MEDIO AMBIENTE

ENERGÍA RENOVABLE : 

Otras fuentes menos conocidas

Además de los diferentes tipos de energías renovables que se han podido estudiar en temas anteriores, existen una serie de tecnologías que utilizan fuentes alternativas y que aún se encuentran en fase de experimentación. Muchas de ellas pueden parecer realmente extrañas pero cabe mencionarlas en este apartado para demostrar, que todavía existen muchas fuentes naturales de energía por explorar y que vale la pena seguir investigando e imaginando nuevas formas de producción. A continuación se han elegido los siguientes ejemplos:

1. Potencia Osmótica: También conocida como energía azul es obtenida por la diferencia de concentración salina existente entre el agua de mar y el agua dulce presente en tierra firme. Mediante el proceso de ósmosis, se consigue aprovechar el flujo de agua que se produce entre la masa de agua dulce y la de mayor salinidad, a través de una membrana semipermeable, para producir energía útil. Si bien, lo cierto es que actualmente es una tecnología poco desarrollada y su coste es muy elevado.
2. Energía Sónica: Es una de las alternativas más llamativas y creativas, y tiene su origen en los estudios llevados a cabo por el físico Orest Symko de la Universidad de Utah y sus estudiantes, los cuales han desarrollado una tecnología capaz de generar energía por medio de un sistema que a partir de un calor excesivo produce un fuerte sonido el cual, a su vez, genera electricidad. Aún está en fase de desarrollo pero ha generado un elevado interés en la comunidad científica.
3. Bicigeneración: Básicamente consiste en acoplar al mecanismo de giro de en una bicicleta fija, un alternador conectado a su vez a un acumulador (batería) que almacene la energía producida. Este sistema puede ser especialmente útil en gimnasios de gran tamaño y en este sentido se están llevando a cabo algunas experiencias en ciertos lugares del mundo. Según Arturo Osorio, de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (México), un grupo de 20 bicicletas estáticas puede llegar a producir hasta 7,5 kW de potencia.
4. Energía de la fotosíntesis: Esta idea es quizás la más novedosa de cuantas se han expuesto aquí, este proyecto fue el ganador del concurso C2C HOME que convocó al público para crear diseños de edificios residenciales autosuficientes. El proyecto ganador se basa en un sistema solar-celular inspirado en la fotosíntesis de las plantas (en este caso se usan espinacas), y utiliza un complejo enzimático llamado Fotosistema I para generar electricidad del mismo modo en el que la planta obtiene su energía.

Combinaciones tecnológicas: hibridación y almacenamiento

A lo largo de este documento, se ha hecho referencia en repetidas ocasiones, a los principales inconvenientes que presentan ciertas fuentes de energía renovable: su aleatoriedad y/o discontinuidad. De este modo, la solar sólo está disponible durante las horas en que es de día, la eólica cuando hay viento y la hidroeléctrica en épocas de abundancia de agua. Esto unido a que el consumo de electricidad tampoco se hace de manera continua sino que hay horas, días y épocas del año en los que se consume más que en otros, hace muy conveniente que algunas instalaciones incorporen hibridaciones con otra fuente energética permanentemente disponible y/o sistemas de almacenamiento energético que las hagan más eficientes.

Así, para que una instalación de producción energética alcance niveles adecuados de eficiencia será necesario ajustar la generación a la demanda, y en el caso de ciertas renovables esto sólo se consigue mediante hibridación o almacenamiento.

En cuanto a la hibridación, el sistema de apoyo que cubre las carencias de disponibilidad de la fuente renovable, puede estar alimentado con combustibles fósiles. Aunque no es lo más deseable, puede pensarse que al menos se está reduciendo considerablemente el consumo de estas energías al estar combinadas con otras de origen renovable. De hecho, en los últimos años ha adquirido especial importancia en este sentido el gas natural, como la menos contaminante de las fuentes convencionales.

Sin embargo, en los casos de hibridación obligada debe buscarse siempre la solución 100% renovable, y si en vez de utilizar combustibles fósiles para alimentar el sistema de apoyo pudiera emplearse otra fuente renovable como la biomasa, debe elegirse siempre esta última opción.

En este sentido, las modernas plantas solares termoeléctricas están comenzando a implantar sistemas híbridos en los que la biomasa aparece como energía complementaria almacenable, usándose el gas natural únicamente como ajuste adicional para cubrir los posibles fallos de suministro y mejorar el rendimiento del conjunto. En este sentido, estas plantas están incorporando sistemas de cogeneración, para producir simultáneamente calor y electricidad, en búsqueda del máximo rendimiento energético para la instalación.

Debido a todo lo anterior, para decidir el tamaño y la localización de una central solar termoeléctrica no habrá que considerar solamente las horas de sol al año que recibe el lugar, sino también la disponibilidad del combustible de apoyo y la curva de demanda energética local o regional.

Del mismo modo, el almacenamiento de energía es fundamental para el funcionamiento eficiente de un sistema de producción energética. La radiación solar o el viento no se pueden almacenar por lo que, al margen de la hibridación, el concepto de reservorio al que se hace referencia aquí es el correspondiente al almacenamiento en forma de energía térmica o química.

Además de la transmitancia, la toxicidad de la sustancia y el coste del sistema, uno de los factores clave en el almacenamiento es la cantidad de energía acumulable por unidad de volumen (MJ/m3 o kWh/m3), ya que cuanto mayor sea esta relación mayor capacidad de almacenamiento se tendrá para una misma superficie (los depósitos o baterías deberán ocupar el mínimo espacio posible).

Un sistema de almacenamiento asociado a una fuente renovable, puede diseñarse para alcanzar diferentes objetivos específicos no incompatibles entre sí:

1. Proporcionar estabilidad al funcionamiento de la planta: Mediante la previsión de sistemas de almacenamiento de capacidad relativamente pequeña que sin embargo permitan dar una respuesta rápida.
2. Hacer una central programable: La capacidad de programar una instalación de este tipo, es un factor diferencial positivo y fundamental, porque permitiría desplazar en el tiempo la generación energética a momentos en que la demanda fuese mayor o la producción fuese más ventajosa (en numerosos países el sistema tarifario hace más conveniente producir electricidad para su venta a determinadas horas del día).
3. Aumentar el factor de capacidad: Supone dar continuidad suficiente a la producción como para reducir considerablemente el número de arranques y paradas, alargando la vida útil de determinados equipos.

Para el diseño y dimensionado de un reservorio de energía deben enfrentarse la capacidad de almacenamiento deseada con el coste que supone obtenerla. La capacidad suele medirse en horas de funcionamiento de la instalación a potencia nominal, y según ésta los sistemas de almacenamiento pueden clasificarse en:

1. Almacenamiento a largo plazo: Están basados en el empleo de energía química como método de reserva y están muy escasamente desarrollados. Pueden almacenar la energía durante semanas e incluso meses.
2. Almacenamiento a medio plazo: Pueden basarse en almacenamiento en forma de calor sensible o latente, el primero hace referencia a la variación de energía interna de un sistema como consecuencia de una variación de temperatura sin cambio de fase, el segundo es también una variación de energía interna pero como consecuencia de un cambio de fase, el almacenamiento por calor sensible requiere mucho más volumen que por calor latente. El almacenamiento a medio plazo suele rondar capacidades de almacenaje cercanas al funcionamiento de la planta a potencia nominal durante varias horas y actualmente presenta ya cierto nivel de desarrollo, aunque aún no ha sido totalmente comercializado. Se usa para compensar las variaciones en períodos temporales de uno a varios días.
3. Almacenamiento a corto plazo: Se utilizan para compensar estados de insuficiencia transitoria en el suministro. Suelen ser de pequeña capacidad, cubren la demanda durante unas pocas horas, y pueden considerarse demostrados a escala real.

Por último se van a enumerar los principales factores técnicos a tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema de almacenamiento o reserva energética:

1. Alta densidad energética de la sustancia o material de almacenamiento.
2. Buena capacidad para la transferencia energética.
3. Estabilidad mecánica y química de la sustancia de almacenamiento.
4. Compatibilidad química entre fluidos y materiales de almacenaje o contención.
5. Reversibilidad en los ciclos de carga y descarga.
6. Minimización de pérdidas.
7. Facilidad de control.

Finalmente cabe señalar que aunque el almacenamiento térmico está más desarrollado en aquellas instalaciones que lo permiten (solares termoeléctricas o de biomasa), a más largo plazo el almacenamiento químico puede ser muy atractivo por lo que conviene dedicarle esfuerzos de I+D, y en esta línea se van a tratar en el siguiente tema las características que definen al sistema de almacenamiento energético mediante pilas de combustible.



 

Pilas de combustible

Las pilas de combustible son equipos electroquímicos que, al igual que las baterías, convierten directamente en corriente eléctrica la energía química de un reactivo. Sin embargo ambos sistemas son diferentes, mientras que las baterías son acumuladores de energía que sólo pueden trabajar mientras ésta se encuentre almacenada en su interior (por lo que deben haber sido cargadas previamente), estas pilas de combustible son capaces de proporcionar electricidad mientras les sea suministrado un comburente (normalmente hidrógeno) desde una fuente exterior.

El mecanismo fundamental de operación de una pila de combustible es la reacción inversa a la hidrólisis: la oxidación catalítica del hidrógeno en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo crean una diferencia de potencial entre ambos electrodos, diferencia que puede ser aprovechada a través de un circuito externo si se coloca un electrolito aislante entre el ánodo y el cátodo que permita el intercambio iónico, y por tanto la transferencia de cargas.

Más detalladamente, una pila de combustible se compone de varias celdas individuales conectadas eléctricamente en serie entre sí, en ellas es donde se genera el flujo de electrones, y su número dependerá de la tensión total que se desea proporcionar. Todas las celdas están provistas de dos placas bipolares, una en cada extremo, por donde penetran los gases reactantes (hidrógeno y oxígeno) y por donde además se evacuan los productos de la reacción y los reactantes no utilizados.

Desde cada placa y hacia el interior se sitúan el ánodo y el cátodo, cada uno de ellos provisto de una capa con un elemento catalizador donde los átomos de hidrógeno se descompondrán en sus protones y electrones, y que además proporciona la conectividad eléctrica entre celdas. Por último, entre los electrodos se encuentra una membrana semipermeable, que actúa de medio conductor de iones. A la agrupación de todas las celdas con el objeto de proporcionar una tensión eléctrica suficientemente alta (según los requerimientos de cada aplicación), se le conoce el nombre de apilamiento o ‘stack’.

Los procesos que tienen lugar en los electrodos permiten obtener rendimientos considerablemente altos que no sólo afectan a la reacción eléctrica, sino que además, y dependiendo del tipo de pila, hacen posible aumentar el rendimiento global de la reacción mediante el aprovechamiento del calor generado durante su funcionamiento normal a causa de la polarización y a las pérdidas óhmicas (también llamadas lineales o resistivas) que tienen lugar en el interior de la pila.

La elección de la pila idónea para cada aplicación dependerá tanto de las posibilidades de aumentar el rendimiento global aprovechando esa energía térmica residual como de la temperatura de trabajo. Esta última puede variar desde las condiciones ambientales hasta los 1000º C, debido a que las reacciones electroquímicas de los electrodos pueden ser catalizadas por diversos materiales a diferentes temperaturas.

Las pilas de combustible se dividen en cinco tipos diferentes, atendiendo al tipo de electrolito que emplean:

Cabe resaltar que la reacción global, sumando los efectos en el ánodo y cátodo, es la misma para todos los tipos de pila:

H2 + ½ O2 = H2O

Pero, aunque fundamentalmente todas las pilas emplean como reactantes el hidrógeno y el oxígeno, las reacciones que tienen lugar en los electrodos son diferentes en cada caso, según el tipo de pila:

Una de las principales ventajas de las pilas de combustible es que pueden alimentarse con mezclas que tan sólo tengan una pureza del 20-30%, por lo que a efectos prácticos puede emplearse casi cualquier mezcla gaseosa que contenga hidrógeno. En algunos casos se emplean hidrocarburos, aunque el proceso previo de obtención cause pérdidas de eficiencia. La técnica más frecuente para esta operación es el reformado con vapor, aunque existen otras como la oxidación parcial y el reformado autotérmico, en cualquier caso se necesitará de un equipo de tratamiento del combustible y otros equipos auxiliares para el acondicionamiento de la mezcla resultante (procesos de purificación, eliminación de impurezas de CO, desulfuración…) ya que ciertas partículas inicialmente presentes pueden reducir drásticamente la vida útil de la pila.

Los resultados del funcionamiento de una pila de combustible son: una corriente eléctrica continua, agua como producto final de la reacción, y otros subproductos dependiendo del nivel de pureza de los reactivos. Debido a la necesaria limpieza de los gases reactantes y al hecho de que las reacciones electroquímicas son considerablemente limpias, las plantas basadas en pilas de combustible registran niveles de emisiones bajos en comparación con los sistemas tradicionales.

Es posible aumentar el rendimiento de las pilas incrementando las presiones de entrada de oxidante y reductor, sin embargo esto lleva asociada la necesidad de incluir en el sistema los correspondientes equipos de presurización, lo que supone contar con un peso y un volumen adicionales, y una demanda parásita de energía, lo que hace subir el coste global, pero además, a presiones superiores a 5 atmósferas comienzan a dañarse los electrolitos sólidos.

Por último, si se está pensando en el uso de las pilas de combustible como acumuladores de energía en automoción o aparatos portátiles, se deberán tener en cuenta además una serie de requisitos relativos al peso y al volumen ocupado. Si la pila de combustible de un turismo alimentado con hidrógeno me ocupa todo su maletero, se está garantizando el fracaso del modelo a nivel comercial (en referencia a las escasas ventas previsibles).