INSTITUTO TECNOLOGICO DE DURANGO

SISTEMAS DE GENERACION DE ENERGIA

ING. MECANICA

TECNOLOGIAS MODERNAS PARA EL USO RACIONAL Y EFICIENTE DE LA ENERGÍA

Dr. Omar Ríos

Víctor Hugo Jaquez Velásquez

Contenido

Resumen. Objetivo. Desarrollo. Biomasa como fuente de energía. La energía solar en la sociedad moderna. Fundamentos y aplicaciones de la energía eólica. Energía geotérmica.

Celdas de hidrogeno.

Energía nuclear.

Conclusiones.

Referencias bibliográficas.

ResumenLas energías renovables se basan en los flujos y ciclos implícitos en la naturaleza. Son aquellas que se regeneran y se espera que perduren porcientos o miles de años. Además, se distribuyen en amplias zonas y su adecuada utilización tiene un impacto ambiental favorable en el entorno, elemento que hoy se convierte en una herramienta de gran importancia, ante la necesidad de disminuir significativamente la emisión de gases de efecto invernadero a nivel mundial. Ciertamente los combustibles fósiles han sido una base para el desarrollo nacional en México. Los pronósticos indican que seguirán ocupando una participación destacada como fuente primaria de energía para las próximas décadas; sin embargo, hoy es necesario iniciar las acciones que nos permitan, en un futuro no muy lejano, diversificar las fuentes de energía para atender las necesidades de los consumidores. Con el objetivo de reducir los riesgos inherentes a la dependencia de los hidrocarburos y la convicción de incorporar el concepto de sustentabilidad en las políticas y estrategias del sector energético, las acciones que, en materia de transición energética, se han ejecutado desde el inicio de la presente Administración, pueden agruparse en dos grandes vertientes: Eficiencia Energética, y Energías Renovables. Este documento se enfoca en detallar las políticas públicas que promuevan fuentes renovables de energía y la utilización óptima de las mismas. Estas fuentes representan una respuesta importante a la demanda de la sociedad de contar con un modelo sustentable que, además de mitigar los efectos negativos de las actividades que se tienen en el sector energético, contribuyen a reducir los riesgos asociados con la volatilidad de precios y diversificar el portafolio energético. De igual manera, es relevante la contribución de estas fuentes al desarrollo social en áreas donde la energía convencional es económicamente inviable. Estudios previos indican que México posee un gran potencial para generar energía a través de fuentes renovables, ya que contamos con: Altos niveles de insolación; Recursos hidráulicos para la instalación de plantas mini hidráulicas; Vapor y agua para el desarrollo de campos geotérmicos; Zonas con intensos y constantes vientos prevalecientes; Grandes volúmenes de esquilmos agrícolas, e Importantes cantidades de los desperdicios orgánicos en las ciudades y en el campo, cuyo destino final debe manejarse de forma sustentable . Por sí misma, la diversificación de las fuentes energéticas a partir del uso de energías renovables representará un mecanismo para reducir la dependencia de México en los combustibles fósiles, y así fomentar la seguridad energética. Sin embargo, el aprovechamiento de las energías renovables también representa beneficios indiscutibles en otros temas prioritarios, no sólo para nuestro país, sino para todo el mundo. En materia de electrificación, el aprovechamiento de las energías renovables también será un motor para el desarrollo social, al permitir el acceso al servicio eléctrico a comunidades donde la energía convencional es económicamente inviable por estar apartadas de la red eléctrica. En el rubro ambiental, la utilización de energías renovables, además de contribuir a mejorar la calidad del aire, contribuye a la conservación de los recursos naturales. Finalmente, se espera que tenga una importante contribución en materia económica, ya que el desarrollo de las energías renovables representará la creación de pequeñas y medianas empresas, la generación de nuevos empleos, un mayor desarrollo científico y tecnológico, y la posibilidad de generar mayor intercambio comercial con otros países que están impulsando la utilización de energías renovables.

Objetivo.

El objetivo principal de este reporte es mostrar el avance tecnológico que hay en las energías renovables más comunes. Aunque aún parece casi imposible solo usar energías renovables para satisfacer la demanda, es necesario que este desarrollo tecnológico se aproveche de la mejor manera para seguir evitando la contaminación y los desperdicios energéticos que se tiene en la actualidad ya que debido al ritmo de vida del ser humano gran parte de la energía que producimos no se usa con la mayor eficiencia posible.

ENERGIA

La energía tiene diferentes formas o manifestaciones. Por ejemplo el sol

suministra energía en forma de calor y de luz. Otras formas de energía son la

electricidad, el sonido, el magnetismo.

La energía además es capaz de producir cambios en la materia. Por ejemplo, el

calor puede producir cambios de estado físico de las sustancias.

Un cuerpo situado a una cierta altura sobre el suelo posee energía. Esta

afirmación se pone de manifiesto por el hecho de que un cuerpo, al caer, es capaz

de mover o deformar los objetos que encuentre en su camino. El movimiento o

deformación que provoque será tanto mayor cuanto mayor sea la altura desde la

que caiga. Para una misma altura, la energía dependerá del peso que posea el

cuerpo.

La energía de altura que posee un cuerpo puede ser transferida a otro cuerpo y

aparecer como energía cinética o de deformación. Sin embargo, mientras el

cuerpo no comienza a descender la energía no se manifiesta: es energía en

potencia. Por esta razón se le denomina energía potencial.

En resumen, la energía adopta varias formas, que se pueden transferir y

transformar. La energía produce cambios en los cuerpos. Sin embargo, en todos

estos cambios LA ENERGIA NI SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE

TRANSFORMA. Este principio se conoce como Ley de la Conservación de la

Energía.

Las energías alternativas son renovables es decir:

Energías Renovables: las cuales las podemos definir como "Energías presentes

de forma potencial en la naturaleza, y con posibilidades de utilización

prácticamente ilimitadas". Entonces, Entendemos como energía renovable aquella

cuya fuente de obtención se renueva constantemente.

La energía renovable, también llamada energía alternativa o blanda, este término

engloba una serie de fuentes energéticas que en teoría no se agotarían con el

paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a otras tradicionales y

producirían un impacto ambiental mínimo, pero que en sentido estricto ni son

renovables, como es el caso de la geotermia, ni se utilizan de forma blanda. Las

energías renovables comprenden: la energía solar, la hidroeléctrica (se genera

haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina), la eólica (derivada

de la solar, ya que se produce por un calentamiento diferencial del aire y de las

irregularidades del relieve terrestre), la geotérmica (producida por el gradiente

térmico entre la temperatura del centro de la Tierra y la de la superficie), la

hidráulica (derivada de la evaporación del agua) y la procedente de la biomasa (se

genera a partir del tratamiento de la materia orgánica).

Por lo demás, deben poseer recursos "infinitos", además de económicamente

rentables, y a la vez no sean contaminantes y destructivas para la vida sobre la

Tierra. Entre estas fuentes, el hombre busca utilidad práctica en fuentes

provenientes en primera instancia de la E. Solar, como son la Eólica, la

Mareomotriz, la Hidráulica, y más concretamente la Mini hidráulica, y por supuesto

la Energía Solar, además de otros recursos provenientes de desechos tanto

naturales como producidos por el hombre: en este último apartado podemos

hablar de la Biomasa, del aprovechamiento de residuos sólidos urbanos y, por

supuesto, del reciclaje de distintos tipos de residuos para su aprovechamiento

posterior.

Energía biomasa

La biomasa, al igual que la eólica, proviene en última instancia de la energía solar

convertida por la vegetación, por medio de la fotosíntesis en materia orgánica.

Dicha conversión puede ser por combustión directa o por la transformación de la

materia en otros combustibles.

La biomasa es materia viva que ha estado viva recientemente. Pueden ser un

conjunto de materia biológicamente renovable, (madera, células, resto de comida),

por extensión, la energía que proviene de la fermentación o la combustión, o sea

del quemado de los desechos o por la fermentación de los desechos orgánicos

que están sepultados. De las dos Formas se puede obtener gas o electricidad.

El término es utilizado con mayor frecuencia en las discusiones relativas a la

energía de biomasa, es decir, al combustible energético que se obtiene directa o

indirectamente de recursos biológicos. La energía de biomasa que procede de la

madera, residuos agrícolas y estiércol, continúa siendo la fuente principal de

energía de las zonas en desarrollo. Ejemplo en la provincia de Sichuan, en China,

donde se obtiene gas a partir de estiércol.    Los combustibles derivados de la

biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles de alcohol

el estiércol y la leña.

El proceso de fermentación, tiene dos grupos esenciales de bacteria:

El primer grupo licua y transforma los compuestos en ácidos.

El segundo grupo fermenta los ácidos convirtiéndolos en gas metano.

Energía eólica

Energía producida por el viento la cual esta ocasionada por las diferencias

térmicas en la atmósfera. La energía eólica Ha sido siempre ejercida por el

hombre en forma secundaria, para la navegación y en 1a utilización local como los

molinos de vientos. El viento es una fuente inagotable y no contaminante, pero es

irregular y el sistema de almacenaje en baterías ha sido desarrollado, pero

necesita mayor perfección.

El viento es una manifestación indirecta de la energía del sol, el 0.7 % de esta

relación es transmitida en energía cinética de los vientos.

   La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por

el sol, y las irregularidades de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña

parte de la energía solar que llega a la tierra se convierte en energía cinética del

viento, la cantidad total es enorme. La potencia de los sistemas conversores de

energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, por lo que la

velocidad promedio del viento y su distribución en un sitio dado son factores muy

importantes en la economía de los sistemas. El recurso energético eólico es muy

variable tanto en el tiempo como en su localización. La variación con el tiempo

ocurre en intervalos de segundos y minutos (rachas), horas (ciclos diarios), y

meses (variaciones estaciónales)

Energía solar

Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de

fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados

fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.

En lo que se refiere a aspectos técnicos de la energía solar, podemos observar

dos vertientes:

Por un lado, tenemos la Energía Solar Fotovoltaica que, como veremos más

adelante, es el aprovechamiento del efecto fotovoltaico para transformar la

radiación solar en energía eléctrica. Por otro lado, la Energía Solar Térmica, que

es la forma de aprovechar el calor solar directamente (sin transformaciones

intermedias) para beneficio y disfrute del Ser Humano: calefacción, agua caliente,

procesos industriales,… También hay que señalar la relevancia que tiene en

nuestros días el aprovechamiento pasivo de la radiación que nos llega del sol, que

consiste en aprovechar de una forma pasiva las cualidades tanto climáticas como

lumínicas de la radiación solar para el acondicionamiento de espacios, con una

visión arquitectónica y constructiva más respetuosa con el medio ambiente (y a la

vez más inteligente), con la que se logrará ahorrar gran cantidad de energía.

Energía geotérmica

Él termino geotermia se refiere a la energía térmica producida en el interior de la

tierra. El calor telúrico es conducido a través del manto hacia la superficie terrestre

que asciende con un flujo promedio haciéndose difuso para las aplicaciones

prácticas, dado que existen zonas anómalas en las cuales la variación de la

temperatura es mayor; esto puede ser en las zonas volcánicas, o en contacto

entre placas corticales. Los sistemas conectivos de agua subterránea captan dicho

calor, alcanzando la superficie a través de rocas porosas o fallas geológicas.

Su aplicación práctica principal es la localización de yacimientos naturales de agua

caliente, fuente de la energía geotérmica, para su uso en generación de energía

eléctrica, en calefacción o en procesos de secado industrial. El calor se produce

entre la corteza y el manto superior de la Tierra, sobre todo por desintegración de

elementos radiactivos. Esta energía geotérmica se transfiere a la superficie por

difusión, por movimientos de convección en el magma (roca fundida) y por

circulación de agua en las profundidades. Sus manifestaciones hidrotérmicas

superficiales son, entre otras, los manantiales calientes, los géiseres y las

fumarolas. Los primeros han sido usados desde la antigüedad con propósitos

terapéuticos y recreativos. Los colonos escandinavos en Islandia llevaban agua

desde las fuentes calientes cercanas hasta sus viviendas a través de conductos

de madera.

Energía

MAREOMOTRIZ

El Mar es una enorme reserva energética, por ocupar gran parte de la superficie

del planeta. La energía de las mareas puede emplearse para producir electricidad.

En el verano de 1966 se puso en marcha una planta de energía mareomotriz de

240.000 Kw en el río Rance, un estuario del canal de la Mancha, en el noroeste de

Francia. La marea ascendente del río fluye a través de un dique, mueve unas

turbinas y luego queda retenida tras él. Cuando la marea desciende, el agua

atrapada se libera, atraviesa el dique y mueve de nuevo las turbinas. Estas plantas

de energía mareomotriz desarrollan su máxima eficiencia cuando la diferencia

entre las mareas alta y baja es grande, como en el estuario de Rance, donde es

de 8,5 metros. Las mareas altas mayores del mundo se producen en la bahía de

Fundy en Canadá, donde hay una diferencia de unos 18 metros.

Se debe distinguir entre diversas formas de aprovechamiento de su energía:

Mareas, Olas, Corrientes, Calor.

MAREAS

Se basa en el movimiento armónico de subida y bajada del agua, mediante

turbinas colocadas en una presa que reciben dicho movimiento del agua. Cuando

el rango (diferencia de alturas) supera los 5 metros, podemos hablar de

competitividad en la producción energética, siendo esta la energía que se

considera con mayor rentabilidad energética

OLAS

Se trata de aprovechar a través de bombas

hidráulicas el movimiento de cuerpos oscilantes

movidos por olas, o bien otro tipo de

aprovechamiento, que se basa en que las olas

llenan un depósito elevado, que al descargarse

mueven unas turbinas hidráulicas situadas en la

base.

Celdas de hidrogeno

Pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, es un dispositivoelectroquímico en el cual un flujo continuo de combustible y oxidante sufren una reacción química controlada que da lugar a los productos y suministra directamente corriente eléctrica a un circuito externo.

Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta, en que está diseñada para permitir el abastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno1 u otro agente oxidante en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

El proceso electroquímico que tiene lugar es de alta eficiencia y mínimo impacto ambiental. En efecto, dado que la obtención de energía en las pilas de combustible está exenta de cualquier proceso térmico o mecánico intermedio, estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que las máquinas térmicas, las cuales están limitadas por la eficiencia del Ciclo de Carnot. La eficiencia energética de una pila de combustible está generalmente entre 40-60%, o puede llegar hasta un 85% en cogeneración si se captura el calor residual para su uso. Por otra parte, dado que el proceso no implica la combustión de los reactivos, las emisiones contaminantes son mínimas.

Es importante establecer las diferencias fundamentales entre las pilas convencionales y las pilas de combustible. Las baterías convencionales son dispositivos de almacenamiento de energía, es decir, el combustible está en su interior y producen energía hasta que éste se consume. Sin embargo, en la pila de combustible los reactivos se suministran como un flujo continuo desde el exterior, lo que permite generar energía de forma ininterrumpida.

En principio, aunque las pilas de combustible podrían procesar una amplia variedad de reductoresy oxidantes; cualquier sustancia que se pueda oxidar en una reacción química y que se pueda suministrar de forma continua (como un fluido) al ánodo de una pila de combustible, puede ser un reductor y del mismo modo, el oxidante podría ser cualquier fluido que se pueda reducir (a una velocidad adecuada) en la reacción química que tiene lugar en el cátodo.2 El agua que suministra esta clase de célula es la que usan los astronautas para beber.3

El mercado de las pilas de combustible está creciendo, y Pike Research estima que en 2020 se comercializarán de pilas de combustible estacionarias que alcanzarán los 50 GW.4

El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos, ha desarrollado también la Home Energy Station, (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de gas natural para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

Energía nuclear

La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, energía térmica y energía mecánica a partir de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos.1 Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.

Estas reacciones se dan en los núcleos atómicos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos (radioisótopos), siendo la más conocida la fisión del uranio-235 (235U), con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión del pardeuterio-tritio (2H-3H). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químicos, como el torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 (232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respectivamente).

Existen varias disciplinas y/o técnicas que usan de base la energía nuclear y van desde la generación de energía eléctrica en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina usada en los hospitales, etc.

Los sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.

Otra técnica, empleada principalmente en pilas de mucha duración para sistemas que requieren poco consumo eléctrico, es la utilización de generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, o RTG en inglés), en los que se aprovechan los distintos modos de desintegración para generar electricidad en sistemas de termopares a partir del calor transferido por una fuente radiactiva.

La energía desprendida en esos procesos nucleares suele aparecer en forma de partículas subatómicas en movimiento. Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta energía térmica se transforma en energía mecánica utilizando motores de combustión externa, como

las turbinas de vapor. Dicha energía mecánica puede ser empleada en el transporte, como por ejemplo en los buques nucleares.

La principal característica de este tipo de energía es la alta calidad de la energía que puede producirse por unidad de masa de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano, pero sorprende la poca eficiencia del proceso, ya que se desaprovecha entre un 86% y 92% de la energía que se libera.2

conclusión

La producción de energía no convencional o limpias y renovables, tales como: eólica, solar, geotérmica y biomasa, son ventajosas en tanto y cuando se explote un tipo de recurso renovable y a su vez no producen agentes contaminantes que perjudiquen la salud del medio ambiente y social.

El mundo en el que vivimos se mueve gracias a la energía. En cada acción cotidiana, en la casa, en el trabajo, en el transporte, en la industria, la energía es el motor que nos permite funcionar. Y cada vez necesitamos más Pero, somos conscientes de todo lo que hay detrás de un simple interruptor de la luz y de las consecuencias que tiene en la actualidad una bombilla encendida? 

La exposición Energía Renovable, Energía Responsable nos muestra, a través de una serie de paneles, de dónde proviene la energía y qué consecuencias tiene su proceso, poniendo de relieve lo importante que es, si valoramos nuestro entorno y nuestro porvenir, que nos fijemos cada vez más en las llamadas energías renovables: la alternativa responsable que asegura un futuro limpio."

Bibliografías

www. energias - renovables .com/

https://es.wikipedia.org/wiki/ Energía _ alternativa

html.rincondelvago.com/energias-alternativas_3.html

https://es.wikipedia.org/wiki/ Energía _ mareomotriz

http://www.planetseed.com/es/relatedarticle/fuentes-alternativas-de-energia-utilizadas-en-la-actualidad

https://es.wikipedia.org/wiki/ Energía _ nuclear

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/energia/biomasa.htm