Uno de los campos con mayor potencial y a la vez menos explorado, es el de las turbinas eólicas en alta mar. La empresa norteamericana Principle Power junto a Energías de Portugal acaba de presentar su nuevo proyecto: una turbina eólica flotante cuyo objetivo es transformar energía en alta mar y transportarla hasta tierra firme.

La gran diferencia de este proyecto frente a otras turbinas es su localización en alta mar, donde existen mejores corrientes de aire. Este tipo de plataformas se construyen en tierra y luego se transportan hasta su lugar de instalación, que será a unos 400km de Portugal.

Vía | Renewable Energy World

Podemos observar como la mayor parte de la energía que consumimos cada instante procede del petróleo, del carbón o del gas natural. ¿Qué solución tenemos? Emplear energías renovables cuyo abastecimiento se genere de forma natural: energía solar, eólica, etc. Normalmente se utilizan estos recursos para generar la electricidad que necesitamos. Si nos fijamos en la gráfica anterior notaremos que un porcentaje muy bajo de la energía que utilizamos procede de una fuente de energía renovable. Podríamos exagerar un poco e interpretar la gráfica de la siguiente forma: si el carbón se agotase, un 35% de la población se quedaría sin energía.

En nuestro país, el consumo energético es el siguiente (datos obtenidos de Secretaría General de Energía / IDAE):

Aunque puede parecer un poco desalentador, el objetivo para el 2035 es que las energías renovables aumenten un poco su participación en contra del petróleo. Se puede pensar que este incremento es muy discreto comparado con los demás valores, pero actualmente el rendimiento (el dinero que tenemos que invertir para extraer energía a través de ellas) que se saca de las energías renovables no es tan alto como para poder depender de ellas exclusivamente.

En el pasado, las energías renovables han sido en general más caras de producir y usar que los combustibles fósiles. Además de otros factores, los recursos renovables se encuentran a menudo en zonas remotas, y es caro construir líneas de energía a las ciudades donde se necesita la electricidad que producen. El uso de fuentes renovables está también limitado por el hecho de que no siempre están disponibles – los días nublados reducen la energía solar, los días de calma reduce la potencia del viento y la sequía reduce el agua disponible para la energía hidroeléctrica.

La producción y el uso de combustibles renovables ha crecido más rápidamente en los últimos años como consecuencia del aumento de los precios del petróleo y el gas natural, y una serie de incentivos del Gobierno, en concreto las famosas primas del Plan de Energías Renovables 2005–2010 (PER). El uso de combustibles renovables se espera que continúe creciendo en los próximos 30 años, aunque seguirán dependiendo de los combustibles no renovables para satisfacer la mayor parte de nuestras necesidades energéticas.

En la primera entrega de este artículo se introdujo la clasificación entre energías renovables y no renovables, y se comentaron las fuentes de energía no renovables más extendidas. A continuación se introducirán cuáles con las energías renovables más utilizadas en la actualidad.

Como ya dijimos anteriormente, a diferencia de los combustibles fósiles, que son limitados, las energías renovables pueden regenerarse y mantenerse indefinidamente. Las cinco seis fuentes de energía renovables más utilizadas son:

Energía Hidroeléctrica

El fundamento de la energía hidroeléctrica se basa en entender el ciclo del agua:

• La energía procedente del sol calienta el agua en la superficie, haciendo que se evapore.
• Esto condensa el vapor de agua en las nubes y vuelve a caer sobre la superficie en forma de precipitación (lluvia, nieve, etc.).
• El agua fluye de nuevo a través de los ríos desembocando en los océanos, donde puede evaporarse y el comenzar el ciclo otra vez.

La cantidad de energía que podemos obtener del agua en movimiento, dependerá de la velocidad que lleve ésta.

Biomasa

La biomasa es materia orgánica hecha a base de plantas y animales (microorganismos) que contienen energía almacenada del sol. Las plantas absorben la energía del sol en un proceso llamado fotosíntesis y se transmite a los animales y las personas que los comen. La biomasa es una fuente de energía renovable, porque siempre podemos plantar más árboles y cultivos. Algunos ejemplos de los combustibles de biomasa son madera, cultivos, estiércol y basura.

Cuando se quema, la energía química de la biomasa se libera en forma de calor. Un ejemplo de combustible de biomasa es la madera que se quema en la chimenea de nuestra casa. Los residuos de madera o de basura pueden ser quemados para producir vapor y de esta forma poder producir electricidad, o proporcionar calor a las industrias y hogares.

Biocombustibles

Los biocombustibles son los combustibles que se utilizan para el transporte, y que se generan a partir de materiales de la biomasa. Algunos ejemplos son el etanol y biodiesel. Estos combustibles se suelen combinar con los combustibles derivados del petróleo (la gasolina y del gasóleo), pero también se pueden utilizar por sí mismos.

A pesar de que el etanol y el biodiesel son generalmente más caros que los combustibles fósiles que sustituyen, su combustión es más limpia, y producen menos agentes contaminantes del aire. Además, evitan el consumo desmesurado de combustibles fósiles.

Energía Eólica

La energía eólica se consigue a través del movimiento del aire. Este movimiento es debido a que la superficie de la Tierra está compuesta de diferentes tipos de tierra y agua, y por tanto la absorción de calor en cada punto de la superficie será diferente. De ahí surge el ciclo diario del viento.

Durante el día, el aire sobre la tierra se calienta más rápidamente que el aire sobre el agua. Este aire caliente se expande y se eleva, y el más frío (pesado) se posiciona en su lugar, dando lugar al fenómeno conocido como viento. Por la noche se invierten estos vientos, ya que el aire se enfría más rápido en la superficie de la tierra que en la del agua. De la misma forma, los vientos atmosféricos que rodean la tierra surgen porque la superficie de tierra que está más cerca del ecuador se calienta más que la cercana a los polos.

Energía Geotérmica

La energía geotérmica proviene del calor interior de la tierra y que puede ser utilizado como vapor de agua para generar electricidad o calefactar. A pesar de la temperatura que alcanza la superficie de la tierra por el efecto del sol, la descomposición de partículas radioctivas en el núcleo terrestre hace que se alcance una temperatura superior en su interior. La Tierra está constituida por varias capas:

• La corteza es la capa exterior de la tierra y que constituye los continentes y los fondos oceánicos, y su espesor es de unos 5km.
• El manto rodea al núcleo y su espesor es de 1.800km.
• El núcleo se divide en dos capas: un núcleo de hierro interior y un núcleo exterior echo de roca fundida muy caliente (magma)
.

Energía Solar

La energía solar se produce por el efecto de las radiaciones solares que llegan a la tierra. Esta energía puede ser convertida en otras, como calor para calentar agua o edificios, invernaderos etc. o electricidad. Podemos convertir la energía solar en eléctrica de dos formas:

• Fotovoltáica (PV): La radiación solar se convierte directamente en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones que contienen diversas cantidades de energía acorde a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones golpean una célula fotovoltáica, pueden reflejarse en ella, atravesarla por completo o ser absorvidos por la célula. Sólo los fotones absorvidos proporcionan energía para generar electricidad.
• Plantas de energía solar de concentración: Concentrando los rayos solares a través de espejos en un punto o conjunto de puntos, conseguimos calentar un fluido que se utilizará para producir vapor. A través de este vapor alimentaremos una turbina y generaremos energía eléctrica. Existen diferentes concentradores con forma rectangular, parabólica, etc.

Hasta aquí la segunda entrega de este artículo. En la continuación se detallará el porcentaje de uso de cada una de estas tecnologías y se discutirá la evolución que se espera en ellas.

Imágenes | National Energy Education (Dominio Público)

Nos lo cuenta Enrique Dans en su blog: el nuevo data center de la compañía HP en Inglaterra será refrigerado aprovechando el frío glacial. No estamos hablando de un simple almacén, sino de una gran instalación 33 500 metros cuadrados, que se refrigera usando los vientos del Mar del Norte. La compañía ahorrará así la friolera (nunca mejor dicho) de tres millones de euros anuales en sistemas de refrigeración.

El aire atraviesa unos colectores, es filtrado y sopla directamente sobre los estantes que contienen los ordenadores. El sistema está diseñado para mantener una temperatura constante de 24 ºC, si el aire entra demasiado frío, se recombina con el aire caliente que sale del sistema hasta lograr la temperatura deseada. Las instalaciones tienen además un techo capaz de recoger el agua de lluvia para regular la humedad del recinto.

Con estos sistemas, el data center tiene una PUE (power usage efficiency, eficiencia de uso de energía) de 1.2, es decir, la energía total consumida por las instalaciones es sólo un 20% más que la energía empleada directamente por los ordenadores. En instalaciones convencionales, la PUE tiene valores mucho más altos (hasta 2), lo que indica que se consume mucha energía extra (fundamentalmente en refrigeración). Los criterios de eficiencia energética se están imponiendo también en otras compañías como Google. A la larga, supone un importantísimo ahorro energético.

Vía | Enrique Dans
Más información | International Business Times

Segunda parte del post sobre la potencia de los aerogeneradores, aunque no cerramos aquí el tema (nos queda hablar de diseño y rendimiento, como algunos de vosotros ya habéis anticipado en los comentarios). En el post de hoy, aplicaremos la fórmula P = κ·ρ·r²·v³ y compararemos con la situación real.

Para ello, analizaremos el gráfico que ilustra esta entrada. En el eje horizontal tenemos la velocidad del aire medida en metros por segundo (para convertir a kilómetros por hora hay que multiplicar por 3,6). El vertical es la potencia medida en kilowatios. Tenemos cuatro curvas: la de color magenta representa la potencia disponible, es decir, la que está “contenida en el aire”, la que obtendríamos si pudiéramos convertir el 100% en electricidad.

El sentido común nos dice que habrá pérdidas. De hecho, existe un máximo teórico, representado en la curva amarilla: no es posible capturar más de 16/27 (59%) de la energía cinética del viento. Este resultado se conoce como Ley de Betz, y protagonizará un post próximamente en Genciencia. La pérdida se debe a que los aerogeneradores ralentizan el aire que los barre, la ley de Betz cuantifica el efecto de esta ralentización.

Pero como os podéis imaginar, las máquinas reales difícilmente pueden alcanzar los máximos teóricos de rendimiento. En la curva azul representamos un valor realista: 80% sobre el máximo teórico establecido por Betz, lo que nos daría un factor κ = 0,75 según la fórmula que vimos en el anterior post.

Y finalmente tenemos la curva de potencia real de un modelo comercial, representada en morado. Y el comportamiento es muy diferente a lo que esperaríamos. Empieza por debajo de la curva ‘realista’, aunque luego se pone a la par. Sin embargo en un momento dado comienza de nuevo a bajar, y cuando la potencia llega a un megawatio, se estanca aunque la velocidad siga aumentando.

Esto es lógico, es imposible diseñar un aparato capaz de desarrollar potencia infinita, y debido a la dependencia cúbica, en cuanto la velocidad va aumentando las curvas teóricas crecen de forma desbocada (como veis, se salen del gráfico). Por eso los aerogeneradores tienen una potencia máxima denominada potencia nominal (en este caso, un megawatio). Se llama velocidad nominal a aquella a partir de la cual la potencia obtenida se estabiliza (en este caso, 11,5 metros por segundo).

Esto tiene una consecuencia muy interesante, y es que no nos interesa instalar molinos eólicos en un lugar donde haya ráfagas muy fuertes de viento, basta con que la velocidad sea superior a la nominal. Lo verdaderamente interesante es que el viento sople de forma constante durante todo el año. Normalmente, en una localización muy buena, un aerogenerador no llega a funcionar a la potencia nominal ni la mitad del tiempo.

Pero hay algo mucho más sorprendente: a partir de cierta velocidad, ¡la potencia obtenida pasa a ser cero! esta es la llamada velocidad de corte, y es la velocidad máxima a la que el aerogenerador puede trabajar sin suponer un riesgo para su propia estructura (en nuestro caso, 23 metros por segundo). Los aerogeneradores tienen mecanismos de control para detenerse a ciertas velocidades. El siguiente vídeo muestra lo que pasa cuando el mecanismo de control falla y el molino se desboca:

Nos queda otro fenómeno por explicar: ¿por qué la curva real está tan por debajo de la teórica a bajas velocidades? Se debe a que los aerogeneradores tienen una velocidad inicial mínima, necesaria para el arranque (en este ejemplo, 2,5 metros por segundo). Por debajo, las aspas ni siquiera se mueven (¡no es fácil poner en marcha semejante estructura!). Sin embargo los modelos teóricos consideran que el molino se mueve por muy ligero que sea el viento.

Para los más curiosos, los datos proceden del modelo D62 de la compañía alemana DeWind, un bicho que barre una circunferencia de 62 metros de diámetro y que pesa 65 toneladas… sin contar la torre de soporte.

Más información | Fabricantes de aerogeneradores y características de sus modelos (alcion.es)
En Genciencia | ¿Cuánta potencia desarolla un aerogenerador? (I)

La energía eólica está en pleno crecimiento y se consolida como una alternativa para la obtención de electricidad de una forma respetuosa con el medio ambiente. Los aerogeneradores, que adornan cada vez más paisajes, son los molinos que transforman la energía del viento en electricidad.

El viento, como todos sabemos, es aire en movimiento. Y al haber movimiento, hay energía cinética. La energía cinética depende de la masa y la velocidad, de forma 0,5·m·v². La velocidad del aire es fácil de evaluar, pero debemos determinar cuál es la masa de aire que atraviesa el aerogenerador. Para ello, calcularemos su volumen y lo multiplicaremos por la densidad.

Considerando que las aspas del molino giran y forman un círculo, la masa de aire que cruza el aerogenerador tendrá forma de cilindro. ¿Cuál es la energía cinética contenida en dicho cilindro? Para calcularlo, supongamos un periodo de tiempo arbitrario t, durante el cual asumimos que la velocidad v permanece constante.

La base de nuestro cilindro imaginario será el área del molino, que como bien sabemos es π·r², siendo r la longitud de las aspas el radio de la circunferencia (que es igual a la longitud de las aspas más el radio del rotor). Por su parte, la altura del cilindro será la distancia recorrida por el aire en el tiempo t, que evidentemente será v·t.

Y como el volumen del cilindro es base × altura, tenemos que V = π·r²·v·t (no confundir la V de ‘volumen’ con la v de ‘velocidad’). Por otro lado, la masa de aire que cruza el aerogenerador es igual al volumen × densidad del aire. Llamaremos ρ a la densidad (su valor es aproximadamente 1,29 kg/m³, pero depende de muchos factores, por ejemplo la altitud sobre el mar).

Ya vamos obteniendo resultados: la energía cinética del aire que barre el aerogenerador es 0,5·m·v² = 0,5·(V·ρ)·v² = 0,5·(π·r²·v·t·ρ)·v² = 0,5·π·ρ·r²·v³·t. ¡La energía depende cúbicamente de la velocidad del aire! es decir, que pequeños aumentos de velocidad del aire pueden suponer grandes incrementos de la electricidad obtenida.

Ahora hay que tener en cuenta que la transformación de energía cinética en eléctrica no es perfecta. Los sistemas reales nunca son ideales, tienen pérdidas e imperfecciones, y por tanto hay que considerar un factor de rendimiento al que llamaremos η y que siempre será, por definición, menor que 1 (típicamente suele valer alrededor de 0,5, es decir que el rendimiento suele estar en torno al 50%).

Tenemos en nuestra ecuación un factor incómodo, que es el tiempo t. La energía obtenida, obviamente, depende del tiempo que permanezcamos midiendo. Por eso, la potencia es una magnitud mucho más adecuada, ya que no depende del tiempo. La potencia es igual a la energía dividida por el tiempo. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos:

P = (η·0,5·π·ρ·r²·v³·t) / t = η·0,5·π·ρ·r²·v³.

Por hacer la ecuación algo más ‘vistosa’ podemos agrupar κ = η·0,5·π. El factor κ será siempre constante para cada aerogenerador, dependiente de las características técnicas del mismo. Tendrá un valor típico en torno a 0,8. Por tanto, ya hemos llegado al final del camino. La potencia eléctrica obtenida por un aerogenerador es:

P = κ·ρ·r²·v³

Esto ha sido la teoría, en el siguiente post analizaremos las implicaciones prácticas de estos resultados.

Actualización: Hemos corregido un pequeño detalle sobre el radio r, se trata del radio de la circunferencia barrida, y por tanto no es la longitud de las aspas, sino un poquito más (ya que hay que sumar el radio del rotor). Para evitar este tipo de ambiguedades, a verces se usa el diámetro D y la fórmula queda P = κ´·ρ·D²·v³, donde κ´= η·0,5·π.

En Genciencia | Aerogeneradores

“El hecho de que podamos tomar un gen que fabrica una encima enzima en el estómago de la vaca y ponerlo en la célula de una planta significa que podemos convertir lo que antes era desperdicio en combustible,” dijo Mariam Sticklen, profesora de la Universidad de Michigan . Las vacas, con la ayuda de bacterias, transforman las fibras de las plantas, llamada celulosa, en energía, lo que sería un gran paso en la fabricación de biocombustibles. Tradicionalmente sólo el interior de las plantas de maíz era usado, pero esta nueva técnica permitiría que se usara toda la planta, haciendo el procedimiento mucho más efectivo y barato.

Transformar la celulosa en biodiesel implica la utilización de 3 encima enzimas diferentes; la nueva variedad de Maíz (llamada Spartan Corn III) posee todas. La primera versión (creada en 2007) cortaba la celulosa en grandes trozos con una encima enzima que provenía de aguas de manantial. La segunda, con un gen de un hongo presente naturalmente, toma los grandes trozos generados por la primera y los rompe en pares de azúcares. La tercera, con gen de un microbio presente en el estómago de las vacas separa estas últimas en azúcares simples, que pueden ser fermentados para generar etanol.

“Ahorrará dinero en la producción de etanol,” dijo Sticklen. “Sin ellas no se podría convertir el desperdicio en etanol sin comprar encima enzimas, lo que resulta muy caro.” Agregar el gen del microbio a la planta de maíz llevó un gran trabajo de laboratorio; Sticklen comparó el procedimiento a agregar una sola lamparita a un árbol de Navidad cubierto de luces. “Hay un gran número de cables, interruptores y zonificaciones,” dijo Sticklen, “Hay muchos cambios e incluso tuvimos que colocarlo en el lugar correcto dentro de la célula.” Si la célula produjera la encima enzima en el lugar errado, la planta se digeriría a sí misma, por lo que se estuvo que estudiar cuidadosamente dónde colocarla.

Más Información | Physorg (en Inglés)

“Es probable que el consumidor del futuro no sepa que está colocando biocombustibles en su carro,” dijo Huber, uno de los investigadores principales del trabajo publicado recientemente. “Los biocombustibles en el futuro serán similares en composición química a la gasolina y diesel utilizados hoy en día. El desafío para los ingenieros químicos es producir efectivamente combustibles líquidos a partir de la biomasa y que sea compatible con la infraestructura actual.”

Para producir gasolina verde, los investigadores calentaron rápidamente celulosa en la presencia de catalizadores sólidos (unos componentes que aceleran determinados procesos químicos sin destruirse a sí mismos.) Luego recolectaban el líquido que contenía varios (más del 25%) de los compuestos que forman a la gasolina. Con una ulterior refinación sería posible generar todos los compuestos químicos de la gasolina. Todo el proceso se realizó en menos de 2 minutos y utilizando relativamente pequeñas cantidades de calor. “En teoría requiere de mucha menos energía para su fabricación que el etanol, dándole una menor emisión de carbono y haciéndolo más barato,” dijo Regalbuto, otro de los investigadores de la NSF. “Haciéndolo a partir de fuentes de celulosa como panicum o álamos cultivados como fuentes de energía o a partir de residuos agrícolas resuelve el problema del ciclo de vida de los gases de efecto invernadero que ha salido a la luz recientemente con el biodiesel de soja.”

El método no sólo es una forma compacta de tratar una gran cantidad de biomasa en poco tiempo, sino también, como Regalbuto enfatizó, el proceso en principio no necesita de energía externa: “De hecho, del calor extra que será liberado, se puede generar electricidad además de biocombustible,” dijo. “No habrá ni una pequeña huella de carbono creado en el proceso; al recuperar el calor y generar electricidad, no habrá ningún tipo de emisión.”

Más Información | NSF (en inglés)

Los empresarios, siempre atentos a las necesidades (reales o imaginadas) de la sociedad, han creado un nuevo mercado en el que invertir: Climate Capital Network. Es una red de organizaciones privadas, empresas e instituciones públicas, creada como punto de encuentro de inversores de grandes capitales, compañías y expertos, con el fin de que el cambio climático se convierta en una oportunidad de negocio, basado en el desarrollo de energías alternativas, sistemas eficientes y demás ecotecnologías.

Dos cosas se le pueden ocurrir a uno: una buena y otra mala. La buena es: es necesaria la iniciativa (con legítimo afán de lucro) para solucionar problemas, ya que iniciativas de otro tipo o son minúsculas o se basan en los dineros del contribuyente mediante la simple acción de los organismos públicos. Probablemente la eficiencia de los sistemas se logre antes si existe una competición leal entre empresas en busca de su propio beneficio (que al final redunde en el de todos) que fiándose de las buenas voluntades de los gobiernos y políticos.

La mala cosa que a uno se le puede ocurrir es: ¿hasta qué punto desvirtúan estas iniciativas las subvenciones con las que cuentan las empresas que desarrollan energías renovables? Recordemos que en España, por ejemplo, se subvencionan hasta el 75% de los costes de instalación y las empresas eléctricas están obligadas ¡por ley! a comprar la electricidad producida. Muchos opinan que el “cambio climático” (o sus supuestas catastróficas consecuencias) son una creación mediática con el fin de revitalizar el mercado o simplemente para que unos pocos bolsillos se lucren basándose en el miedo social y toma de decisiones gubernamentales sesgada. Sin equiparar opiniones y evidencias, y aunque esto no sea así, hay que tener en cuenta que los intereses económicos también mueven el mundo. Y eso influye en que el cambio climático esté en primera plana (por delante de otras cuestiones medioambientales).

En cualquier caso, el desarrollo de tecnologías limpias parece que va a ir a más, y eso no será lo peor que le pase al mundo. Como dicen los de la Climate Capital Network en su portal: “Bienvenido a la Tercera Revolución Industrial”.

Más información | Climate Capital Network

El proyecto se enmarca en una decisión de la Unión Europea de producir por lo menos el 20% de la energía a partir de recursos renovables antes de 2020. Actualmente Inglaterra produce alrededor del 2% de la energía a partir de recursos renovables, de los cuales 2.2GW son a partir del viento. A partir del año que viene, habrían superado a Dinamarca en la capacidad de generar electricidad a partir de turbinas en el mar.

La medida además, le daría cierta independencia energética a la isla, como declaró John Hutton, secretario de estado: “No quiero que en estos veinte años, que las luces se enciendan o no en las mañanas sea una decisión de algún gobierno extranjero.” También declaró que “si se quieren adoptar energías limpias, se deberán realizar cambios, y uno de ellos será en la visión de la linea costera inglesa.”

La empresa será un gran desafío para la ingeniería, sin precedentes en la historia de Inglaterra y muy probablemente subestimado, como declara Sue Ion, vice presidente de la academia real de ingeniería. Además se deberá tener especial cuidado con el lugar en el que se emplazarán los molinos, ya que es sabido que éstos matan aves y ahuyentan a las ballenas, delfines y peces.

Si bien la iniciativa está recibiendo gran apoyo de diferentes organizaciones y sectores sociales, es un plan que se deberá estudiar con detenimiento. Una de las preocupaciones es el precio que tendrá la electricidad luego de haber pasado a un sistema eólico-dependiente.

Fuente | BBC (Inglés)