Este es el cuarto post de la serie Sostenibilidad Ambiental y Cambio Climático; en éste veremos conceptos y características medioambientales relacionados con otro elemento esencial para la vida humana en nuestro planeta, como es la energía. Ya vimos en posts anteriores, las principales características de la Tierra (Diciembre 26 de 2021), del Agua (Enero 17 de 2022) y de la Atmósfera (Febrero 1 de 2022), y ahora analizaremos las distintas fuentes de energía, y la forma como se genera y se produce este valioso elemento, así como también su aprovechamiento e impacto dentro del medio ambiente.
Las fuentes de energía se pueden dividir en dos grandes subgrupos: permanentes (renovables) y temporales (no renovables). Se denominan fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas; no se regeneran o lo hacen en forma extremadamente lenta. Las principales fuentes de energía hoy en día son los combustibles fósiles, la energía hidráulica y la energía nuclear.
Los combustibles fósiles son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años y que se han fosilizado formando carbón o hidrocarburos; se pueden utilizar en forma sólida (carbón), líquida (petróleo), o gaseosa (gas natural). En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. En ambos casos la materia orgánica se descompuso parcialmente por falta de oxígeno y acción de la temperatura, la presión y determinadas bacterias de forma que quedaron almacenadas moléculas con enlaces de alta energía. Los combustibles fósiles son recursos no renovables, cuyas reservas son limitadas y se agotan con el uso; en algún momento se acabarán, y serán necesarios millones de años para contar nuevamente con ellos.
Actualmente, la energía más utilizada en el mundo es la energía fósil. Si se considera todo lo que está en juego, es de suma importancia medir con exactitud las reservas de combustibles fósiles del planeta. Se distinguen las “reservas identificadas” aunque no estén explotadas, y las “reservas probables”, que se podrían descubrir con las tecnologías futuras. Según los estimativos, el planeta puede suministrar energía durante 40 años más si sólo se utiliza el petróleo, y más de 200 años si se sigue utilizando el carbón. Hay otras fuentes de energía que se encuentran en estudio, como la energía de fusión nuclear que no es renovable, pero con reservas inmensas de combustible; las energías renovables; o las pilas de hidrógeno.
Según cifras calculadas en 2016, la participación de las principales fuentes de la energía que consumimos, es la siguiente: petróleo 31.9%; carbón 27.1%; gas natural 22.1%; biológica (desperdicios) 9.5%; nuclear 4.9%; y caídas de agua 2.5%. La energía que tendría mayor potencial para reemplazar en el futuro gran parte de la energía fósil es la nuclear; en ella el núcleo atómico de elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad, mediante turbinas de vapor de agua.
La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las demás formas de energía en la Tierra. Cada año la radiación solar aporta a la Tierra la energía equivalente a varios miles de veces la cantidad de energía que consume la humanidad. Mediante colectores solares, la energía solar puede transformarse en energía térmica, y utilizando paneles fotovoltáicos la energía lumínica puede transformarse en energía eléctrica. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí en cuanto a su tecnología. Así mismo, en las centrales térmicas solares se utiliza la energía térmica de los colectores solares para generar electricidad; o sea que las posibilidades que ofrece la energía solar son ilimitadas y prácticamente sin costo.
Se distinguen dos componentes en la radiación solar: la radiación directa y la radiación difusa. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes, y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la radiación difusa que proviene de todas direcciones. Sin embargo, tanto la radiación directa como la radiación difusa son aprovechables.
Una importante ventaja de la energía solar es que permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica en edificios. Así, podemos dar lugar a sistemas de generación distribuída en los que se eliminen casi por completo las pérdidas relacionadas con el transporte, que en la actualidad suponen aproximadamente el 40% del total.
Las diferentes tecnologías fotovoltaicas se adaptan para sacar el máximo rendimiento de la energía que recibimos del sol. De esta forma por ejemplo los sistemas de concentración solar fotovoltaica utiliza la radiación directa con receptores activos para maximizar la producción de energía y conseguir así un costo menor por kilovatio producido. Esta tecnología resulta muy eficiente para lugares de alta radiación solar, pero actualmente no puede competir en precio en localizaciones de baja radiación solar como Centro Europa, donde tecnologías como la célula solar de película fina (también llamada Thin Film) están consiguiendo reducir también el precio de la tecnología fotovoltaica tradicional a niveles nunca vistos.
2. Conceptos y tecnologías
El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento. En el estudio de la fisica, específicamente en la parte de mecánica, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y en economía, energía se refiere a un recurso natural, incluyendo a su tecnología asociada, para poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico. Para que se incluya, también a la termodinámica, podemos decir que la energía es la capacidad de los cuerpos para realizar transformaciones (mediante trabajo o mediante calor), en ellos mismos o en otros cuerpos.
La masa y la energía están estrechamente relacionadas: debido a esta equivalencia, cualquier objeto que tenga masa cuando está inmóvil, también tiene una cantidad equivalente de energía que se llama energía en reposo, y cualquier energía adicional, adquirida por el objeto por encima de esa energía en reposo, aumentará la masa total del objeto al igual que aumenta su energía total. Por ejemplo, después de calentar un objeto, su aumento de energía podría medirse como un pequeño aumento de la masa, con una balanza suficientemente sensible.
En la naturaleza, las plantas realizan un proceso llamado fotosíntesis, el cual convierte el CO2 en energía mediante la luz solar. En general, los organismos vivos requieren energía para mantenerse vivos, como la energía que los humanos adquieren con los alimentos. La civilización humana necesita energía para funcionar, que obtiene de recursos energéticos como combustibles fósiles, combustible nuclear o energías renovables. Los procesos del clima y del ecosistema de la Tierra son impulsados por la energía radiante que la Tierra recibe del Sol, y la energía geotérmica contenida en el interior de la Tierra.
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene a partir de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se encuentran la energía eólica, la geotérmica, la hidroeléctrica, la mareomotriz, la solar, la biomasa y los biocarburantes. La energía verde (removable) es cada vez más importante en la sociedad actual.
La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire. El término eólico proviene del latín aeolicus, o «perteneciente o relativo a Eolo, dios de los vientos en la mitología griega. En la actualidad, la energía eólica se utiliza principalmente para producir electricidad, lo que se consigue mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica, entre otras.
Los parques eólicos construidos en tierra representan una fuente de energía cada vez más barata y competitiva. Es incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales. Además se puede proporcionar electricidad en regiones aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica mediante instalaciones eólicas de reducido tamaño, o también con energía solar fotovoltáica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el excedente de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas.
El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos “offshore” que están situados en el mar, cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, aunque los costos de construcción y mantenimiento son considerablemente mayores.
Diversas técnicas de control energético, como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas, o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas.
3. Cómo se produce y se genera
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan desde zonas de alta presión atmosférica hacia zonas adyacentes de menor presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión y así poder generar energía. Los vientos se generan a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre debido a la radiación solar; entre el 1 y el 2% de la energía proveniente del Sol se convierte en viento. Durante el día, los continentes transfieren una mayor cantidad de energía solar al aire que las masas de agua, haciendo que éste se caliente y se expanda, por lo que se vuelve menos denso y se eleva. El aire más frío y pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas, nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y los valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que éste alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar.
La energía del viento se aprovecha mediante el uso de máquinas eólicas o aeromotores capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el más ampliamente utilizado en la actualidad, el sistema de conversión (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red), es conocido como aerogenerador. En éstos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica.
Una turbina eólica es una máquina que transforma la energía del viento en energía mecánica mediante unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria, sea para moler grano (molinos), bombear agua o generar electricidad. Cuando se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Las máquinas movidas por el viento tienen un origen remoto, siendo las más antiguas las que funcionaban como molinos. La energía eólica es la energía que se obtiene del viento o, dicho de otro modo, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire que puede convertirse en energía mecánica y a partir de ella en electricidad u otras formas útiles de energía en actividades humanas cotidianas.
Una de las formas de solucionar la falta de control sobre los recursos renovables (viento, radiación solar), son los llamados sistemas híbridos, donde se combinan fuentes de energía junto con almacenamiento. Hay una tendencia a la creación de centrales renovables en las que participan generadores eólicos, solares y almacenamiento por baterías (por lo general de ion litio). En países como Australia o Estados Unidos se está regulando su uso e incluso se definen tarifas específicas para la inyección de energía desde estas centrales que comienzan a competir de igual a igual con las centrales basadas en combustibles fósiles, dado que comienzan a tener una previsión de generación a un día vista o más.
4. Ventajas y desventajas de la energía eólica
Algunas ventajas de la energía eólica son:
- Es un tipo de energía removable, ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol.
- Es una energía limpia al no requerir una combustión, por lo que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes, evitando así un incremento del efecto invernadero y el cambio climático.
- Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas o muy empinadas para ser cultivables.
- Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc.
- Crea un elevado número de puestos de trabajo en las plantas de ensamblaje y las zonas de instalación; su instalación es relativamente rápida, tarda entre 4 y 9 meses.
- Su inclusión en una red eléctrica permite, cuando las condiciones del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o de agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas.
- Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la energía solar fotovoltáica, permite la autoalimentación de viviendas, logrando autonomías superiores a las 82 horas y terminando así con la necesidad de conectarse a redes de suministro.
- La situación física actual dispersa en países como España permite compensar la baja producción de unos parques eólicos por falta de viento con la alta producción en otras zonas. De esta forma se estabiliza la forma de onda producida en la generación eléctrica, solventando los problemas que presentaban los aerogeneradores como productores de energía en sus inicios.
- Es posible construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los costos de instalación y mantenimiento. Los parques offshore son especialmente importantes en los países del norte de Europa como Dinamarca.
En cuanto a desventajas de la energía eólica, están: debido a la variabilidad natural y la impredecibilidad del viento, para que la energía eólica pueda ser usada como única fuente de energía eléctrica es necesario almacenar la energía que se produce cuando hay viento para poder luego utilizarla cuando no lo hay. Pero hasta el momento no existen sistemas lo suficientemente grandes como para almacenar cantidades considerables de energía de forma eficiente. Por lo tanto, para hacer frente a los valles en la curva de producción de energía eólica y evitar apagones generalizados, es indispensable un respaldo de las energías convencionales como centrales termoeléctricas de carbón, gas natural, petróleo, o ciclo combinado, o centrales hidroeléctricas reversibles, por ejemplo.
Esto supone un inconveniente, puesto que cuando respaldan a la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sitúa cerca del 90% de su potencia. Tienen que quedarse muy por debajo de este porcentaje para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que amaine el viento. Es por ello que, cuando funcionan en este modo, las centrales térmicas consumen más combustible por KWH producido. Además, al aumentar y disminuir su producción cada vez que cambia la velocidad del viento se produce un desgaste mayor de la maquinaría.
Además, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene otras importantes consecuencias:
a) Para distribuir la electricidad producida por cada parque eólico (que suelen estar situados además en parajes naturales apartados) es necesario construir unas líneas de alta tensión que sean capaces de conducir el máximo de electricidad que sea capaz de producir la instalación.
b) Técnicamente, uno de los mayores inconvenientes de los aerogeneradores es el llamado hueco de tensión. Este problema se soluciona bien mediante la modificación del sistema eléctrico de los aerogeneradores, lo que resulta bastante costoso, bien mediante la utilización de motores síncronos, aunque es bastante más fácil asegurarse de que la red a la que se va a conectar sea fuerte y estable.
c) Además de la evidente necesidad de una velocidad mínima en el viento para poder mover las aspas, existe también una limitación superior: una máquina puede estar generando al máximo de su potencia, pero si la velocidad del viento sobrepasa las especificaciones del aerogenerador, es obligatorio desconectarlo de la red o cambiar la inclinación de las aspas para que dejen de girar, puesto que su estructura puede resultar dañada por los esfuerzos que aparecen en el eje.
Aunque estos problemas parecen únicos a la energía eólica, son comunes a todas las energías de origen natural, pues un panel solar sólo producirá energía mientras haya suficiente luz solar, y una central hidroeléctrica sólo podrá producir mientras las condiciones hídricas y las precipitaciones permitan la liberación de agua
5. Aspectos medioambientales de la energía
Generalmente, aunque no siempre, se combina con centrales térmicas, lo que lleva a que algunas personas consideren que realmente no se ahorran demasiadas emisiones de dióxido de carbono. No obstante, hay que tener en cuenta que ningún tipo de energía renovable permite, al menos por sí sola, cubrir toda la demanda y producción de electricidad, pero sin embargo su aportación a la red eléctrica es netamente positiva desde el punto de vista del ahorro de emisiones.
Al comienzo de la instalación de parques eólicos, los lugares seleccionados para ello coincidieron con las rutas de las aves migratorias o con las zonas donde las aves aprovechan vientos de ladera, lo que hace que los aerogeneradores entren en conflicto con aves y murciélagos. Afortunadamente los niveles de mortandad son muy bajos en comparación con otras causas como por ejemplo los atropellos, aunque esta afirmación es cuestionada por expertos independientes.
Actualmente los estudios de impacto ambiental necesarios para el reconocimiento del plan del parque eólico tienen en consideración la situación ornitológica de la zona. Además, dado que los aerogeneradores actuales son de baja velocidad de rotación, el problema de choque con las aves se está reduciendo significativamente.
El impacto paisajístico es una nota importante debido a la disposición de los elementos horizontales que lo componen y la aparición de un elemento vertical como es el aerogenerador. Esto, unido al ruido, puede llevar a la gente hasta un alto nivel de estrés, con efectos de consideración para la salud. No obstante, la mejora del diseño de los aerogeneradores ha permitido ir reduciendo progresivamente el ruido que producen.
6. Aprovechamiento de la energía eléctrica
Un aspecto importante a destacar en cuanto al aprovechamiento de la energía, independientemente de la fuente de la cual se obtenga, es el ilimitado uso de la energía eléctrica para mover motores que hacen la vida humana más confortable. El motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica de rotación por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Algunos de los motores eléctricos son también generadores, ya que pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica funcionando como alternadores.
La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía lumínica o luz, la energía mecánica y la energía térmica. La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en la vida diaria proviene de la red eléctrica a través de las tomas llamadas enchufes, a través de los que llega la energía suministrada por las compañías eléctricas a los distintos aparatos eléctricos mediante las correspondientes transformaciones.
