Abstract—In this paper is presented a recompilation about the current state of Renewable Energies, their uses, applications and ways to transform some physical phenomena in Electric Energy from Solar, Geothermal or Wind Energy or Biomass. Also this document will present a brief definition and state of Smart Cities.
A continuación se presenta el estado actual de las energías renovables, como un mecanismo de ayuda al medio ambiente y generación de energía eléctrica limpia, completamente alejada de los medios convencionales de obtención de la misma
INTRODUCCION
Desde hace muchos años se han propuesto varias soluciones
I-A. Energía
Energías renovables
al problema del cambio climático, pero sin duda la que más logró recopilar apoyo para su desarrollo fue la idea de sustituir las formas comunes de obtención de energías por elementos más amigables al ambiente. El primer paso agigantado a favor de estas energías se dio en el año 2008 con la reforma de energías renovables en Taiwan, la mismas que establecía valores techo para los años 2020 y 2025 para regular las emisiones de carbón y aumentar la eficiencia de dichos sistemas [1].
Los métodos actuales de obtención de energía en su mayoría provienen de fuentes que generan emisiones de gases o sustan- cias altamente nocivas para la salud de los seres que habitan en una determinada región geográfica; pero sin duda, la mayor parte del daño se ve reflejada en el medio ambiente; dismi- nución del grosor de la capa de ozono, cambios climáticos como aumento de la temperatura, desorden en la temporada de huracanes en los países del norte de América, inundaciones y sequías por todo el globo terráqueo, son evidencias claras de que los métodos actuales no contribuyen de forma positiva al desarrollo de la sociedad, más se han convertido en una forma fácil de explotar recursos sin conciencia ambiental [2].
Como una solución emergente a estos daños, en el año 2002 fue suscrito en la ciudad de Kioto, Japón un convenio que establecía techos de tiempo para regular las emisiones de seis gases de invernadero por parte de los países industrializados que contribuían con las contaminación. Entre los gases de invernadero considerados se encuentran el dióxido de carbono (C O2 ), metano (C H4 ), óxidos de nitrógeno (N Ox ), Cloro- fluorocarbonos (CFC), etc. Los países implicados son 37 más la unión europea, los mismo que fueron regulados para reducir los niveles de emisión al menos en un 5 % desde el año 2008 hasta el año 2012 que concluye el primer período [3].
Un segundo período de ocho años fue establecido desde el año 2012 hasta año 2020, lastimosamente el compromiso por parte de los países más grandes del mundo, como Estados Unidos, Rusia, China y la Unión Europea, no fue el esperado. Estas son evidencias claras de la intromisión de ciertos intere- ses económicos y políticos en la que es una tarea mundial, con el fin de salvar el medio que entrega una forma de subsistencia para los seres que lo habitan [4].
La energía está definida como la capacidad para producir un trabajo, mientras que la electricidad es una propiedad de la materia expuesta por el efecto de atracción y repulsión de cargas, debido a su polaridad, estas cargas pueden ser electrones (carga negativa) y protones, cargas positiva [5]. Por lo tanto la energía eléctrica es aquella que puede generar un trabajo y que resulta del movimiento de electrones debido a una diferencia de potencial entre dos puntos [6].
I-B. Energías no Renovables
En la actualidad hay muchas métodos de obtención de energía, entre las formas más convencionales están aquellas que provienen de recursos no renovables como la energía termoeléctrica por combustión, la misma que procede de ele- mentos anteriormente procesados del petroleo. Cuando estos compuestos con altos contenidos de metano son combustiona- dos para obtener movimiento en los generadores de energía eléctrica, se expulsan una variedad de gases de invernadero, que no únicamente afectan al medio ambiente, por las razones antes expuestas, sino que los compuestos viajan por medio del aire hasta afectar a los seres inmersos en dicho espacio [7].
Una forma de eficiente de mejorar el uso de este tipo de métodos de obtención de energía, es el aprovechamiento del calor generado por lo gases y vapor de combustión, para calentar reservas de agua contenidas en depósitos colocados de forma que este incremento de temperatura, genere vapor de agua conducido por medio de tuberías hasta una turbina de vapor, que se conecta con un generador y de esta forma mejorando el rendimiento de la máquinas hasta en un 50 % [7].
Existe una infinidad de técnicas que a través del tiempo han evolucionando en métodos que permiten obtener una mayor cantidad de energía, desde el invento de la máquina de vapor de James Watt en 1776, como el primer motor de combustión interna patentado por Nikolaus Otto. El desarrollo de estos dos importantes elementos han permitido en la actualidad el diseño de centrales de combustión avanzadas con un alto nivel de eficiencia y potencia, pero todas estas con un grave problema, el costo de la energía no justifica el daño ambiental [8].
I-C. Energías Renovables
Las energías renovables también conocidas como energías blandas o alternativas son un grupo de fuentes energéticas cuyo función principal es generar potencia eléctrica sin provocar los mismos efectos dañinos contra el medio ambiente. El término renovable también se refiere a la re-utilización de ciertos elementos como sustancias, gases, luz, calor o vapor para la generación de energía a partir de otra fuente no renovable. En la actualidad se han desarrollado muchos formas de estas energías pero sin duda, la procedencia de las mismas se remonta a los primeros intentos por aprovechar luz y el calor radiado por el Sol para convertirlos en electricidad. [9].
I-C1. Energía Solar: La energía solar puede ser usada de dos distintas formas para obtener electricidad; la energía solar fotovoltaica y la energía termosolar de concentración .
Le energía solar fotovoltaica conocida como (SFV) permite convertir la luz radiada en electricidad por medio de una celda fotovoltaica, cuando la luz incide sobre esta placa de material semiconductor, por lo general de silicio mono cristalino, se da el fenómeno foto voltaico, es decir que los fotones de luz inyectan energía sobre los electrones presentes en el material semiconductor, esta energía positiva permite que dichas partí- culas puedan dejar los niveles de energía internos, y de esta forma ionizar los átomos. El movimiento de electrones genera una corriente eléctrica debido a una diferencia de potencial creada por dicho fenómeno. En la figura 1 se puede observar dicho proceso [10].
Figura 1. Efecto Fotovoltaico.
La energía solar fotovoltaica generada, es guardada en baterías para su posterior uso, el nivel de carga de la misma es controlada por un dispositivo conocido como controlador de carga, cuya función es sondear el nivel de carga de la batería, si esta se encuentra cargada, el dispositivo desconecta el flujo de corriente proveniente de las celdas fotovoltaica [11]. Otra función importante es limitar la corriente y proteger de sobrecargas. Este proceso se completa con la conversión de corriente continua a alterna por medio de un inversor, posterior a ello la tensión de salida de estas estaciones es elevada a voltajes de transmisión de media tensión, todo este proceso es controlado y monitoreado en la actualidad por medio de sistemas digitales interconectados [11]. El proceso se puede visualizar en la figura 2:
Por otra parte, la energía Termosolar de concentración
(CSP) consiste en la recolección de radiación calorífica por
Figura 2. Proceso de generación Energía Solar Fotovoltaica.
medio de un colectores parabólicos, los mismos que reflejan la radiación hacia una torre que contiene un fluido térmico que absorbe el calor y genera vapor para mover turbinas y generar energía eléctrica. Dependiendo de la potencia de la central, los elementos puedan cambiar; en el caso del fluido térmico se usa agua desmineralizada cuando la temperatura no debe sobrepasar los 150 °C, aceite sintético para temperaturas entre 230-400 °C, este material requiere de menos presión que el agua desmineralizada debido a su mejor capacidad de compresión. Para aplicaciones de alta potencia se usa sales fundidas, este material resulta tener un costo elevado pero permite manejar temperaturas entre 450-500 °C [12].
Otro aspecto importante de este sistema, son los colectores, su forma parabólica favorece a que la radiación infrarroja se concentre en el foco del colector y de esa forma obtener la mayor potencia posible por unidad de colector. La radiación infrarroja se refleja por un dispositivo de alta reflexión, el reflector, el cual está construido de generalmente de aluminio o láminas de plata. El tubo absorbente está construido a partir de dos cilindros concéntricos con un alto índice de absorción y baja reflexión de modo que el fluido térmico ubicado en el interior del mismo absorba la mayor potencia calorífica posible. El fluido posteriormente calienta agua y genera vapor de modo que un grupo de turbinas en una casa de máquinas genera electricidad [13]. El proceso puede ser sintetizado en la figura 3:
I-C2. Energía Geotérmica: La energía Geotérmica se basa en el calentamiento de un fluido, al igual que en la energía termosolar, mediante el calor del núcleo del planeta. Este sistema de generación es considerado uno de los más limpios y renovables del planeta, debido a que no existe contaminación alguna con elementos externos a las fuentes de calor, y el fluido es devuelto en su totalidad. La energía Geotérmica representa una gran porcentaje de la generación de energía eléctrica en países con alta actividad volcánica, como Indone- sia con una capacidad instalada de 1861 MW, que representa el 16 % de la capacidad total de generación eléctrica, le siguen Nicaragua con 70 MW (11.4 %) y el Salvador con 105 MW
Figura 3. Generación de electricidad por Energía Termosolar.
Figura 4. Proceso de obtención de electricidad por medio de Energía
Geotérmica.
(10.5 %) [14].
El proceso de generación está dado por el aprovechamiento del vapor de agua; las centrales Geotérmica son ubicadas a las orillas de fuentes termales, caso contrario son obtenidas mediante construcción de pozos. El agua caliente es calentada en el pozo por medio del calor emitido por el centro de la Tierra, lo que claramente muestra que dichos pozos deben tener cierta profundidad, lo que provoca que el agua pase a estado gaseoso, este vapor es conducido por medio de tuberías hasta un termo cambiador cuya función es dejar pasar únicamente vapor de agua hasta la turbina, mientras el agua se va condensando. El agua que ha logrado enfriarse lo suficiente se transforma nuevamente a estado líquido y es conducida de regreso al pozo térmico, mientras que el vapor que generó movimiento en la turbina es conducido a un condensador donde es enfriado para se devuelto de igual forma al pozo; de este forma el ciclo se repite sin tener que generar un impacto ambiental por emisión de elementos químicos en el agua, o por la pérdida del fluido [15].
El proceso de generación por medio de energía Geotérmica se puede observar en la figura 4.
I-C3. Energía Eólica: Le energía eólica es aquella que proviene del movimiento del aire como elemento mecánico. Esta es una de las energías con más desarrollo en la actualidad debido a su alta eficiencia en ciertas regiones geográficas. Los países con más desarrollo de esta tecnología son China, Ale- mania, Estados Unidos y España, para este último representa
Figura 5. Aerogenerador.
el 13.2 % de la capacidad de generación del país .
Las masas de aire en movimiento generan grandes flujos de viento en ciertas horas del día, el aire que proviene del mar resulta ser más frío que el aire que se encuentra sobre los continentes, esto hace que el flujo de viento aire caliente sea más liviano y por ende las torres de los parques eólicos deben tener una altura considerable, dependiendo de la ubicación geográfica del mismo.
Las torres eólicas conocidas como aerogeneradores están formados por una hélice construida a base de un material liviano, como la fibra de vidrio, de modo que el flujo de aire puede empujar cada una de las palas. Dependiendo de la disposición del eje de la hélice, estas pueden ser verticales y horizontales. Estas palas están diseñadas para trabajar a una velocidad de unos 3 a 4 metros por segundo. Cuando la hélice gira se produce un movimiento rotatorio en el eje que permite trasladar movimiento hacia un multiplicador de velocidad, cuya función es aumentar la velocidad de de giro de un eje de salida, debido a una relación mecánica entre engranes. Con este aumento de velocidad, el movimiento es trasladado hacia un alternador que se encarga de transformar la energía mecánica en energía eléctrica alterna y conducirla a una estación de transformación para aumentar la tensión y poder conectar el sistema a la red de transmisión [17].
La estructura de un aerogenerador se puede observar en la figura 5.
I-C4. Biomasa: La Biomasa es materia creada a partir de algún proceso fisicoquímico con alta cantidad de carbono que es utilizada para generar energía, según el RAE [18].
La Biomasa en la actualidad esta ganando terreno en el campo de las energías renovables puesto que es una energía que puede ser obtenida de forma masiva. Está compuesta generalmente de carbono, entre el 45 y 50 % del total de materia, además posee un 42 a 50 % de Oxígeno y el restante de Hidrógeno, Nitrógeno y Azufre [19].
Esta materia puede ser obtenida a partir de procesos bioló-gicos en donde su mayor exponente es la digestión Anaerobia, por procesos mecánicos como prensado, producción de pellets, etc. Los métodos que más se practican en este momento son los térmicos en donde resaltan la torrefacción, carbonización, pirólisis y gasificación; y los procesos químicos aplicados a la industria Papelera [19].
Figura 6. Generación de Energía Eléctrica mediante Biomasa.
La Biomasa contiene una gran cantidad de energía debido al Sol, debido al proceso de fotosíntesis, en el cual la materia guarda energía solar a través de los procesos químicos propios. Para generar energía eléctrica es necesario diferenciar dos procesos diferentes. El primero se da partir de la creación de Etanol, el cual es un combustible derivado de una fermentación alcohólica de la Biomasa. Esta técnica unida a la generación de Biogas por medio de fermentación metánica son usadas para generación de electricidad a partir de centrales térmicas [20].
El combustible generado a partir de los dos procesos ante-riores es conducido a una caldera, la cual calienta el agua que se encuentra en un depósito, generando de ella vapor que es conducido por medio de tuberías hasta una turbina de vapor que entrega movimiento al eje de un alternador que genera energía eléctrica, la misma que es transportada a una etapa de transformación para elevar la tensión y poder cargar dicha potencia eléctrica al sistema Interconectado de energía [20], [21].
El proceso de generación puede ser visualizado en la figura 6.
I-D. Smart Cities
El concepto de Smart Cities varía muy a menudo según la región a la que está referida este sistema, pero generalmente se lo traduce como una Ciudad Inteligente o Eficiente en la forma en la que usa su energía, controla los sistemas de transporte y telecomunicaciones, invierto dinero en el desarrollo social y cultural de sus habitantes. Dentro de estos aspectos también se encuentran monitoreo de construcciones y actividades de mantenimiento [22], [23], [24].
Las tecnologías inmersas en este concepto están el Internet como servicio vital y gratuito para todos los ciudadanos, además de realizar construcciones con aprovechamiento de energías renovables como medio de generación auxiliar. Las energías renovables que actualmente se prestan para imple- mentación en las Edificaciones inteligentes son la energía solar por medio de estructuras colocadas en los techas de dichas construcciones, a esto se suman el uso de las energías térmicas como los módulos de calentamiento solar que pueden ser utilizados para el reflejo de las ondas infrarrojas o como tuberías que permitan calentar agua, igualmente colocadas en la parte superior de los edificios [25].
Estos modelos de ciudades se están empezando a im- plementar con el fin de integrar las nuevas tecnologías de comunicación, con la eficiencia y el desarrollo sostenible del mundo actual [26].
Conclusiones
The current research of the renewable energies is centered in the development and improving the efficiency of this technology as an emergent solution to the climate change; existing methods to generate electric energy have a heavy environmental impact due their gas and substances emissions to the air and water. The renewable energies seek to provide new options environment friendly with the same capacity in power than no renewable energies.
Nowadays, solar energies are leading this initiative, their simplicity to implement in diverse places, as their variety of applications make of this energy, the main representative of this group of energy solutions .
Renewable Energies try to exploit different physical phe- nomena from which can obtain energy trough of some transfor- mation procedures, such as Solar Energy with the photovoltaic effect or heating fluid trough infrared radiation, Geothermal Energy using Earth"s Center heat, the Wind Energy which transform the air flow in mechanic force or the energy form Biomass, which is revolutionizing the current methods to obtain Electric energy due to its massive applications for obtain biogas, biofuels or pellets.
In a not distant future, its expected the implementation of smart constructions which can produce own electric energy using very effective renewable methods like a sustainable solution in order to help to climate change.
Referencias
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Autor:
Oswaldo Sebastián Peñaherrera Pulla
Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca.
Ingeniería Electrónica, Analógica II.