Energía Renovable y energía No Renovable

Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali Progetto Formativo per Italiani residenti all’Estero

CORSO PER OPERATORE DEI SISTEMI PRODUTTIVI AGROALIMENTARI CON METODO BIOLOGICO (Decreto Legislativo n. 112 del 31.03.1998 art. 142 lett. h / D.D. N° 129/V/2002 del 15.07.2002)

Circoscrizione Consolare di Cordoba – Argentina. _________________________________________________

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ENERGÍA RENOVABLE Y NO RENOVABLE Doc. Arq. Pablo Capitanelli INTRODUCCIÓN Cuando oye las palabras trabajo o energía, ¿qué le viene a la mente? ¿Es trabajo rastrillar el patio o jugar pelota? La mayoría de la gente contestaría que rastrillar el patio es trabajo, pero está usando energía en ambas actividades. La energía es lo que hace que todo suceda. Vivimos en un océano de energía. Se necesita energía para manejar un auto, tirar una pelota o jugar un juego. Hasta para dormir se necesita energía. ¿Qué es exactamente la energía? A través de su historia, ha ido creciendo la dependencia energética del ser humano. Hoy en día es inimaginable la vida sin provisión de energía. Iluminación, calefacción, refrigeración, cocción de alimentos, transporte, comunicación, cada pequeña parte de nuestro mundo cotidiano esta ligada a la energía. Fuentes de energía La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc. Para obtener energía se tendrá que partir de algún elemento que la tenga y pueda experimentar una transformación. A estos cuerpos se les llaman fuentes de energía. Recurso energético De una forma más amplia se llama fuente de energía a todo fenómeno natural, artificial o yacimiento que puede suministrarnos energía. Las cantidades disponibles de energía de estas fuentes, son lo que se conoce como recurso energético. TIPOS DE ENERGÍA La Tierra posee cantidades enormes de estos recursos. Sin embargo uno de los problemas que tiene planteada la humanidad es la obtención y transformación de los mismos. Todas éstas formas de energías son almacenadas en diferentes maneras en los recursos de energías que usamos diariamente. Estos recursos pueden ser divididos en dos grupos: energía renovable y no-renovable .







Energía renovable. La energía renovable es un recurso que puede ser usado una y otra vez. Estos recursos pueden ser recuperados en un corto tiempo. Hay cinco recursos de energía renovable que son usados frecuentemente. Estas incluyen hidrofuerza (agua), solar, viento, geotérmica y biomasa. Todas los recursos, excepto la energía geotérmica, provienen del Sol. ¿Para qué sirve la energía renovable?. Dado el elevado costo de la energía renovable, su inserción en el mercado es lenta. Día a día, sin embargo, a medida que el costo de la energía convencional se incrementa y los yacimientos se agotan, la energía renovable va ganando espacio, y se convierten en una realidad ventajosa. Aplicaciones mas frecuentes: Electrificación de viviendas aisladas - Bombeo de agua - Alimentación de repetidoras de radioenlace – Cocinar - Refrigeración - Balizaje marino y aeronáutico – Purificación de agua - Protección catódica - Electrificación de alambrados – Calefacción – Señalización – Vehículos eléctricos – Iluminación – Agua caliente para uso domiciliario - Aplicaciones espaciales - Aplicaciones recreativas – Climatización de piletas de natación – Etc. Energía no-renovable. La energía no-renovable es la que usamos completamente. Esta no se puede regenerar en un corto periodo de tiempo. Hace miles de años, el calor del centro de la Tierra, y la presión de las piedras y suelo sobre los sobrantes de plantas y animales muertos (fósiles) formaron combustibles de fósiles tales como el aceite, gas natural y carbón. Estos combustibles de fósiles se formaron rápidamente, y una vez que se gastan, no los podemos volver a regenerar. Otro recurso de la energía no-renovable proviene del uranio, este elemento está en la corteza de la Tierra. Los científicos parten los átomos del uranio para liberar la energía a través de un proceso llamado fisión nuclear. La madera. Hay un elemento que se encuentra en el límite entre energía renovable y no-renovable: la madera, en todas sus formas, leña, carbón vegetal o bagaza. Porque no es de renovación muy corta como los ejemplos citados al hablar de energías renovables, ni tampoco en tiempos tan prolongados como los ejemplos mencionados al hablar de energías no-renovables. Energía potencial. La energía potencial es la energía almacenada. Es la energía que un objeto posee debido a su posición. Por ejemplo, si usted está parado en un trampolín a un metro encima del agua, tiene energía potencial. Su energía potencial es determinada por la posición que tiene con respecto al agua. Si está parado en un trampolín a tres metros sobre el agua, tendría tres veces más de energía potencial. La energía que depende de una altura encima de un punto de referencia, así como la superficie de la Tierra, es llamada energía potencial gravitacional (EPG). La cantidad de EPG en un objeto va a ser afectada por el peso. Como dice el dicho, “Mientras más grande es más duro cae”, esto es una observación del efecto del peso en el EPG. La conexión entre el EPG, el peso y la estatura puede ser expresada en al siguiente fórmula: EPG = peso x altura A través de esta fórmula usted puede ver que mientras más peso, mayor es el EPG. Además, mientras más alta es la posición sobre la superficie (altura), mayor es el EPG. Un ejemplo de esto sería un chorro de agua cayendo sobre la hélice de una hidroturbina. Mientras mayor sea la altura desde donde cae el agua mayor será la energía transmitida hacia







la hélice. Energía cinética. La energía cinética es la generada por el movimiento. Cualquier objeto que se mueva tiene energía cinética. Mientras más rápido se mueva un objeto, mayor es la energía cinética; por consiguiente, la energía cinética está directamente relacionada con la velocidad de un objeto. Usted tiene más energía cinética cuando corre que cuando camina. La energía cinética también depende de la cantidad de masa que un objeto tenga. La conexión entre la energía cinética, la masa, y la velocidad es KE = m x v2 2 Esta ecuación nos muestra que un incremento en la masa o velocidad significará un aumento en la energía cinética. Para entender esto vamos a utilizar el mismo ejemplo que utilizamos en energía potencial. Mientras mayor sea la velocidad de la corriente de agua o mayor sea la masa de agua que incide sobre la hélice de la turbina, mayor será la energía cinética que se trasmitirá hacia la hidroturbina. ENERGÍAS NO-RENOVABLES EN ARGENTINA Petróleo (47% del consumo de energía primaria en Argentina) Los yacimientos petrolíferos se deben a la descomposición de grandes acumulaciones de restos animales (peces principalmente) y vegetales (algas) reunidos en el fondo de mares antiguos; comprimidos por movimientos geológicos y sometidos a acciones bacterianas, presiones y temperaturas elevadas. El petróleo, tal y como mana del yacimiento, tiene pocas aplicaciones. Para obtener a la vez productos de características precisas y utilizar de la manera más rentable las diversas fracciones presentes en el petróleo, es necesario efectuar una serie de operaciones que reciben el nombre de refino de petróleo. Refino de petróleo La destilación: en ella, a partir del petróleo bruto obtenemos toda una gama de productos comerciales que van desde gases y gasolinas a los asfaltos y al coque. La destilación no puede proporcionarnos más que los productos que estén presentes en el crudo de forma natural, lo cual puede no satisfacer la demanda de un producto concreto. El craqueo o pirólisis, que consiste en la ruptura de una molécula pesada (por ejemplo, fuel) en varias moléculas ligeras, no necesariamente idénticas entre ellas (gasolina y gasóleo). Breve reflexión. A principios del siglo XX, aumentó el consumo de petróleo de forma espectacular, convirtiéndose, el petróleo y sus derivados, en el principal combustible en el sector de transporte y uno de los combustibles más importantes en la generación eléctrica. Las estimaciones de duración de las reservas actuales de petróleo, están en torno a 35 años. La producción mundial de petróleo ha presentado muchas variaciones a lo largo de la historia, de la misma forma que su precio (dólar por barril), incidiendo de forma muy significativa en la economía mundial.







Gas natural (25% del consumo de energía primaria en Argentina) Aunque como gases naturales pueden clasificarse todos los que se encuentran de forma natural en la Tierra, desde los constituyentes del aire hasta las emanaciones gaseosas de los volcanes, el término “gas natural” se aplica hoy en sentido estricto a las mezclas de gases combustibles hidrocarburados o no, que se encuentran en el subsuelo donde en ocasiones aunque no siempre, se hallan asociados con petróleo líquido. El principal constituyente del gas natural es siempre el metano, que representa generalmente entre el 75 y el 95% del volumen total de la mezcla. Los hidrocarburos gaseosos que suelen estar presentes, etano, butano y propano aparecen siempre en proporciones menores. En un principio no era usado, al no ser fácil de transportar y almacenar como el petróleo. El gas natural que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos, se quemaba a la salida del pozo, como un residuo más. La necesidad de nuevas fuentes energéticas hizo descubrir nuevos yacimientos que poseían enormes reservas de gas natural. Pero seguía existiendo el problema de su transporte y almacenamiento. Este problema quedó resuelto mediante la creación de la cadena del gas natural licuado (GNL). Algunas ventajas del gas natural Es el combustible natural más limpio en términos de contaminación:

?? Produce la menor cantidad de CO2 por unidad energética de todos los combustibles. ?? No contiene azufre, por tanto no aparece SO2 en la combustión. ?? No se producen partículas sólidas. ?? La tecnología desarrollada para la combustión del gas natural disminuye la formación de óxidos de

nitrógeno. ?? En todas sus aplicaciones industriales el rendimiento es elevado con lo que disminuye el consumo de

energía primaria. Carbón El carbón es un término muy general que engloba a gran variedad de minerales ricos en carbono. El carbón se compone principalmente de Carbono, aunque también contiene Hidrógeno, Oxígeno y una cantidad variable de Nitrógeno, Azufre y otros elementos. Se forma en la naturaleza por descomposición de la materia vegetal residual acumulada en los pantanos o en desembocaduras de grandes ríos. Existen distintos tipos de carbón que se pueden clasificar en dos grandes grupos:

?? Carbones duros: totalmente carbonizados, entre los que están la antracita y la hulla. ?? Carbones blandos: pertenecen a épocas posteriores al carbonífero y que no han sufrido proceso completo

de carbonizados. Entre ellos están los lignitos, pardos y negros y la turba. Una clasificación de los carbones, atendiendo a su grado de metamorfismo (cambio de la forma y estructura debido a las acciones del calor, la presión y del agua) sería:

?? Antracita: son los de mayor calidad, contienen del 85% al 98% en peso de carbono. ?? Hullas: dentro de esta clasificación aparece una amplia gama de carbones cuyo contenido en carbono

abarca desde el 40% hasta el 85%. ?? Lignitos: son los de peor calidad, con contenidos en carbono inferior al 40%. ?? Turbas: No se consideran carbones según la ASTM (American Society for Testing and Materials), tienen

un contenido en humedad muy alto (90%).







Breve reflexión. Históricamente el carbón fue la fuente que impulsó la primera fase de la industrialización. A partir del principio del siglo XX ha sido paulatinamente sustituida por el petróleo. Las estimaciones de duración de las reservas actuales de carbón, están en torno a 300 años. Actualmente se utiliza para la producción eléctrica, la industria siderúrgica y la calefacción. El carbón presenta un factor de emisiones de CO2 muy elevado, así como de SO2, NOx y partículas en suspensión. La combinación de SO2 y NOx produce la lluvia ácida. Nuclear (Menos del 10% del consumo de energía primaria en la Argentina) El combustible utilizado en las centrales de fisión nuclear es el Uranio-235, que se encuentra en una cantidad del 0,7% de todo el Uranio disponible en la naturaleza, por lo que partiendo del Uranio-238, no fisible, este se enriquece para que el contenido de U-235 sea de un 2% a 3%. En la reacción de fisión, un núcleo pesado (U-235) se divide en dos núcleos más ligeros al absorber un neutrón, liberándose varios neutrones, generando una radiación y una cantidad considerable de energía que se manifiesta en forma de calor. Estos neutrones son empleados para provocar otra reacción, consiguiendo reiterativamente de este modo una cadena sucesiva de reacciones de fisión. El dispositivo encargado de regular las reacciones en un estado estacionario, que permita mantener un balance equilibrado de las mismas en la captura y escape de neutrones es llevado a cabo por el reactor nuclear. ENERGIAS RENOVABLES EN ARGENTINA Energía Eólica: Se denomina energía eólica a la energía obtenida de las corrientes de aire terrestre. Podemos afirmar que la Argentina cuenta en la Patagonia, a este respecto, con un verdadero paraíso de vientos. También se presentan favorables escenarios para el aprovechamiento eólico en la costa pampeana, la cordillera central y norte y otras locaciones. Los sistemas de aprovechamiento de este tipo de energía varían entre pequeños, para generación de electricidad y bombeo de agua y grandes para producción de energía eléctrica a gran escala. Energía de la Olas: Es la obtenida del movimiento del agua en la superficie de los océanos y mares. Argentina dispone de miles de kilómetros de costa, desde Ushuaia hasta Buenos Aires. Energía Solar : Se denomina Energía Solar, puntualmente, a los sistemas que aprovechan la radiación solar incidente sobre la tierra para calefaccionar y/o generar energía eléctrica. Cabe destacar que la radiación solar que llega a la tierra influye directa o indirectamente en la producción de otras energías, como la eólica, hidráulica y biomasa. Nuestro país posee muy buenas condiciones, en la totalidad de su territorio Los sistemas mas utilizados de aprovechamiento de energía solar se diferencian en dos grandes grupos: Sistemas Térmicos y Sistemas Fotovoltaicos. Energía Hidráulica: Es la obtenida del aprovechamiento de la energía potencial gravitatoria del agua (la energía que se puede obtener gracias al desplazamiento de agua desde un punto dado hasta uno de nivel inferior). Los sistemas que aprovechan este tipo de energía se los denomina microturbinas. Se cuenta actualmente con muchas instalaciones en funcionamiento, aunque dada nuestra geografía, las instalaciones podrían ser muchas más.







Energía Geotérmica: Es la energía que se obtiene del calor interior de la tierra. Existen muchas aplicaciones en el país, pero nuevamente, el aprovechamiento no es ni por mucho el que podría dadas las excelentes condiciones de que disponemos. Energía del Biogas: Se denomina Biogas al gas que se genera por la descomposición de la materia orgánica. No hay gran cantidad de emprendimientos en el país, pero seguramente su aplicación seria muy positiva, dado el carácter agrícola - ganadero del país. Todas estas fuentes de energía serán desarrolladas mas extensamente mas adelante. DURACIÓN DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS:

La imagen muestra la duración que tendría cada fuente de energía, suponiendo que ella sola cubriese todas las necesidades energéticas de nuestra civilización y que dichas necesidades energéticas se mantuvieran al nivel actual de consumo.







CONCLUSIÓN El país presenta una elevada dependencia de la energía primaria. Sin embargo, se cuenta con un altísimo potencial de recursos energéticos renovables, en especial de energía solar y procedente de la biomasa forestal y agrícola, que no se encuentra suficientemente desarrollado. El sistema energético actual presenta una serie de problemas importantes, entre los cuáles destacaremos los siguientes:

?? Agotamiento de los recursos energéticos. aproximadamente— y el ritmo de consumo es tal que en un año la humanidad consume lo que la naturaleza tarda un millón de años en producir. De seguir con esta situación, el agotamiento de las reservas existentes, en un plazo más o menos largo, es una realidad que no admite discusión. ?? Deterioro ambiental. La quema de combustibles fósiles se traduce inevitablemente en emisiones de dióxido de carbono y también de óxidos de azufre y de nitrógeno. Debido a esto, la concentración de CO2 en la atmósfera se ha duplicado en los últimos cien años. Este incremento aumenta el efecto invernadero —en el que este gas juega un papel primordial— y eleva la temperatura media de la tierra. Son cada vez más los científicos a los que les preocupa el cambio climático y esta preocupación está alcanzando ya niveles sociales y políticos (de ahí los últimos acuerdos internacionales como el de la cumbre celebrada recientemente en Kioto). Por otra parte, los óxidos de azufre y nitrógeno son los causantes de la lluvia ácida al reaccionar con el ión OH- y precipitar en forma de ácidos (sulfúrico y nítrico) incrementando la acidificación del ciclo del agua en general. Esta precipitación daña la vegetación, destruyendo los bosques, y corroe los edificios y las estructuras metálicas causando cuantiosos daños. ?? Modelos de desarrollo centralizados. Las tecnologías de aprovechamiento en el actual sistema energético propician un modelo de desarrollo centralizado que se traduce en que la cuarta parte de la población mundial consume las tres cuartas partes del total de la energía primaria en el mundo. En nuestro país tenemos ejemplos de esto viendo como en zonas rurales, de población dispersa, ésta no tiene acceso a una energía de alta calidad, como es la eléctrica.

Parece, por tanto, conveniente pensar en el fomento del ahorro y la eficiencia energética y en un incremento de la diversificación energética con el desarrollo de fuentes alternativas de energía que resuelvan, al menos en parte, los problemas antes mencionados. En el ahorro energético tendrá un factor primordial la concientización ciudadana y las políticas de promoción en el sector público. Por lo que se refiere a la diversificación, no hay duda que las llamadas energías renovables, por sus características de inagotables, respetuosas con el medio ambiente, de distribución regular de recursos y tecnológicamente accesibles, juegan un papel primordial y constituyen un elemento clave en el desarrollo futuro del sistema energético, al evitar los tres grandes problemas expuestos anteriormente. Entre sus ventajas, podemos mencionar que no emiten CO2 a la atmósfera, no contribuyen a la formación de lluvia ácida, no dan lugar a la formación de óxidos de nitrógeno y no producen residuos tóxicos de difícil tratamiento. Por otra parte, su carácter autóctono y accesible las convierten en elementos de desarrollo y generación de empleo para regiones tradicionalmente desfavorecidas. ENERGIAS RENOVABLES (Cont.)







FUENTES DE ENERGÍA

ENERGÍAS RENOVABLES

ENERGÍA SOLAR El sol es una poderosa fuente de energía. La energía solar es la fuente principal de vida en la Tierra y es el origen de la mayoría de fuentes de energía renovables, tanto de la energía eólica, la hidroeléctrica, la biomasa, y la de las olas y corrientes marinas. Todos los aspectos de nuestra vida diaria involucran el uso de energía: el transporte, la producción de alimentos y el abastecimiento de agua (bombeo), así como la calefacción o el acondicionamiento de nuestros hogares y oficinas. Para estos fines, los combustibles fósiles tales como el petróleo, el carbón y el gas natural son los más empleados, a pesar que la energía solar absorbida por la Tierra en un año equivale a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles en el mundo y diez mil veces superior al consumo actual. La energía solar puede ser aprovechada de modos diversos.

Formas de Energía Las formas de energía que nos interesan son aquellas con las que podemos implementar dispositivos que la conviertan en energía utilizable. Por ejemplo convertir la luz en electricidad, el calor para calentar agua, generar vapor y por ende electricidad, convertir la luz-calor en quemadores de alta temperatura, iluminación de interiores mediante fibra óptica, etc.

?? Energía solar - Conversión fototérmica







?? Energía solar - Conversión fotovoltaica

Usos mas extendidos Existen actualmente 4 usos muy extendidos de la energía solar: 1- Generación de electricidad 2- Calefacción de agua y ambientes en viviendas 3- Quemadores de alta temperatura 4- Iluminación de interiores mediante fibra óptica







GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD Efecto fotovoltaico Para producir electricidad solar, es necesario contar con un panel solar compuesto por una o más celdas solares. Cuando la luz del sol cae sobre una celda solar, el material de la misma absorbe algunas de las partículas de luz, denominadas fotones. Cada fotón contiene una pequeña cantidad de energía. Cuando un fotón es absorbido, se da inicio a un proceso de liberación de un electrón en el material de la celda solar. Dado que ambos lados de una celda solar están eléctricamente conectados por un cable, una corriente fluirá en el momento en que el fotón es absorbido. La celda solar genera, entonces, electricidad, que puede ser utilizada inmediatamente o almacenada en una batería. El principio de la electricidad solar Mientras las celdas solares permanecen expuestas a la luz, este proceso de liberación de electrones continua y, por ende, el proceso de generación de electricidad. Los materiales capaces de generar este efecto fotovoltaico son los denominados semiconductores. En un proceso de producción especial, las celdas solares son fabricadas de estos materiales semiconductores. Un panel solar puede producir energía limpia por un periodo de 20 años o más. El desgaste se debe, principalmente, a la exposición al medio ambiente. Un panel solar montado apropiadamente constituirá una fuente de energía limpia, silenciosa y confiable por muchos años. Radiación El sol emite constantemente enormes cantidades de energía; una fracción de ésta alcanza la tierra. La cantidad de energía solar que recibimos en un solo día resulta más que suficiente para cubrir la demanda mundial de todo un año. Sin embargo, no toda la energía proveniente del sol puede ser utilizada de manera efectiva. Parte de la luz solar es absorbida en la atmósfera terrestre o, reflejada nuevamente al espacio. La intensidad de la luz solar que alcanza nuestro planeta varía según el momento del día y del año, el lugar y las condiciones climáticas. La energía total registrada sobre una base diaria o anual se denomina 'radiación' e indica la intensidad de dicha luz. La radiación se expresa en Wh/m² por día o, también, en kWh/m² por día. Con el fin de simplificar los cálculos realizados en base a la información sobre radiación, la energía solar se expresa en equivalentes a horas de luz solar plena. La luz solar plena registra una potencia de unos 1,000 W/m²; por lo tanto, una hora de luz solar plena equivale a 1 kWh/m² de energía. Ésta es, aproximadamente, la cantidad de energía solar registrada durante un día soleado de verano, con cielo despejado, en una superficie de un metro cuadrado, colocada en perpendicular al sol. La radiación varía según el momento del día. Sin embargo, también puede variar considerablemente de un lugar a otro, especialmente en regiones montañosas. La radiación fluctúa entre un promedio de 1,000 kWh/m² al año, en los países del norte de Europa (tales como Alemania), y 2,000 a 2,500 kWh/m² al año, en las zonas desérticas. Estas variaciones se deben a las condiciones climáticas y a la diferencia con respecto a la posición relativa del sol en el cielo (elevación solar), la cual depende de la latitud de cada lugar (orientación y ángulo de inclinación). Orientación La luz solar viaja en línea recta desde el sol hasta la tierra. Al penetrar la atmósfera terrestre, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie en línea recta. Finalmente, una última parte es absorbida por la atmósfera. La luz solar dispersa se denomina radiación difusa o luz difusa. La luz del sol que cae sobre la superficie sin dispersarse ni ser absorbida, es, por supuesto, radiación directa. Como todos habrán constatado gracias a los baños de sol y al trabajo al aire libre, la radiación directa es la más intensa. Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Por ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo, las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un panel orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse hacia el sur y en el Hemis ferio Sur, hacia el norte. Por lo tanto, en la práctica, los paneles solares deberán ser colocados en ángulo con el plano horizontal (inclinados). Cerca del ecuador, el panel solar deberá colocarse ligeramente inclinado (casi horizontal) para permitir que la lluvia limpie el polvo.







Una pequeña desviación en la orientación no influye significativamente en la generación de electricidad, ya que durante el día el sol se traslada en el cielo de este a oeste. Paneles solares Los paneles solares están compuestos por celdas solares. Dado que una sola celda solar no produce energía suficiente para la mayor parte de aplicaciones, se les agrupa en paneles solares, de modo que, en conjunto, generan una mayor cantidad de electricidad. Los paneles solares (también denominados módulos fotovoltaicos o FV) son fabricados en diversas formas y tamaños. Los más comunes son los de 50 Wp (Watt pico), que producen un máximo de 50 Watts de electricidad solar bajo condiciones de luz solar plena, y que están compuestos por celdas solares de silicio. Dichos paneles miden 0,5 m2 aproximadamente. Sin embargo, se puede escoger entre una amplia variedad de paneles más grandes y más pequeños disponibles en el mercado. Los paneles solares pueden conectarse con el fin de generar una mayor cantidad de electricidad solar (dos paneles de 50 Wp conectados equivalen a un panel de 100 Wp). Celdas solares Las celdas solares son fabricadas a base de materiales que convierten directamente la luz solar en electricidad. Hoy en día, la mayor parte de celdas solares utilizadas a nivel comercial son de silicio (símbolo químico: Si). El silicio es lo que se conoce como un semiconductor. Este elemento químico se encuentra en todo el mundo bajo la forma de arena, que es dióxido de silicio (SiO2), también llamado cuarcita. Otra aplicación del silicio semiconductor se encuentra en la industria de la microelectrónica, donde es empleado como material base para los chips. Estructura de una celda solar Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas. La diferencia entre ellas radica en la forma como los átomos de silicio están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina. Existe, además, una diferencia en la eficiencia. Por eficiencia se entiende el porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad. Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo. Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior y, luego, dos capas de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, que da a la celda solar su típico color azul. Durante la última década, se ha estado desarrollando nuevos tipos de celdas solares de materiales diversos, entre las que encontramos, por ejemplo, a las celdas de película delgada y a las celdas de CIS (diseleniuro de indio de cobre) y CdTe (telururo de cadmio). Éstas están comenzado a ser comercializadas. Formas de almacenamiento La energía eléctrica se puede almacenar en baterías de acumuladores tipo alcalino, o se puede emplear dicha energía eléctrica obtenida del sol durante el día, para la elevación de agua que luego se puede convertir en energía hidráulica a emplear durante la noche, en días nublados, etcétera. Como calcular un generador solar Para un cálculo rápido y solamente aproximado, se deben seguir los siguientes pasos:

1.Determinar los consumos a abastecer. Para cada tipo de equipo indicar: cantidad, potencia y número de horas diarias de encendido. Separar los consumos de corriente continua y los de corriente alterna de 220 v.

2.Realizar todas las operaciones para calcular la demanda total de energía diaria expresada en Ah. 3.Determinar la zona del país que corresponde al lugar de instalación. 4.Seleccionar el generador eléctrico solar que tenga una capacidad de generación igual o superior a la demanda total de

energía diaria en la zona geográfica determinada.







Se está investigando la factibilidad de utilizar nuevos materiales para las celdas, pero en la actualidad la energía necesaria para construir una celda fotovoltaica es mayor que la energía que se obtendrá a lo largo de toda su vida útil, de manera que excepto en aplicaciones específicas (sitios muy aislados o industria espacial) la generación de fotoelectricidad no es económicamente competitiva.

CALEFACCIÓN DE AGUA Y AMBIENTES EN VIVIENDAS Para esto se utilizan los calefactores solares, los cuales son dispositivos que convierten en energía térmica la energía radiante del sol. Para esta aplicación, la energía solar es competitiva a nivel doméstico; todas las casas deberían ser diseñadas de manera de poder aprovechar al máximo la radiación solar (ya sea para calentar agua o para calefaccionar los ambientes). Lamentablemente la construcción de una vivienda con estos criterios de ahorro de energía requiere una inversión inicial que la mayoría de la gente no está en condiciones de realizar. Formas de almacenamiento No existe una forma general de almacenamiento de la energía solar. Para temperaturas de calentamiento de bajo valor, el calor producido puede almacenarse en depósitos de agua bien aislados, o en recintos con piedras que reciben el aire caliente que proporciona la energía solar. Si se trata de altas temperaturas se pueden emplear metales líquidos, sales fundidas, descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno y luego recomponerla, etcétera. Conversión térmica La transformación de la radiación solar en energía térmica, ya sea en forma de agua caliente, aire caliente, vapor de agua, etc., se hace por intermedio de los llamados colectores solares que pueden clasificarse en los siguientes tipos: a. Colector solar plano El principio fundamental de funcionamiento de un colector solar se basa en el aprovechamiento de la propiedad que posee una superficie revestida de negro o de una sustancia de material selectivo, que absorbe la radiación solar en un 90% y la emite en menos de un 10 por ciento.







En particular, el colector solar plano está formado por una superficie metálica plana que lleva adherida a ella una serie de tuberías de cobre, estando todo el conjunto revestido de pintura negra absorbente selectiva. Por las tuberías circula el agua a ser calentada por la radiación solar. Para evitar las pérdidas de calor por convección (pérdidas térmicas) se coloca una o dos cubiertas de vidrio entre la superficie de absorción y el medio ambiente; que además de reducir las pérdidas de calor, protegen al conjunto de las condiciones atmosféricas. Para evitar la pérdida de calor por conducción, el conjunto lleva en su parte posterior una capa de material aislante térmico que puede ser: poliuretano expandido, lana de vi drio, fiberglass, etcétera. Otra forma de mejorar el rendimiento es emplear pinturas especiales selectivas, electroplateado de las superficies con cromo negro o níquel negro.

b. Colector al vacío La idea de hacer el vacío entre la cubierta de vidrio y la placa receptora resultó muy atractiva por cuanto ello reduce las pérdidas por convección a cero, y si a ello le agregamos una superficie de absorción selectiva, también se pueden reducir casi a cero las pérdidas por radiación, con lo cual se consigue un colector ideal. Sin embargo, el conseguir un vacío entre las placas de un colector plano es muy difícil técnicamente, por cuanto hay que tener un soporte rígido del espacio entre las placas (para ello el panel de abeja es ideal) y un sellado hermético a veces imposible de practicar. Habiéndose conseguido y estando disponible la tecnología para la fabricación de tubos para iluminación fluorescente, se han desarrollado dos tipos de colectores el vacío tubular, que pueden apreciarse en el dibujo siguiente:

El desarrollado por Corning usa un tubo de vidrio de gran diámetro que rodea a una superficie plana selectiva. En cambio, el de Owens-Illinois emplea también un tubo de vidrio grande pero en lugar de una superficie plana selectiva, usa un tubo concéntrico de menor diámetro que lleva a su alrededor la superficie selectiva. Así se logra una mejora importante de rendimiento si se las compara con las del colector plano, sobre todo en la visible disminución de las pérdidas térmicas, pudiéndose así lograr altas temperaturas (cercanas a los 100º C) con un rendimiento importante.







El inconveniente de este tipo de colectores es su costo elevado y su mantenimiento difícil, por lo cual no tienen mucha aceptación en el mercado. También la firma General Electric desarrolló un colector similar y de rendimiento importante, muy parecido en sus características al de Owens-Illinois.

c. Colectores concentradores El principio de los colectores concentradores es el de concentrar mediante procedimientos ópticos la energía que irradia el sol antes de su transformación en calor. Así, una radiación solar que entra a un colector concentrador a través de una superficie determinada es reflejada, refractada o absorbida por una superficie menor, para luego ser transformada en energía térmica. Esto no ocurre en el colector plano donde la transformación de la energía solar en energía térmica se efectúa en la misma superficie que recibe la radiación. La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo la reducción de las pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser éste de menor superficie habrá menos área para la radiación del calor y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas con un rendimiento razonable y a un costo menor. Claro está que las reflexiones y refracciones extras de la radiación solar hacen aumentar las pérdidas ópticas. Históricamente, la idea de concentrar la radiación solar para obtener más energía, fue anterior a la de los colectores planos. Así, por ejemplo, los caldeos, que se distinguieron por la astronomía, crearon sus lentes fundiendo cuarzo mediante la concentración de rayos solares. En 1695 en Florencia fue fundido un diamante empleando energía solar concentrada y el famoso químico francés Lavoisier, ya en el siglo XVIII, hacía sus experiencias químicas a alta temperatura mediante el empleo de lentes concentradores. Se define como coeficiente de concentración a la relación: Los colectores concentradores, se dividen en dos tipos:

a. De alta concentración Son los que, mediante dispositivos especiales y precisos de enfoque y seguimiento del sol, logran en el receptor una alta densidad de energía;

b. De media y baja concentración Son los que no requieren dispositivos especiales de enfoque y tampoco un seguimiento permanente del sol, sino la modificación de su posición algunas veces por año. Los colectores concentradores pueden ser de varios tipos:







figura6 I. Parabólicos (por reflexión) El colector está formado por una superficie reflectora (espejo, aluminio anodizado, etc.) de forma parabólica, que recibe los rayos solares y que merced a la propiedad de la parábola que dice que cuando los rayos son paralelos al eje de la misma se concentran en el foco de ella, dichos rayos inciden en un elemento receptor ubicado en el foco, que contiene el fluido a calentar. II. Parabólicos (por refracción) El colector está formado por una lente que recibe los rayos solares paralelos y los refracta concentrándolos en un punto, donde se encuentra el elemento receptor que contiene el fluido a calentar.







III. Parabólico compuesto (C.P.C.) El colector está formado por dos parábolas dispuestas de tal manera que ambos ejes forman con la vertical el mismo ángulo f. Todos los rayos solares que inciden con un ángulo respecto de la vertical y que se encuentran dentro de dicho valor de f tienen la particularidad de llegar por una o dos reflexiones al receptor ubicado en la parte inferior. Este receptor puede ser plano horizontal, plano vertical, cilíndrico, etc. figura7

Este ángulo f recibe el nombre "medio ángulo de aceptancia". En la Figura 7 se ve en corte y en vista un C.P.C., donde se puede apreciar la superficie reflectora interior de aluminio anodizado, que en la parte inferior tiene la forma de trapecio (también puede tener la forma de una W). En la parte superior hay un vidrio que permite el paso de la radiación solar, que en forma directa o luego de una o dos reflexiones incide en una tubería metálica con revestimiento selectivo por donde circula el fluido a calentar. Rodea a esta tubería una manga de plástico especial que hace disminuir las pérdidas térmicas por convección en el espacio entre la tubería y el vidrio. Todo el conjunto está cerrado por una cubierta de chapa de hierro galvanizada y entre ésta y el aluminio reflectivo hay un aislante que puede ser poliuretano expandido, lana de vidrio, etcétera.







En la Figura 9 se indica el rendimiento en comparación con los colectores solares planos. Figura9

IV. Parabólico con receptor de foco lineal figura10 Colector Parabólico Receptor de Foco Lineal Se trata de un colector formado por un segmento de parábola cilíndrico que tiene su foco constituido por una tubería cilíndrica de metal por la cual circula el líquido a calentar o evaporar. Rodea a esta tubería metálica otra de vidrio, y entre ambas se ha efectuado el vacío, para disminuir las pérdidas térmicas por convección. Este colector requiere un seguimiento permanente del sol por cuanto los rayos de la radiación solar deben ser permanentemente paralelos al eje de la parábola.

V. Segmentos parabólicos con receptor de foco lineal

figura11 y 12 Sistema de Receptor Central con Foco Lineal En los dibujos indicados se presentan dos sistemas que reciben la energía solar y la reflejan a un receptor central del tipo lineal. En el primer caso se trata de una serie de colectores parabólicos individuales enfocados a un receptor común. En el segundo caso, se trata de segmentos de espejos parabólicos accionados simultáneamente, de modo que en todo momento los rayos reflejados inciden en un receptor formado por una tubería metálica con revestimiento selectivo y rodeada de una







tubería de vidrio.

VI. Plato parabólico con receptor de foco puntual Se trata de uno de los pocos tipos de colectores concentradores tridimensionales y por lo tanto deben tener seguimiento solar en las dos direcciones. El receptor está en el foco del plato parabólico y es equivalente a un punto.

Figura 15 Sistema de Receptor Central con Foco Puntual

d. Heliostatos Se define así a un espejo plano o ligeramente parabólico de gran superficie (40/50 m2), a veces también formado por varios espejos, colocados sobre una estructura metálica definida que le permite un movimiento universal, para posibilitar así el seguimiento solar en ambas direcciones: N-S y E-O. Los heliostatos se emplean para formar sistemas, en cantidades grandes (30, 40, etc.), formando un campo que tiene la forma de gradas de un anfiteatro, y la radiación solar recibida en cada uno de ellos es reflejada a una torre central receptora, donde la energía solar recibida se la transforma en energía térmica para diversos usos. En el receptor se puede llegar a obtener temperaturas del orden de los 600 °C que permitirán su aplicación a energía eléctrica y química.







figura14 Heliostato (vista frontal y trasera)

e. Piletas solares Bajo condiciones no controladas, el calor solar que se deposita en la masa de agua de una pileta, se disipa a la atmósfera a medida que las capas más calientes, y por ello menos densas, suben a la superficie debido a las corrientes de convección. Si en cambio se modifica la composición salina del agua de la pileta, haciendo que se componga de varias capas de distinta salinidad: solución diluida de densidad 1.05 en la superficie y solución saturada de 1.3 en el fondo, o sea de varias capas de densidad variable y creciente desde la superficie al fondo, se impide la aparición de corrientes de convección desde el fondo a la superficie al calentarse el agua por efecto de la radiación solar. En consecuencia, la radiación solar que penetra hasta el fondo logra calentar la capa inferior hasta 90 °C, mientras que la capa superior no pasa de 30 °C. No habiendo convección y siendo el agua mala conductora del calor, se acumula en las capas inferiores energía térmica en forma de agua caliente, que puede extraerse directamente mediante tuberías, o poniendo un intercambiador de calor adecuado. Este es el fundamento de una pileta solar, que son piletas artificiales de superficie variable y de una profundidad que varía de 1 a 3 metros. El fondo de la pileta está pintado de negro. Las ventajas del empleo de la pileta solar como colector son: 1. Bajo costo inicial. 2. Empleo de materiales no degradables con el medio ambiente. 3. Sistema propio de acumulación de calor, que puede aprovecharse cuando no hay sol. Sus inconvenientes son: 1. Necesidad de grandes extensiones de terreno, para disminuir los efectos laterales. 2. Rendimiento térmico muy bajo (del orden del 10%). 3. Con el tiempo se produce difusión de las sales que obliga a separar el exceso que aparece en las capas superiores. 4. Acumulación de desperdicios en la parte superior. 5. Eventual formación de olas que alteran el gradiente de salinidad. Ello obliga a colocar redes rompeolas. 6. Requiere un mantenimiento más riguroso. 7. Se deben hacer en terrenos planos, en zonas cercanas al mar, en suelos de bajo contenido biológico y sin napas freáticas altas.







ALGUNAS APLICACIONES 1. Sistema a termosifón

figura16 Unidad simple a termosifón Este sistema a termosifón se emplea cuando el tanque de acumulación del agua caliente y el colector solar se encuentran en la azotea o terraza el edificio. El colector que recibe los rayos solares calienta el agua que circula por las tuberías que posee, la que por convección penetra al tanque en la parte superior y sale por la parte inferior para completar el ciclo. El agua de consumo sale por una tubería independiente, existiendo además otra tubería que hace ingresar agua de la red de alimentación, para reponer la que se ha consumido. Estos sistemas funcionan bien cuando hay radiación solar y mantienen durante un tiempo el agua caliente en el tanque cuando desaparece aquélla. Cuando la temperatura del agua en el tanque baja a un cierto valor, un termostato hace operar un calefactor eléctrico que la hace aumentar y mantener así caliente el agua de consumo. 2. Sistema a circulación forzada







figura17 Circuito abierto Cuando el tanque de acumulación del agua caliente se encuentra en el interior de la vivienda y el colector solar en la azotea o terraza, la circulación del agua no puede hacerse por termosifón, sino que requiere forzosamente el uso de una bomba de circulación que se ubica junto al tanque acumulador. Aquí pueden presentarse dos variantes: a. A circuito abierto: En este caso el agua de calentamiento por la energía solar se mezcla con el agua de consumo, en forma similar al caso del termosifón. b. A circuito cerrado En este caso, el tanque de acumulación posee un doble revestimiento (doble camisa) por cuyo espacio circula el agua de calentamiento. Esta doble camisa cumple la función de intercambiador de calor, y por lo tanto el agua de consumo se calienta en forma indirecta. En ambas variantes existe también el termostato que pone en marcha el calefactor eléctrico para mantener la temperatura del agua. También en ambos casos existe la entrada de agua de la red de alimentación para compensar el consumo. La ventaja del sistema de circuito cerrado es que las tuberías del circuito de agua de calentamiento no sufren del proceso de incrustaciones por cuanto el líquido que circule por ella no está en contacto con la atmósfera.

CONVECTORES Existe el caso donde lo que se calienta no es agua sino aire, entonces los captadores en lugar de colectores se llaman convectores, porque a la radiación solar se la hace pasar a través de un vidrio e ingresar a una caja aislada como en un colector plano, pero en lugar de calentar agua que pasa dentro de ella calienta el aire que en ella se encuentra que por convección del fondo que generalmente es metálico (porque posee mucha capacidad de convección), se trasmite hacia el aire de algún lugar que se quiera calentar, o hacia alguna masa que tenga mucha inercia térmica para poder almacenar ese calor (agua, rocas, tierra, etc.)







HORNOS SOLARES Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de es te modo poder calentar "blancos" a niveles altos de temperatura. El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en n punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje. La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de heliostatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. La tabla III muestra algunas propiedades de cuatro hornos solares. Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos mas grandes de múltiples reflectores curvos. El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fundirse en si mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio "centrifugo". a b c d Material del espejo cobre vidrio aluminio vidrio Superficie de reflexión rodio plata aluminio plata Abertura, a 1.524 m. 2.0 m. 3.05 m. 10.67 m. Longitud focal, f 66 cm. 86.1 cm. 86.4 cm. 6.0 m. Cociente, a/f 2.31 2.32 3.53 1.78 Reflector auxiliar ninguno heliostato ninguno heliostato Diámetro de la imagen, calculado 6.1 mm 7.6 mm 4.9 mm. 53.3 mm. Radiación reflejada al blanco, Kw, calculada suponiendo incidencia directa de 0.8 Kw./m2

1.30 1.94 4.67 54.0

ENERGÍA SOLAR EN LA AGRICULTURA Entre las razones para apostar por la energía solar, existen algunas realmente importantes, como por ejemplo su respecto con el Medio Ambiente, la ausencia de emisiones de CO2, SO2 y NO a la atmósfera, la concienciación social en el cumplimiento de los compromisos internacionales adquiridos, y el ahorro y eficiencia energética que se consigue. Existen muchos usos de la energía solar en la vida cotidiana del mundo rural. ?? El primero de ellos es el secado al sol de vegetales, para su conservación o bien para su transformación, ya sean los

cereales o el tabaco por poner dos ejemplos cercanos. ?? El segundo y principal es la aplicación de las placas y colectores solares , cuya invención supuso una nueva revolución en

el sector agrícola, ya que es posible dotar de sistemas ultramodernos a zonas deprimidas y con pocos recursos, redundando







en un mayor confort y calidad de vida. Algunos de los múltiples usos que tiene esta tecnología aplicada al mundo rural son los siguientes:

- En el caso de disponer de pozos profundos de agua, se pueden utilizar las placas solares junto con un motor impulsor para crear abrevaderos para animales de pastoreo, estando dichos animales en el interior de un perímetro mediante cercas eléctricas que impedirían que escapasen.

- A su vez se podrían realizar cultivos intensivos, utilizando riego por goteo impulsado por pequeños motores eléctricos que moverían un caudal de agua determinado para irrigación.

- En el caso de tener un agua de baja calidad se podría purificar con energía fotovoltaica.







ENERGÍA EÓLICA ¿Qué es la energía eólica? El término energía eólica describe el proceso por medio del cual el viento es usado para generar energía mecánica o electricidad. Las turbinas de viento convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser usada para diferentes tareas como moler granos, bombear agua o bien por medio de un generador convertirse en electricidad. La energía del viento







En el mundo, más de 150 millones de hogares reciben la energía que se genera gracias al viento, y es una industria con un crecimiento sostenido que supera el 25 % anual. Ayudada por una baja sustancial en los costos tecnológicos, pero enfrentada con una recesión económica de nunca acabar, la energía eólica en Argentina experimenta un prometedor avance. En los últimos 7 años creció casi un 25 %, pasando de 1.020 Kw. de potencia instalada en 1994, a 14.200 Kw. en la actualidad. Aun con el viento en contra, en los últimos 10 años el crecimiento del sector fue significativo. Las cooperativas, con fuerte presencia en el mercado de la distribución en el interior del país, fueron las abanderadas y el 80 % de los aerogeneradores que hoy giran en Argentina son propiedad de estas empresas solidarias. En la provincia de Buenos Aires, por ejemplo, unas 40 cooperativas están realizando estudios de vientos, y ENARSA S.A., la empresa conformada por el Grupo Edenor y el Grupo Endesa, presentó un plan de desarrollo eólico para alcanzar los 3.000 Mw. en el año 2010. Según Greenpeace, y ateniéndose a las tendencias globales, en los próximos años se mantendrá el ritmo de crecimiento de un 25 % anual. De acuerdo a los datos de la consultora BTM Consult ApS de Dinamarca, para fines del 2005, la capacidad mundial habrá pasado de 18.449 Mw., como es en la actualidad, a unos 58.214 Mw. En términos monetarios, en los próximos 4 años el volumen del negocio eólico alcanzará los 34.000 millones de dólares en todo el mundo. Cambios La generación de electricidad a través de la energía eólica tiene un insignificante impacto ambiental si se compara con aquellas que utilizan combustibles fósiles o nucleares. Sin embargo, la propuesta debe luchar contra una falta de voluntad por parte del Gobierno Nacional. Aprobada la Ley Eólica (N° 25.019) que promociona con 1 centavo cada kilovatio/hora generado con los aerogeneradores, sin embargo su reglamentación tardó años, y su implementación sufre atrasos, actitud que genera incertidumbre en los inversores.

Potencia Instalada en Argentina

Total: 14.200 kW En Santa Cruz (1.200 kW) Pico Truncado: 2 generadores de 600 kW, propiedad de la Municipalidad de Pico Truncado

En Chubut (6.900 kW) Comodoro Rivadavia: 2generadores de 250 kW propiedad de PECORSA, y 8 generadores de 750 kW propiedad de la Cooperativa Eléctrica. Rada Tilly: 1 generador de 400 kW propiedad de la Cooperativa de Servicios de Rada Tilly. En Buenos Aires (5.700 kW) Tandil: 2 generadores de 400 kW, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Tandil-Azul. Punta Alta: 1 generador de 400 kW en zona de Pehuen Co; y 3 generadores de 600 kW en zona de Bajo Hondo, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Punta Alta Ltda. Darregueira: 1 generador de 750 kW, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Darregueira Mayor Buratovich: 2 generadores de 600 kW, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Mayor Buratovich Claromeco: 1 generador de 750 kW, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Claromeco En Neuquén (400 kW)







Cutral-Co: 1 generador de 400 kW, propiedad de la Cooperativa Eléctrica de Cutral-Co.

Tabla 2: Distribución de la cantidad de molinos de viento

Provincia Cantidad Buenos Aires Catamarca Córdoba Corrientes Chaco Chubut Entre Ríos Formosa Jujuy La Pampa La Rioja Mendoza Neuquén Río Negro Salta San Juan San Luis Santa Cruz

178 838 38

69 317 33 22 7

29 246 5 2

23 566 75 94 50

131 16 6

23 4 713







Santiago del Estero Tucumán Tierra del Fuego Santa Fe y Misiones (1)

40 48 25

99 135 (1) Dato deducido por diferencia entre el total y la suma de las demás provincias

Las aplicaciones incluidas en la base pueden clasificarse en(2): ?? comunicaciones: estaciones repetidoras (1.1 a 2.5 kW, 2.5 kW); ?? provisión de electricidad: poblados (1 a 1000 kW), escuelas (0.5 a 2 kW, 0.5 kW).

(2) En cada caso se especifica entre paréntesis el rango de la potencia instalada y/o, en itálica, la potencia más utilizada de los emprendimientos individuales En los últimos años, varias estaciones retransmisoras de la provincia del Neuquén han sido transformadas de generación de electricidad mediante la energía eólica a solar a través de la conversión fotovoltaica, debido a que los aerogeneradores instalados se averiaron luego de intensas ráfagas de viento.







ENERGÍA TÉRMICA

CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil. Las máquinas térmicas Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas. En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Este hecho constituye una regla general de toda máquina térmica y da lugar a la definición de un parámetro característico de cada máquina que se denomina rendimiento y se define como el cociente entre el trabajo efectuado y el calor empleado para conseguirlo. Expresado en tantos por ciento toma la forma: Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.

Cogeneración Se llama cogeneración de energía a una técnica en la que se aprovecha el calor residual. Los sistemas de cogeneración pueden clasificarse de acuerdo con el orden de producción de electricidad y energía térmica en: ?? Sistemas superiores ?? Sistemas inferiores







Los sistemas superiores de cogeneración, que son los más frecuentes, son aquellos en los que una fuente de energía primaria (como el gas natural, diesel, carbón u otro combustible similar) se utiliza directamente para la generación de energía eléctrica en el primer escalón. A partir de la energía química del combustible se produce un fluido caliente que se destina para generar la energía mecánica y la energía térmica resultante, el denominado calor residual como vapor o gases calientes, es suministrada a los procesos industriales ya sea para secado, cocimiento o calentamiento, que constituyen el segundo escalón. Este tipo de sistemas se utiliza principalmente en la industria textil, petrolera, celulosa y papel, cervecera, alimenticia, azucarera, entre otras, donde sus requerimientos de calor son moderados o bajos con temperaturas de 250 °C a 600 °C. Los sistemas inferiores, la energía primaria se utiliza directamente para satisfacer los requerimientos térmicos del proceso del primer escalón y la energía térmica residual o de desecho, se usará para la generación de energía eléctrica en el segundo escalón. Los ciclos inferiores están asociados con procesos industriales en los que se presentan altas temperaturas como el cemento, la siderúrgica, vidriera y química. En tales procesos resultan calores residuales del orden de 900 °C que pueden ser utilizados para la producción de vapor y electricidad

ENERGÍA GEOTÉRMICA Las plantas geotérmicas aprovechan el calor generado por la tierra. A varios kilómetros de profundidad en tierras volcánicas los geólogos han encontrado cámaras magmáticas, con roca a varios cientos de grados centígrados. Además en algunos lugares se dan otras condiciones especiales como son capas rocosas porosas y capas rocosas impermeables que atrapan agua y vapor de agua a altas temperaturas y presión y que impiden que éstos salgan a la superficie. Si se combinan estas condiciones se produce un yacimiento geotérmico. Una vez que se dispone de pozos de explotación se extrae el fluido geotérmico que consiste en una combinación de vapor, agua y otros materiales. Éste se conduce hacia la planta geotérmica donde debe ser tratado. Primero pasa por un separador de donde sale el vapor y la salmuera y líquidos de condensación y arrastre, que es una combinación de agua y materiales. Esta última se envía a pozos de reinyección para que no se agote el yacimiento geotérmico. El vapor continúa hacia las turbinas que con su rotación mueve un generador que produce energía eléctrica. Después de la turbina el vapor es condensado y enfriado en torres y lagunas.

ENERGÍA GEOTÉRMICA EN ARGENTINA a. COPAHUE-CAVIAHUE (Provincia de Neuquén) El campo termal se localiza a los 37° 50' de latitud sur y a 71° 05' de longitud oeste en la provincia de Neuquén, sobre el margen este de la Cordillera de los Andes, en el límite internacional con Chile. Es el proyecto más avanzado en la Argentina, y se encuentra en la etapa de desarrollo. El campo termal se localiza en el extremo occidental de una megacaldera de 15 por 20 km de diámetro, en cuyo límite oeste se ubica el Volcán Copahue de 2.977 mts. de edad Cuartaria. Dentro del área termal de 1.2 km2 se delimitó el área de mayor interés geotérmico con alternativas de explotación económica, zona hipertérmica, en las que se realizaron tres pozos de exploración ( COP-1: 1.414 mts. COP-2: 1.241 mts. y COP-3: 1.065 mts.) que atravesaron niveles rocosos figurados que almacenan una mezcla de agua-vapor dominante a 230° C y con una productividad mediana. En función del modelo geotermico se entiende que corresponden a reservorios secundarios ubicados en niveles superiores, quedando por comprobar la existencia del reservorio principal que, se estima, se encontraría ubicado a una profundidad de 1800 mts. En el campo geotérmico Copahue fue puesta en funcionamiento en abril de 1988, una central geotermoeléctrica piloto. Funciona mediante un ciclo binario utilizando isopentano como fluido de trabajo intermedio. La planta es portátil y fácilmente desmontable. Esta emplazada a 2000 m.s.n.m. sobre la boca del pozo productor de vapor (vapor seco, 8% de gases icondensable), ubicado a dos km de la localidad de Copahue.







El reservorio hidrotermal se encuentra comprendido entre los 850 y 1000 metros generando un fluido geotérmico a 6,7 tn/hora de vapor saturado. La central tiene una potencia de 670 Kw nominales, entregando electricidad a la linea de 13,2 Kv Caviahue-Copahue de 10 km de extensión y que es subsidiaria de la linea de 33 kv Caviahue-Loncopue de 50 km de largo que se une al sistema interconectado interprovincial de 132 kilovatios. El esquema básico de funcionamiento de la planta es el siguiente: el vapor geotérmico que sale a 6,7 tn/hora y 171° C entra al precalentador y vaporiza el isopentano que, a su vez hace funcionar la turbina del generador a 3000 r.p.m. entregando 670 Kw. El isopentano continua hasta el condensador donde es enfriado para reiniciar el ciclo. Actualmente se encuentra en desarrollo un proyecto para suministrar calefacción distral para la población de Caviahue, utilizando el recurso del campo geotérmico Copahue. b. DOMUYO (Provincia de Neuquén) El campo geotérmico Domuyo ( 36° 40' S y 70° 40' W) está localizado en la provincia de Neuquén, la anomalía de calor se vincula con la presencia de un vulcanismo cuartario shoshonítico que se encuentra asociado a fumarolas, fuentes termales y emanaciones gaseosas. Los trabajos de detalle cubrieron una superficie de unos 600 km2 comprendiendo, como punto central, el cerro Domo y sus inmediaciones. Está finalizada la etapa de prefactibilidad y se determinó el lugar donde llevar a cabo una primera perforación exploratoria profunda. También se concluyó la elaboración del modelo geotérmico en el cual se establecieron las características principales del campo geotérmico. El análisis estratigráfico permitió inferir la presencia de un reservorio ubicado a niveles poco profundos, 650 a 750 mts. inmediatamente debajo de una formación rocosa impermeable (tapón) que sella el reservorio. Los fluidos hidrotermales que ascienden desde los niveles profundos originan un sistema que pasa gradualmente de vapor-dominante (zona de fumarola) a mezcla agua-vapor con temperatura de 218° a 226° C a agua-dominante de 186° a 190° centígrados. En la actualidad, los recursos geotérmicos del campo Domuyo son aprovechados en forma directa para el calefaccionamiento y provisión de agua caliente de un pequeño complejo turístico (Villa Aguas Calientes). En el mismo, las numerosas vertientes que rodean al mismo permiten disfrutar de baños termales en sus pozones naturales. c. TUZGLE (Provincias de Jujuy y Salta) El campo geotérmico Tuzgle (23° 55´ latitud sur y 66° 30´ longitud oeste), está ubicado en el altiplano salteño-jujeño dentro del Departamento de Susque. Las investigaciones en la actualidad transitan la etapa final de prefactibilidad, en la que ha sido estudiada en detalle un área de aproximadamente 900 km2. El modelo geotérmico preliminar postula la existencia de un reservorio superficial que recibiría el aporte de una fuente ubicada en niveles inferiores, donde actúan dos circuitos hidrotermales conectados por fracturación profunda. Los fluidos estarían alojados en rocas eruptivas antiguas fisuradas y controladas por estructuras verticales que determinan el ascenso de los fluidos hidrotermales. En el sistema Tuzgle la temperatura profunda oscila entre los 132° y 142° C con una relación agua-vapor baja. Hasta el presente se han realizado numerosos estudios, entre los que se encuentran 17 pozos de medición de gradiente. Por causa de su lejanía a los centros de distribución eléctrica, la oferta energética del área, esencialmente minera, no cubre las necesidades de la población. Se estima que la demanda potencial de energía aumentara si se mejora el suministro. d. VALLE DEL CURA (Provincia de San Juan) En el área del valle del Cura, provincia de San Juan, se efectúo una primera fase de estudios de prefactibilidad. Sobre la base de anomalías químicas e isotópicas se conjeturo la probable existencia, a profundidades accesibles por perforación, de fluidos de tipo agua-vapor con temperaturas superiores a los 200° C y en niveles de circulación y almacenamiento secundarios, temperaturas de 130° - 150° C. La anomalía geotérmica comprobada, pero aun no delimitada, se vincula con la presencia de cuerpos subvolcánicos relacionados con el volcán Tórtolas.







BOIMASA ¿QUÉ ES LA BIOMASA? Conviene recordar, para situarse en el tema de la biomasa, que prácticamente toda la materia viva que hay sobre la tierra tiene su origen en la transformación de ciertas substancias inorgánicas en orgánicas por parte de las plantas. La energía que utiliza esta fabulosa factoría planetaria es la luz solar. A través de la cadena alimentaria de los distintos seres vivos, incluidos los microorganismos, casi toda la biosfera se nutre de esta captación original de energía. Cuando la materia viva se descompone o se degrada, la energía contenida en ella se libera. Esto ocurre mediante el metabolismo de los alimentos, la descomposición de la materia viva o la combustión de la leña, por ejemplo. Por tanto, podemos decir, que el conjunto de materia viva existente en un momento dado, o biomasa, es un gran depósito energético temporal, cuya magnitud está mantenida a base de un constante flujo de captación y liberación. La energía de la biomasa es utilizada principalmente para la producción de biogas, la generación de energía térmica para el secado de productos agrícolas y madera, y de electricidad mediante la quema de residuos. Aunque en nuestro país existen una gran cantidad de viviendas que consumen biogas, especialmente en las zonas aledañas a los pantanos, no se tiene una estimación de su número, ni del volumen producido. Actualmente, puede observarse que su uso se extiende a escuelas y centros comunitarios. En la provincia de Tucumán, existen 16 industrias con equipos de autoproducción industrial, de producción estacional que, en base a bagazo de caña de azúcar y desechos de cosechas, generan 80 MW eléctricos. METODOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA. Métodos termoquímicos. Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y ,en particular, a los de la paja y de la madera.







?? La combustión, oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.

?? La pirólisis, combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxigeno, a unos 500 grados centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de débil poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, llamada pirólisis flash, llevada a 1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirólisis. Las instalaciones en la que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir la base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).

Métodos biológicos. ?? La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizase también

con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol).

La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacteria. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (mas del 75% de humedad relativa).En los fermentadores, o digestiones, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo en la temperatura optima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas. FUENTES PARA OBTENCIÓN DE BIOMASA

?? Residuos forestales, procedentes de podas, limpiezas y cortas. ?? Residuos agrícolas, integrados por restos de podas de cultivos leñosos, paja de cereales, zuros de maíz, restos de

cultivos industriales, etc. ?? Residuos de industrias agrícolas: residuos de aceituna, cascarilla de arroz, cáscara de frutos secos, restos de industrias

envasadoras, etc. ?? Residuos de industrias forestales: recortes de madera, serrines, etc. ?? Cultivos energéticos, herbáceos como sorgo dulce, caña de azúcar, jacinto de agua, etc., o leñosos, como chopos o

eucaliptos y los. ?? Productos biodegradables de procedencia agroganadera. ?? Efluentes de la industria agroalimentaria. ?? Lodos de depuración de aguas residuales. ?? Emisiones de gas de vertederos controlados. ?? Excedentes agrícolas. ?? Aceites alimentarios usados. ?? La Tuna (Opuntia ficus indica) representa una importante fuente de captación de energía solar, almacenándose en la

biomasa. Además, es una de las especies mejor adaptadas a condiciones ecológicas marginales, por lo cual resulta interesante la utilización de los desechos del cultivo de cochinilla como alimento suculento para animales, la obtención de energía y humus. La tuna pertenece a la familia botánica Cactáceos, género Opuntia, especie ficus indica. A manera de referencia; si 1 m3 de agua se utiliza en plantaciones de nopal y se realiza este proceso hasta la







obtención de biogas y generación de electricidad en turbinas de ciclo combinado, producirá 250 veces más energía eléctrica que la misma cantidad de agua utilizada en una central hidroeléctrica.

VENTAJAS DE LA BIOMASA

?? El balance de CO2 emitido es neutro. La combustión de biomasa, si se realiza en condiciones adecuadas, produce agua y CO2, pero la cantidad emitida de este último gas, principal responsable del efecto invernadero, fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte de un flujo de circulación continuo entre la atmósfera y la vegetación, sin que suponga incremento de ese gas en la atmósfera con tal que la vegetación se renueve a la misma velocidad que se degrada.

?? No emite contaminantes sulforados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas. ?? Una parte de la biomasa para fines energéticos procede de materiales residuales que es necesario eliminar. El

aprovechamiento energético supone convertir un residuo en un recurso. ?? Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos. Eso puede ofrecer una

nueva oportunidad al sector agrícola. ?? La producción de biomasa es totalmente descentralizada, basada en un recurso disperso en el territorio, que puede

tener gran incidencia social y económica en el mundo rural. ?? Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles. ?? La tecnología para su aprovechamiento cuenta con un buen grado de desarrollo tecnológico para muchas

aplicaciones. ?? Es un importante campo de innovación tecnológica. Las respuestas tecnológicas en curso están dirigidas a

optimizar el rendimiento energético del recurso, minimizar los efectos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones, incrementar la competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los biocombustibles, entre otros.

APLICACIONES

?? Producción térmica Generalmente utiliza los productos de combustión directa que se han citado arriba, aunque en ocasiones también se emplea biogas.

?? Doméstica. Tradicionalmente se han usado estufas y hogares, con rendimientos energéticos muy bajos. En los últimos años, sin embargo, van apareciendo criterios nuevos en cuanto a: eficiencia de los equipos, mejora de los efectos ambientales, características del combustible, lo cual puede ser una oportunidad para los productos densificados de biomasa. Esto contribuiría a diversificar la demanda y los productos. Recientemente también se están instalando calderas de biomasa para calefacción de centros públicos y de comunidades de vecinos.

?? Industrial. Se viene aplicando biomasa a instalaciones como hornos cerámicos, secaderos y calderas. En este ámbito existe disponibilidad tecnológica suficiente para mejorar sensiblemente los rendimientos y diversificar los servicios

?? Transporte. Quizá es la aplicación con mayores tasas de dependencia de los derivados del petróleo. Por eso los biocombustibles de origen vegetal tienen un interés estratégico, ante la vulnerabilidad del abastecimiento y la previsible subida progresiva de los precios, como se está viendo actualmente. Aunque el subsector está poco desarrollado, en general, España cuenta con capacidad técnica y recursos para desarrollarlo. Dado que la demanda potencial es muy elevada y la capacidad productora también, se perfila como un mercado de gran interés de futuro. ?? Biodiesel: Los aceites vegetales constituyen un amplio grupo de biocombustibles que pueden sustituir a los

combustibles fósiles, ya sea directamente o mediante transformaciones químicas poco complejas. El aprovechamiento a gran escala de aceites para su uso como carburantes no solo es beneficioso por el carácter renovable de tales aceites sino también porque puede reducir el déficit energético de los países menos desarrollados, en un grado mayor que el de los alcoholes: varias plantas y arbustos, de cuyas semillas se extraen aceites, tienen su hábitat en grandes zonas áridas y de suelos pobres, donde los cereales escasean y la fermentación alcohólica es, pues, inviable. Entre los aceites mas conocidos, el de soja ejemplifica las ventajas y







los problemas técnicos que plantea este grupo de sustancias; así, puede alimentar un motor diesel, pero al ser mas denso que el gasoil, presenta varios inconvenientes en la combustión, por lo que es preferible someterlo a esterificación con un alcohol mas fuerte que la glicerina; el nuevo éster proporciona un par motor igual al del gasoil , con un consumo algo mas elevado.

?? Bioetanol: Los alcoholes son los biocombustibles más utilizados actualmente en algunos países ,tanto para dar una salida a excedentes agrícolas convertibles en alcohol como por dificultades financieras en la importación de combustibles fósiles. En principio, es posible obtener alcoholes a partir de cualquier producto que contenga glúcidos fermentables ; en particular, el proceso de fermentación alcohólica se puede dar con sustancias azucaradas (caña de azúcar , mostos, remolacha ,jugos de frutas, etc.), amiláceas (cereales y tubérculos) y celulósicas (madera ,paja de cereal, etc.)pero los rendimientos son muy desiguales . Algunos estudios señalan el metanol como el alcohol con más condiciones para la combustión en motores: sirve tanto para motores Otto como Diesel; su densidad de energía es menor que la de la gasolina, pero su combustión, en cambio, es mejor, se le debe añadir un 10% de hidrocarburos ligeros para facilitar el encendido en frío en los motores de explosión ; presenta también dificultades de arranque en los Diesel ; y causa problemas de corrosión.

?? Producción de electricidad Aumenta el aprovechamiento de la biomasa para producir electricidad.

?? Biogas

Mezcla de metano y otros gases que se desprende durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción de microorganismos.

El biogás se obtiene mediante un digestor o bien canalizándolo directamente en un vertedero controlado. En el primer caso, la temperatura del digestor se mantiene a unos 50 grados centígrados; de este modo se logra que el pH este comprendido entre 6.2 y 8, lo que favorece la actividad de los microorganismos. La degradación bioquímica, de gran complejidad y que dura entre 10 y 25 días, se desarrolla en tres fases principales: la hidrólisis y acidogénesis, la acetogénesis y la metanogénesis. Tanto el tipo de sustrato orgánico como las condiciones del proceso y el grado que este alcanza hacen que las proporciones de los componentes del biogas (54%-70% para el metano, 27%-45% para el CO2, etc.) varíen mucho. El biogás se emplea tanto para la generación de calor mediante combustión como para la generación de energía mecánica o eléctrica, principalmente en las mismas plantas donde se obtiene.

El digestor: Dispositivo que permite llevar a cabo la degradación anaerobia controlada de residuos orgánicos para obtener biogás y otros productos útiles.

El dispositivo mas simple de este tipo esta formado por un recipiente cerrado, de base cónica saliente, dotado con un conducto lateral para la entrada de los residuos, otro superior de escape del gas y un tercero inferior para evacuar los demás productos de la digestión ( digestor discontinuo ). Los digestores mas perfeccionados disponen de un agitador y de un calefactor que regulan la homogeneidad y la temperatura del proceso (digestor de mezcla completa), y de otros sistemas para enriquecer la flora bacteriana ( digestores de contacto y de filtro anaerobio ).Una instalación básica comprende el sistema de almacenamiento y alimentación, el digestor y los depósitos de gas y de los demás productos resultantes de la digestión. El digestor se alimenta con residuos orgánicos en las plantas de compostaje, con lodos de decantación en las depuradoras de aguas y con las deposiciones de los animales en las explotaciones ganaderas; además del biogás, los productos de la digestión son el compost, los lodos útiles para obtener mas compost y los fertilizantes.













ENERGÍA HIDRÁULICA DE BAJA POTENCIA La energía hidráulica en centrales de baja potencia tiene en nuestro país un amplio rango de instalaciones: desde 0.1 kW hasta 8.5 MW. Los datos contenidos en la base corresponden, casi en su totalidad, al relevamiento efectuado por la Secretaría de Energía en 1987. Los datos incorporados a partir de esa fecha son escasos y no representan la potencia real instalada. Los emprendimientos de mayor potencia se destinaron a la electrificación de poblados o industrias; los más pequeños, a escuelas, seccionales de guardaparques, viviendas o establecimientos de particulares. CONSUMO Y AHORRO DE ENERGÍA







INTRODUCCIÓN Ahorro de energía Es el esfuerzo que se realiza para reducir la cantidad de energía que se consume para distintos usos (industriales, rurales, domésticos, etc.) en especial en el mundo desarrollado. En otros tiempos, la energía disponible con relación a la demanda de consumo humano era abundante. La madera y el carbón vegetal eran el principal combustible hasta la aparición, en el siglo XVIII, del combustible de carbón mineral con la Revolución Industrial. Todavía hoy la madera constituye el 13% de la energía mundial, y la mayor parte se quema de modo poco eficaz para cocinar y calentar los hogares en los países menos desarrollados. Un típico aldeano de la India gasta cinco veces más energía que un europeo para preparar la cena sobre el fuego. La consecuencia de ello es que la madera como combustible está empezando a escasear en África y el Sureste asiático, produciéndose un grave efecto de desertificación. En Europa y en particular en Inglaterra, los suministros de madera empezaron a disminuir en la mitad del siglo XVIII, pero el carbón disponible iba aumentando. El carbón se utilizaba para usos domésticos y para las máquinas de vapor necesarias para bombear el agua de las minas de carbón, de este modo se aumentaba la producción de este valioso combustible. La máquina de vapor de caldera de carbón también hizo posible el transporte por ferrocarril, al inventar George Stephenson la locomotora (Locomotion, construida de 1825), esta resultó una forma de propulsión más segura y eficaz que muchas otras. No es necesario recalcar la gran eficacia de este invento; la conversión de la energía química del carbón en energía mecánica de la máquina alcanzaba un rendimiento inferior al 1%. Rendimiento de la energía Los esfuerzos de los ingenieros para optimizar el rendimiento de las máquinas llevaron a Nicolas Carnot a la formulación de las leyes de la termodinámica en 1824. Éstas son leyes basadas en la práctica pero con una importante base teórica, y son fundamentales para aumentar el rendimiento y uso de energía de combustibles fósiles. (Para ampliar sobre el tema de Las Leyes de Termodinámica, ver texto adjunto) Las teorías acerca de la energía, la cual no se crea ni se destruye, deberían disuadir a los inventores de máquinas de movimiento permanente, por lo que la segunda ley de la termodinámica admite un límite más complejo al rendimiento de cualquier motor de calor, ya sea una turbina o el motor de un automóvil. Por esta razón, en la práctica el rendimiento de la conversión de las grandes centrales eléctricas de vapor que funcionan con carbón o petróleo es de menos del 40%, y el de los motores de gasoil o nafta de automóviles es de menos del 20%. El resto de la energía se disipa en forma de calor, aunque en el caso de los motores de automóviles dicho calor puede emplearse para la calefacción de la cabina. El bajo rendimiento con el que generamos nuestra energía o movemos nuestros automóviles, hace pensar que los futuros adelantos para el aprovechamiento de la energía serán el resultado tanto de nuevos progresos tecnológicos como de la reducción consciente del consumo de energía o generación de calor y a su vez perdida de este. Factores que mejoraron el rendimiento







Todo el sistema energético del mundo desarrollado se vio gravemente afectado en 1973, cuando los productores de petróleo árabes, en respuesta a las presiones de la guerra, cuadriplicaron el precio del petróleo. Esto hizo que el precio por barril se elevara y hubiera déficit en el mercado energético. Para estos casos la Comunidad Europea puso en práctica una política de reducción en el consumo de combustibles, en especial del petróleo y uso subsidiario del carbón, y desarrollo de la energía nuclear. Para la década de 1980 un llamativo avance en el rendimiento de la energía, hace estabilizar los precios del petróleo, además de nuevos factores como el medio ambiental, la contaminación y en especial de calentamiento global, los cuales son problemas actuales en los congresos de ingeniería ambiental y contaminación mundial. Contaminación del medio ambiental. El químico sueco Svante Arrhenius descubrió en 1896 que el equilibrio radiactivo de la Tierra dependía en gran medida de la capa protectora de dióxido de carbono. Durante 150.000 años el contenido de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera se ha alcanzado en un valor constante de unas 270 partes por millón (ppm). El dióxido de carbono atrapa los rayos infrarrojos que salen de la Tierra y es el responsable de que la temperatura de la superficie terrestre sea unos 31 grados más cálida que si no existiera. Esto ha asumido un efecto crucial en el desarrollo de la vida misma, ya que sin este efecto invernadero natural, la mayoría del agua terrestre sería hielo. Sin embargo el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera se ha incrementado desde 1850 hasta 1995 alcanzando los 360 ppm. El mayor motivo de este aumento es el incremento progresivo de la combustión de carbón, petróleo y gas para obtener la energía necesaria a fin de conservar nuestro estilo de vida. Los habitantes del oeste de Europa gastan tres toneladas de petróleo, o su equivalente en gas o carbón, por persona y año, mientras que en Estados Unidos el gasto es de ocho toneladas por persona y año. En el mundo se consumen 8.000 millones de toneladas de petróleo u otros combustibles fósiles al año, y se tiene la perspectiva que en el año 2020 el consumo alcance los 14.000 millones de toneladas anuales. Gran parte de este aumento de la demanda s e origina en la parte del mundo en vías de desarrollo. La acumulación de gases incide en la temperatura de la atmósfera y de la superficie terrestre. Por lo que se ven cambios en las distribuciones de los vientos así como las corrientes oceánicas, que además se están elevando en 20cm y 65 cm; también la temperatura del aire está aumentando. En 1992, en una conferencia sobre el ambiente y desarrollo de la ONU, celebrada en Río de Janeiro se firmo un convenio por las naciones presentes, las cuales acuerdan tomar acciones para controlar las emisiones de gases con el fin de que no contribuya a la disminución de la capa de ozono, así también se apoya la investigación energética la cual este encaminada hacia el desarrollo de combustibles que no quemen carbón fósil. (Glynn, 1999) CONSUMO DE ENERGÍA EN ARGENTINA ELECTRICIDAD El sector privado no produce fondos suficientes para afrontar la inversión que se exigirá en los próximos años. En los ' 90 se han reducido las reservas de hidrocarburos en 1/3. En Argentina no existe autoridad reguladora ni ley de hidrocarburos. Se han paralizado las obras hidroeléctricas nuevas y en curso. Por eso es necesario adoptar el URE







(Uso Racional de la Energía) para crear un conjunto de acciones para usar la energía con el mínimo de pérdidas en pos del bienestar, seguridad, libertad y progreso del hombre, en el presente y en el futuro, en un medio ambiente libre de contaminaciones nocivas y con la mínima aniquilación de las reservas naturales no renovables. En las dos décadas pasadas la informática, servicio - flujo como la electricidad, aportó tecnologías innovadoras que tendrían que ser paradigmas de los aprovisionamientos que requiere la mejor calidad de vida. Si los sistemas energéticos incorporan estos avances, como ya está ocurriendo veremos la superación de las crisis que el gigantismo produjo en estos sistemas con un siglo bien cumplido de vida. El marco moderno La desagregación del sistema en generación, transmisión y distribución abrió impensados caminos al que era cautivo, financista y protagonista de la historia: el usuario, que así evolucionará hacia la categoría de cliente. En los países industriales, partiendo de altos valores de Intensidad (insumo sobre PBI) se están verificando elasticidades negativas mientras que en países de Latinoamérica en donde la crisis energética los tomó en su protohistoria industrial se verificaron intensidades bajas, la elasticidad mayor que la unidad, se ha negado rotundamente a responder a los deseos de los contratistas y financistas endeudadores que hacían los planes de equipamiento para las empresas estatales. El resultado ha sido , en las dos décadas anteriores a la privatización , prospectivas de gran equipamiento que nunca se cumplieron pero sirvieron para justificar Yaciretá y las centrales del Limay con factores de utilización de sólo 35 %. El manejo de la demanda en la Argentina es un tema tomado solamente por los consumidores respondiendo a la señal precio, no como política de desarrollo sustentable. La prehistoria El caso argentino en los años post - Chocón ('60) ha seguido el camino trivial del monopolio - natural con un único dueño: más demanda, más ingreso, más poder. Las estadísticas oficiales es una ficción de los economistas que lo calculan con los precios corrientes del mercado interno cuando en realidad comprobamos diariamente que los mismos están muy por encima de los precios internacionales. En el 96 después de la hiperinflación, ha quedado en manos privadas 11,2 Gw de potencia instalada (22 T ; 18 H ) que produce, transmite y distribuye 40 Twh / año. El total del sistema nacional es de 16,2 Gw interconectados y 0,8 Gw aislados también en proceso de privatización . La potencia máxima demandada en el SIN (Sistema Interconectado Nacional) fue en el 95 de 10,2 Gw. El factor de utilización Térmica fue de 41 %, el hidráulico el 37 % y el Nuclear el 81 %. Hay un parque térmico desaprovechado y un parque hidráulico sobre equipado . El sistema conjunto, térmico e hidráulico, ha insumido combustibles (GO (Gas Oil), FO (Fuel Oil), GN (Gas Natural), Carbón) a razón de 1500 kcal / kwh. La mayoría fue GN (85 %). El carbón se recibía subvencionado desde Río Turbio. La incertidumbre La tasa interna de retorno (TIR) con la cual operan las empresas de electricidad a un plazo de 30 años, estaría por debajo del 18 % anual. Esto no sería compatible con el usual de 30 % que requieren las inversiones de riesgo internacionales en regiones con calificación como la nuestra. Queda así en evidencia la primera incertidumbre que deberá afrontar el desarrollo futuro del equipamiento eléctrico en su variada gama de implementaciones . El recurso de los hidrocarburos está muy comprometido; la relación Reservas / Consumo es menor de 15 años, frente a un promedio mundial de 45 años (60 para GN). Por ello deberá apelarse a las soluciones nucleares o hidráulicas de larga y costosa tramitación . El gas precio - cero para los generadores en yacimientos no es una política sustentable.







La variable de ajuste adicional es el consumidor comercial o domestico que conserva todas las limitaciones del antiguo cautivo pagando tarifas cercanas a 200 $/Mwh, lo cual llevado a los niveles de ingreso de los países industriales equivaldría a 800 $/Mwh. Un escenario de prefinanciación a cargo de los clientes futuros no sería extraño en Argentina a pesar de su tono de capitalismo a la inversa; los "planes de ahorro con entrega diferida" se han aplicado y aplican en teléfonos, autos, casas, gas, etc. . Se menciona que este método aún se utiliza para brindar acceso a la electricidad rural. Una reciente prospectiva de la Secretaría de Energía (1996-2010) establece que todo el incremento de generación hasta el final del periodo se hará con Gas Natural. Se supone que las reservas de gas aumentarán todos los años en la misma cantidad que el consumo, este argumento carece de base científica y técnica y además se descartan la ejecución de obras hidroeléctricas. La incertidumbre en esta época de crisis del equipamiento y suministro eléctrico debe ser remontada con ingenio y uso de los adelantos técnicos. Los caminos de la estrategia Los servicios informatizados que proveen atención al cliente, podrían usarse en el servicio eléctrico para instaurar un sistema de prepago y una mayor interactividad por medio de la tarjeta u otros medios inteligentes que ya son de uso común. En el sistema argentino se emiten anualmente, por lo menos, 60 millones de facturas. ¿Qué ahorro en horas de trabajo, papel y comisiones bancarias podría brindar un sistema de prepago? Los generadores independientes, interactuando con los usuarios, pueden y deben tener acceso a los sistemas de transmisión y distribución. La energía eólica y la fotovoltaica ubicadas cercanas a los lugares de consumo, hoy pueden lograr precios muy por debajo de los que pagan actualmente los consumidores. Los conjuntos híbridos pueden abastecer poblaciones aisladas reparando la grave falencia actual de no promocionar la electrificación rural, utilizando todos los recursos disponibles. Todo está dado para que el mercado eléctrico minorista deje a la distribución actual como única alternativa para los usuarios finales, sino incorporar en forma interconectada a los nuevos y pequeños autogeneradores. El negawattio o ahorro por la demanda ya fueron planteado en varios foros nacionales por grupos de la Facultad de Ingeniería de Bs As. Hoy la refrigeración doméstica argentina absorbe una potencia cercana a la de Embalse. Substanciales reducciones darían la misma prestación. Con la iluminación los resultados podrían ser superiores. La iluminación para seguridad bajaría el riesgo de nuestros suburbios. El subsidio que hoy recibe el carbón podría ser un aporte a la inversión en este cambio. Río Turbio debería ser el gran proveedor de electricidad del sur de Argentina y Chile por medio de la gasificación del carbón cuyos progresos ya tienen aplicación en otros países. Disponiendo de gas como un resguardo en el balance energético se debería realizar una importante investigación sobre celdas de combustible aplicadas por encima de los niveles alcanzados en los centros industriales para proveer en módulos medianos y pequeños sistemas de cogeneración. La industria manufacturera, y en especial la alimenticia está en mora en el uso racional de energía y en las soluciones de cogeneración. El contenido energético de papel, azúcar y cerveza, (para dar algunos ejemplos) es desproporcionado en Argentina. El proceso innovador debería incluir el aporte del sector privatizado cada vez que los nuevos equipamientos y ahorros reduzcan la necesidad de inversiones propias. Esta negainversión es un prolífico campo abierto a los entes reguladores. El criterio del precio marginal para el pago a los generadores debería ser examinado frente a un parque avejentado y amortizado que desempolvando y pintando entra con precios que le son retributivos y beneficia excesivamente a las nuevas instalaciones que usan gas de venteo. El criterio de un precio marginal para el pago a los generadores de energía debería ser examinado frente a empresas que con un parque avejentado y amortizado lo desempolvan y entran con precios que le son retributivos y beneficia excesivamente a las nuevas instalaciones que usan gas de venteo. Las ventajas de la innovación deben correr como señal y beneficio efectivo hacia el protagonista consumidor.







COMBUSTIBLES Existe un consenso casi total en la necesidad de una Ley de Hidrocarburos que regule los aspectos más importantes del mercado de combustibles líquidos. Entre estos, se mencionaron la rigidez de los contratos entre refinadores y estacioneros y la necesidad de la prohibición de la integración vertical de las empresas. Se hizo referencia también, a la alta concentración de la oferta (90% del mercado en 4 empresas) de combustibles y a la distorsión provocada por las diferentes cargas impositivas aplicadas al gasoil y las naftas. Esto último, provocó una diferencia muy grande en los volúmenes de venta a favor del gasoil, obligando a las refinadoras a vender el excedente de naftas en el mercado internacional. Se puso como ejemplo a EE.UU., donde tanto para el gasoil, como para las naftas, hay una muy baja carga impositiva, mientras que en Europa tienen ambos combustibles una alta carga, fundamentada en los aspectos ambientales. En los dos casos, al contrario de lo que sucede en nuestro país, la distorsión es mínima. Dentro del misma tema, el alto componente impositivo aplicado a los combustibles es lo que ha dado origen al mercado negro. En la evolución de la demanda de combustibles en la última década, se pudo ver como hasta antes de la recesión (1998), el volumen total fue creciendo y a partir de allí, no pudo dejar de acompañar la situación del país. En lo que respecta al gasoil, hubo un importante crecimiento de la demanda (6 a 8% anual), al igual que el GNC, mientras que el consumo de nafta fue decreciendo sustancialmente. En definitiva, hubo un vuelco de los particulares hacia motores que consuman gasoil o GNC. Sin embargo, la demanda estimada de gasoil para este año, apenas superará los 10 millones de m3, muy por debajo de los 13 millones consumidos en 1998. Un tema importante es el alto precio de los combustibles en el mercado mayorista. Desde la desregulación, llevada a cabo en 1990, el mismo estuvo muy por encima de la paridad de importación. Se estimó el precio tentativo que puede alcanzar el gasoil en los próximos meses, cuando venza el plazo de exención de ITC (Impuestos y Tasas a los Combustibles) al gasoil importado. Otro tema de importancia es el costo que representa el gasoil en el transporte y en el campo. Por ejemplo, en el caso del transporte urbano de pasajeros, el gasoil alcanza el 23% del costo total. Entre el transporte y el campo, se consume más del 60% del consumo total del país. Se mencionó también la diferencia de calidad exigida entre los combustibles nacionales y los europeos, respecto a las exigencias ambientales y la necesidad de mejoras en estos patrones. Se pidió la reducción impositiva del mismo, a pesar de que ambos sectores, tienes las tasas de ITC y Vial a cuenta como crédito fiscal. Por otro lado, se destaca la alta competitividad del sector rural, adoptando continuamente nuevas técnicas de cultivo, como la siembra directa que permite un ahorro del 60% en el consumo de gasoil. Sin embargo, esta competitividad se puede perder muy rápidamente en la medida que no se quiten las retenciones a las exportaciones, ya que los productores dejarían de invertir en tecnología. Además se criticó fuertemente a las refinadoras, que prefirieron exportar gasoil, durante la época de cosecha, provocando el desabastecimiento dando lugar a millonarias pérdidas en el sector rural y transportista. Una mención especial merecen los combustibles alternativos, como los biocombustibles como el etanol y el biodiesel, tan en boga en todo el mundo y de especial interés para el agro. Pero existe un escaso interés oficial en la materia. Se insiste en instalar al GNC como alternativa única de sustitución, a partir de sus ventajas ambientales respecto al gasoil. Si bien el GNC hace algunos aportes, el balance ambiental entre GNC y biodiesel es contundente







a favor de este último. Hay que destacar que la sustitución de combustibles, no solo debía tenerse en cuenta la cuestión económica, sino que intervienen otros factores como los ambientales, los técnicos, etc. CRITERIOS BÁSICOS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA aumentar la eficiencia en la utilización de energía Este es un criterio aplicable a cada ámbito de la vida de las personas, desde el hogar hasta el lugar de producción. Se basa principalmente en que la energía que se consuma rinda lo mejor posible. Podemos citar algunos ejemplos: - Promover el uso de lámparas fluorescentes compactas y electrodomésticos y artefactos eléctricos de bajo consumo; tanto para el uso residencial como en el comercial, industrial y público. - Apagar focos en lugares donde no se necesiten, apagar aparatos eléctricos que no se estén utilizando, revisar que no existan fugas en instalaciones eléctricas o de gas, utilizar controles de alumbrado. - Utilizar controles de velocidad de motores, mejorar la lubricación, realizar mejoras a la combustión. Los filtros sucios requieren un funcionamiento excesivo e innecesario que puede provocar que su equipo se rompa. Le sugerimos cambiar o limpiar sus filtros al menos una vez al mes. - Realizar una certificación, mediante la implementación de un sello verde para las empresas que reduzcan significativamente el consumo energético. - Debería alentarse también un proceso de concientización pública en esta materia. - En el manejo de la demanda podrían estudiarse las posibilidades derivadas de la implementación de tasas horarias diferenciales para mejorar la curva de suministro de energía eléctrica y evitar picos de consumo. - El diseño eficiente de las construcciones edilicias es también un componente importante para reducir el consumo de energía, ya que mejoras en la ventilación, en aislación térmica, en la iluminación natural, entre otros, contribuyen a la reducción del uso de calefactores y refrigeradores, de iluminación artificial, etc. - Si su casa tiene muchas ventanas, particularmente si dan al este y al oeste, usted puede ahorrar dinero poniendo sombra al vidrio con un toldo, pantallas solares o con contraventanas. En el verano, cierre todas sus persianas y cortinas durante las horas más calientes del día. Los árboles y arbustos que den sombra a su casa también ayudan a reducir la carga pesada de los sistemas de aire acondicionado. En el invierno, abra las cortinas y persianas en el lado asoleado de su casa durante el día para calentar su hogar. Ciérrelas en la noche para conservar el calor. - El usar en la cocina y el baño sistemas de escape con ventiladores para remover el exceso de calor y humedad, puede ahorrarle cada mes en su cuenta total por enfriamiento. - Usar el agua caliente de manera moderada. - Es preferible cocinar, bañarse, lavar, secar la ropa y planchar durante la mañana o en la noche cuando las temperaturas son más frescas. - Utilice cintas de aislamiento a prueba del clima para sellar los escapes alrededor de puertas, ventanas, y conectores eléctricos y de plomería. Instale ventanas con vidrio triple y doble aislamiento para protección contra la pérdida de calor. - Indudablemente, uno de los mayores usos de energía, particularmente en el contexto urbano, es el que hacemos para transportarnos. Aquí lo mejor para ahorrar energía es utilizar el transportarse en transporte público (si es que no se puede caminar, lo cual es recomendable para la salud). Ahora bien, si no hay de otra alternativa que usar el auto individual (hay muchas razones para hacerlo) lo ideal es usar uno de alto rendimiento (más kilómetros por litro), lo cual generalmente coincide con autos de pocos cilindros (cuatro). - Vale la pena mencionar que hay una callada revolución tecnológica en el transporte y esta tiene que ver con los llamados vehículos híbridos, los cuales son una transición entre los actuales (que operan con motores de combustión interna conectados a la tracción de los vehículos) y los del futuro (que operarán con motores eléctricos conectados a la tracción). Los vehículos híbridos son, entonces, máquinas que tienen un motor de combustión







interna que sirven para generar la electricidad que va al motor eléctrico que va a la tracción (y a un conjunto de baterías). El detalle más importante de estos vehículos, que los hacen consumir mucho menos energía para las mismas distancias que los convencionales, es que, al tener motor eléctrico, estos vehículos, al frenar, generan electricidad (que se almacena en las baterías) en lugar de nada más convertirlo en calor, como en los actuales. Estos “autos híbridos” ya están en el mercado y tienen un costo de compra del doble que uno convencional, pero en combustible (y estamos hablando de un equipo que operamos por más de diez años) cuestan la mitad. La tecnología, pues, sigue evolucionando y mejorando y, por supuesto, permitiéndonos más servicios con menor consumo de energía. Lo importante para nosotros, como individuos, es saber que existe, cómo funciona y que beneficios nos trae. Igualmente importante, y esto en una perspectiva cercana a nuestros bolsillos, es que la tecnología que nos permite ahorrar energía es un poco más cara, en costo de adquisición, que la convencional. la reutilización de los recursos en todos los casos que sea posible Dentro de este punto se puede hablar de dos puntos de importancia. Reciclaje. Por un lado podemos hablar del consumo de productos reciclables. Rechazar los productos que dañan o alteran el ambiente, como aerosoles, envolturas de plástico metalizadas, de unicel o plásticos no reciclables, y preferir los productos y envolturas biodegradables, como las de papel y cartón. Reducir el consumo que sólo es estimulado por la publicidad y elegir productos "amables" con el ambiente. Reutilizar las bolsas de plástico, los envases de vidrio y el papel aluminio (las hojas de papel las debemos usar de ambos lados); reciclar el vidrio, latas, papel, periódicos, revistas y libros, entregando estos productos a las personas que los compran a domicilio o llevándolos a los depósitos de compraventa. Reciclar 100 kilogramos de papel salva la vida de 7 árboles. Reciclar una tonelada de papel permite ahorrar 20,000 litros de agua. Producir acero nuevo cuesta cuatro veces más que reciclarlo. Reciclar aluminio representa un ahorro de 91% de la energía que se requiere para hacerlo nuevo, además de que evita una mayor contaminación de la atmósfera. Reciclar el vidrio permite ahorrar una tercera parte de la energía requerida para hacerlo nuevo. Utilice tela en vez de servilletas de papel para la limpieza. Recuerde la gran cantidad de árboles que implica la fabricación de papel. Prefiera utilizar papel higiénico blanco, pues el decorado o de colores requiere muchas sustancias químicas para su elaboración. Absténgase de adquirir productos con grandes o vistosos empaques que sólo se habrán de convertir en basura. Pilas y baterías recargables. Las innovaciones tecnológicas ofrecen alternativas más económicas para lograr el ahorro de energía y la reducción de gastos. Se recomienda la compra de aparatos tales como calculadoras, relojes y otros que funcionen con energía solar. Por otro lado podemos hablar de la reutilización de elementos que se consideran de desecho para una nueva utilidad, de la cual se puede sacar provecho. Utilizar los rastrojos después de una cosecha para la fabricación de papel o de paneles de celulosa. De igual manera utilizar la bagaza de la madera para la confección de paneles rígidos que pueden tener múltiples usos. La utilización de los excrementos animales para abonos naturales o para la generación de biogás. Podemos citar el caso del agua: el agua en casi todas las actividades que se usa, salvo el consumo o el riego, se utiliza muy poco de su potencial energético y el resto se tira desperdiciando toda esa energía potencial más la energía que costó conseguirla. Este es el caso del agua que se utiliza en los hogares para lavar la vajilla o la ropa o para el depósito del inodoro. También es el caso de distintas actividades donde se utiliza para lavar distintos elementos o para enfriar. En todos estos casos se podría ahorrar gran cantidad de energía haciendo pasar el agua







residual por distintas trampas de grasas y trapos, filtros de áridos y carbón activado o por plantas radiculares, que permitiría volver a reutilizar el agua para riego e inclusive para consumo. Cogeneración Se llama cogeneración de energía a una técnica en la que se aprovecha el calor residual. Por ejemplo utilizar el vapor caliente que sale de una instalación tradicional, como podría ser una turbina de producción de energía eléctrica, para suministrar energía para otros usos. Hasta ahora lo usual era dejar que el vapor se enfriase, pero en esta técnica, con el calor que le queda al vapor se calienta agua, se cocina o se usa en otros procesos industriales. Esta técnica se emplea cada vez más en industrias, hospitales, hoteles y, en general, en instalaciones en las que se produce vapor o calor, porque supone importantes ahorros energéticos y por tanto económicos, que compensan las inversiones que hay que hacer para instalarla. La elección adecuada del recurso a utilizar según la circunstancia. Para esto es muy importante el análisis de los recursos y el estado de estos y su situación con respecto a la actividad que se quiere realizar. Un ejemplo de ello es el consumo de agua. Para contar con este recurso generalmente se gasta mucha energía en su extracción o en el acarreo desde la fuente hasta el lugar de consumo, ni hablar en las situaciones que hay que potabilizarla, olvidando que podemos contar con un recurso que implica un mínimo gasto y cuya recolección no significa prácticamente ningún gasto de energía, que es la recolección y almacenamiento del agua de lluvia. Así para cada circunstancia habrá que analizar detenidamente la energía que se dispone o el recurso para generarla, en general las soluciones van encaminadas hacia el uso de las energías renovables, como la solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, geotérmica y marina. Tienen un mínimo impacto sobre el entorno y las personas, el abastecimiento energético es ilimitado y contribuyen al desarrollo regional y al empleo. Principalmente, los Gobiernos serán los responsables de que las energías renovables puedan atenuar esta situación. ¿Podríamos dejar el petróleo de un día para el otro? Indudablemente no. Hoy en día, la fuerte repercusión que las oscilaciones del precio del petróleo tienen en la economía es una realidad. Si bien el sector del transporte es el que acusa más rápidamente esta dependencia, la fuerte relación entre el precio del petróleo y otros tipos de combustibles, hace que todos los demás sectores energéticos también se resientan. Pero las energías renovables sí pueden atenuar esta dependencia del petróleo. Podemos decir además que la mejor energía renovable es el ahorro energético, aquella que no es despilfarrada. El fomento de las energías renovables debe ir acompañado con políticas de fomento del ahorro y eficiencia energética, que ayuden a construir un sistema energético que no dañe al medio ambiente. En cuanto al medio ambiente, ayudan a disminuir el efecto invernadero. Por ejemplo, un kWh producido por aerogeneradores evita 872 g/kWh de CO2, 0,38 g/kWh de SO2 y 0.89 g/kWh de NOx. Las energías renovables contribuyen también a la seguridad del sistema. Como ejemplo de esta filosofía, Dinamarca tiene previsto para el año 2030 atender el 50% de su demanda eléctrica con energía generada en parques eólicos offshore, es decir, construidos en el mar. Por último, ayudan a fomentar la competitividad, sobre todo en el sector de generación. ¿Con la misma eficacia, de costos y de usos? Lógicamente, estos factores son distintos para cada una de las fuentes alternativas de energía. El costo del kilovatio ha disminuido casi un 70 % entre 1981 y 1998. La minihidráulica también ha tenido un gran desarrollo, contando con la mejor calificación medio ambiental en la Comunidad Europea. En cuanto a la solar, podemos hablar de térmica y fotovoltaica. Si bien la energía solar térmica ha tenido







más éxito pero para aplicaciones muy concretas, la solar fotovoltaica sigue siendo cara y mucho más contaminante en origen que las demás. En realidad, se trata de una tecnología muy contaminante para lo poco que contribuye al sistema energético. En cuanto a la biomasa, ya ofrece precios muy competitivos, y en varios lugares del mundo es uno de los principales recursos energéticos. CONCLUSIONES ¿Qué debe hacer el ciudadano para ahorrar energía? Ahorrar energía es la clasificación selectiva de basuras, la eliminación de vertidos incontrolados, el uso de transporte público, el uso eficiente de la energía, luz, gas y agua fundamentalmente. Se trata de medidas que están al alcance de todos los ciudadanos, no obstante, se trata de conseguir algo muy difícil, como es crear una cultura medioambiental que permita a las personas sentirse orgullosas por su contribución. El gobierno debe seguir fomentando la investigación y desarrollo de nuevas fuentes alternativas de energía, intentando conseguir abaratar los costos de las mismas. De igual forma, el gobierno debe premiar la eficiencia energética de las empresas, tanto grandes como Pymes. Simplificar los procedimientos administrativos para la realización de proyectos sobre energías renovables. Insistir en el fomento de medios de transporte público limpios. La subvención de proyectos de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+I) en el sector del transporte, donde los motores eléctricos o las pilas de combustible tiene mucho que decir en un sector fuertemente vinculado al petróleo. El fomento de la eficiencia energética en el urbanismo, fomentando entre otros aspectos la energía solar pasiva, la integración de paneles solares en techos y fachadas, etc. Pero algo muy importante que hay que mencionar luego de haber analizado distintos puntos que tienen que ver con el ahorro de energía, es que no se busca disminuir el confort en la vida de las personas, sino que lo estamos invitando a la reflexión y a un cambio de hábitos y actitudes que favorezcan una mayor eficiencia en el uso de la energía, el empleo racional de los recursos energéticos, la protección de la economía familiar y la preservación de nuestro entorno natural. Anexo :Termodinámica Termodinámica: campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables







termodinámicas, propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Calorimetría: Calor una forma de energía: Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada mediante la letra Q. Las unidades para medir el calor son la caloría, kilo caloría (1000 cal), etc. La caloría puede definirse como la "cantidad de calor" necesaria para elevar en un grado de temperatura, un gramo (masa) de materia: 1 cal ? 1ºC.1 g Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de un cuerpo a otro. Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los átomos que forman el sistema (véase mecánica cuántica). Capacidad calórica y Calor específico: las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que se necesita para producir, en una unidad de masa dada, un determinado aumento de temperatura. La relación directamente proporcional entre la variación de la cantidad de calor (? Q) y la variación de temperatura (? T) se denomina capacidad calórica. Atención: la palabra capacidad puede sugerir, erróneamente, que creamos que nos referimos a "la cantidad de calor que un cuerpo puede contener", mientras que lo que realmente significa es el calor añadido por unidad de aumento de temperatura. Si medimos la capacidad calórica por unidad de masa estamos frente a otra unidad, el calor específico, que es una característica del material del cual está compuesto el cuerpo. Ni la capacidad calórica de un cuerpo, ni el calor específico del material son constantes, sino que dependen de la situación del intervalo de temperatura escogido. Sin embargo, dentro de una amplitud térmica determinada sin cambio de estado, podemos tomar esos valores como constantes. En el caso del agua, por ejemplo, el calor específico varía menos de 1% de su valor 1,00 cal/ ºC dentro del intervalo de temperatura comprendido entre 0 y 100 ºC. Conducción del calor: transferencia de energía causada por la diferencia de temperatura entre dos partes adyacentes de un cuerpo. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Conducción: es la única forma de transferencia de calor en los sólidos. Si consideramos una lámina cuya área de sección recta sea A y espesor (? x), expuesta a diferentes temperaturas (? T) en cada una de sus caras, se puede medir la cantidad de calor (? Q) que fluye perpendicularmente a las caras en un determinado tiempo (? t). La relación (directamente proporcional) entre cantidad de calor (? Q) y el tiempo (? t) determina la velocidad de transmisión (v) del calor a través del área A; mientras que la relación (directamente proporcional) entre la variación de temperatura (? T) y el espesor (? ?x) se llama gradiente de temperatura. La igualdad se obtiene mediante una constante de proporcionalidad (k) llamada conductividad térmica. La dirección de flujo del calor será aquella en la que aumenta x; como el calor fluye en dirección en que disminuye T, se introduce un signo menos en la ecuación. Lo que significa que ? Q/? t es positiva cuando ? T/? x es negativa.







También puede aplicarse esta ecuación a una varilla metálica de longitud L y sección transversal constante A en la cual se ha alcanzado un estado estacionario (la temperatura en cada uno de los extremos es constante en el tiempo), por consiguiente, la temperatura decrece linealmente a lo largo de la varilla. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. Convección: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un fluido (líquido o un gas) es casi seguro que se producirá un movimiento llamado convección. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Si calentamos una cacerola llena de agua, el líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La vibración de los electrones (salto cuántico) está determinada por la cantidad de energía absorbida. Esta energía es liberada en forma de radiación (luz, calor, rayos x) dependiendo de la energía de estimulación administrada (ver mecánica cuántica). Equivalente mecánico del Calor: Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de energía puede ser una unidad de calor. El tamaño relativo de las "unidades de calor" y las "unidades mecánicas" puede encontrarse a partir de los experimentos en los cuales una cantidad conocida de energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente de agua, por ejemplo). Del aumento de temperatura medido puede calcularse cuanto calor (en calorías) tendremos que añadir a la muestra de agua para producir el mismo efecto. De esa manera puede calcularse la relación entre Joule y calorías, es decir, el llamado equivalente mecánico del calor. Originalmente Joule utilizó un aparato en el cual unas pesas, al caer, hacían girar un conjunto de paletas sumergidas en agua. La pérdida de energía mecánica (debido al rozamiento) se calculaba conociendo las pesas y las alturas de las cuales caían. La energía calórica equivalente era determinada a través de la masa de agua y su aumento de temperatura. Los resultados aportados fueron: 1 kcal = 1000 cal = 4186 joules. Es decir 4186 Joules de energía elevarán la temperatura de 1 Kg. de agua en 1 ºC, lo mismo que 1000 calorías.

1 Kcal = 4186 J , 1 cal = 4,186 J , 0,24 cal = 1 J Calor y Trabajo: Ni el calor ni el trabajo son propiedades de un cuerpo en el sentido de poder asignarle un valor a la cantidad "contenida" en el sistema. El trabajo es una medida de la energía trasferida por medios mecánicos mientras que el calor, en cambio, es una medida de la energía transferida por medio de una diferencia de temperatura.







La Termodinámica estudia la transferencia de energía que ocurre cuando un sistema sufre un determinado proceso (termodinámico) que produce un cambio llevando de un estado a otro del sistema. Si aplicamos una fuerza sobre una superficie obtendremos una presión sobre ese lugar. La fuerza aplicada, al provocar un desplazamiento, genera trabajo mecánico. En el caso de la presión, que actúa sobre las paredes de un cuerpo extensible, el ensanchamiento de este produce variación de volumen, el que está asociado con el trabajo mecánico también. Ley Cero: si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado). Primera Ley: Analicemos una situación imaginaria para redondear una idea: si tenemos un sistema que cambie de un estado inicial de equilibrio i, a un estado final de equilibrio f, en un forma determinada, tendremos a Q como el calor absorbido por el sistema y W como el trabajo hecho por el sistema; después calculamos el valor de Q – W. Ahora, cambiemos el sistema manteniendo, por supuesto, el mismo estado i para llegar hasta el estado final f, pero en esta ocasión utilizamos un camino diferente. Repetimos el procedimiento una y otra vez usando diferentes caminos en cada caso. Nos encontramos que en todos los intentos Q – W mantiene su valor numérico siempre igual. La explicación se debe a que: aunque la magnitud de Q y W, separadamente, dependen del camino tomado, Q – W no depende de cómo pasamos de un estado a otro, sino sólo de ambos estados, el inicial y el final (de equilibrio). El lector seguramente recordará, por lo visto en mecánica, que cuando un objeto se mueve de un punto a otro en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos y no de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. Podemos concluir que hay una energía potencial, en función de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuya diferencia entre su valor final y su valor inicial es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. En termodinámica se encuentra experimentalmente que, cuando en un sistema ha cambiado su estado i al f, la cantidad Q – W dependen solo de las coordenadas iniciales y finales y no del camino tomado entre estos puntos extremos. Se concluye que hay una función de las coordenadas termodinámicas cuyo valor final menos su valor inicial es igual al cambio Q – W en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna (la que se representa mediante la letra U) La diferencia entre la energía interna del sistema en el estado f (U f ) y el estado inicial i (Ui) es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado i al estado f: Tenemos entonces que: U f – U i. = ? U = Q – U Como sucede con la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Esta ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, al aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema. A la función interna U, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámica clásica no ofrece una explicación para ella, además es una función de estado que cambia en una forma predecible. La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de un sistema de partículas (U), cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita. El hecho que consideremos que el valor de Q sea positivo cuando el calor entra al sistema y que W sea positivo cuando la energía sale del sistema como trabajo está determinado por el estudio de las máquinas térmicas, que provocó inicialmente el estudio de la termodinámica. Simplemente es una buena forma económica tratar de obtener el máximo trabajo con una maquina de este tipo, y minimizar el calor que debe proporcionársele a un costo importante. Estas naturalmente se convierten en cantidades de interés. Si nuestro sistema sólo sufre un cambio muy pequeño, infinitesimal, en su estado, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor y se hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo, de tal manera que el cambio de







energía interna también es infinitesimal. Aunque la cantidad infinitesimal de trabajo y la cantidad infinitesimal de calor no son diferencias exactas (el por que va más allá de este apunte por lo que deberá acceder a un texto de termodinámica avanzado), podemos escribir la primera ley diferencial en la forma: dU = dQ – dW. Podemos definir la primera ley diciendo: todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estado llamada energía interna U cuyo cambio dU en un proceso diferencial está dado por la ecuación antes escrita. La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, el volumen, temperatura, campo magnético y otros. La primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado. La primera ley establece que la energía se conserva, sin embargo, cuando un cuerpo caliente y otro frío se ponen en contacto no ocurre que el primero se pone más caliente y el segundo más frío. Si bien no estamos violando la primera ley, esta no restringe nuestra capacidad de convertir trabajo en calor o calor en trabajo, especifica únicamente que la energía debe conservarse durante el proceso. La realidad es que, aunque podamos convertir una pequeña cantidad de trabajo en calor, no se ha podido hallar un procedimiento que convierta por completo una cantidad dada de calor en trabajo. La segunda ley de la termodinámica se ocupa de este problema y aunque su contenido pueda parecer esotérico o abstracto, su aplicación ha demostrado ser extremadamente práctico. Procesos reversible e irreversibles: Consideremos un sistema típico en equilibrio termodinámico: una masa m de gas real encerrado en un dispositivo cilíndrico (cuyas paredes laterales son aislantes térmicos mientras que el piso es conductor) y un émbolo que mantiene un volumen V, dentro del cual el gas se encuentra a una presión p y una temperatura T, los que se mantienen constantes con el tiempo. En la base del cilindro tenemos una fuente de calor para mantener la temperatura. Podemos variar de muchas maneras a otro estado de equilibrio en el cual la temperatura T sea la misma pero su volumen se reduzca a la mitad. Analicemos dos casos extremos. Hacemos bajar el émbolo muy rápidamente y se espera que se establezca el equilibrio. Durante el proceso el gas es turbulento y su presión y temperatura no están bien definidas. Los estados intermedios en el cual se desarrolla el proceso no son de equilibrio. El proceso se denomina irreversible. Si hacemos bajar el émbolo muy lentamente (despreciando a la fricción), la temperatura varía muy poco mientras que las otras variables termodinámicas estarán bien definidas a medida que vayan cambiando. Los cambios serán infinitesimales de manera que pueda invertirse la trayectoria mediante un cambio diferencial en su medio ambiente. Este proceso se denomina reversible. Este caso no es solamente reversible sino también isotérmico ya que suponemos una variación infinitesimal (dT ). También podríamos reducir el volumen adiabáticamente sacando al cilindro de la fuente de calor. Este proceso también puede ser reversible o irreversible dependiendo de la manera en que movamos al émbolo. Pero ? U y ? T no serán los mismos para los procesos adiabáticos reversibles que para los irreversibles. Segunda Ley de Termodinámica: Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar los diseños de la ingeniería, una fracción apreciable del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor una temperatura más







alta que el medio ambiente quemando combustibles. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nunca se alcanzarán. La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí. Clausius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo. Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja. Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes, necesitamos demostrar que si cualquiera de los enunciados es falso, el otro también debe serlo. Supóngase que es falso el enunciado de Clausius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma el trabajo. Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de un cuerpo caliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpo frío. Pero conectando nuestro refrigerador "perfecto" al sistema, este calor se regresaría al cuerpo caliente, sin gasto de trabajo, quedando así utilizable de nuevo para su uso en una máquina térmica. De aquí que la combinación de una maquina ordinaria y el refrigerador "perfecto" formará una máquina térmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podríamos tener una máquina térmica que sencillamente tome calor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo. Conectando esta máquina térmica "perfecta" a un refrigerador ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajo convertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisión de calor desde un cuerpo frío, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo infringe el enunciado de Clausius. La segunda ley nos dice que muchos procesos son irreversibles. Por ejemplo, el enunciado de Clausius específicamente elimina una inversión simple del proceso de transmisión de calor de un cuerpo caliente, a un cuerpo frío. Algunos procesos, no sólo no pueden regresarse por sí mismos, sino que tampoco ninguna combinación de procesos pueden anular el efecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte. Ciclos Termodinámicos: Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica. Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas







las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot. Ciclo de Carnot: Es un ciclo reversible que se representa en un diagrama p – v (presión en función del volumen) que si bien tiene sus limites en la capacidad que posee un sistema en convertir calor en trabajo, es utilizado en máquinas que usan vapor o una mezcla de combustible (con aire u oxígeno). a – b: El gas está en un estado de equilibrio inicial representado por p1, V1, T1 dentro del cilindro anteriormente descrito. Dejamos que el gas se dilate lentamente hasta p2, V2, T1. durante el proceso el gas absorbe energía calórica Q1. La dilatación es isotérmica a T1 y el gas trabaja elevando al pistón y a su carga. b – c: Ponemos el cilindro sobre una base no conductora y permitimos que el gas se dilate hasta p3, V3, T2. La dilatación es adiabática por que no entra ni sale calor del sistema. El gas efectúa un trabajo elevando el émbolo y su temperatura disminuye hasta T2. c – d: Ponemos el cilindro sobre un deposito de calor (más frío) T2 y comprimimos el gas lentamente hasta p4, V4, T2. Durante ese proceso se transfiere una determinada cantidad de energía calórica Q2 del gas al depósito. La compresión es isotérmica a T2 y se efectúa trabajo sobre el gas a través del pistón y de su carga. d – a: Ponemos al cilindro en un soporte no conductor y comprimimos lentamente hasta su posición inicial p1, V1, T1. La compresión es adiabática, se efectúa trabajo sobre el gas y su temperatura se eleva hasta T1. El trabajo neto W efectuado por el sistema durante el ciclo está representado por el área encerrada en la trayectoria abcd. La cantidad de energía calórica neta recibida por el sistema se obtiene por la diferencia entre Q2 y Q1. Como el estado inicial y final es el mismo, no hay cambio en la energía interna U del sistema. Por lo tanto, según la primera ley de termodinámica: W = Q1 – Q2. Eficiencia: es la relación entre el trabajo total efectuado por una máquina en un ciclo y el calor que, durante ese ciclo, se toma de la fuente de alta temperatura. Como dentro de un ciclo la cantidad de calor depende de la temperatura (la masa se mantiene constante) también podemos escribir: Tercera ley de la termodinámica: La segunda ley está ligada a una variable termodinámica denominada entropía (s), y puede expresarse cuantitativamente en términos de esta variable. En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 32 º F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, así: la entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto . Un cristal "perfecto" es aquel que esta en equilibrio termodinámica. En consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general, como: La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero.







La importancia de la tercera ley es evidente. Suministra una base para el cálculo de las entropías absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección de las reacciones químicas. Una interpretación estadística de la tercera ley es más bien sencilla, puesto que la entropía se ha definido como: S = k ln ? ?En donde k es la constante de Bolzmall ? es la probabilidad termodinámica. En vista de la anterior disertación, la tercera ley equivale a establecer que: ? cuando T ? 0. Esto significa que sólo existe una forma de ocurrencia del estado de energía mínima para una sustancia que obedezca la tercera ley. Hay varios casos referidos en la literatura en donde los cálculos basados en la tercera ley no están desacuerdo con los experimentos. Sin embargo, en todos los casos es posible explicar el desacuerdo sobre la base de que la sustancia no es "pura", esto es, pueda haber dos o más isótopos o presentarse moléculas diferentes o, también, una distribución de no equilibrio de las moléculas. En tales casos hay más de un estado cuántico en el cero absoluto y la entropía no tiende a cero. Entropía : La entropía, como todas las variables de estado, dependen sólo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropía de procesos irreversibles, conociendo sólo los estados de principio y al fin. Consideraremos dos ejemplos: 1.- Dilatación libre: Dupliquemos el volumen de un gas, haciendo que se dilate en un recipiente vacío, puesto que no se efectúa reacción alguna contra el vacío, W = 0 y, como el gas se encuentra encerrado entre paredes no conductoras, Q = 0. por la primera ley se entiende que ? U = 0 o: Ui = Uf

donde i y f se refieren a los estados inicial y final (de equilibrio). Si el gas es ideal, U depende únicamente de la temperatura y no de la presión o el volumen, y la ecuación Ui = Uf implica que Ti = Tf. En realidad, la dilatación libre es irreversible, perdemos el control del medio ambiente una vez que abrimos la llave. Hay sin envergo, una diferencia de entropía si – sf, entre los estados de equilibrio inicial y final, pero no podemos calcularla con la ecuación , por que esta relación se aplica únicamente a trayectorias reversibles; si tratamos de usar la ecuación, tendremos inmediatamente la facultad de que Q = 0 para la dilatación libre - además - no sabremos como dar valores significativos de T en los estados intermedios que no son de equilibrio. Entonces, ¿Cómo calcularemos Sf - Si para estos estados?, lo haremos determinando una trayectoria reversible (cualquier trayectoria reversible) que conecte los estados i y f, para así calcular el cambio de entropía de la trayectoria. En la dilatación libre, un trayecto reversible conveniente (suponiendo que se trate de un gas ideal) es una dilatación isotérmica de VI a Vf (=2Vi). Esto corresponde a la dilatación isotérmica que se lleva a cabo entre los puntos a y b del ciclo del Carnot. Esto representa un grupo de operaciones muy diferentes de la dilatación libre y tienen en común la única condición de que conectan el mismo grupo de estados de equilibrio, i y f. De la ecuación y el ejemplo 1 tenemos. Esto es positivo, de tal manera que la entropía del sistema aumenta en este proceso adiabático irreversible. Nótese que la dilatación libre es un proceso que, en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una vez iniciado. Realmente no podemos concebir lo opuesto, una compresión libre en la que el gas que en un recipiente aislado se comprima en forma espontánea de tal manera que ocupe solo la mitad del volumen que tiene disponible libremente. Toda nuestra experiencia nos dice que el primer proceso es inevitable y virtualmente, no se puede concebir el segundo. 2.- Transmisión irreversible de calor. Como otro ejemplo, considérense dos cuerpos que son semejantes en todo, excepto que uno se encuentra a una temperatura TH y el otro a la temperatura TC, donde TH > TC. Si ponemos ambos objetos en contacto dentro de una caja con paredes no conductoras, eventualmente llegan a la temperatura común Tm, con un valor entre TH y TC; como la dilatación libre, el proceso es irreversible, por que perdemos el control del







medio ambiente, una vez que colocamos los dos cuerpos en la caja. Como la dilatación libre, este proceso también es adiabático (irreversible), por que no entra o sale calor en el sistema durante el proceso. Para calcular el cambio de entropía para el sistema durante este proceso, de nuevo debemos encontrar un proceso reversible que conecte los mismos estados inicial y final y calcular el cambio de entropía, aplicando la ecuación al proceso. Podemos hacerlo, si imaginamos que tenemos a nuestra disposición un deposito de calor de gran capacidad calorífica, cuya temperatura T este bajo nuestro control, digamos, haciendo girar una perilla. Primero ajustamos, la temperatura del deposito a TH a Tm, quitando calor al cuerpo caliente al mismo tiempo. En este proceso el cuerpo caliente pierde entropía, siendo el cambio de esta magnitud . Aquí T1 es una temperatura adecuada escogida entre TH y Tm y Q es el calor extraído. En seguida ajustamos la temperatura de nuestro depósito a Tc y lo colocamos en contacto con el segundo cuerpo (el más frío). A continuación elevamos lentamente (reversiblemente) la temperatura del depósito de Tc a Tm, cediendo calor al cuerpo frío mientras lo hacemos. El cuerpo frío gana entropía en este proceso, siendo su cambio. Aquí T2 es una temperatura adecuada, escogida para que quede entre Tc y Tm y Q es el calor agregado. El calor Q agregado al cuerpo frío es igual al Q extraído del cuerpo caliente. Los dos cuerpos se encuentran ahora en la misma temperatura Tm y el sistema se encuentra en el estado de equilibrio final. Como T1>T2, tenemos Sf >Si. De nuevo, como para la dilatación libre, la entropía del sistema aumenta en este proceso reversible y adiabático. Nótese que, como la dilatación libre, nuestro ejemplo de la conducción del calor es un proceso que en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una vez que se ha iniciado. En realidad no podemos concebir el proceso opuesto, en el cual, por ejemplo, una varilla de metal en equilibrio térmico a la temperatura del cuarto espontáneamente se ajuste de tal manera, que un extremo quede más caliente y en el otro más frío. De nuevo, la naturaleza tiene la preferencia irresistible para que el proceso se efectúe en una dirección determinada y no en la opuesta. En cada uno de estos ejemplos, debemos distinguir cuidadosamente el proceso real (irreversible) (dilatación libre o transmisión del calor) y el proceso reversible que se introdujo, para que se pudiera calcular el cambio de entropía en el proceso real. Podemos escoger cualquier proceso reversible, mientras conecte los mismos estados inicial y final que el proceso real; todos estos procesos reversibles llevarán al mismo cambio de entropía porque ella depende sólo los estados inicial y final y no de los procesos que los conectan, tanto si son reversibles como si son irreversibles.

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Energía Renovable y energía No Renovable