto de mantener la máxima linealidad; este hecho es evidentemente un desperdicio de energía, que se descarta en favor de la máxima estabilidad del sistema. En caso de niveles de viento excesivo, el molino suele desactivarse para evitar que el esfuerzo de los dispositivos terminen por destruirlo.

Empleo de los generadores eólicos

Los generadores eólicos se emplean generalmente para la producción de energía eléctrica, tienen además la ventaja de que su potencia puede aumentarse incrementando también la velocidad de giro de su rotor; ello mejora el rendimiento, pues estos generadores precisan muy poca fuerza para funcionar. Sin embargo, si el uso a que se le destina es el de generar potencia mecánica, por ejemplo en la extracción de agua u otros sistemas hidráulicos, entonces es preciso reducir la velocidad, lo cual no resulta un problema, ya que se ve compensado por una mayor potencia transmitida y por tanto un mayor rendimiento.

ependiendo de su diseño, los generadores eólicos se dividen en dos grupos: molinos de eje horizontal y molinos de eje vertical. No obstante, su estructura básica consta de un rotor, unas palas, y un sistema de aprovechamiento de energía, que depende de la aplicación que se le vaya a dar: generador eléctrico, bomba hidráulica, etc.

En el diseño de cada uno de los elementos descritos intervienen ciertos parámetros, que se deben tener en cuenta para cada tipo de generador, ejemplo: número de palas, longitud, velocidad de giro, etc., todo ello con objeto de aprovechar al máximo la fuerza del viento.

Molinos de eje horizontal

Los molinos de eje horizontal son los más populares y extendidos, además de ser los mejor estudiados, siendo el sistema que mejor rendimiento proporciona. Ocupan poca superficie de terreno en comparación con otros sistemas para la misma potencia dada.  Consisten en una hélice enfrentada al viento sustentada en lo alto de una torre. El sistema de rotor puede ser del tipo rueda de bicicleta y de hélice.

Rotor de rueda de bicicleta

El rotor de de rueda de bicicleta dispone de un gran número de palas de poco peso que presentan una superficie de alta resistencia al viento, todas ellas con forma plana y fijas a una rueda exterior con eje central. La velocidad de este tipo de rotor sin multiplicación es superior al de tipo hélice, a igualdad de revoluciones permite obtener mayor energía gracias a la gran superficie que expone al viento; de todas formas esa energía es limitada por el poco peso de la estructura, que impide instalar generadores de potencias superiores al kilovatio.

Molino de eje horizontal con rotor de rueda de bicicleta

Rotor de tipo hélice

Por su parte, el rotor de tipo hélice utiliza solamente dos o tres palas pero mucho más grandes que los de tipo rueda de bicicleta. Con estas palas se alcanza una velocidad inferior, sin embargo el par de fuerzas es mayor  y admite multiplicación, debido a que el viento ejerce una fuerza constante al tener mayor dimensión. Para soportar esa fuerza se diseñan palas pesadas y sistemas multiplicadores que permiten menores velocidades de giro. El mejor rendimiento se suele obtener con una relación de giro 1/60, es decir, por cada vuelta de las palas se producen 60 vueltas del generador.

Molino de eje horizontal con rotor de hélice de tres palas

El generador eléctrico acoplado a este tipo de rotor y la energía que suministra depende de las características de éste. Con palas de dos o tres metros se pueden alcanzar potencias de 10 kilovatios. Con palas de 10 metros y torre de 30 (el modelo más extendido), se puede llegar a los 100 kilovatios. El modelo de más potencia, con palas de 30 metros puede alcanzar el megavatio, aunque de esta potencia en adelante se torna un sistema tecnológicamente complejo, resultando inviable económicamente.

Molinos de eje vertical

os molinos de eje vertical disponen el eje de giro verticalmente, mientras que las palas se mueven en un plano horizontal a su alrededor.

Posee un diseño crítico, pues con esta orientación cuando las palas son empujadas para que se produzca el avance, también son frenadas por la parte trasera otras palas que se aproximan al viento. Así pues, el diseño de la pala debe realizarse de forma que sea capaz de captar el máximo viento por su parte delantera, mientras que por la trasera ofrezca la mínima resistencia posible. Los diseños más utilizados son el rotor Savonius y el rotor Darrieux.

Rotor Savonius

El modelo de rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual su dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S; las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que girarán en el sentido que menos resistencia ofrezcan.

Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobrepresión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que se exista un flujo de aire.

Molino de eje vertical

Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, solo puede ser utilizado a bajas velocidades. El uso para generación de energía eléctrica precisaría de multiplicadores de giro que reducirían el rendimiento. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el bombeo de agua.

Rotor Darrieux

Por su parte, el rotor Darrieux consta de una finas palas con forma de ala de avión simétrica, que están unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje. El modelo de curva más utilizado es el denominado Troposkien, aunque también se utiliza la catenaria.

Este rotor presenta el problema de que no puede arrancar por sí mismo, teniendo que emplearse un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas. Permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las de un rotor de eje horizontal; de todas formas ya es útil para la generación de energía eléctrica.

Los molinos de eje vertical tienen la ventaja de que no precisan dispositivos de orientación, ya que pueden captar el viento que provenga de cualquier dirección, simplificando la maquinaria y evitando averías. Esta característica de captación omnidireccional, le permite ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, reduciendo costes.

Alternativas centrales mereomotrices

os océanos albergan energías de nivel incalculable que apenas aprovechamos. Realmente, sólo existe una cuarta parte del planeta que no está cubierta de agua, las otras tres partes guardan recursos energéticos de gran valor si supiéramos aprovecharlas; y no sólo de tipo energético, también recursos animales, minerales o vegetales.

Se estima que en el siglo XXI la mayor parte de la energía que consuma la humanidad será extraída de los océanos. Actualmente apenas está explotada; las investigaciones se centran sobre todo en las mareas y el oleaje, tanto una como otra ofrece expectativas, no en vano son fuentes permanentes con gran potencial y además 100% renovables, aunque es la energía por mareas la que podría dar el mejor rendimiento con menores complicaciones técnicas.

Porqué se producen las mareas

Las mareas es el primer punto de atención de las posibles energías marinas explotables. Como se sabe, son producidas mayormente por la Luna debido a la atracción que su masa y proximidad a la Tierra ejerce sobre todos los objetos que ésta contiene. Sin embargo, el agua por su fácil movilidad es afectada en mayor medida, provocando la elevación del nivel del mar cíclicamente en aquellas regiones de la Tierra por donde pasa nuestro satélite, que según el punto geográfico puede ser de sólo unos pocos centímetros hasta varios metros; la inclinación de la Tierra también afecta a estas variaciones. Durante todo el año se produce el ciclo de las mareas (dos pleamar y dos bajamar cada 24 horas) y son perfectamente predecibles.

Cómo se aprovecha la energía de las mareas

La tecnología para aprovechar las mareas se basa en el sistema utilizado en los embalses de los ríos. Como se sabe, estos embalses se ubican en lugares apropiados para almacenar el agua a la mayor altura posible, de forma que millones de litros de agua obligue a salir a ésta por un único orificio practicado en la parte mas baja del embalse, produciéndose un chorro a gran presión que mueve las palas de una turbina para generar energía eléctrica. Este sistema es sumamente eficaz y es utilizado generalizadamente, aunque genera otros problemas

de carácter social y ecológica, como los desplazamientos de población allí donde se ubique, o la inundación de zonas que puede albergar recursos naturales de importancia.

La tecnología para aprovechar las mareas se basa en el sistema utilizado en los embalses de río

Por su parte, los embalses construidos en el mar, denominados centrales maremotrices, pueden ser una alternativa ideal con menor coste ecológico. El sistema, como se dijo, se basa en una variante del descrito para los embalses de los ríos. El objetivo es retener el agua de las mareas cuando comienzan a subir, y mantenerlas cuando comiencen a descender hasta que hayan alcanzado su mínimo. La energía potencial del agua acumulada es empleada para mover las turbinas, al estilo del embalse de río, haciéndolas pasar por un conducto estrecho que le da una alta presión.

Embalse de una central maremotriz

Cómo se aprovecha la energía de las mareas (continuación)

xisten algunas diferencias técnicas entre las centrales maremotrices y las de río. En las de río se utilizan lugares que permiten

concentrar el agua, y considerables alturas para darle presión con un menor espacio de terreno.

En las maremotrices, sin embargo, la altura está determinada por el máximo nivel que adquiere la marea, porque una altura mayor sería absolutamente inútil. Para compensar este problema, se edifican los embalses en anchura, con objeto de disponer de un volumen potencial similar; esto implica realizar construcciones de varios cientos de metros de ancho.

Ilustración de las turbinas de una central maremotriz

La instalación maremotriz pose una serie de compuertas accionadas por motores gobernadas desde una central, que permiten inundar los embalses cuando la marea sube. Cuando ésta ha llegado a su límite superior las compuertas se cierran reteniendo el agua en su interior, el cual es soltada durante la bajamar a través de unos conductos mucho más pequeños que le inciden alta presión, y en el cual se encuentran instaladas unas turbinas generadoras de electricidad.

Lógicamente, en estos embalses al existir menor altura, según el principio de Pascal el agua saldrá a menor velocidad que en un embalse de río, sin embargo esta compensado por la superficie, que al ser mayor permite instalar también un número superior de turbinas, que combinadas pueden igualar a la energía producida por el embalse de río, e incluso superarla, pues así como en un río estamos limitados por la altura máxima que podríamos construir, en el mar esta limitación sólo la marca el coste de las instalaciones.

La energía de las olas

Otra forma de energía marina que podría ser aprovechable es la del oleaje, aunque todavía en estudio. El principio para su explotación estaría centrado en la disposición de una gran red de boyas flotantes, los cuales tendrían la facultad de girar alrededor de unos ejes fijos. Cuando el oleaje golpease estas boyas las empujaría hacia atrás, recuperando por si mismas la posición inicial cuando la ola hubiese pasado. Cada

boya tendría acoplado un generador que aprovecharía el movimiento de la boya para convertirlo en electricidad.

Así como la central maremotriz tiene excelentes expectativas, el sistema de oleaje presenta dificultades, algunas de importancia. Hay que tener en cuenta que el oleaje no es un fenómeno estable; además, por debajo de determinado nivel de olas la generación de energía podría ser nula. El mismo problema podría darse por exceso, si la amplitud de las olas es excesiva podría dañar los dispositivos. Estas limitaciones no permiten pensar en una aplicación práctica, por lo que cabe estimar que solamente tendría interés en determinadas zonas, donde existen condiciones estables para su utilización.

Centrales maretermicas

n noviembre de 1926, el ingeniero francés Georges Claude, presentó en la Academia Francesa un pequeño experimento que demostraba la posibilidad de aprovechamiento de la energía térmica del mar. En un recinto en el que se había producido un alto vacío, Claude introdujo agua a 25º C. que se evaporó, obteniéndose vapor a baja presión que se condensaba en otro recipiente en el que se había introducido hielo, y unido al primero a través de un tubo. La corriente de vapor al circular por el tubo de unión hacía girar una pequeña turbina acoplada a un minúsculo generador eléctrico, produciéndose una corriente que permitió encender una pequeña lámpara.

Claude proponía, basándose en este experimento, construir una central de energía eléctrica aprovechando la diferencia de temperatura entre las capas superficiales y las profundas del mar, que se presenta en las zonas cálidas, tropicales y, sobre todo, ecuatoriales. Dicha diferencia, que puede alcanzar los 22º, puede aprovecharse en la forma demostrada por Claude, es decir, evaporando en una cámara de vacío el agua de mar superficial relativamente caliente y condensando a baja presión el vapor producido, en un condensador refrigerado por las aguas frías (a unos 4 a 6º C.) de las capas profundas del mar. Basta intercalar en el conducto de unión, entre evaporador y condensador, el grupo turbogenerador para disponer de una central maretérmica.

Claude, en colaboración con Boucherot, proyectó primero la central maretérmica piloto de 50 Kw., que se construyó en Ougrée, Bélgica. Se puso en marcha el 28 de abril de 1928 utilizando el agua de refrigeración de los hornos altos con una diferencia de temperatura de 20º y con un rendimiento del 75%. La central funcionó perfectamente y quedó demostrada la efectividad del principio a escala industrial. En vista de ello, el paso siguiente fue la construcción de una central mayor en la costa de Matanzas, isla de Cuba (1929-30). Si bien no había problema en la captación del agua caliente de la capa superficial, presentó

dificultades insospechadas al transporte y fondeo de los tubos de gran diámetro para la captación del agua fría de las profundidades. En efecto, para lograr captar agua suficientemente fría la tubería debía extenderse hasta unos 4 Kilómetros mar adentro. Una y otra vez debía repararse las tuberías al ser rotas o despedazadas por las tempestades, de manera que, a pesar de unas premisas excelentes para el éxito, se tuvo que abandonar la explotación de la central por dificultades de orden financiero.

Diagrama de la central maretérmica Claude-Boucherot:1-bomba de aspiración de agua caliente superficial; 2-evaporador; 3-conducto de vapor; 4-turbina; 5-generador; 6-condensador; 7-bomba de aspiración del agua fría del fondo; 8-tubería de aspiración de agua fría; 9-tubería de salida del agua condensada

Claude no se arredró por el fracaso, y en años posteriores realizó un nuevo ensayo, utilizando esta vez una central maretérmica flotante, instalada en un buque. Fondeado frente a la costa africana, evitaba el inconveniente del largo tubo de captación de agua fría que presentaba una central sobre la costa, ya que en el caso de central flotante dicho tubo pende verticalmente del buque hasta llegar a la capa fría del fondo, reduciéndose así su longitud al mínimo.

Los ensayos también confirmaron la bondad del sistema y se llegó a establecer el proyecto de una gran isla flotante como soporte de la central meretérmica. La ventaja evidente era la de poder escoger para su fondeo el punto de mayor diferencia de temperatura entre capas superficiales y profundas del mar y, por consiguiente, asegurar un rendimiento máximo.

a Segunda Guerra Mundial interrumpió el desarrollo del proyecto de central maretérmica flotante que, por otra parte, presentaba la incógnita de la resistencia de una isla flotante de esa naturaleza a los embates del mar. No obstante, después de la ocupación de Francia por los alemanes,

el Ministerio Francés de Ultramar encargó al Centre National de la Recherche Scientifique, que estudiara las posibilidades industriales del sistema Claude y como consecuencia del informe se creó la compañía Energie des Mers. Esta compañía estudia los emplazamientos más adecuados en la costa de las colonias francesas africanas para una central maretérmica y en 1948 determina que Abidjan es el punto que interesa.

Situada en la Costa de Marfil, en plena zona ecuatorial, con agua superficial a 28º C., Abidjan presenta la particular característica de que a 4 kilómetros de la costa se halla el llamado Trou sans Fond, de 468 metros de profundidad, con agua a 6º C. La diferencia de temperatura, o sea 22º C., es el máximo que prácticamente puede alcanzarse.

También en este proyecto se prevé como máxima dificultad el fondeo del tubo de captación de agua fría, de 2,5 metros de diámetro. Por ello, se establece un plan de ensayos en los que se utilizarán hombres-rana, cuya técnica se ha puesto a punto durante la guerra, para el acoplamiento submarino mediante juntas de goma, de los distintos tramos del tubo.

Los ensayos se realizaron primero con secciones de 50 m. y después de 150, en la costa francesa de Brest, entre 1946 y 1954, poniéndose a punto la técnica de fondeo y acoplamiento submarino. En 1957 se logró fondear a gran profundidad con pleno éxito el primer tramo de tubería. Podía, pues, pasarse a la realización del proyecto de central maretérmica de Abidjan, cuyas características eran las siguientes:

a. Dos grupos generadores de 5000 Kw. de potencia deberían suministrar la energía necesaria.b. El conjunto evaporador-turbina refrigerada de cada grupo, iba ubicado en un recipiente estanco en forma de esfera achatada de 26 metros de diámetro y 14 de altura. Para poder resistir la presión exterior las paredes deberían ser de chapa de acero de 2,5 cm. de espesor, capaz de resistir presiones de hasta 10.000 kp./m2.

c. El evaporador circular se hallaba dispuesto en la parte superior del recinto y al mismo llegaría el agua caliente de la superficie.

d. La corriente de vapor engendrada accionaría una turbina de 8 m. de diámetro, de eje vertical y que gira a 600 r.p.m., arrastrando al generador situado sobre el recipiente el vapor de condensación que se halla en el condensador circular inferior, al que llega el agua fría del fondo.

e. La potencia disponible, una vez descontado el propio consumo de la central, en especial el accionamiento de las bombas de captación del agua fría, hubiera sido de unos 3.500 kilovatios pro grupo.

Un aprovechamiento secundario de esta central habría podido ser la instalación desalinizadora, calculándose que con adecuados condensadores de superficie se habrían obtenido hasta 7.000 ton. de agua dulce cada veinticuatro horas. No obstante lo avanzado del proyecto, la disgregación del imperio colonial francés, y el alcanzar su independencia la Costa del Marfil por un lado, y el progreso de las centrales nucleares por otro, dieron lugar a la suspensión de los trabajos abandonándose la construcción de centrales maretérmicas.

Con la decadencia de la energía nuclear de fisión, salvo que la de fusión tuviese visos de hacerse realidad, las centrales maretérmicas son opciones factibles que tal vez algún día haya que retomar.

Central eólico solar

ste sistema, también llamado columna ciclónica artificial, utiliza realmente la energía del Sol para transformarla en viento, por lo que podría definirse como un sistema de energía solar.

Ilustración de una central eólico-solar

El dispositivo consta de una columna hueca de entre 100 y 200 metros de altura, denominada columna Venturi (similar a una chimenea), alrededor de la cual se extiende una cubierta de plástico transparente cubriendo una basta superficie de terreno. Dentro de la columna, en su parte superior, se instala un rotor cuyas palas serán movidas por las corrientes de aire caliente que ascenderán por la columna.

Cómo funciona

Para que el sistema funcione se precisa que primero se forme el efecto invernadero bajo la cubierta de plástico, por efecto del caldeamiento que produce el Sol. Como el plástico es opaco a los rayos infrarrojos de las

moléculas del aire caliente, éste no puede escapar al exterior a través de el, generándose una considerable temperatura en su interior.

Puesto que la única salida del aire es a través de la columna, y que éste tiende a ascender cuando está caliente, se produce un efecto ciclón al moverse grandes cantidades de aire a gran velocidad a través del estrecho tubo que forma la columna, haciendo girar el generador que se encuentra en su parte superior.

Valoración de los pros y contras de este sistema

Este sistema es realmente simple, proporcionando gran fiabilidad, pues solamente utiliza una pieza móvil, la del generador eléctrico de la columna, que no precisa además ningún tipo de orientación hacia el sol, pues la iluminación se realiza sobre el plano horizontal del terreno. Sin embargo, para su efectividad se precisan grandes superficies de terreno, que permitan a su vez grandes volúmenes de aire; además de dotarse de una torre de considerable altura.

Este dispositivo puede proporcionar potencias del orden de los 100 kilovatios, pero con bajo rendimiento, pues para una potencia similar se puede disponer de otros dispositivos que precisan de superficies de terreno mucho menores.

Centrales geotérmicas

os sistemas geotérmicos aprovechan las fuerzas existentes en el interior de la Tierra para producir energía útil para el consumo.

El interior de la corteza terrestre alberga energías que se encuentran en constante movimiento, los terremotos son una manifestación de esas fuerzas, así como los volcanes activos, que liberan en la superficie de la Tierra el exceso de energía que se mueve en su interior. La zona del interior de la tierra donde se producen esas fuerzas se encuentra aproximadamente a unos 50 km. de profundidad, en una franja denomina sima o sial.

Los volcanes son la manifestación en superficie de las energías geotérmicas que se desarrollan en el interior de la corteza terrestre

En el Timanfaya (Lanzarote-Islas Canarias), las altas temperaturas superficiales pueden observarse a simple vista

Conforme se desciende hacia el interior de la corteza terrestre se va produciendo un aumento gradual de temperatura, siendo ésta de un grado cada 37 metros aproximadamente. No obstante, existen zonas del nuestro planeta donde las altas temperaturas se encuentran al nivel de la superficie, donde las instalaciones geotérmicas podrían ser más rentables.

Cómo se aprovecha esta energía

Para aprovechar esas temperaturas se utilizan sistemas de tecnología similar a las empleadas en la energía solar aplicadas a turbinas: calentamiento de un líquido con cuya energía se hacen mover las palas de un generador eléctrico.

Los sistemas geotérmicos son considerados como los más prácticos, tanto por el rendimiento como por el mantenimiento. La única pieza móvil de estas centrales se reduce a la turbina, lo que mejora la vida útil de

todo el conjunto.Otra característica ventajosa se refiere a la fuente de energía utilizada, ésta se encuentra siempre presente y suele ser constante en el tiempo, con apenas variaciones.

Cómo funciona

Básicamente, una central geotérmica consta de una perforación realizada en la corteza terrestre a gran profundidad.Para alcanzar una temperatura suficiente de utilización debe perforarse varios kilómetros; la temperatura aproximada a 5 kilómetros de profundidad es de unos 150º centígrados.

Central geotérmica de Brawley, California

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Cómo funciona (continuación)

l funcionamiento de una central geotérmica se realiza mediante un sistema muy simple: dos tubos que han sido introducidos en la perforación practicada, mantienen sus extremos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor.

Por un extremo del tubo se inyecta agua fría desde la superficie, cuando llega a fondo se calienta y sube a chorro hacia la superficie a través del otro tubo, que tiene acoplado una turbina con un generador de energía eléctrica. El agua enfriada es devuelta de nuevo por el primer tubo para repetir el ciclo.

Ilustración de una central geotérmica

El sistema descrito es viable en lo que respecta a su construcción y perforación, no en vano las prospecciones petrolíferas se realizan a varios kilómetros de profundidad, sin embargo se presenta un problema relacionado con las transferencias de calor.

Inconvenientes de este sistema

Cuando el hombre diseña dispositivos para conservar o transferir calor, utiliza aquellos que tienen capacidades aislantes o conductoras, según las aplicaciones. Por ejemplo, los metales tienen menor resistencia a la conducción del calor, al contrario de la arena o la propia roca, que la conserva.

Este último caso es el que se presenta en una instalación geotérmica; la sima del interior de la corteza terrestre donde se encuentra el calor aprovechable,  no tiene la capacidad de conducir el calor, por ello cuando la central entra en funcionamiento y comienza a inyectar agua al interior de la sima, ésta se va enfriando ya que no es capaz de recuperar la temperatura a la misma velocidad que la consume, precisamente por la característica descrita de baja conducción de la roca. En la práctica este inconveniente impide el funcionamiento continuo de la central, ya que una vez que la sima ha cedido todo su calor, el sistema se detiene y es preciso esperar a que la roca recupere de nuevo su temperatura habitual.

Alternativas viables

A pesar del inconveniente descrito, que impide su aplicación a gran escala, existen zonas cuyas características geológicas especiales permiten un mejor aprovechamiento, ejemplo de determinadas islas del archipiélago canario, donde se pueden encontrar temperaturas de cientos de grados a muy poca profundidad, lo que permitiría distribuir instalaciones horizontales con pocas inversiones en prospección, ya que todo el subsuelo tiene características geotérmicas.

Las centrales geotérmicas reproducen en cierto modo la actividad natural de los geisers

En cierto modo una central geotérmica reproduce el funcionamiento natural de los géisers; en ese caso el agua se introduce por las rendijas del subsuelo, y al alcanzar las zonas caldeadas del interior de la tierra es llevada a ebullición, retornando al exterior por aquellos huecos  que le ofrezcan menor resistencia,  ofreciendo un espectáculo muy llamativo.

Los biocombustibles

a biomasa, o cantidad de materia orgánica que constituyen todos los seres vivos de nuestro planeta, es una fuente de energía renovable,pues su producción es infinitamente más rápida que la formación de los combustibles fósiles.

La biotecnología ha permitido que de la biomasa puedan extraerse combustibles absolutamente ecológicos; mediante su destilación, gasificación, hidrólisis o digestión aeróbica.

Proveedores de la biomasa

Los organismos fotosintéticos, tales como plantas y algas, proveen la mayor biomasa de la Tierra, con un volumen estimado cercano al 80% del total; algo menos de la mitad corresponde a los bosques y zonas arboladas. Para dar una idea de la ingente cantidad de biomasa agrícola y forestal que se produce anualmente mediante la fotosíntesis, basta decir que supone todo el consumo de energía del mundo multiplicado por 10, o 200 veces todo el volumen de alimentos dispuestos.

Biomasa destinada a una planta procesadora

Los organismos fotosintéticos marinos y terrestres convierten la energía del sol en materia orgánica de forma continuada, por tanto constituye una auténtica fuente de energía renovable.

La investigación de los biocombustibles

Con las demandas de los combustibles fósiles, decayeron vertiginosamente las investigaciones en materia de biocombustibles. Hasta entonces el biocombustible principal y más utilizado era la madera, tanto para su uso como fuente propulsora en vehículos de transporte, como para calefacción.

Antes de que comenzaran las demandas de combustibles fósiles, el principal biocombustible y más utilizado hasta entonces era la madera. En la imagen: un horno de leña para producir carbón vegetal

Asimismo, muchos vehículos utilizaban biocombustibles a base de metanol y etanol mezclado con gasolina. Solo las crisis surgidas en los sectores de combustibles fósiles en los últimos tiempos, ha permitido que se renueven las esperanzas y se comience a investigar de nuevo en este tipo de energías.

Un ejemplo de rentabilidad

El ejemplo más visible de como el biocombustible puede llegar a ser mas que rentable para nuestra maltratada naturaleza lo encontramos en Brasil, donde, desde hace muchos años, se produce etanol a gran escala a partir de melazas de caña de azúcar o pulpa de mandioca. Este biocombustible se mezcla al 20% con la gasolina que utilizan los automóviles, lo que supone un considerable ahorro en la factura de petróleo, además de una verdadera buena noticia para el medio ambiente, al ser éste un combustible que no emite residuos contaminantes a la atmósfera.

Técnicas para convertir la biomasa

Existen varias técnicas para convertir la biomasa en combustible. Cada técnica depende del tipo de biomasa disponible. Si se trata de un material seco puede convertirse en calor directo mediante combustión, el cual producirá vapor para generar energía eléctrica. Si contiene agua, se puede realizar la digestión anaeróbica (con ausencia de oxígeno) que lo convertirá en metano y otros gases; o fermentar para producir alcohol; o convertir en hidrocarburo por reducción química; y si aplicamos métodos termoquímicos podemos incluso extraer metanol, aceites, gases, etc.

Planta transformadora de biomasa de Anderson, EEUU

El método de la digestión es el más común, y con el que se obtiene el biogás. El proceso consiste en degradar anaeróbicamente la materia orgánica mediante microorganismos, o aprovechar directamente el que se produce en un vertedero controlado.

El digestor, que es la vasija hermética en donde se produce la degradación bioquímica, debe mantenerse a unos 50º C. para favorecer la actividad de los microorganismos. Entre 10 y 25 días se desarrollan tres fases principales: la hidrólisis, que favorece la acidez de la biomasa;

la acetogénesis; y la metanogénesis. El biogás obtenido (metano en su mayor parte) puede ahora ser empleado para generar energía eléctrica o mecánica mediante su combustión, sea en plantas industriales o para uso doméstico.

Energía nuclear

a los antiguos griegos indicaban la existencia de una partículas fundamentales, que actuaban como elementos constituyentes de la materia, prediciendo la existencia de unos átomos de diminuto tamaño, y enumerando una pequeña cantidad de diferentes tipos.

La palabra átomo (en griego "lo que no se puede partir") fue inventada por un hombre llamado Demócrito, que vivió en tiempos de Sócrates e Hipócrates (incluso fue amigo íntimo de éste último) en el 430 a.C. Para Demócrito, los átomos eran aquellas últimas partículas a las que no podemos reducir más en otras más pequeñas. "Todo está hecho de átomos unidos intrínsicamente -decía-, incluso nosotros los humanos. Nada existe aparte de átomos y el vacío".

Demócrito explicaba su teoría con el ejemplo de una manzana: "Cuando cortamos una manzana, el cuchillo tiene que pasar a través del espacio vacío que hay entre los átomos. Si no existiera ese espacio vacío, el cuchillo no podría penetrar en la manzana, al toparse con los átomos que no pueden partirse". Las conclusiones de Demócrito eran correctas en lo fundamental.

Hasta finales del siglo XIX no se descubrieron más datos sobre estos elementos, como el cálculo de su tamaño medio, que se estimó en 10-

8cm. de diámetro (cien millones de átomos linealmente en un centímetro). El peso se dedujo de su tamaño, aunque según la materia de que se trate pueden ser muy ligeros (ejemplo del hidrógeno) o muy pesados (ejemplo de la plata); de todas formas, un átomo de plata sólo pesa 10-24 gramos (cien mil trillones de átomos en cada gramo).

J. J. Thomson, junto a otros investigadores, descubrió en 1897 que los átomos no eran indivisibles como se creía, sino que podían ser separados en componentes más pequeños. Asimismo, descubrió la composición de los átomos y la existencia de unas partículas que orbitaban en la zona exterior denominadas electrones, cuya masa era mucho menor que la del núcleo; éste, por su parte, tenía carga positiva y su peso suponía casi la totalidad del átomo en conjunto. A pesar de que no fue capaz de determinar la composición del núcleo, quedaron sentadas las bases para posteriores investigaciones, las primeras de las cuales se centraron en la estructura del átomo.

El átomo consta de un núcleo de gran tamaño sobre el que flotan (orbitan) los electrones. Ernest Rutherford desarrolló en 1911 un modelo basado en un sistema solar en miniatura, en el que el núcleo era una estrella (un sol) y los electrones los planetas. La explicación de su teoría tenía sin embargo dos errores: que los electrones emitirían energía al girar, disminuyendo su velocidad y cayendo al núcleo; erróneo porque los electrones ocupan órbitas fijas. Otro error consistía en que los electrones podían saltar de una órbita a otra cualquiera alrededor del núcleo; sin embargo, se comprobó que los electrones sólo podían ocupar determinadas órbitas siempre iguales.

En 1911, Ernest Rutherford desarrolló una teoría del átomo basado en un sistema solar en miniatura

En 1913 Niels Bohr enunció una nueva teoría atómica para dar solución a los fallos de la teoría de Rutherford; consistía en un sistema con un pequeño núcleo alrededor del cual giraban los electrones, pero con órbitas que obedecían a ciertas reglas restrictivas. Según esas reglas, sólo podrían existir un número determinado de órbitas y cada órbita tendría un nivel de energía, por tanto el electrón que ocupase una órbita concreta poseería la energía correspondiente a esa órbita. Asimismo, un electrón no podría saltar de una órbita a otra, salvo recibiendo una energía adicional igual a la diferencia de energía de ambas órbitas; si un electrón cambiara de una órbita de energía superior a otra inferior, emitiría igual cantidad de energía en forma de onda electromagnética, que sería de espectro fijo para los mismos tipos de átomos (una especie de sello identificativo).

En 1913, Niels Bohr enunció una nueva teoría, hoy aceptada en líneas generales, que distribuía los electrones en capas de órbitas que poseían su propio nivel de energía. En la imagen, las tres capas de un átomo de cloro

a teoría de Bohr, a pesar de los adelantos en las explicaciones sobre la estructura de la materia, también contenía errores, aunque hoy es aceptada en líneas generales. Los electrones deberían emitir energía al girar alrededor del núcleo, invalidando que las órbitas fueran de energía constante. La teoría de la mecánica cuántica vino a solucionar estas interrogantes, mediante la enunciación del principio de la dualidad onda-partícula, por la cual toda partícula puede comportarse igualmente como una onda. Estas teorías y estudios fueron fruto del desarrollo y aportaciones de muchos y notables científicos como Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Planck, Louis de Broglie, etc.

La siguiente operación después de establecerse el sistema de las órbitas electrónicas, era determinar la estructura del núcleo. En estado normal un átomo no posee carga eléctrica, sin embargo, se observó que la carga del núcleo era positiva y siempre múltiplo de la carga del electrón; así pues, se concluyó que el núcleo estaba compuesto por un conjunto de partículas, cada una de ellas con igual carga que la del electrón, pero positiva; esas partículas fueron denominadas protones. Según este planteamiento, los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones para poder mantener una carga neutra, es decir, cargas negativas en los electrones iguales a cargas positivas en los protones. El hidrógeno posee un electrón en su órbita, por tanto posee igualmente un protón en su núcleo; se dedujo así que el peso del protón era aproximadamente dos mil veces superior al del electrón; sin embargo, esta medida no se corresponde con la de otros elementos atómicos. La incógnita de las masas quedó despejada en 1932 cuando James Chadwick, de la Universidad de Cambridge, descubrió un nuevo elemento en el núcleo cuando estudiaba las colisiones entre partículas a alta velocidad, al que se le denominó neutrón. Quedó así definitivamente determinada la estructura del átomo.

Átomo de hidrógeno

Átomo de helio

Átomo de litio

Para poder mantener una carga neutra, los átomos poseen el mismo número de protones en el núcleo que de electrones en las órbitas

El paso entre la determinación de la estructura de la materia y la teoría para la obtención de la energía nuclear por fisión lo dio Albert Einstein. Los experimentos sobre esta teoría demostraron que al bombardear un átomo pesado con otra partícula, las diversas partes en que se separaba el núcleo tenían en conjunto masas menores que la del núcleo original, liberándose por tanto una cantidad de energía. Si se aplicaba la fórmula de Einstein sobre la diferencia de masas, se observaba que los resultados eran coincidentes con los de la energía liberada.

Con el éxito en la ejecución de la teoría de Einstein se había encontrado una fuente de energía de enormes posibilidades, sin embargo en la práctica aún era inviable, el motivo era que experimentalmente siempre se consumía mayor energía que la que se producía. Estas limitaciones quedaron arrinconadas en 1939, cuando Lise Meitner y Otto Hahn descubrieron la facilidad con que podía ser partido el núcleo del uranio mediante un neutrón, el cual producía además otros tres neutrones que podían dividir a su vez otros núcleos, acelerando la propia radiactividad natural del uranio.

Superadas las limitaciones para generar energía nuclear aprovechable, en 1942 comenzó a funcionar en la Universidad de Chicago el primer prototipo de reactor nuclear, construido por Enrico Fermi. A finales de 1950 comenzaría una utilización práctica de esta energía para producir electricidad, con las primeras centrales nucleares de fisión.

La energía nuclear no sólo tuvo aplicación pacífica. Paralelamente a esa investigación se realizaban ensayos con fines bélicos. Cinco años antes de que se le diera a la fisión nuclear una aplicación práctica para la producción de energía eléctrica, fueron lanzadas dos bombas atómicas sobre las ciudades de Hiroshima y Nagasaki que causaron gravísimos daños, tanto en vidas humanas como materiales (véase el artículo El arma atómica).

La energía nuclear mediante la fisión de uranio supuso un paso tecnológico importante para la humanidad, pero con elevados costes ecológicos debido a los residuos radiactivos que produce, los cuales deben ser manejados con extremo cuidado, además de ser de complicado almacenamiento por el largo periodo de degradación que precisa. Véase el artículo: Los desechos radiactivos.

Los inconvenientes de la energía de fisión tienen su contrapunto en la energía de fusión. Esta técnica podría ser la solución a las demandas de una energía económica, ecológica y muy potente, aunque de momento en los experimentos siempre se ha consumido más energía que la que se produce.

La fusión nuclear consiste en la unión de varios átomos de pequeño tamaño (como el del hidrógeno) en otro de peso mayor; la energía que libera es muy superior a la que se obtiene mediante la fisión del uranio, cuyo átomo es muy pesado. Las grandes ventajas de este tipo de energía estriba en que, a diferencia del uranio, el hidrógeno es un elemento muy abundante en la naturaleza, además de que los residuos que produce pueden liberarse sin peligro alguno. Véase el artículo: La energía de fusión.

mediados del siglo XX se comenzaba a confiar en la energía nuclear como la fuente que traería consigo el fin de todos los problemas inherentes a la escasez de combustibles fósiles. La notable rentabilidad de la fisión nuclear traería consigo el abaratamiento de la energía eléctrica, y crearía expectativas de un futuro prometedor para el sector industrial, al no depender de recursos energéticos inestables o escasos.

En un principio, los grupos más preocupados por la conservación de los recursos naturales, que estaban siendo extraídos desenfrenadamente, sobre todo mediante minas de carbón a cielo abierto, veían en la energía nuclear el sustituto que permitiría la recuperación de la atmósfera, muy contaminada en aquellos momentos por los excesos en la utilización de los combustibles fósiles.

Aquella creencia de que el ser humano se encontraba ante una energía poderosa, demostrada sobradamente en el terreno militar, pasó de un estado de euforia inicial en la opinión pública, a las sospechas y reservas conforme se iban conociendo los riesgos que presentaban las centrales nucleares para los organismos vivos, no sólo en lo que respecta a la radiactividad presente en el proceso, sino también en los peligrosos residuos generados, y las complicaciones para su eliminación. Además, las temidas armas nucleares utilizaban el mismo tipo de materiales radiactivos (uranio 235 y plutonio 239); aquí, el riesgo de que los productos radiactivos se dispersen por la atmósfera, penetren en la tierra y contaminen acuíferos, o entren en las cadenas alimentarias, son evidentes; riesgo mucho menor en las centrales nucleares, que cuentan con grandes medidas de seguridad para evitar escapes radiactivos.

Los movimientos en contra de la energía nuclear han ido en constante aumento. Esa oposición organizada, cada vez con más apoyo social, ha llevado a muchos países con dependencia de este tipo de energía a establecer legislaciones específicas, o incluso a crear moratorias con vistas a eliminar la energía nuclear de sus programas.

La sociedad se encuentra especialmente sensibilizada con el tema de la energía nuclear. Un accidente en una de estas instalaciones es asumida inmediatamente como un asunto de primer orden ecológico y sanitario. A lo largo de la historia de esta energía han existido más o menos siniestros con mayor o menor fortuna, aunque dos de ellos han tenido especiales consecuencias. Se trata de los accidentes de la central de Three Mile Island (Pennsylvania) en 1979, y de la central ucraniana de Chernobyl (antigua Unión Soviética) en 1986. En la primera, por efecto de un error humano, se liberaron productos radiactivos del núcleo del reactor, aunque sólo una parte de ellos salieron al exterior; sin embargo, los daños materiales fueron cuantiosos. Este accidente fue el punto de partida para el establecimiento en todo los Estados Unidos de un buen número de normas y legislaciones, tendentes a la seguridad de funcionamiento y construcción de centrales nucleares. Las estrictas exigencias de estas normas en lo que se refiere a los costes de su puesta en práctica, llevaron incluso a varias compañías a abandonar sus proyectos.

El otro accidente, esta vez de graves consecuencias y que significó el inicio de una nueva etapa en la historia de la contaminación, la del "riesgo tecnológico a escala mundial", tuvo lugar el 28 de abril de 1986 en Chernobyl (Ucrania ). La noticia saltó a los medios de información a partir de una advertencia procedente de Suecia, según la cual se registraba un fuerte aumento de la radiactividad ambiental que debía atribuirse, dada la situación meteorológica reinante, a un posible accidente en la central nuclear soviética de Chernobyl, a 1500 km. de

distancia. La noticia fue confirmada por las autoridades soviéticas y la opinión mundial se enteró, con sobresalto, que tres días antes se había producido el peor accidente nuclear de la historia, en la citada central, que se encontraba a 120 km. al norte de la capital de Ucrania, Kiev, ciudad con una población de dos millones y medio de habitantes.

Como resultado de una serie de actividades humanas que no seguían las normas autorizadas, uno de los cuatro reactores de la central explotó y comenzó a arder. Se alcanzaron temperaturas de 1.500º C., y se generó una nube radiactiva que llegó a soltar su temida carga en los países nórdicos, que fueron los primeros en dar la voz de alarma.

Meses después, tras las contradicciones iniciales sobre el alcance real del accidente, se reconocieron 31 víctimas mortales y se emitieron informes que preveían hasta el año 2050 unos 5000 casos de cáncer, todos ellos directamente provocados por el accidente.

El accidente de Chernobyl demostró de manera incuestionable que la teoría del "riesgo mayor" (conocida en Gran Bretaña con la denominación major hazrds, para indicar aquellos riesgos tecnológicos susceptibles de afectar más allá de los límites de las instalaciones industriales) tomaba, en la década de 1980, una dimensión internacional que sobrepasaba el marco político de las fronteras de cualquier estado soberano.

Qué es la radioactividad...

a radiactividad es una energía que emiten ciertos cuerpos, sea espontáneamente (radiactividad natural) o provocada por una intervención externa (radiactividad artificial). Esta radiactividad tiene numerosas aplicaciones, tales como determinar la edad de los minerales, investigación biológica, tratamiento de enfermedades, técnicas de microanálisis, etc. Becquerel descubrió en 1896 que el uranio poseía la propiedad natural de emitir radiactividad, unos pocos años más tarde el matrimonio Curie logró aislar el radio, que era un millón de veces más radiactivo que el uranio.

En la radiactividad natural, como se ha dicho, determinados cuerpos tienen la capacidad de modificarse espontáneamente emitiendo radiación. Mayormente, los átomos que existen en la naturaleza son estables (la composición del núcleo no varía), sin embargo, una pequeña porción de ellos tienen una tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo, transformándose en otros elementos diferentes. Existe un tiempo de vida media de estos elementos que varía según de

cual se trate; por ejemplo, el del uranio 238 se estima en cinco mil millones de años y el del uranio 235 setecientos millones de años. Pero también existen elementos radiactivos de cortísima vida en comparación con los citados, como es el del estroncio 90 con 28 años, o el del tritio (isótopo del hidrógeno) con doce años.

Por su parte, la radiactividad artificial es la descomposición de los átomos por colisión con otras partículas atómicas. Para producir esta energía artificial es preciso bombardear intencionadamente el núcleo de un átomo de un determinado material. En las centrales nucleares de fisión ese material (o combustible) habitualmente utilizado es el uranio. La fisión (división) se produce cuando se golpea el núcleo del átomo de uranio con un neutrón a 16.000 km. por segundo. El resultado de esa división es la liberación de una energía veinte millones de veces más potente, que muchas de las energías provenientes de los hidrocarburos que utilizamos asiduamente en el hogar.

Pero la fisión no sólo libera energía, también se generan otros productos variados. Además de tres neutrones libres que pueden romper a su vez otros átomos, se producen otros elementos como estroncio, cesio, bario, xenon o kripton; todos ellos son también radiactivos.

La radiación que emiten los materiales radiactivos pueden dañar los organismos vivos. Todos los seres vivos están expuestos a mayor o menor radiación procedente de materiales que la emiten de forma natural. La unidad de medida de la radiación es el sieverts; un nivel normal (no nocivo) de radiación sobre un individuo puede ser 2 o 3 milisieverts (2 o 3 milésimas partes de un sieverts). En el caso del trabajador de una central nuclear, este nivel puede llegar a 4,5 milisieverts; un nivel de 5 sieverts le causaría la muerte.

La radiactividad artificial producida en una central nuclear que consiga superar las medidas de seguridad establecidas, o la liberada por efecto de la explosión de bombas atómicas, puede causar graves daños a los seres vivos incluso más allá de las fronteras del país donde se haya producido. Esa radiación puede precipitarse sobre la superficie terrestre en forma de gotas de lluvia tras condensarse en las nubes. El polvo radiactivo, antes de producir la lluvia, puede girar alrededor de la Tierra arrastrado por los fenómenos atmosféricos, e incluso precipitarse al cabo de meses o años.

Estructura de la materia

Para comprender cómo se desarrolla la energía nuclear, es preciso introducirse en la estructura de la materia y analizar la partícula más pequeña en que se puede subdividir, el átomo.

Químicamente, el átomo es la parte más pequeña de un elemento que puede intervenir en una reacción; cuando se encuentra en estado normal su carga eléctrica es neutra, es decir, posee el mismo número de electrones en las órbitas que protones en su núcleo.

El átomo es la parte más pequeña de un elemento que puede intervenir en una reacción

Si varios átomos interaccionan entre sí, forman entonces una molécula, en donde los respectivos electrones mantienen una serie de enlaces; estos enlaces pueden ser de tipo covalente, metálico o iónico.

Si varios átomos interaccionan entre sí forman una molécula

Estructura de la materia (continuación)

os enlaces que mantienen los átomos de una molécula pueden romperse mediante una fuerza externa; este hecho acarreará una liberación de energía, tal es el caso de la energía eléctrica, que se consigue precisamente forzando a los electrones a que salten de sus órbitas y busquen huecos en órbitas de otros átomos. Sin embargo, existen otras uniones que guardan energías mucho más potentes llamadas de atracción nuclear, se trata de la formada por los protones y neutrones del núcleo del átomo.

Los protones y neutrones del núcleo del átomo, mantienen una potente unión llamada de atracción nuclear. La rotura de esa unión (fisión) generaría una reacción nuclear

Para valorar la enorme potencia de esta unión, baste decir que es cien millones de veces más potente que la de los enlaces entre átomos. Así pues, si se consigue fisionar el núcleo del átomo, es decir, partir la potente unión de protones y neutrones del núcleo, se liberará la energía almacenada en esa unión; se producirá una reacción nuclear.

Para que se produzca energía mediante la fisión del núcleo, se precisa no obstante que se cumpla una condición: que la masas resultantes de la división sean inferiores a la masa inicial del átomo, en caso contrario la reacción no se producirá porque necesita absorber una gran cantidad de energía.

El uranio o el plutonio son los materiales utilizados generalmente en una central nuclear, la razón es su número atómico elevado, que permite la generación de energía al realizarse la división del núcleo. El uranio contiene isótopos, es decir, átomos con el mismo número de protones pero no de neutrones.

El uranio natural consta de 92 protones y tres isótopos distintos con 142, 143  y 146 neutrones. Para distinguir los diferentes tipos de isótopos se nombran por la suma de neutrones y protones de su núcleo; así, los diferentes isótopos del uranio natural se denominan uranio 234, 235 o 238. De los tres isótopos sólo el 235 es fisible, debiendo ser separado de los demás para utilizarlo como combustible nuclear. Por su parte, el uranio 238 una vez bombardeado con neutrones se transforma en plutonio 239, que sí es fisible.

En la fisión del uranio 235 se bombardea el núcleo con un neutrón, produciéndose cesio 140, rubidio 93 y 3 neutrones

Para fisionar el uranio se bombardea el núcleo con un neutrón, produciéndose cesio 140, rubidio 93 y 3 neutrones. Para que la reacción nuclear se mantenga, es preciso que la cantidad de átomos de uranio y su concentración sea superior a cierto límite, a partir de ahí se produce lo que se conoce como reacción en cadena. Esa cantidad y concentración mínima de átomos de uranio mínimos necesarios para que la reacción no se detenga se denomina masa crítica. Por encima de esta masa crítica se producen más neutrones de los que se necesitan, y por tanto la reacción se mantiene.

stablecer una reacción nuclear es en teoría relativamente sencillo, pero mantenerla en ciertos límites tiene ciertas complicaciones técnicas. Las dificultades que más preocupan vienen determinadas por razones de seguridad; hay que tener en cuenta que la reacción debe mantenerse dentro de unos límites seguros, de tal forma que no se detenga, y que tampoco aumente peligrosamente. Otro tipo de dificultades se presenta cuando se trata de transformar la energía que desarrolla la reacción, en otro tipo de energía que sea aprovechable, como es la energía eléctrica.

Para generar una reacción nuclear es preciso utilizar neutrones a velocidades adecuadas. Si se utilizan neutrones lentos se tiene más probabilidad de partir el núcleo de un átomo de uranio, que con neutrones rápidos. Para evitar altas velocidades de los neutrones es necesario emplear algún sistema que los frene, esto se realiza mediante un material que se denomina moderador. El moderador suele consistir en un tipo de material que absorbe la energía cinética de los neutrones, y por tanto reduce su velocidad que normalmente se establece en 16.000 kilómetros por segundo.

Trabajos de observación en una central nuclear

El material utilizado en la actualidad como moderador es el grafito de gran pureza, compuesto de átomos de carbono. Las primeras centrales nucleares utilizaban sin embargo lo que se denomina agua pesada, es decir, agua compuesta solamente por moléculas con átomos de deuterio. El deuterio es un isótopo del hidrógeno cuyo núcleo está compuesto por un protón y un neutrón (los átomos normales del hidrógeno contienen un único protón en el núcleo); extraer el deuterio del agua es muy lento y de gran complejidad, por encontrarse en en el agua en proporciones muy pequeñas.

Si un reactor nuclear no produce un nivel mínimo de fisiones se detendrá. Por otro lado, si las fisiones son excesivas se producirá la destrucción del reactor por sobrecalentamiento. La única forma de mantener la reacción sin que se detenga es, obviamente, logrando que se produzcan neutrones por exceso, por tanto habrá que estabilizar de alguna forma ese exceso para que la generación de energía sea aprovechable y segura.

El sistema utilizado para controlar las fisiones es mediante una serie de varillas construidas de acero al boro, los cuales tienen la capacidad de absorber neutrones. Así, dependiendo del estado de la reacción se van introduciendo un número determinado de varillas, y a una profundidad también determinada. Si existen neutrones por exceso se introducen más varillas para reducir el número de fisiones; si por el contrario el reactor tiene tendencia a detenerse, se van extrayendo las varillas para que un mayor nivel de neutrones generen más fisiones.

Para que la energía producida por una reacción atómica sea útil, es preciso convertirla en otro tipo de energía que a su vez pueda ser transportada. La energía nuclear no puede ser utilizada en sí misma, tal como se produce, sino que debe ser transferida mediante un elemento denominado intercambiador de calor. La necesidad de un intercambiador de calor estriba en que la energía cinética de las partículas fisionadas, no debe entrar en contacto directo con el receptor de esa energía, que

por seguridad tiene que ser independiente. El receptor de la energía suele ser una turbina cuyas palas reciben el calor transferido de la reacción nuclear, que a su vez mueven un generador eléctrico.

Como elemento de absorción del calor se suele utilizar un gas o líquido refrigerante, el cual circula entre las varillas de material radiactivo. El refrigerante además de absorber el calor de la reacción, mantiene la temperatura del núcleo para evitar sobrecalentamientos que podrían destruir el reactor. Posteriormente, el calor tiene que ser transferido al intercambiador (ya que el refrigerante está altamente contaminado por las radiaciones), que a su vez lo transfiere a otro líquido no contaminado que moverá las palas de las turbinas.

Básicamente, un intercambiador de calor funciona análogamente a como lo hace un calentador de gas; el agua que circula por el interior de un serpentín metálico es calentado por el aire caliente que se produce en el exterior al arder el gas. En este ejemplo de intercambiador, el aire caliente se transfiere a un elemento refrigerante, el agua que circula por el interior del tubo, sin existir contacto alguno entre ellos.

Como refrigerante de muchas centrales se suele utilizar agua pesada o un producto que pueda absorber neutrones (agua normal). El agua normal, además de ser utilizada para esa función, es también útil para detener la reacción en caso de necesidad.

El objetivo de todo este proceso no es otro que el de producir energía eléctrica, la cual será posteriormente distribuida hacia las industrias, hogares, etc.

Estructura básica de una central nucler

xisten diversos tipos de centrales nucleares aunque sus estructuras son básicamente similares.

El elemento principal de una central es el combustible. Se trata de unas largas varillas metálicas en cuyo interior se halla el producto reactivo, que según el tipo de central puede ser uranio 235 o plutonio 239.El motivo de ir envasados en varillas metálicas, se debe a la necesidad de darles cierta rigidez. El metal que los cubre es además permeable a los neutrones, pues sin ellos no se puede mantener una reacción.

Esquema básico de los módulos del reactor y generador de vapor

Un reactor nuclear tiene dificultades para mantener la reacción si los neutrones adquieren excesiva velocidad. Al fisionar un átomo se producen neutrones, pero éstos son muy rápidos, la posibilidad de que mantengan la reacción es cien veces menor que a bajas velocidades. Por ello se precisa un elemento que permita que los neutrones sean frenados; este material se denomina moderador.

El moderador adopta formas variadas. Puede ser un líquido, como el agua pesada, en el que se sumergen las varillas de combustible. También puede se sólido, como el grafito; en este caso es envasado en barras que se mezclan con las varillas de combustible; la intensidad de la reacción se controla introduciendo estas barras más o menos. Al bloque de combustible+moderador se le denomina núcleo del reactor.

Ilustración de un reactor nuclear

Un elemento importante para el núcleo del reactor es el refrigerante. Su misión es absorber el calor producido por la reacción, para posteriormente ser transferido a un circuito secundario (intercambiador de calor).

El refrigerante puede ser líquido o gaseoso; en caso de un líquido se sumerge el núcleo en él, y si es un gas se inyecta éste a alta presión por una serie de conductos dispuestos en el núcleo.

En cualquier caso, un intercambiador de calor (que impide que el refrigerante esté en contacto con la turbina) genera vapor de agua que se aplica a la turbina para producir energía eléctrica.

El reactor nuclear precisa un aislante que impida las fugas radiactivas (cubierta protectora). Consiste en una estructura (una campana) de hormigón de gran espesor que normalmente recubre núcleo y refrigerante, aunque en determinadas centrales puede rodear solamente el núcleo; en este último caso necesita ser una estructura de mayor espesor.

La cubierta protectora, además de evitar fugas de radiaciones gamma y neutrones al exterior, suele ser diseñada para proteger el núcleo de cualquier catástrofe ajena a la central, tales como terremotos, pudiendo soportar impactos de grandes proporciones sin partirse.

Tipos de centrales

artiendo de la estructura básica de central nuclear (véase estructura básica de una central nuclear), se construyen diferentes tipos de reactores.

Se diferencia en las características del refrigerante, moderador, forma de transferir la energía o simplemente la disposición del combustible.

Reactores PWR

Los reactores nucleares más utilizados en el mundo (alrededor de las tres cuartas partes) son del tipo PWR. El combustible utilizado es uranio enriquecido, y se emplea agua normal tanto para el moderador como para el refrigerante.

Diagrama de una central PWR

En una cuba con agua a alta presión se introduce el núcleo del reactor, que consta de dos placas metálicas donde se sujeta el soporte del combustible, consistente en varios cientos de varillas metálicas en cuyo interior se encuentra el uranio. Estas varillas son insertadas mediante unos motores por la parte superior. Todo el conjunto, incluido intercambiadores de calor y sistemas de control, se encuentra protegido por una cúpula de hormigón de notable grosor.

El agua del núcleo puede llegar a alcanzar 300 grados centígrados, por ese motivo se le mantiene a gran presión para evitar que se transforme en vapor de agua. Donde sí se forma vapor de agua es en el

intercambiador de calor, por donde pasa el agua calentada, que posteriormente moverán las turbinas.

Los problemas más relevantes de estas centrales están referidos al cambio de combustible y el sistema del refrigerante. Reemplazar el combustible implica parar la central durante varias semanas, al ser necesario sustituir todo el bloque a la vez. Por su parte, el sistema de refrigerante precisa unos controles de seguridad muy importantes ante cualquier posible fuga de del líquido. Hay que tener en cuenta que una fuga del agua refrigerante, que se encuentra a alta presión, produciría su transformación en vapor de agua en muy pocos segundos, y el núcleo se calentaría peligrosamente al perder refrigeración. Además, aunque el reactor se detendría al perder moderador (el agua refrigerante también actúa como tal), no impediría que siguiera calentándose. Como medida de seguridad en el caso de que se produjese una fuga, se dota al reactor de unos depósitos de agua complementarios, que inundarían el núcleo en el momento en que se produjera.

Reactores BWR

Otro tipo de reactor muy similar al PWR es el BWR, que utiliza un sistema que genera un mayor rendimiento, aunque en su defecto existe también un mayor riesgo.

En los reactores BMR, el combustible es introducido en el tanque por su parte inferior, al contrario que en los PWR. Asimismo, y como elemento más significativo, en este tipo de centrales el refrigerante sí se convierte en vapor, con lo cual es innecesario utilizar intercambiadores de calor, generándose más rendimiento (los intercambiadores de calor siempre sufren pérdidas), además de que el agua puede trabajar a menor presión. El riesgo estriba en que ese vapor, que se encuentra altamente contaminado, se utiliza para mover directamente las palas de las turbinas, y por tanto a mayor cantidad de circuitos por donde circula, mayor riesgo de que se produzcan fugas.

Otro punto de atención en lo que respecta a seguridad, es el balance de agua y vapor de agua que debe mantener el reactor; existe un factor crítico que debe ser controlado para evitar un sobrecalentamiento. Recordemos que el refrigerante utilizado es agua, por tanto si aumenta el vapor de agua será a costa de reducirse el nivel del líquido, lo cual acarrearía un sobrecalentamiento del núcleo del reactor que podría destruirlo. Para mantener el equilibrio se dispone dos cubas de agua; una bajo el reactor, la cual facilita que el vapor se condense; y otra sobre él que permitiría, en caso de necesidad, soltar agua en grandes cantidades.

Reactores AGR

as centrales con reactores nucleares tipo AGR son de diseño totalmente distinto a las PWR y BWR. Cuentan teóricamente con mejores características de seguridad.

Aunque el combustible utilizado es uranio enriquecido, se emplea sin embargo dióxido de carbono a alta presión como refrigerante, y grafito como moderador. Las varillas de combustible van insertadas en trescientos agujeros practicados en un gran bloque de grafito, lo cual implica que el moderador no pueda ser retirado como en otros tipos de reactor; este hecho es quizá el punto negativo de este tipo de central, pues si es necesario detener la reacción hay que extraer las varillas de combustible del núcleo. El dióxido de carbono utilizado como gas refrigerante, se mantiene a presión en el bloque de grafito, el cual absorbe el calor producido en la reacción.

Trabajos en una central nuclear

Todo el conjunto descrito se encuentra protegido por una gran envoltura de hormigón totalmente hermética, de grosor muy superior al de otras centrales, lo que minimiza las posibilidades de fugas radiactivas. De todas formas, en el supuesto de producirse una pérdida de refrigerante, la gruesa estructura de hormigón es capaz de absorber el calor durante el tiempo suficiente para que los sistemas de control detengan la reacción.

Aunque el reactor suele ser parado para efectuar la sustitución de combustible, en realidad esta central posee la ventaja de que las varillas de combustible podrían ser extraídas e insertadas en el núcleo de forma individual, permitiendo mantener el reactor en funcionamiento.

Reactores CANDU

Las centrales dotadas de reactores CANDU (de desarrollo canadiense), han competido con éxito con las centrales PWR y BWR.

La estructura de estas centrales consta de un tambor de acero denominado calandria, el cual acoge el moderador que consiste en agua pesada a baja presión. Todo este conjunto generador de energía se encuentra alojado dentro de una bóveda de hormigón.

Al igual que el moderador, el líquido refrigerante es agua pesada, que se le hace circular a través de unos tubos que atraviesan horizontalmente la calandria. Asimismo, dentro de los tubos se sitúan las varillas de combustible (uranio enriquecido). El líquido refrigerante que circula por el interior de los tubos, se encuentra sometida a una gran presión para evitar que se transforme en vapor de agua, incluso a temperaturas elevadas.

En el tambor se encuentran también otro tipo de conductos, mediante los cuales se pueden introducir varillas de control que absorben neutrones (los frenan), permitiendo actuar sobre la reacción en el supuesto de que se produjese una pérdida de líquido refrigerante. Al igual que en las centrales AGR, en este tipo de reactor la pérdida de refrigerante no implica pérdida de moderador, por lo que el mantenimiento de la reacción llegaría a sobrecalentar el núcleo finalizando con su destrucción, motivo por el que se disponen las varillas de control de emergencia.

La gran ventaja de este tipo de central radica en el rendimiento útil que proporcionan (hasta un 78%), mejorando las de su mayor competidora, las de tipo PWR, que sólo llegan a un 75%.

Reactores de enriquecimiento

Un reactor de enriquecimiento no se utiliza básicamente para generar energía con destino al consumo. El objetivo principal es el de producir combustible que pueda ser utilizado en otros reactores.

El combustible utilizado en estos reactores es uranio 238. Se trata de un isótopo del uranio no fisionable, al contrario del uranio 235 que sí se utiliza en los reactores convencionales.

El plutonio 239 es un material fisionable. Se obtiene bombardeando el átomo de uranio 238 con un neutrón, que al descomponerse (debido a su inestabilidad) se desprende de un electrón, transformándose en plutonio 239. A su vez, una parte del plutonio generado se fisiona al recibir el impacto de un neutrón, que a su vez origina otros tres neutrones. Una cantidad de ese plutonio es conservado como combustible para su utilización por otras centrales nucleares.

Estructuralmente, la central posee un núcleo de uranio y plutonio enriquecidos, que generan los neutrones para bombardear los átomos de uranio 238. Éste último se encuentra situado alrededor del núcleo del reactor en forma de varillas, y es el material que se enriquecerá absorbiendo neutrones, para posteriormente convertirse en el combustible útil.

Este tipo de reactores se denominan de neutrones rápidos, debido a que no disponen de moderador. Los neutrones a alta velocidad tienen mayor dificultad para producir fisiones, por este motivo es necesario concentrar mucha más cantidad de material para que se produzca la reacción, sin embargo tienen la ventaja de incrementar la producción de plutonio 239, que es la razón de funcionamiento de este tipo de reactores.

Un reactor de enriquecimiento produce temperaturas de funcionamiento de unos 500 grados centígrados, muy superior al de otras centrales nucleares, por ello precisa disponer de un sistema de absorción del calor, que a su vez no absorba neutrones, con objeto de no actuar como moderador (del que no dispone). Para ello se emplea sodio, que es sólido a temperatura ambiente, pero que se torna líquido a la temperatura de trabajo. En un tanque de sodio actuando como refrigerante se halla sumergido todo el bloque; el sodio cede su calor a un intercambiador de calor que también contiene sodio (el motivo de aislarlos es que el sodio explosiona con el agua) y de ahí se transfiere finalmente a un circuito de vapor de agua para su aprovechamiento.

El núcleo del reactor dispone de unos agujeros por donde se pueden introducir varillas de control, con objeto de detenerlo si fuera preciso.

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Historia de la central térmica

Prácticamente todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, energía solar térmica o de combustión de biomasa, así como algunas centrales de gas natural son centrales termoeléctricas. El calor residual de una turbina de gas puede usarse para producir vapor y a su vez producir electricidad en lo que se conoce como un ciclo combinado lo cual mejora la eficiencia. Las centrales termoeléctricas no nucleares, particularmente las de combustibles fósiles se conocen

también como centrales térmicas o centrales termoeléctricas convencionales.

La primera central termoeléctrica fue construida por Sigmund Schuckert en la ciudad de Ettal en Baviera y entró en funcionamiento en 1878. Las primeras centrales comerciales fueron la Central de Pearl Street en Nueva York y la Edison Electric Light Station, en Londres, que entraron en funcionamiento en 1882.

Estas primeras centrales utilizaban motores de vapor de pistones. El desarrollo de la turbina de vapor permitió construir centrales más grandes y eficientes por lo que hacia 1905 la turbina de vapor había reemplazado completamente a los motores de vapor de pistones en las grandes centrales eléctricas.

Sigmund Schuckert. Mecánico alemán fundador de la empresa que lleva su nombre, en la que se fabricaban instrumentos científicos y máquinas eléctricas de gran calidad.

Síntesis biográfica

Nació el 18 de octubre de 1846 en Nuremberg, Alemania.

Trayectoria científica

Se inició como mecánico en el taller de Heller y Compañía. Al final de su periodo de aprendizaje, viajó durante cinco años a Stuttgardt, Hannover, Berlín y Homburg. En mayo de 1869 se fue a América, donde trabajó cuatro años en Nueva York, Baltimore y Filadelfia. Conoció los trabajos que estaba realizando Edison, aún no muy conocido, y quiso seguir su línea de desarrollos eléctricos. En 1873 volvió a Europa con la intención de retornar a América, pero los sucesos se desencadenaron de otro modo. Al llegar a Nuremberg, sus amigos le convencieron de que montara una empresa, y así lo hizo, compró un taller y fundó la empresa que lleva su nombre, fabricando al principio instrumentos científicos. E incluso construyó una dinamo (inventada en 1870 por Gramme) que mejoró rápidamente. También siguió trabajando en el desarrollo de equipos para galvanoplastia.

En 1875 empezó a construir aparatos para alumbrado eléctrico por arco, casi a la vez que lo hacía Jablochkoff en París. En 1883, sus talleres daban trabajo a cien operarios, cifra que se duplicó tres años más tarde. La compañía Schuckert adquirió gran fama por la calidad de sus productos, de ahí, que tuviera numerosos contratos para la construcción

de centrales eléctricas y que la empresa llegase a tener 2.000 trabajadores en 1891.

En 1893 expuso en la Feria de Chicago unos proyectores especiales patentados por él que recibirían una mención especial del jurado. Desgraciadamente, murió antes de cumplir cincuenta años, sin embargo, dejó una empresa modelo en la fabricación de máquinas eléctricas, que se uniría en parte a la compañía Siemens a principio del Siglo XX para el desarrollo de la electrotecnia.

Muerte

Falleció el 16 de septiembre de 1895 en Alemania.

Aportes

Construyó una dinamo (inventada en 1870 por Gramme). Trabajó en el desarrollo de equipos para galvanoplastia.

En 1875 comenzó a construir aparatos para alumbrado eléctrico por arco.

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1.2- Bases teóricas:

1.2.1 Variable dependiente:

El Distrito peruano de Locumba es uno de los 3 distritos de la Provincia de Jorge Basadre, ubicada en el Departamento de Tacna, bajo la administración del Gobierno regional de Tacna, en el sur de Perú.

Historia

El distrito fue creado mediante Decreto s/n del 27 de junio de 1855.

Locumba es la capital de la Provincia Jorge Basadre, que fue creada el 21 de abril de 1988, en el primer gobierno del Presidente Alan García Pérez. Es considerado como un santuario en honor al patrón que la población venera, "El Milagroso Señor de Locumba".

El distrito de Locumba cuenta con una población total de 2 159 habitantes.1

Historia del Señor de Locumba

La indiferencia y la abulia pueblerina se sacudieron repentinamente con agitación violenta, rasgando la tradición monotonía de la paupérrima condición en que allá por el año de 1700 constituía lo que es hoy, el pueblo de Locumba, ubérrimo valle de prodigioso atractivo panorámico y privilegiada condición en el aspecto natural.

Era una mañana de radiante esplendor, justamente el 14 de setiembre, el viento parecía atronar de alegría en las cumbres, un sol rutilante avivaba el ambiente, los pajarillos que por designio de la naturaleza surcaban el espacio; le procuraban gracia especial al ambiente, dándole alegría además, con sus dulces y melodiosos trinos.

Acaso con la influencia divina intuían un acontecimiento que a breve paso estaba por presentarse dentro de los lindes de este agreste lugar, y efectívamente instantes después cuando era mayor la loca algarabía de las avecillas, repentínamente hizo su aparición un hermoso e inquieto mulo de color blanco que llevaba a cuestas como liviana carga, dos cajas debidamente liadas y cada una de ellas signadas con determintes rótulos, una decía; SEÑOR DE LOCUMBA y el otro SEÑOR PARA EL VALLE DE SAMA.

La novedad cundió en el lugar, cuando un humilde labriego servidor de un hacendado español avistó la acémila de tan llamativas condiciones, rápidamente corrió a dar cuenta a su amo a la vez que a cuanta persona encontraba a su paso, con abultados caracteres daba referencia de la presencia del albo y brioso animal, pronto el vecindario de esa modesta poblada, en multitud hizo su presencia en el lugar de la aparición poseídos de la más viva inquietud. Miradas profundas y las más inquietantes interrogaciones se proferían; pues estimaban que el animal lígicamente tenía que tener un procedencia y desde luego, alquien quien le hubiera guiado hasta ese lugar. Pasaron minutos, y así un larga espera, pero, es el caso que ningún ser viviente foráneo o del lugar hacía reclamación o intercedía en favor de los bultos tan extraordinariamente rotulados.

Alguien en un arranque de grata audacia dio la sugerencia de proceder a la descarga del animal y luego conocer cuál era el contenido de esas cajas de apreciable dimensión y que tan novedosamente había hecho su presencia en ese lugar.

El hacendado español por sus mismas condiciones culturales de inmediato no se atrevió a ese proceder que estimaba indebido, pese a que, a él también le inquietaba seguramente, así como al resto del vecindario, dar fe del contenido de esas urnas, pero su prudencia frenaba esos ímpetus; y serénamente decidió prolongar

la espera. Finalmente acicateado también por la curiosidad y por la insinuación de las gentes, dispuso que las cajas fuean abiertas. En orden y presas de nerviosismo fueron varias manos las que ávidamente procedieron al trabajo y de acuerdo con la sencillez de esas gentes y, de acuerdo también, con el tiempo que entonces se vivía, todos unánimemente, mutua la expresión y elevando los ojos al Cielo se postraron: Era la efigie de Dios que hacía su presencia en ese modesto poblado.

Después de orar con profunda terneza y emoción, al vecindario quedó en un trance de dulce y grata quietud, parecía que hubieran descargado de su conciencia el enorme peso de sus pecados; que hubieran limpiado sus almas de toda la impureza que a diario nos procura esta terrena vida por mucho que nuestra fé y nuestra cristiana creencia nos haba impulsar y nos aliente para sustraernos del mal.

Y así limpia la conciencia, limpia el alma con la maravillosa presencia del Divino Crucificado, orando intermitentemente aguardaron lo suficiente en espera, y en la seguridad de que alguien se presentaría a demandar pertenencia de esas sagradas imágenes que se guarecían al pie de un coposa palmera. Y así transcurrieron virias horas de infructuosa espera, motivando entonces el traslado de las efigies al pueblo mismo, donde fueron objeto de incansable veneración. La determinación que transitoriamente se había tomado para aguardar con santa paciencia la presentación de quienes acreditaran pertenencia de la acémila y los sagrados bultos, sobrevino la consideración que se traba de un acto portentoso y que sencillamente en el asunto estaba en juego la voluntad de Dios. Para el caso abundaron las consultas se sucedieron interesantes deliberaciones y por fin se determinó que una de las efigies, conforme lo señalaba el rótulo de los baúles, quedara en Locumba y el otro, continuara el rumbo de su destino, que era el Valle de Sama.

Cuando con la pompa que podía exhibir ese modesto pueblo y con la suntuosidad que originaba esa situación calificada ya de divina, había aprestos para ese cumplimiento se vino a acicatear más el ambiente en ese sentido, luego que uno de los mozos de la aldea presa de alarma anunciaba a grandes voces que el mulo había desaparecido sin dejar huella ninguna en el lugar donde junto a la palmera se le había estacionado. Primando entonces la certeza que el ocasional y maravilloso hallazgo no era otra cosa que efecto de la majestad omnipotente de Nuestro Señor. No obstante esta situación de profunda fé cristiana que remarcaba el ambiente con motivo de la santa aparición, la criatura humana siempre presta a incurrir en el pecado, dio curso a la desobediencia, atentando

contra la voluntad impuesta por acción Superior y concibió entonces el pueblo, la atención de cambiar la urnas y por consiguiente su sagrado contenido. Había desaparecido el albo e inquieto mulo; huellas de su traslado no se adevertía por ningún lugar, pero pesaba en la conciencia del vecindario cumplir con la obligación de trasladar la otra urna a su destino, con este fin se enjaezó de la mejor manera otro mulo que fue proporcionado por alguno de los tantos vecinos que en multitud atendían ese cumplimiento. Fue en ese momento cuando la característica ambición humana afloró en alguno de los vecinos y entonces insinuó que se hiciera el truque de las efigies, en razón que la que correspondía al Valle de Sama era de mayores dimensiones, y como siempre somos susceptibles al pecado, la insinuación así lanzada cundió en el ánimo de los pobladores y todos al unísono jubilosamente clamaron: "¡Claro, el Señor más grande que se quede con nosotros ...!"

La voluntad del pueblo estaba dispuesta y no hubo ni podía haber intención humana para disuadir ese propósito, la urna fue debidamente asegurada y mejor acondicionada sobre el lomo de la acémila para que en las mejores condiciones iniciara el viaje, normalmente fue suspendida y, luego el animal, cuando estuvo cargado tampoco manifestó agobiarse por el exceso de peso y en medio de rezos y cánticos de alabanza y gracias a Dios se despidió a la efigie de Cristo que se enviaba al pueblo de Sama. Empero casi a la distancia de un kilómetro de marcha la bestia súbitamente comenzó a jadear, parecía que un agobiante peso la doblegaba, sin embargo el comisionado, enérgico y severo, exigía al animal rindiera paso regular, pues se manifestaba extrañado que con un liviano bulto a cuestas tuviera esas manifestaciones. Lamentablemente unos cuantos pasos más y la bestia consumida de cansancio se doblegó a tierra, entonces alarmado el hombre conductor de esta empresa en esa senda de herradura, velozmente retornó al pueblo para dar cuenta de tan extraña ocurrencia. En extraordinaria novedad prácticamente los vecinos "volaron" al sitio donde se acababa de registrar tan anormal situación, dándose con esa real e insólita ocurrencia.

Luego después de un cambio de ideas un conocido arriero, en esos lejanos tiempos puso a disposición un fornido mulo que pertenecía a su área acostumbrada a trajinar hasta en las más inhóspitas sendas en el transporte de minerales entre el Perú y Bolivia. La acémila en referencia recibió la carga y reanudo la marcha; pero corroborándose la situación anterior, cuando no alcanzaba a transponer una distancia mayor a unos 300 metros, también se advirtieron en el animal las mismas dificultades y finalmente las mismas consecuencias. El bulto conteniendo al Divino Crucificado

se hacía inmensamente pesado, y es que la desobediencia o la alteración a la voluntad de Dios no está permitida. . . Así en vista de los reveses que se sucedían sobrevino la reconsideración y entonces con buen criterio el vecindario llegó a comprender que el trueque no era procedente y que tenía que someterse a aceptar que la urna destinada a Locumba se quedará en ese lugar, conforme era su destino. De esta manera el embalaje consignado a Sama fue enseguida acondicionado y siguió a ese lugar con la mayor naturalidad. Era la voluntad de Dios la que se imponía.

Historia del Señor de Locumba

En el siglo XVIII en el soleado valle de Locumba aparece un 14 de septiembre un mulo blanco, según cuentan los antiguos del lugar, que llevaba sobre su lomo dos cajas – una grande y otra pequeña – que contenía dos imágenes de Cristo crucificado en las cuales se indicaba que la caja grande era para Sama y la pequeña para Locumba. Los moradores buscaron al arriero y al dueño del mulo pero no los encontraron, el mulo había llegado con paso ágil parándose bajo las sombras de una palmera y se acercaron a el. Los moradores vieron las cajas, las abrieron, y al darse cuenta que era más grande que la otra decidieron quedarse con esta.Cargaron al mulo con la pequeña caja e intentaron arriarlo tratando de llevar esa caja a Sama, pero el mulo caía en tierra como agobiado por el peso y por más intento que se hizo no consiguieron mover al mulo.Finalmente el pueblo se decidió quedarse con la caja pequeña que contenía el Cristo crucificado y enviar al grande a Sama. Se cambió de cajas al mulo y este comenzó nuevamente a paso ágil su camino hacia Sama hasta que ya no se le vio. Fue así como el Cristo pequeño quiso quedarse en Locumba, para ser venerado en el Santuario donde el Señor quiere derramar sus gracias, y el Cristo grande se quedó en Sama ¿Por qué? – nos preguntamos – Así lo quiso el Señor, para que se haga su voluntad de quedarse en Locumba y bendecir a toda persona que con fe sincera se acerca a Él a pedirle algo.Posteriormente, en el pequeño pueblo que de ahí existe, el Señor comenzó a derramar su Gracia y así el pueblo lo consagró a Cristo crucificado como patrón, el 13 de mayo de 1784.

1.2.2 Variable independiente:

Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.

Cuando el calor se obtiene mediante la fisión controlada de núcleos de uranio la central se llama central nuclear. Este tipo de central no contribuye al efecto invernadero, pero tiene el problema de los residuos radioactivos que han de ser guardados durante miles de años y la posibilidad de accidentes graves.

Centrales termoeléctricas de ciclo convencional

Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica.

Son consideradas las centrales más económicas, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.

A continuación se muestra el diagrama de funcionamiento de una central térmica de carbón de ciclo convencional:

1. Torre de refrigeración

10. Válvula de control de gases

19. Supercalentador

2. Bomba hidráulica

11.Turbina de vapor de alta presión

20. Ventilador de tiro forzado

3. Línea de transmisión (trifásica)

12. Desgasificador

21. Recalentador

4. Transformador (trifásico)

13. Calentador22. Toma de aire de combustión

5. Generador eléctrico (trifásico)

14. Cinta transportadora de carbón

23. Economizador

6. Turbina de vapor de baja presión

15. Tolva de carbón

24. Precalentador de aire

7. Bomba de condensacion

16. Pulverizador de carbón

25. Precipitador electrostático

8. Condensador de superficie

17. Tambor de vapor

26. Ventilador de tiro inducido

9. Turbina de media presión

18. Tolva de cenizas

27. Chimenea de emisiones

Diagrama de una central térmica de carbón de ciclo convencional

Básicamente, el funcionamiento de este tipo de centrales es el mismo independientemente del combustible que se consuma. Así, éste se quema en la caldera, liberando calor que se usa para calentar agua.

El agua calentada se transformará en vapor con una presión muy elevada, que es la que hace girar una turbina de vapor, lo que transformará la energía interna del vapor en energia mecánica (rotación de un eje).

La producción de electricidad se generará en el alternador, por la rotación del rotor (que comparte el mismo eje que la turbina de vapor) y mediante la inducción electromagnética.

La electricidad generada pasa por un transformador, que aumentará su tensión para el transporte.

El vapor que sale de la turbina de vapor se envía a un condensador (termodinámica) para transformarlo en líquido y retornarlo a la caldera para empezar de nuevo un nuevo ciclo de producción de vapor.

Centrales termoeléctricas de ciclo combinado

Esquema básico de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado.Artículo principal: Ciclo combinado

En la actualidad se están construyendo numerosas centrales termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente alternador para generar energía eléctrica.1

Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de gas; a este modo de operación se lo llama ciclo abierto.2 Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diésel) incluso en funcionamiento.

Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es más alta que en el caso de

una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

Este tipo de centrales generaron el 32% de las necesidades españolas de energía eléctrica en 2008.3

GICC

Artículo principal: GICC

En los últimos tiempos se viene desarrollando una nueva tecnología, la Gasificación integrada en ciclo combinado (GICC), que mediante un sistema de gasificación del carbón, reduce ostensiblemente las emisiones contaminantes a la atmósfera, al poder aplicar el ciclo combinado al carbón.1

Impacto ambiental

Artículo principal: Impacto ambiental potencial de proyectos de centrales termoeléctricas

Central térmica de Compostilla II, en Cubillos del Sil, León (España).

La emisión de residuos a la atmósfera y los propios procesos de combustión que se producen en las centrales térmicas tienen una incidencia importante sobre el medio ambiente. Para tratar de paliar, en la medida de lo posible, los daños que estas plantas provocan en el entorno natural, se incorporan a las instalaciones diversos elementos y sistemas.

Algunos tipos de centrales termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono. No es el caso de las centrales de energía solar térmica que al no quemar ningún combustible, no lo hacen. También hay que considerar que la masa de este gas emitida por unidad de energía producida no es la misma en todos los casos: el carbón se compone de carbono e impurezas. Casi todo el carbono que se quema se convierte en dióxido de carbono -también puede convertirse en monóxido de

carbono si la combustión es pobre en oxígeno-. En el caso del gas natural, por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno que también producen energía al combinarse con oxigeno para convertirse en agua, por lo que contaminan menos por cada unidad de energía que producen y la emisión de gases perjudiciales procedentes de la combustión de impurezas -como los óxidos de azufre- es mucho menor.

El problema de la contaminación es máximo en el caso de las centrales termoeléctricas convencionales que utilizan como combustible carbón. Además, la combustión del carbón tiene como consecuencia la emisión de partículas y óxidos de azufre que contaminan en gran medida la atmósfera.4 En las de fueloil los niveles de emisión de estos contaminantes son menores, aunque ha de tenerse en cuenta la emisión de óxidos de azufre y hollines ácidos, prácticamente nulos en las plantas de gas.

En todo caso, en mayor o menor medida todas ellas emiten a la atmósfera dióxido de carbono, CO2. Según el combustible, y suponiendo un rendimiento del 40% sobre la energía primaria consumida, una central térmica emite aproximadamente:

CombustibleEmisión de CO2

kg/kWh

Gas natural 0,685

Gas natural(ciclo combinado)

0,545

Fuelóleo 0,705

Biomasa (leña, madera) 0,826

Carbón 1,005

Las centrales de gas natural pueden funcionar con el llamado ciclo combinado, que permite rendimientos mayores (de hasta un poco más del 50%), lo que todavía haría las centrales que funcionan con este combustible menos contaminantes.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva.[cita requerida]

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más eficientes (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía eléctrica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, quedando así en 0,54 kg de CO2, por kWh producido.

La gran cantidad de energía térmica generada (en las más eficientes, al menos el 50% del total de la energía consumida) podría emplearse como energía residual para calefactar (o incluso refrigerar) edificios mediante una red de distribución.

Inconvenientes

El uso de combustibles genera emisiones de gases de efecto invernadero y, en algunos casos, de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (hollines) en las de carbón, si no están bien depurados los humos. Los combustibles fósiles no son una fuente de energía infinita, por lo tanto su uso está limitado por la disponibilidad de las reservas y/o por su rentabilidad económica.

Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales cuando la refrigeración se hace mediante el agua del río en cuestión[cita requerida] (lo que no es frecuente, pues es más eficiente hacerla mediante vaporización).

1.3. Glosario:

Turbina de vapor: elemento que mueve un eje gracias al vapor a gran presión que sobre el ingresa

Pulverizador:equipo de trituración.

Condensador:equipo para pasar el agua de estado gaseoso a liquido.

Bomba Hidraulica:sirve para transportar el agua realizando un trabajo.

Aparamenta: conjunto de aparatos de conexión, soporte, mando, medida y protección, así como a las conexiones, envolventes y soportes destinados a la producción, transporte, distribución y transformación de la energía eléctrica. Puede ser para instalación exterior o interior, y protegidos por envolvente metálica o no protegidos o abiertos.

Batería: Dispositivo constituido por celdas electroquímicas que almacena y proporciona energía eléctrica de corriente continua.

Carga de flotación: Es la carga permanente a baja corriente, aproximadamente igual a las pérdidas internas y suficientes para mantener la batería en condiciones de carga completa.

Cargador de baterías: Equipo electrónico con alimentación de corriente alterna, que entrega corriente directa a una demanda continua o intermitente y además suministra corriente para cargar las baterías.

Distorsión armónica: Es el grado de deformación de una onda sinusoidal, causada por frecuencias armónicas. Generalmente se expresan en tanto por ciento.

Electrolito: Es la solución acuosa en la cual la corriente circula en virtud del movimiento de los iones, producto de la reacción química.

Límite de corriente: Es el valor especificado de corriente de salida de la fuente de alimentación, que no es sobrepasado gracias al empleo de un limitador de corriente fijo o ajustable.

Aterramiento: Conector a tierra de sistemas, circuitos o aparatos con el propósito de establecer un circuito de retorno por el suelo y para mantener su potencial al potencial del suelo.

Conductor de Puesta a Tierra: Conductor utilizado para conectar una estructura metálica, un equipo o el circuito puesto a tierra (que puede ser el neutro de un transformador o de un generador) al electrodo para tierra.

Corriente a Tierra: Corriente que fluye hacia o fuera de la tierra o sus equivalentes que sirven como tierra.

Electrodo Artificial: Cuerpo metálico o de material conductor de fabricación especial que puede contener componentes químicos.

Electrodo Primario para Tierra: Electrodo específicamente diseñado o adaptado, para descargar las corrientes de falla a tierra, hacia el suelo, frecuentemente en patrones de descarga específicos según requiera el diseño del sistema de Tierra.

Malla de tierra: Sistema de electrodos horizontales para tierra, que consiste de un número de conductores desnudos interconectados,

enterrados en el suelo, proporcionando una tierra común para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, usualmente ubicados en un lugar específico.

CAPITULO 2-MARCO PROBLEMATICO

2.1 Variables externas:

2.2 Variables internas

2.3 Objetivo

2.3.1-OBJETIVOS PRINCIPALES

Diseño de una central térmica para electrificación rural

2.3.2-OBJETIVOS SECUNDARIOS

Diagnosticar la situación actual de la comunidad sin servisio de electricidad

Proponer una novedosa forma para dotar de servicio eléctrico a esta comunidad.

2.4 Hipotesis

2.4.1HIPOTESIS PRINCIPAL:

Dado a lo alejado de esta comunidad es muy costoso llevarles energía eléctrica por medio convencional

2.4.2HIPOTESIS SECUNDARIA:

La geografía de esta comunidad será estudiada para ver si cumple con los requisitos para colocar una central de este tipo.

Una vez realizado este estudio y si cumple con lo necesario entonces se procederá al diseño de esta central para las caracterisicas específicas de su geografía