1. elementos de la combustiÓn · 2017. 3. 28. · mÁquinas tÉrmicas i combustiÓn -2- el aire de...

MÁQUINAS TÉRMICAS I COMBUSTIÓN

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1. ELEMENTOS DE LA COMBUSTIÓN En el mundo globalizado de hoy, a medida que el costo del combustible aumenta progresivamente mientras que el abastecimiento disminuye, la conservación de la energía es una necesidad. Para que la industria conserve energía sin disminuir la producción y minimizar los impactos negativos sobre el ambiente, el ingeniero debe encontrar formas de usar energía con mayor eficiencia. Se estima que más del 50% de la energía consumida por la industria se emplea para generar vapor en calderas. Aumentando la eficiencia de la combustión en las mismas, tendría un impacto significativo en la conservación de la energía. Antes discutir los métodos específicos de cómo aumentar la eficiencia consideraremos los principios básicos de la combustión.

COMBUSTIÓN Proceso de oxidación rápida de una sustancia (combustible), acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes- tales como fuel oil, gas y carbón- consisten en carbono e hidrogeno con algunas pequeñas cantidades de azufre y otros elementos. El proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. El término combustión, también engloba el concepto de oxidación en sentido amplio.

Para fines prácticos

La combustión involucra la oxidación de tres elementos: carbono, hidrógeno y azufre, dando lugar a tres reacciones químicas: Carbono (C) + Oxigeno (O2) → dióxido de carbono (CO2) + calor Hidrogeno (H) + Oxigeno (O2) → Vapor de agua (H2O) + calor Azufre (S) + Oxigeno (O2) → dióxido de azufre (SO2) + calor Es decir:

Combustible + comburente → productos de la combustión

Tipos de Combustión

La combustión obtenida por la reacción de proporciones exactas de combustible y oxigeno para obtener una completa conversión a dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre, es denominado combustión perfecta o combustión estequiométrica. (Es importante hacer notar que el oxigeno en exceso de la cantidad necesaria no se consumirá).

Si hay menor cantidad de oxigeno que la requerida para la combustión perfecta, la reacción es denominada sub-estequiométrica o combustión incompleta. Durante esta pueden formarse otros productos además de los mencionados, como: monóxido de carbono (CO), gas de hidrogeno (H2), compuestos hidrocarburos (CxHy), sulfuro de hidrógeno (H2S) y carbono. Estos componentes son contaminantes comunes y escapan a la atmósfera en los gases de combustión, (caracterizados por los humos de color negro).

AIRE El oxigeno para la combustión normalmente proviene del aire, donde se

encuentra en una proporción de un 21% del volumen total. La mayor parte del 79% restante es nitrógeno. Este es de menor importancia en la producción de calor, sin embargo, tiene un efecto significativo en la eficiencia de la caldera ya que parte del calor liberado por la reacción de la combustión tiene que ser utilizado para calentar el nitrógeno a la misma temperatura de llama más baja que si se usara oxígeno puro.

Se denomina aire teórico a la cantidad de aire necesaria para la combustión perfecta.

Cualquier cantidad de aire que exceda el aire teórico se conoce como exceso de aire.

La cantidad de aire disponible en una combustión incompleta se expresa como un porcentaje del aire teórico.

El aire mezclado con el combustible en el quemador, se denomina aire primario.


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El aire de la atmósfera que se difunde en la llama se conoce como aire secundario.

Ignición Usualmente la ignición se efectúa agregando calor de una fuente externa a la

mezcla, hasta que el calor de las reacciones de la combustión sea mayor que la perdida de calor al ambiente. La menor temperatura a que esto es posible se denomina la temperatura de ignición de la mezcla combustible/aire.

Temperatura de la llama

La temperatura de llama es la temperatura más alta producida en la combustión. Teóricamente la más alta temperatura de llama ocurre cuando aire y combustible son mezclados en proporciones estequiométricas exactas. Cualquier exceso de aire o combustible, únicamente servirá para absorber calor de la reacción de combustión. La temperatura de llama es máxima cuando la pérdida de calor al ambiente es mínima. La temperaturas reales de llamas son siempre menores que la teóricas. Los combustibles comunes producirán temperaturas de llama en el rango de 1.850 a 2.100ºC.

El calor liberado de la reacciones de combustión: Calienta los productos de combustión. Calienta el combustible y aire alimentados. Proporciona calor para romper cualesquiera ligaduras químicas en el

combustible. Se irradia a sus alrededores.

Regulación de la combustión

La combustión puede ser controlada dosificando la cantidad de aire o combustible disponible para ser quemados. El control del aire se efectúa de dos manteras:

Regulando la proporción en que el aire es alimentado. Regulando la mezcla aire/combustible, la cuál es influenciado por el diseño

del emparrillado el hogar o el quemador y por el abastecimiento del aire primario y secundario.

El control del combustible puede ser efectuado de la siguiente manera: Regulando la cantidad del combustible alimentado. Regulando el tamaño de las partículas de combustibles obtenidas en la

atomización de los combustibles líquidos y en la trituración de combustibles sólidos.

COMBUSTIBLE Sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o

que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Los combustibles se utilizan para calentar, para producir vapor con el fin de obtener calor y energía, para proporcionar energía a los motores de combustión interna, y como fuente directa de energía en aviones y cohetes a propulsión. En los casos en que el combustible debe proporcionar su propio oxígeno, como ocurre en ciertos cohetes y en la propulsión a chorro, se le añade a la mezcla de combustible un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno o el ácido nítrico.

Potencia calorífica

La eficacia del combustible, o capacidad calorífica o potencia calorífica, se mide normalmente en términos de energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada -normalmente 1kg o 1m3 - del combustible se quema bajo condiciones estándar o patrón. Las capacidades caloríficas de los combustibles sólidos y líquidos se miden en julios o kcal por kilogramo o metro cúbico. A veces se hace una distinción entre capacidad calorífica superior, que es el calor total desarrollado durante la combustión, y capacidad calorífica inferior o potencia calorífica neta, que es el calor neto desarrollado, descontando el calor perdido en la evaporación del agua durante la combustión.

Las Potencia caloríficas superiores aproximadas de los combustibles sólidos comunes son (kJ/kg): carbón, de 28 a 35 mil; lignito, de 14 a 17 mil; coque, 29 mil, madera seca, 20 mil, carbón vegetal 33,5 mil, bagazo 6,3 mil.

Para los combustibles líquidos comunes son: alcohol, 25 mil; aceite combustible, 44 mil; petróleo, 48 mil, y parafina, 46 mil.


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Para los combustibles gaseosos son: acetileno, 55 mil; gas de altos hornos,

3,5 mil; monóxido de carbono, 12 mil; gas de horno de coque o gas de hulla, unos 22 mil; hidrógeno, 12 mil; gas natural, de 39 a 82 mil; gas de petróleo, 19 mil, y gas pobre, 5 mil.

Factor de conversión: 1 kcal= 4,187 kJ

Combustibles

Sólidos Por orden de potencial calorífico, los combustibles sólidos más comunes son: el carbón, el coque, la madera, el bagazo de caña de azúcar y la turba. La combustión de estos materiales provoca la descomposición del combustible y la formación de materias volátiles como el gas, que arden con una llama tiznosa. Los residuos de sólidos carbónicos arden dependiendo de la difusión de oxígeno en su superficie. Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y 800°C, que se puede conseguir por la radiación del calor procedente de un objeto o medio de temperatura elevada. Al quemar combustible en una chimenea, el aire debe ir atravesando el combustible sólido, y la temperatura necesaria se mantiene por radiación entre las partículas. Al objeto de lograr una combustión más rápida, al carbón se le añade aire y se le trata en un horno. La relación aire-combustible necesaria dependerá fundamentalmente del tipo de combustible empleado; así 1kg de carbón común bituminoso requiere un mínimo de 11kg de aire para completar la combustión. En el caso del carbón activado, la temperatura de las llamas puede llegar a los 1.540°C. Si se quema carbón en polvo fino (polvo de carbón) o un hidrocarburo en circunstancias no controladas, la combustión se produce con gran rapidez, casi como una explosión. Ejemplos de estos procesos de combustión acelerada son los incendios en minas causados por el polvo de carbón.

Combustibles Líquidos y Gaseosos

Los combustibles líquidos más comunes son el fuel, la gasolina y las naftas derivadas del petróleo. Les siguen en importancia el alquitrán de hulla, el alcohol y el benzol obtenido en el proceso de elaboración de coque. En los hornos fijos se introduce fuel poco volátil en la cámara de combustión a través de unas boquillas, ya sea en presencia de vapor y aire o sin ella. En un motor de combustión interna, los combustibles volátiles como la gasolina o las mezclas de alcohol y gasolina (gasolina reformada) se evaporan y la mezcla penetra en el cilindro del motor, donde la combustión se provoca con una chispa. En el caso de estos combustibles se precisan entre 16 y 23kg de aire para la combustión de 1kg de combustible. En los motores diesel, el combustible se introduce en forma de lluvia atomizada en la cámara de combustión, donde el aumento de temperatura asociado con el nivel de compresión de dichos motores, es suficiente para provocar el encendido. A los combustibles gaseosos como el gas natural, el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930°C. Los cohetes espaciales suelen utilizar combustibles líquidos como el queroseno y la hidracina, y contienen oxidantes como el oxígeno líquido, el ácido nítrico o el peróxido de hidrógeno. Los lanzacohetes militares emplean combustibles sólidos como la cordita, a los que se incorpora oxígeno; éstos arden espontáneamente al calentarse por la radiación de los productos de la combustión.


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Investigación de

los Combustibles

Al ser la combustión un elemento clave en la producción de energía, se destinan grandes esfuerzos a la investigación y descubrimiento de procesos más eficaces para quemar combustibles. Otra parte del esfuerzo de los investigadores se dirige a conseguir reducir la cantidad de contaminantes que se liberan durante la combustión, pues estos productos son causa de importantes problemas de deterioro medioambiental como la lluvia ácida. En los laboratorios de combustión, los científicos se valen de complejos sistemas láser para el estudio de los motores y sistemas de combustión, con el fin de detectar fugas de combustible y mejorar tales sistemas. También es frecuente el uso del láser en pruebas destinadas a clarificar los procesos químicos que tienen lugar en las llamas, a fin de comprender mejor las formas y usos del fuego.

Fig. 1. Composición de los gases de humo

Problemas de

contaminación La combustión de carbón, petróleo y gasolina es el origen de buena parte de los contaminantes atmosféricos. Más de un 80% del dióxido de azufre, un 50% de los óxidos de nitrógeno, y de un 30 a un 40% de las partículas en suspensión emitidos a la atmósfera en Estados Unidos proceden de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, las calderas industriales y las calefacciones. Un 80% del monóxido de carbono y un 40% de los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos emitidos proceden de la combustión de la gasolina y el gasóleo en los motores de los coches y camiones. Otras importantes fuentes de contaminación son la siderurgia y las acerías, las fundiciones de cinc, plomo y cobre, las incineradoras municipales, las refinerías de petróleo, las fábricas de cemento y las fábricas de ácido nítrico y sulfúrico.


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Fig. 2. Camino de exposición para el

hombre

En sus orígenes, la industria petrolera generaba una contaminación medioambiental considerable. A lo largo de los años, bajo la doble influencia de los avances tecnológicos y el endurecimiento de las normas, se ha ido haciendo mucho más limpia. Los vertidos de las refinerías han disminuido mucho y aunque se siguen produciendo explosiones en los pozos, son relativamente infrecuentes gracias a las mejoras tecnológicas. Sin embargo, resulta más difícil vigilar la situación en los mares. Los petroleros oceánicos siguen siendo una fuente importante de vertidos de petróleo. Otra fuente de contaminación relacionada con la industria petrolera es el azufre que contiene el crudo. Las reglamentaciones de los gobiernos nacionales y locales restringen la cantidad de dióxido de azufre que pueden emitir las fábricas y centrales térmicas. Sin embargo, como la eliminación del azufre resulta cara, las normas todavía permiten que se emita a la atmósfera algo de dióxido de azufre. El gas natural es mucho más limpio que el petróleo. Como es gaseoso a temperatura ambiente, no contamina los ríos y los océanos. Además, como suele contener poco azufre, se quema de forma limpia.


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2. COMBUSTIBLES Como habíamos visto, se considera como un combustible toda sustancia natural o artificial, en estado sólido, líquido o gaseoso, capaz de reaccionar con el oxígeno del aire mediante ignición, liberando luz y calor.

Combustibles sólidos:

- Leña, carbón vegetal, caroso de coco, bagazo, carbón mineral.

Combustibles líquidos:

- Los más usados actualmente son los productos provenientes del petróleo, como el aceite Diesel y

aceite tipo A1. (fuel oil), biodiesel, alcohol.

Combustibles gaseosos:

- Gas natural, GLP

Combustión – Elementos básicos Los elementos básicos de la combustión son:

Combustible (carbono + hidrógeno) y comburente (en el caso más común el aire). Las reacciones básicas de la combustión completa son: Carbono (C) + Oxígeno (O2) + Hidrógeno (H2) Dióxido de Carbono (CO2) + Vapor de agua (H2O) El proceso de combustión es una reacción química compleja entre dos o más substancias. Como el proceso es exotérmico, durante la reacción de las substancias ocurre liberación de calor. Combustión Completa e Incompleta Una combustión es dicha completa cuando el combustible es cuantitativamente totalmente quemado. Cuando la quema es parcial, la combustión es dicha incompleta. Como la combustión es una oxidación, el oxígeno es uno de los principales elementos que participan del proceso de la combustión. Ese oxígeno es generalmente retirado del aire atmosférico. En cuanto a la cantidad de aire disponible, la combustión se puede desenvolver de tres formas distintas:

♦ Combustión estequiométrica: es aquella que se procesa con el volumen de aire teórico;

♦ Combustión con falta de aire: es aquella en que el volumen de aire es menor que el teórico;

♦ Combustión con exceso de aire: es aquella en que el volumen de aire es mayor al teórico. Este

es el tipo de combustión que se verifica en la práctica.

Condiciones óptimas Las condiciones ideales de combustión no pueden ser integralmente alcanzadas debido a limitaciones prácticas de la mayoría de los equipos de quema. La cantidad de exceso de aire requerido puede variar de 10% a 50%, dependiendo del combustible e del tipo de equipo utilizado. Podemos medir el volumen de exceso de aire presente en la combustión (medir las proporciones de CO2 y O2) con un analizador de gases llamado ORSAT.

Vamos a analizar dos combustibles más utilizados en nuestra región, leña y aceite tipo A1. La mayoría de las calderas están diseñadas para que se cumpla:

Tª gases ≅ 38ºC + tª vapor


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Leña La leña es un combustible cada vez más escaso debido a la devastación de los bosques. Es compuesta principalmente de celulosa, lignina, resinas, agua y cenizas. Conforme análisis químico tenemos:

COMPONENTE % C 47,5% H2 6,0% 02 44,0% N2 1,0% Cenizas 1,5%

La combustión de la leña se caracteriza por presentar una llama larga. Por eso requiere una hornalla con grandes dimensiones, constituida de material refractario, ladrillos y cemento. En la quema de combustibles sólidos hay formación de cenizas. Para quemarlos se necesitan rejillas con fresas para la entrada de aire y retirada de cenizas. La humedad contenida en la leña es generalmente elevada, variando de 20% en leñas secadas al aire hasta 40% en leñas estocadas al tiempo.

PODER CALORÍFICO Se define poder calorífico como la energía térmica total disponible en un combustible, medido en kcal/kg. Este poder calorífico total es también llamado de poder calorífico superior. Existe, sin embargo, otro tipo de poder calorífico: el inferior. El poder calorífico inferior es una base más realista para la comparación entre combustibles. Los poderes caloríficos descriptos en tablas oficiales son los superiores. El poder calorífico inferior (PCI) deriva del hecho de que el hidrógeno contenido en el combustible forma vapor de agua al quemarse, disminuyendo la energía térmica disponible. El poder calorífico de las leñas varia conforme la tabla a seguir.

Tipo de leña (Humedad 25%)

PCI (kcal/kg)

Cabríuva 4115 Canelinha 4010 Cedro 3990 Eucalipto 3840 Ipê 4020 Perobá 4020 Acacia 3500 Pino 3300


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Tablas de valores indicativos


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Combustibles Líquidos La composición del aceite combustible es bastante compleja. Aceites combustibles son productos refinados y sus propiedades pueden ser consideradas como invariables en lo que se refiere a su aplicación. Presentan derivados que contienen azufre, nitrógeno y oxígeno y cantidades muy pequeñas de algunos metales como vanadio, níquel, sodio y hierro. Actualmente son producidos en el Brasil los siguientes tipos: Clasificación Características Densidad % azufre en peso (máx.) Poder calorífico Tipo A B.P.F. 0,985 5,0 9920 Tipo B A.P.F. 0,943 5,0 - Tipo C (OC4) 0,880 - 10800 Tipo D B.T.E. 0,928 1,0 10440 Tipo E - 1,004 5,5 9900 Tipo F - 1,006 1,0 10400


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Para ser quemado en las calderas, el combustible líquido debe ser desagregado en pequeñas partículas, visando facilitar el proceso de quema. El aceite es pulverizado a través de quemadores. El tipo más usado es el quemador tipo vaso rotativo. Gas Natural Matriz energética usada en el mundo entero hace mucho tiempo, el gas natural representa hoy 23% del consumo mundial de energía. En el Brasil, este porcentaje es de apenas un 2% y en 2010 deberá llegar a un porcentaje de 12%. Características del gas natural: Es un combustible gaseoso disponible en la naturaleza. Es encontrado en el subsuelo en rocas porosas o junto al petróleo. Para que inflame es necesario que sea sometido a una temperatura superior a 620ºC. Es un combustible que presenta bajo contenido de contaminantes como nitrógeno, dióxido de carbono y compuestos de azufre. Aplicaciones del gas:

Residencial y comercial Cocimiento Calentamiento de agua Calefacción (confort térmico) Industrial Combustible para suministro de calor (generación de electricidad y de fuerza motriz) Materia prima en los sectores químicos petroquímicos y de fertilizantes Reductor siderúrgico en la fabricación de acero Automotivo Combustible para vehículos leves y pesados

Ventajas del gas:

Constituye una alternativa importante para la diversificación de la matriz energética en el siglo próximo.

Sus reservas son amplias y crecientes, dispersas por todo el mundo. El precio es competitivo con relación a combustibles convencionales. Por ser más leve que el aire proporciona más seguridad. La combustión es limpia con reducida emisión de contaminantes. Posee mejor rendimiento energético. No necesita almacenamiento por parte del consumidor. Posibilita reducción del uso de transporte rodo, ferro e hidroviario. Disminuye los costos y mantenimiento en la industria.

Beneficios ambientales:

El gas natural es uno de los energéticos disponibles actualmente con más bajo índice de emisión de contaminantes.

El gas está constituido en mayor parte de metano (CH4). Los productos resultantes de la combustión son inodoros, libres de óxidos de azufre y de partículas de hollín. No hay humo en la quema del gas.

La quema de este combustible agrede menos al medio ambiente pues su combustión es uniforme y presenta un bajo índice de emisión de contaminantes. Esto proporciona economía en el mantenimiento de los equipamientos.

En la substitución de la leña el gas presenta la ventaja de reducir el desmonte e no generar cenizas.

Al sustituir el aceite Diesel y A1 presenta la ventaja de disminuir drásticamente la emisión de compuestos de azufre.


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Reservas de gas en el mundo:

País/Región

1012 m3

Ex URSS 56,7 Oriente Medio 49,5 África 10,2 Asia y Oceanía 10,2 América del Norte 8,4 América Latina 6,2 Europa 5,2

Son 146,4.1012 m3 de gas natural disponibles en el mundo. El Brasil posee 0,2% de las reservas

mundiales.

3. ENERGÍAS NO RENOVABLES VS. ENERGÍAS RENOVABLES

La energía es un recurso clave en el proceso de desarrollo sostenible y aunque su producción y posterior transformación para su consumo es una de las causas principales del deterioro ambiental del Planeta, es evidente su carácter imprescindible en el desarrollo económico del sector industrial.

La energía se obtiene a partir de las Fuentes de energía y las cantidades disponibles de dichas fuentes es lo que se denomina Recursos energéticos.

El carácter limitado o ilimitado de dichas fuentes nos permite diferenciarlas y valorarlas en términos de sostenibilidad partiendo de la evidencia de que la atmósfera está alcanzando su límite medioambiental y de que el consumo energético sigue creciendo, con zonas del planeta en pleno desarrollo demandando su equiparación energética con el mundo desarrollado.

Fig. 3 Clasificación de las fuentes de energía


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Condiciones de partida actuales respecto a la energía:

La gran mayoría de la energía que consumimos es generada mediante productos fósiles. El aumento del nivel de vida y de confort se encuentra socialmente asociado aun aumento

del consumo de energía. Existe una gran dependencia de unas áreas sobre otras, a nivel global y local. Incremento de la población mundial. Los países no desarrollados demandan los mismos niveles energéticos que los

desarrollados. Aumento de la conciencia social respecto a temas medioambientales. Rechazo social a la energía nuclear con tendencia a su eliminación. Creación de redes a nivel mundial (gas).

La evolución futura de todas estas cuestiones nos dará la clave para evitar el deterioro de nuestra calidad de vida permitiéndonos la conservación de nuestros ecosistemas actuales.

A día de hoy estamos asistiendo a un resurgir de las denominadas energías renovables no sólo por el notable aumento de costes de los combustibles fósiles, destacando entre ellos al petróleo, sino también por sus negativos efectos ambientales.

La emisión constante a la atmósfera de los denominados gases de efecto invernadero -G.E.I.- contribuirá al tan anunciado cambio climático donde el incremento de las temperaturas y su influencia en otros factores del clima, tendrá como consecuencia efectos graves para los habitantes del planeta y la conservación de los actuales ecosistemas.

Objetivos de actuación

La consecución de una actuación energética sostenible en el ciclo constructivo sólo podrá llevarse a cabo mediante el uso controlado de fuentes renovables teniendo en cuenta la capacidad ecológica de nuestro entorno.

Se deberán identificar las diferentes fases tanto del ciclo energético desde su captación, transformación, transporte, almacenaje, uso y gestión de residuos como del proceso constructivo global, planificación, diseño, aplicación para la fabricación y obtención de materiales, elección de las instalaciones, mantenimiento de los productos edificatorios, posterior desmantelamiento de los mismos, etc.

Nuestro objetivo (como ingenieros) debe ser gestionar un sistema donde se combinen la eficiencia energética, con la consecuente reducción del gasto, y la potenciación de las energías de carácter renovable y ello concienciando a todos los actores que intervienen en el multidisciplinario proceso de construir e interactuar con nuestro entorno.

3.1. Energías no renovables

Energías no renovables son aquellas fuentes de energía que tienen un carácter limitado en el tiempo y cuyo consumo implica su desaparición en la naturaleza sin posibilidad de renovación. Suponen en torno al 80 % de la energía mundial y sobre las mismas se ha construido el inseguro modelo energético actual. (Ver Matriz energética).

Sus características principales son:

Generan emisiones y residuos que degradan el medioambiente.

Son limitadas.

Provocan dependencia exterior encontrándose exclusivamente en determinadas zonas del

planeta.

Crean menos puestos de trabajo en relación al volumen de negocio que generan.

Conseguir su control provoca conflictos por su interés estratégico militar.


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3.1.1. Clasificación

Las energías no renovables pueden ser agrupadas en dos grandes grupos:

Combustibles Fósiles

Recursos generados en el pasado a través de procesos geobiológicos y como consecuencia limitados. Representan el 75% de las energías de carácter no renovable y son los siguientes:

• Carbón - Fuente energética característica del periodo industrialista inicial sustituida durante el siglo XX por otras fuentes no renovables, principalmente el petróleo. Tiene un factor de emisión de CO2 muy elevado y las partículas emitidas en suspensión son causa, entre otras cosas, de la denominada lluvia ácida. Todavía es utilizada en determinados tipos de industrias y como fuente de alimentación de calefacción, aunque es la fuente no renovable menos utilizada en España y en la UE, con una clara tendencia a su sustitución por otras alternativas más prácticas y menos contaminantes.

• Petróleo - Fuente energética por excelencia a lo largo de todo el siglo XX siendo actualmente la fuente primaria a nivel mundial. El agotamiento de sus reservas se encuentra cercano y la variación en sus precios y el acaparamiento por parte de los países productores del mismo genera tensiones a nivel mundial que están afectando notablemente a la economía del planeta. Son destacables también sus aspectos contaminantes en los procesos de producción, transporte y consumo.

• Gas Natural - Sus dificultades para poder ser almacenado y transportado hicieron que no se considerase en un principio, aunque la necesidad de investigar energías alternativas a las existentes hicieron posible su utilización mediante redes de gas natural, actualmente distribuidas en todo el mundo, y medios de transporte marítimo adecuados para tal fin. Puede ser considerado el combustible fósil más limpio, con la menor cantidad de emisiones de CO2 y producción nula de partículas sólidas. Su rendimiento energético es elevado lo que permite una mayor producción de energía con menor cantidad de combustible. Su consumo va en aumento pudiendo considerarse dentro de su condición de fuente no renovable el más sostenible dentro de las alternativas existentes. Es considerado por muchos expertos como fuente energética de tránsito hasta la total implantación de las energías renovables. Ocupa el segundo lugar en el porcentaje de consumo después del petróleo.

Foto 1 y 2: Infraestructura típica de la explotación del petróleo.

Energía Nuclear

Producida en las centrales nucleares a partir del Uranio, mineral radiactivo limitado y escaso, es la fuente no renovable que genera un mayor rechazo social a pesar de que su consumo es uno de los menos representativos, sólo un 5% de las fuentes no renovables.

La energía eléctrica se obtiene mediante fisión nuclear cuya mayor problemática se plantea en relación a la generación y gestión de los residuos radiactivos y a la dificultad social de localización de las centrales nucleares por su elevado riesgo.


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Foto 3: Central Termonuclear

3.1.2. Los impactos ambientales del uso de energías no renovables

Algunos estudios demuestran que el impacto ambiental de las energías no renovables frente a las renovables es hasta 30 veces superior.

A continuación enumeramos algunos de los efectos negativos más relevantes:

• La lluvia ácida – con contenido de ácido sulfúrico que puede afectar irreversiblemente a los ecosistemas.

• Efecto invernadero - con del calentamiento del planeta y consecuencia del cambio climático.

• Vertidos contaminantes - en zonas de producción, principalmente producidos por los

combustibles fósiles.

• Residuos radiactivos peligrosos - generados en el proceso de fisión nuclear.

• Accidentes y escapes - tanto en la producción como en el transporte.

Las alteraciones que producen este tipo de energías en el entorno son en general, irreversibles y con consecuencias nefastas tanto a nivel local como global.

3.2. Energías renovables

Las energías renovables se plantean actualmente como alternativa a las denominadas energías convencionales aunque no son energías nuevas. Su empleo ha sido generalizado hasta la llegada de fuentes de energía alternativa que actualmente queremos desterrar, como el petróleo, y que contribuyeron a su abandono. Representan el 20% de la energía consumida y son también denominadas energías blandas o limpias siendo su ventaja más significativa su respecto hacia el medio ambiente.

Sus características principales son:

• Son limpias no generan residuos de difícil eliminación. • Su impacto ambiental es reducido. No producen emisiones de CO2 y otros gases

contaminantes a la atmósfera. • Se producen de forma continua por lo que son ilimitadas. • Evitan la dependencia exterior, son autóctonas. • Son complementarias. • Equilibran desajustes Interterritoriales. • Impulsan las economías locales con la creación de cinco veces más puestos de trabajo que las

convencionales. • Son alternativa viable a las energías convencionales.


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Fig. 4 Clasificación de las fuentes de energía Renovables

3.2.1. Clasificación

El origen de todas las energías renovables son fuentes naturales como el sol, el agua, el viento y los residuos orgánicos, aunque es sin duda el sol el motor generador de todos los ciclos que dan origen a las demás fuentes.

Las energías renovables se clasifican según la fuente natural de la que proceden en:

Energía solar - Es una de las energías renovables por excelencia y se basa en el aprovechamiento de la radiación solar que llega a la superficie terrestre y que posteriormente es transformada en electricidad o calor.

Energía eólica - Es la que se produce a través de la energía cinética del viento transformándola en electricidad, todo ello mediante los denominados aerogeneradores cuya agrupación conforma las centrales eólicas.

Energía minihidráulica - Aprovecha la energía cinética generada por las diferencias de nivel de los cursos de agua para transformarla en energía eléctrica. Este tipo de energía se considera renovable cuando su aprovechamiento se realiza con una potencia no superior a 10 MW. La energía hidráulica que supera esta potencia no se considera renovable debido al gran impacto ambiental de su emplazamiento para mayor producción.

Biomasa - Es un combustible formado por materia orgánica renovable de origen vegetal resultante de procesos de transformación natural o artificial en residuos biodegradables o cultivos energéticos.

Geotérmica - Aunque no se considera energía renovable en sí, es una energía procedente del calor interior de la tierra, utilizado para su conversión en electricidad y para aprovechamientos térmicos.

3.2.2. Inconvenientes de las energías renovables

Las energías renovables pueden también producir algunos impactos negativos aunque éstos no son comparables a los de las energías convencionales. A continuación pasamos a enumerar algunos de los inconvenientes en el uso de estos tipos de energía:

• Producen impactos visuales elevados. • Son variables y no previsibles en su totalidad. • Su densidad de potencia es baja por lo que en ocasiones tienen dificultades para garantizar el

suministro y tienen que ser complementadas con otro tipo de energías. • Algunas de ellas no están suficientemente desarrolladas tecnológicamente. • Existen dificultades para su almacenamiento por lo que no es aprovechado todo su potencial.


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El apoyo y la fuerte inversión en investigación y desarrollo que se está realizando con este tipo de energías, está haciendo que se vaya en el buen camino para hacer desaparecer o minimizar este tipo de inconvenientes, para que el uso de las energías renovables sea realidad en un futuro muy próximo.

Las energías renovables, por tanto, se presentan como una alternativa clara frente a las energías convencionales en todo el proceso industrial. Crece la demanda de productos sostenibles, la conciencia medioambiental de los proveedores de energía para los mismos y se corrobora la viabilidad económica de los ciclos. Está demostrado que inversiones iniciales ligeramente más elevadas revierten en ahorro posterior durante la vida útil de las viviendas, edificios y las industrias.

3.2.3. Tipos de Energía Solar

La energía solar se obtiene mediante la captación de la radiación emitida por el sol. La cantidad de radiación solar recibida depende de numerosos factores aunque nuestro país se encuentra en una situación ventajosa respecto a otros por su especial climatología, con un elevado número de horas de sol percibidas anualmente. Las condiciones climáticas son idóneas, aproximadamente 4 kWh/m2 de energía solar de media por año.

A pesar de ello, es necesario destacar que la emisión de radiaciones solares es un proceso con grandes variaciones, en muchas ocasiones no previsibles, que conllevan cambios bruscos. Además las necesidades de calor son inversamente proporcionales a la cantidad de radiación solar emitida, con exceso de radiación en verano y escasez en invierno, que es cuando la necesidad de calor es mayor.

Foto 4: Paneles Solares

Para que el uso de la energía solar sea una alternativa energética viable es preciso garantizar el suministro necesario mediante una mejora de los sistemas de captación, acumulación y distribución. El nivel técnico actual de dichos sistemas es muy elevado habiéndose desarrollado grandes avances en todos los campos. Se puede afirmar que las posibilidades técnicas de la energía solar están en un orden muy superior al aprovechamiento actual que se está haciendo de este tipo de energía. Además, la energía solar puede perfectamente ser complementada con otras energías renovables o convencionales lo que haría que se redujesen las necesidades de acumulación en períodos de escasa radiación solar.

La energía solar se puede aprovechar de dos formas diferentes, o bien de una manera directa, aprovechando la generación de calor mediante colectores térmicos, o bien transformándola en energía eléctrica gracias a los paneles fotovoltaicos. Estas dos formas de aprovechamiento determinan los dos tipos de energía solar: Energía Solar Térmica y Energía Solar fotovoltaica.

Estos dos tipos de energía solar tienen procesos de desarrollo muy diferentes tanto en lo que se refiere a la tecnología empleada como en lo relativo a su aplicación posterior en los edificios.


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ENERGIA SOLAR TERMICA

La energía solar térmica aprovecha directamente la energía emitida por el sol. Su calor es recogido en colectores líquidos o de gas que son expuestos a la radiación solar absorbiendo su calor y transmitiéndolo al fluido utilizado.

Este calor acumulado se puede utilizar directamente o puede ser empleado para la generación de electricidad, esta diferencia en el proceso nos permite distinguir entre los dos tipos de Energía Solar Térmica, dependiendo de si utilizan o no elementos mecánicos para conseguir el efecto térmico.

Energía solar térmica pasiva

La energía solar térmica pasiva nos permite producir energía sin necesidad de utilizar ningún medio mecánico. El proceso térmico pasivo es un proceso totalmente natural en el que el sol se emplea para el calentamiento del agua circulante por conductos o placas que posteriormente es utilizada para la climatización de ambientes o el agua caliente sanitaria, tanto a nivel doméstico como industrial. El agua caliente se aprovecha directamente o se almacena en un depósito para su posterior uso.

Fig. 5 Esquema de utilización de la energía solar Térmica pasiva.

La energía solar térmica es uno de los pilares de la Arquitectura Bioclimática que utiliza los recursos solares combinados con parámetros de diseño y elección de materiales para conseguir el máximo confort ambiental con el menor consumo de energía.

El costo de la instalación de este tipo de energía no resulta elevado (puede suponer un 10% de sobrecosto en la instalación) y se amortiza en poco tiempo debido al gran ahorro energético que supone (hasta un 70% durante su vida útil). Es la energía renovable con menor impacto en el medioambiente.

Aplicaciones:

• Calefacción • Agua Caliente Sanitaria • Refrigeración • Climatización piscinas, etc.

Energía solar térmica activa

La energía solar térmica activa obtiene electricidad a partir de una serie de tecnologías que permiten la transformación del calor obtenido por la radiación solar. La radiación solar directa se concentra por diversos métodos en las centrales solares obteniéndose calor a media o alta temperatura.

El funcionamiento consiste en concentrar la luz solar mediante espejos (helióstatos), cilindros o discos parabólicos para alcanzar altas temperaturas (más de 400ºC), que se utilizan para generar vapor y activar una turbina que produce electricidad por medio de un alternador. En este proceso no se


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producen las emisiones contaminantes de las centrales térmicas convencionales. Existe la posibilidad de almacenar el calor solar recogido durante el día para que durante la noche o cuando está nublado se pueda continuar generando electricidad.

La inversión que hay que hacer en este tipo de instalaciones es elevada y la técnica se encuentra en experimentación aunque se trabaja en su aplicación y desarrollo y existen ejemplos notables en España como el de la Plataforma Solar de Almería.

Aplicaciones:

• Obtención de agua caliente • Combustible de calefacción

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar fotovoltaica se basa en el efecto fotovoltaico que transforma la energía solar en energía eléctrica por medio de células solares, elemento base. Esta transformación se produce sin mecanismos móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas, se podría afirmar que es una de las energías renovables con más proyección de futuro por su sencillez técnica.

Fig. 6 Esquema de utilización de la energía solar fotovoltaica

Las células solares están elaboradas a base de silicio puro, material cristalino semiconductor, con adición de impurezas de ciertos elementos químicos; dispositivos sólidos excitables al recibir la luz solar y que son capaces de generar pequeñas cantidades de electricidad debido al flujo de electrones del interior de los materiales y la diferencia de potencial. Las células reaccionan tanto con luz solar directa como con luz difusa por lo que pueden seguir produciendo electricidad en días nublados.


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Foto 5: Paneles

Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles se orientan hacia el sur para un mayor aprovechamiento de la energía solar que, una vez captada, se transforma en energía eléctrica en forma de corriente continua con conexión a un sistema de almacenamiento (baterías).

Actualmente existen dos formas de utilización de la energía fotovoltaica:

• Autoconsumo - La instalación es un elemento no conectado a la red pública y sirve para abastecer a una vivienda aislada utilizándose la producción eléctrica para el autoconsumo. El usuario accede a su propia energía de manera independiente con sus propias baterías acumuladoras para períodos de no radiación. Se pueden contemplar también en estos casos el uso de energías complementarias para garantizar el suministro energético.

• Integración en la red eléctrica - La instalación solar se conecta a la red eléctrica pública permitiendo esta conexión el intercambio de energía con la red eléctrica con la aportación de excesos a la misma y su utilización en períodos de menor producción.

Algunas ventajas de las instalaciones de energía solar fotovoltaica

La tendencia actual es a una mejora de los rendimientos de las células energéticas con una creciente disminución de los costes por lo que resulta una alternativa viable a otras fuentes energéticas.

Es previsible un aumento a nivel mundial de este tipo de energía por sus demostradas ventajas a todos los niveles. Pasamos a enumerar algunas de ellas:

Gran durabilidad, resultan prácticamente inalterables al paso del tiempo. No requieren mantenimiento. No producen contaminación atmosférica ni hacen ruido. Son limpias. No consumen combustible, se alimentan del sol. Funcionan con luz directa y difusa,

por lo que siguen funcionando aunque exista nubosidad. Se pueden utilizar de forma independiente o integrada en la red eléctrica pública. El silicio, base de las células solares, se encuentra en la arena por lo que hay

abundancia del mismo. Su facilidad de instalación permite su integración en zonas urbanas sobre edificios ya

construidos. Sus costes tienden a disminuir y lo harán más si su producción se incrementa. Son menos antiestéticas que otras energías integrándose en los edificios de manera

discreta.


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3.2.4. Energía Eólica

La energía eólica es una forma indirecta de la energía solar ya que se produce como consecuencia de la energía cinética del viento y éste es efecto de las diferencias de temperatura y presión de la atmósfera, originadas por la radiación del sol.

La energía eólica se empieza a utilizar para producir electricidad durante el siglo pasado aunque siempre aplicada a instalaciones de pequeño tamaño, y principalmente orientadas al autoconsumo. La busca de alternativas al modelo energético convencional hizo, en la década de los noventa, que la energía eólica cobrara importancia por sus ventajas ambientales. Desde entonces este tipo de energía se ha desarrollado tecnológicamente demostrando su viabilidad en términos económicos y reafirmándose como energía de futuro.

Foto 6: Turbinas eólicas

La energía eólica es actualmente la energía renovable con mayor crecimiento y representa ya una gran parte de la producción eléctrica. España es uno de los mayores productores de energía eólica a nivel mundial y el estudio de las condiciones de viento en todo su territorio está permitiendo la implantación progresiva de parques eólicos conectados a la red eléctrica en la mayoría de las comunidades autónomas.

Elementos de la Instalación

La energía cinética del viento es transformada en energía eléctrica por medio de los denominados aerogeneradores o generadores eólicos. El aerogenerador es un dispositivo consistente en un sistema mecánico de rotación o rotor provisto de palas que con la energía cinética del viento mueven un generador eléctrico conectado al sistema motriz. La potencia obtenida en este proceso es directamente proporcional al cubo de la velocidad del viento, lo que conlleva que ligeras variaciones de velocidad, originen grandes variaciones de potencia.

El aerogenerador se compone de un soporte rígido y de gran altura para resistir la fuerza del viento y evitar turbulencias de su base. Sobre el soporte se localiza un sistema de rotación o rotor conformado por una serie de palas que son las que reciben la energía del viento. El rotor dispone también de sistemas de orientación y regulación para control de la posición respecto al viento y de la velocidad de rotación del mismo. El sistema de generación es el encargado de producir la energía eléctrica mediante la conexión al rotor por un sistema de transmisión.

Podemos hablar de dos modelos diferentes de aerogeneradores dependiendo de la localización del generador, aunque su esquema de funcionamiento es el mismo para los dos tipos:

• Aerogenerador de eje horizontal - El rotor se encuentra acoplado a un soporte donde se encuentra el generador estando ambos montados sobre una torre que puede ser de metal o de hormigón.


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• Aerogenerador de eje vertical - El generador se localiza en la base de la torre y aunque es más sencillo de mantener el rendimiento de la instalación es menor que en los aerogeneradores de eje horizontal.

Tipos de instalaciones eólicas

El aprovechamiento de la energía eólica sólo resulta rentable en lugares con vientos constantes y relativamente moderados, es necesaria una velocidad media del viento superior a 30 km/h para el buen funcionamiento de la instalación.

Foto 7: Parque eólico

Existen dos tipos de instalaciones eólicas:

• Aisladas - Las instalaciones aisladas no disponen de conexión con la red eléctrica. Son, en general, instalaciones a pequeña escala y se destinan al autoabastecimiento eléctrico de inmuebles localizados en lugares alejados, entornos rurales, etc. Se suelen complementar con energía solar fotovoltaica para garantizar el suministro y evitar la necesidad de acumuladores u otro tipo de energía.

• Parques eólicos - Los parques eólicos están formados por un conjunto de aerogeneradores que se encuentran conectados a la red de distribución eléctrica general. Son instalaciones de grandes dimensiones que se localizan en lugares donde la velocidad del viento es adecuada para la rentabilización de las inversiones. Posibilitan la obtención de al menos 1 Megavatio de potencia. Existen también parques eólicos marinos cuyo fundamento tecnológico es equivalente al de los parques eólicos terrestres, aunque los aerogeneradores suelen ser de mayores dimensiones.

Algunas consideraciones sobre la energía eólica

Antes de proceder a la instalación de parques eólicos productores de energía eléctrica se deben realizar estudios exhaustivos de las condiciones del viento en la zona. Los aerogeneradores para funcionar a pleno rendimiento necesitan viento de fuerza y velocidad lo más constante posible, sin cambios bruscos al alza o a la baja.

Las instalaciones de energía eólica pueden tener un elevado impacto a escala local debido principalmente a sus grandes dimensiones, la elevada ocupación del territorio y los ruidos que genera su funcionamiento. Hay que ser cuidadoso en la elección de los emplazamientos intentando afectar lo menos posible a los ecosistemas del entorno y valorando las necesidades reales que queremos cubrir para no sobredimensionar si no es necesario.

En lo que se refiere al ruido producido, éste sólo se percibe en la propia instalación y es menor que el de otras instalaciones como las centrales térmicas. Además los parques eólicos se suelen emplazar en zonas no cercanas a núcleos urbanos.


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Aunque el impacto ambiental de las instalaciones eólicas es claro, hay que tener también en cuenta que agotada su vida útil, el territorio sufre una regeneración completa, cosa que no ocurre en otro tipo de instalaciones.

3.2.5. Energía Minihidráulica

La energía hidráulica es una energía derivada indirectamente de la energía solar, ya que es el sol, en último término, el que regula el ciclo hidrológico. El agua, fuente utilizada para conseguir energía hidráulica, llega a la tierra de forma continua y es de carácter inagotable. Sin embargo, aunque el agua es un recurso renovable, la energía hidráulica en sí misma no es considerada como tal debido al gran impacto ambiental que producen las instalaciones necesarias para su obtención.

Foto 8: central hidroeléctrica

Las centrales hidroeléctricas con potencia inferior a 10 MW se denominan centrales minihidráulicas. La energía minihidráulica sí se considera, sin embargo, como una energía renovable ya que los sistemas de distribución y gestión empleados son diferentes a los de las centrales de elevada potencia y su impacto ambiental es mucho más reducido. Para la obtención de energía minihidráulica no siempre es necesario incluir una presa en la instalación y si esta existe no debe superar los 15 m de altura.

A principios del siglo XX se construyeron numerosas centrales minihidráulicas para abastecer a pequeños municipios o industrias, aunque en el último cuarto de siglo éstas se sustituyeron por otras centrales de mayor tamaño y con mayor poder de distribución. Actualmente se está intentando volver a poner en marcha antiguas instalaciones, además de implantar otras nuevas, ya que están demostradas las ventajas de carácter medioambiental de este tipo de instalaciones.

Las instalaciones minihidráulicas contribuyen a la diversificación de las fuentes, permiten el acercamiento al usuario, convirtiendo la energía en un recurso gestionado de manera local, y dan servicio a zonas aisladas, como en el caso de las microcentrales, de escaso impacto ambiental y múltiples posibilidades de localización.

La tecnología empleada en todos estos procesos es ya una tecnología madura debido a su larga trayectoria por lo que a nivel técnico no se esperan novedades importantes, lo que aporta seguridad y conocimiento en su aplicación. Nuestro país cuenta con un gran número de empresas que disponen a tecnología moderna que ofrece en el mercado una amplia gama de bienes de equipo de alta calidad y prestaciones, que van incorporando los últimos avances tecnológicos para incrementar los rendimientos, disminuir los costes y el impacto ambiental.


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Funcionamiento y clasificación de las centrales minihidráulicas

La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía cinética y potencial generada por una corriente de agua al salvar el desnivel existente entre dos puntos. Esta energía se transforma en energía eléctrica por medio de turbinas que se mueven debido a la masa de agua que pasa por su interior. Las turbinas transmiten la potencia mecánica de su rotación mediante un eje a un generador de electricidad o alternador.

La potencia de una instalación se determina mediante el producto del caudal de agua por el salto o desnivel que salva el curso. Las centrales minihidráulicas se localizan normalmente en lugares de caudales moderados y saltos pequeños.

Los tipos de centrales minihidráulicas se pueden definir en base a criterios de funcionamiento o de potencia.

Según la forma en la que se recibe y se produce la acumulación del agua se pueden clasificar en:

Centrales de agua fluente:

Son centrales que no disponen de ningún tipo de regulación por lo que el caudal varía en función del régimen hidrológico anual.

Centrales de flujo regulado:

Son aquellas en las que se puede regular el agua a través de un depósito de regulación diario, semanal o mensual. Se destinan a usos hidroeléctricos o a otros fines (riego o abastecimiento) estando localizadas aguas abajo de los embalses.

Graduándolas según la potencia producida se pueden distinguir los siguientes tipos de centrales:

Pico centrales: Potencia < 5 kW

Micro centrales: Potencia< 100 kW

Mini centrales: Potencia< 1.000 kW

Pequeñas centrales: Potencia< 10.000 kW

Para proceder a la Instalación de una central minihidráulica se tienen que seguir una serie de pautas

que determinarán su viabilidad. A continuación pasamos a enumerarlas:

• Elección del lugar basándose en la disponibilidad del territorio y la accesibilidad al mismo,

teniendo en cuenta que la accesibilidad es inversamente proporcional al impacto ambiental.

• Determinación del caudal de agua (litros/s) y el salto disponible (m) para poder determinar el

cálculo de la potencia teórica de la que vamos a disponer, en todo caso menor de 10 MW.

• Tramitación de autorizaciones y permisos necesarios.

• Estudio de viabilidad económica de la instalación.

• Construcción e implementación.

• Gestión y mantenimiento efectivo, protegiendo las calidades ambientales del sistema fluvial.

Aplicaciones de la energía minihidráulica

Los sistemas minihidráulicos pueden aplicarse en todos aquellos lugares donde exista un curso de agua y un cierto desnivel. Los sistemas de potencia más reducida son los de implantación más sencilla, y con menor impacto ambiental, y sirven principalmente para abastecer a zonas aisladas donde existen dificultades para acceder a la red eléctrica general.


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Se pueden distinguir dos tipos de sistemas según su relación con la red eléctrica:

Sistemas aislados: Son sistemas no conectados a la red eléctrica general siendo habitualmente picocentrales para autoabastecimiento con consumo reducido.

Sistemas conectados: Son sistemas conectados a la red eléctrica general con potencia al menos de microcentral en los que se cede la energía sobrante del autoconsumo a la red.

Algunas consideraciones sobre la energía minihidráulica

La energía minihidráulica depende de las condiciones climatológicas por lo que su aplicación puede resultar inviable en determinados lugares donde los recursos hídricos son escasos o en períodos de sequía.

A pesar de las claras ventajas medioambientales de este tipo de instalaciones, es necesario que exista una clara voluntad política para el fomento de este tipo de energía ya que, sobre todo en el caso de las centrales de menor tamaño, el esfuerzo de inversión no es proporcional a la rentabilidad obtenida. La iniciativa pública es fundamental en estos casos, considerando además que muchas de estas infraestructuras son propiedad parcial o total del estado y su puesta en marcha se realiza mediante concesiones administrativas por concurso público.

La energía minihidráulica es una energía no contaminante que no necesita para su producción ninguna combustión ni generación de residuos. Su transformación del entorno es reducida ya que aprovecha los desniveles ya existentes en los flujos de agua, aunque no se debe olvidar que también los sistemas minihidráulicos pueden tener impactos negativos sobre el medioambiente. Es importante que se preste especial atención al caudal ecológico del curso utilizado para la producción eléctrica, para conservar el ecosistema fluvial y evitar alteraciones en la flora y fauna del entorno.

3.2.6. Energía de Biomasa

La biomasa es una fuente de energía procedente de manera indirecta del sol y puede ser considerada una energía renovable siempre que se sigan unos parámetros medioambientales adecuados en su uso y explotación.

Fig. 7 Proceso de generación de la Biomasa


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La formación de biomasa a partir de la energía solar se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de la cadena biológica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua, productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal.

Dependiendo de si los materiales orgánicos resultantes han sido obtenidos a partir de la fotosíntesis o bien son resultado de la cadena biológica se pueden distinguir dos tipos de biomasa:

Biomasa vegetal: Resultado directo de la actividad fotosintética de los vegetales.

Biomasa animal: Se obtiene a través de la cadena biológica de los seres vivos que se alimentan de la biomasa vegetal.

La biomasa vegetal y animal, producidas no son utilizadas por el hombre en su totalidad lo que conlleva la generación de residuos sobrantes de la misma. También se expulsa a la naturaleza gran parte de la biomasa utilizada. El conjunto de los residuos orgánicos de producción o consumo de la biomasa reciben el nombre de “biomasa residual”, también aprovechada en la obtención de energía. Estos residuos de biomasa fosilizados a lo largo del tiempo constituyen la “biomasa fósil”, concepto que engloba a los denominados combustibles fósiles que actualmente conocemos, carbón, petróleo, gas natural, etc.

Por tanto, la biomasa energética puede definirse como materia orgánica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformación natural o artificial y los residuos generados en su producción y consumo.

En España la biomasa es un recurso abundante, existiendo empresas suministradoras de la misma repartidas por todo el territorio nacional con niveles de exportación elevados en algunos tipos como el hueso de oliva.

Aplicación directa de la biomasa: Residuos y cultivos energéticos

Es la forma de uso tradicional de la biomasa en la que se obtiene energía mediante combustión directa, es decir, la biomasa se utiliza como combustible.

Podemos utilizar dos tipos de fuentes de biomasa:

• Los residuos • Los cultivos energéticos

Residuos

La biomasa residual conformada por residuos de carácter orgánico dispone de un gran potencial para la generación de energía. Se puede producir de manera espontánea en la naturaleza o como consecuencia de la actividad del hombre, agrícola, forestal e industrial.

Los residuos pueden ser clasificados en función del sector que los genera en los siguientes tipos:

Residuos agrarios

Son el resultado de la actividad agraria humana y según su origen se denominan:

• Residuos agrícolas:

Son restos y sobrantes de cultivos como por ejemplo la paja de los cereales, caña de azúcar, poda de árboles frutales y viñedos, etc.


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• Residuos forestales:

Son los residuos generados en la limpieza de las explotaciones forestales como leña, ramaje, etc. además de restos de madera de montes y bosques.

• Residuos ganaderos:

Se refieren principalmente a excrementos de animales en explotación ganadera.

• Residuos industriales

Son aquellos residuos derivados de la producción industrial con posibilidades de generación de biomasa energética residual, como la industria de manufacturación maderera o agroalimentaria.

• Residuos urbanos

Son residuos de carácter orgánico producidos diariamente y en grandes cantidades en los núcleos urbanos de población pudiéndose distinguir dos formas de los mismos:

• Residuos sólidos urbanos:

Materiales biodegradables sobrantes del ciclo de consumo humano.

• Aguas residuales urbanas:

Elementos líquidos procedentes de la actividad humana, cuya parte sólida contiene una cantidad relevante de biomasa residual aunque existen algunas dificultades en la depuración del material sobrante.

Cultivos energéticos

Los cultivos energéticos son plantas cultivadas con el objetivo de ser aprovechadas como biomasa transformable en combustible. Es una faceta agrícola todavía en experimentación y por ello existen a día de hoy numerosos interrogantes sobre su viabilidad económica y los impactos de carácter medioambiental y social que puede producir. Existen diversos tipos de cultivos que pueden ser utilizados con fines energéticos y que pueden ser clasificados en los siguientes grupos:

Cultivos tradicionales:

Originalmente destinados a fines alimentarios con necesidad de condiciones climatológicas favorables y terrenos fértiles lo que hace que sólo se consideren viables como fuentes energéticas en el uso de excedentes de su producción. Es el caso de la caña de azúcar, los cereales, etc.

Cultivos poco frecuentes:

Algunas especies silvestres con posibilidad de ser cultivadas en condiciones desfavorables, en terrenos no fértiles y con fines no alimentarios, como el cardo, los helechos, etc.

Cultivos acuáticos:

Todavía en fase experimental aunque con un gran potencial de superficie productiva.

Cultivos de plantas productoras de combustibles líquidos:

Plantas que generan determinadas sustancias que con tratamientos sencillos pueden se transformadas en combustibles. Ejemplo de ella pueden ser las palmeras, jojoba, etc.


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Aplicación indirecta de la Biomasa

La biomasa también puede ser utilizada de una manera indirecta convirtiéndola, mediante una serie de técnicas de transformación, en nuevos recursos energéticos, productos industriales sustitutivos de los combustibles fósiles, aunque muchos de estos métodos de conversión se encuentran en fase de experimentación.

Procesos de transformación de biomasa en energía

Cada uno de los diferentes tipos de biomasa requiere diferentes técnicas de transformación pudiendo dividirse en dos grupos:

Métodos termoquímicos

El calor es la fuente de transformación principal y son los métodos utilizados en la transformación de la biomasa seca (principalmente paja y madera). Se basan en la aplicación de elevadas temperaturas y se pueden distinguir dos tipos de procesos según la cantidad de oxígeno aportada en los mismos:

• Combustión:

Aplicación de elevadas temperaturas con exceso de oxígeno. La combustión directa u oxidación completa de la biomasa al mezclarse con el oxígeno del aire liberando en el proceso dióxido de carbono, agua, cenizas y calor. Este último es utilizado para la el calentamiento doméstico o industrial o para producción de electricidad.

• Gasificación / Pirolisis:

Aplicación de elevadas temperaturas con cantidades limitadas o nulas de oxígeno, que no permiten la combustión completa, liberando en el proceso monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano. El resultado es la obtención de gases, líquidos o sólidos (p.e. carbón vegetal) con contenido carbónico que pueden ser utilizados como energía útil.

Métodos biológicos o bioquímicos

Diversos tipos de microorganismos contribuyen al proceso de degradación de las moléculas de materia de biomasa húmeda en compuestos simples de gran contenido energético por medio de dos tipos de técnicas:

• Fermentación alcohólica:

Proceso que consiste en la transformación del carbono acumulado en las plantas, como consecuencia de la energía solar, en alcohol por medio de fermentación en diferentes fases según el tipo de biomasa. La fase de coste energético más elevado es la de destilación que contribuye a que el balance energético de la técnica puede no cumplir los parámetros renovables. Los productos obtenidos son biocarburantes como el bioetanol o el biodiesel, utilizados como combustibles alternativos a los fósiles.

• Fermentación metánica o digestión anaerobia:

Proceso de fermentación microbiana con ausencia de oxígeno del que generando gases como el metano y el dióxido de carbono. Se utiliza principalmente para la fermentación de la biomasa húmeda del tipo de residuos ganaderos o aguas residuales urbanas, siendo el producto combustible final obtenido el biogás.

Los combustibles obtenidos mediante los procesos de transformación antes citados presentan las siguientes ventajas medioambientales respecto a los combustibles convencionales:

El contenido en azufre de los gases de su combustión es escaso. No liberan partículas en su combustión La producción de cenizas es reducida. Contribuyen a la conservación del ciclo del CO2.


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Consideraciones ambientales en el aprovechamiento de la biomasa

Es fundamental que se establezcan pautas que aseguren un correcto desarrollo del potencial de la biomasa sin dar lugar a otros problemas ambientales. El objetivo debe ser impulsar aquellas formas de aprovechamiento que sean sostenibles y ambientalmente aceptables, descartando otras que sean perjudiciales para el medio ambiente.

La biomasa es parte del ciclo natural del carbono entre la tierra y el aire. Para que la biomasa energética se considere energía renovable, la emisión neta de carbono del ciclo deberá ser cero o negativa, esto es, el carbono absorbido en el proceso total debe ser igual o mayor al emitido en la atmósfera en los procesos de generación de la energía.

Asimismo, el análisis del balance energético del ciclo es fundamental para comprobar que éste sea positivo, es decir, el rendimiento energético obtenido de la biomasa debe ser igual o mayor que la suma de la energía no renovable utilizada en el proceso de producción generación y transporte de la misma.

Como criterio general se priorizarán los recursos excedentes frente a la nueva producción de los mismos potenciando los sistemas a pequeña escala y cercanos a la producción de los recursos, teniendo en cuenta que el dimensionado de las instalaciones se deberá realizaren función de la disponibilidad del recurso biomasa y no al revés.


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3.3. Unidades de Medidas utilizadas en eficiencia energética

SÍMBOLO LECTURA UNIDAD DE MEDIDA

A

BHP

BTU

Btu / h-pie

ºC

dB

ºF

HP

Hz

lm

lm/m²

lm /W

J

kJ / kg

kW

kwh

kWh / año

kVAh

M3/ h

MJ

MPa

Tep

W

µm

Ángstrom

Caballo de fuerza de caldera

Unidad térmica británica

BTU / hora-pie

Grado centígrado

Decibel

Grado Fahrenheit

Caballo de fuerza

Hertz

lumen

lumen / metro cuadrado

lumen / Watt

Joule

Kilo Joule / kilogramo

Kilowatt

Kilowatt hora

Kilowatt hora / año

Kilovoltio Amperio hora

Metro cúbico / hora

Mega joule

Mega Pascal

Tonelada equivalente de petróleo

Watt

Micrómetro

Longitud microscópica

Potencia de una caldera

Energía, calor, trabajo

Flujo de calor

Temperatura en escala métrica

Unidad de intensidad del sonido

Temperatura en escala inglesa

Potencia

Frecuencia

Unidad de medida de luz

Flujo luminoso por área

Flujo luminoso por potencia


Energía por unidad de masa

Potencia

Energía

Energía anual

Energía eléctrica

Caudal volumétrico


Presión


Potencia

Longitud pequeña


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3.4. FACTORES DE CONVERSIÓN

Unidades de Energía, Calor, Trabajo

kJ kWh Kcal BTU Tep

1 kJ 1 2,7778x10-4 0,2389 0,9478 23,89 x10-9

1 kWh 3600 1 860,1 3412 86,011x10-6

1 kcal 4,1855 1,1626x10-3 1 3,967 10-7

1 BTU 1055 0,2931 x103 0,252 1 25,21 x10-9

1 Tep 41.855 x 103 11 626 107 39,67 x 106 1

Unidades de Potencia, Flujo de Calor

kW HP Kcal / h BTU / h

1 kW 1 1,341 860 3415

1 HP 0,7457 1 641,4 2547

1 kcal / h 0,001163 1,559x10-3 1 3,9684

1 BTU / h 29,99 x 10-5 39,28 x 105 0,25195 1

Unidades de Energía por unidad de Masa, Poder Calorífico

kJ / kg kWh / kg kcal / kcal BTU / lb

1 kJ / kg 1 0,2779 x 10-3 0,2389 0,4299

1 kWh / kg 3600 1 860,1 1548

1 kcal / kcal 4,1855 1,1626 x 103 1 1,799

1 BTU / lb 2,326 0,6461 x 103 0,5557 1

Unidades de Energía por unidad de Volumen, Poder Calorífico

kJ / m3 kWh / m3 kcal / m3 BTU / pie3

1 kJ / m3 1 0,0002778 0,2389 0,02684

1 kWh / m3 3600 1 860,1 96,62

1 kcal / m3 4,1855 1,163x10-3 1 0,1124

1 BTU / pie3 37,26 0,01035 8,902 1

Fuente: Sistema Internacional de Unidades. SI

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