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24 apa LLAA EEVVOOLLUUCCIIÓÓNN DDEE LLAASS FFUUEENNTTEESS DDEE EENNEERRGGÍÍAA:: DDEELL CCOONNVVEENNCCIIOONNAALL AALL SSUURRGGIIMMIIEENNTTOO DDEE LLAASS EENNEERRGGÍÍAASS RREENNOOVVAABBLLEESS planeta Tierra cambió. El hombre cambió, evolucionó. Pero, todo progreso tiene su precio: hoy, la humanidad posee una demanda energética enorme y los escenarios de crecimiento demuestran que un colapso no estaría muy lejos. Allá de toda problemática ya existente que implica las matrices actuales energéticas, las energías renovables poseen el atractivo de desarrollo limpio, con reducida (o ninguna) emisión directa de carbono para la atmósfera. En tiempos de discusiones sobre calentamiento global, ellas se han señaladas no sólo como la evolución de las fuentes de energía, sino también una necesidad del mundo moderno. El Desarrollo de la Humanidad necesita cada vez más Energía... Con la Revolución Industrial, el hombre pasó a preocuparse en como conseguir la energía. Éste fue la primera grande alteración mundial de la matriz energética, pero aún sin ninguna preocupación con el medio ambiente. Estas fuentes de energía, conocidas hoy como convencionales, son caracterizadas por bajo costo, grande impacto ambiental y (hoy) la tecnología propagada. Carbón El primer combustible usado en grande escala fue el carbón, por lo menos hasta la segunda grande guerra. Junto con el surgimiento de la energía nuclear, el carbón asumió condición de fuente subsidiaria de la energía. Pero, la disponibilidad de grandes depósitos del carbón mineral, la facilidad relativa del carbón vegetal y su bajo costo todavía confieren a este combustible un papel relevante en la economía actual, en especial para las economías en desarrollo. CC El 25 En Brasil, debido a las condiciones climáticas desfavorables, los depósitos poseen un carbón de la calidad no tan buena. La mayoría está situada en la región sur, siendo que solamente el carbón producido en Santa Catarina puede hacer coqueificación. Mismo así, en los cocientes mínimos - menos de 20% - tiene de ser mezclado al carbón importado. Ya el carbón vegetal se produce básicamente para atender las siderúrgicas, a partir de eucalipto. Para esto, los productores necesitan de plantaciones inmensas, que provocan impactos ambientales desfavorables, puesto que no llegan a constituir un ecosistema y expulsan las especies de animales. La producción del carbón vegetal casera, hecha por métodos primitivos, aunque poca representativa del punto de vista económico, provoca deforestación y la contaminación ambiental. Parte de esta producción es destinada a consumición doméstica, en restaurantes con horno a leña y parrillas. Petróleo: Oro Negro Con el descubrimiento y la invención de combustibles derivados del petróleo, ocurrió el desarrollo de los motores a la explosión. Esto abrió grandes perspectivas en términos de velocidad y potencia. Petróleo: de entrada del óleo “crudo” a los productos diversos. Físicamente, petróleo es una mezcla compuesta de diferentes puntos de ebullición. Los intervalos de temperatura y la composición de cada fracción varían con el tipo de petróleo. Siendo encontrado en estados sólido, líquido y gaseoso – siendo el líquido, y estos últimos años, el gaseoso merecidamente tiene lo derecho al uso del nombre y el reconocimiento como grande bienhechor de la humanidad – ha ganado importancia en el mundo moderno cuando substituyó el óleo de ballena en la iluminación pública de las ciudades europeas. La invención del coche llevó él a condición de más importante fuente de energía de sociedad moderna. Al largo de la historia, también produjeron guerras incontables, invasiones territoriales, conflictos, golpes de Estados, revoluciones, divisiones políticas. Oriente Medio, EE.UU. y los territorios de la vieja Unión Soviética son grandes productores - y los dos últimos son igualmente consumidores. Allá del petróleo convencional, disponible en campos que se pueden explorar por “simples” perforación de pozos, tiene otros tipos que dependen de estudios, investigaciones y desarrollo tecnológico que se utilizarán. Por ejemplo, el petróleo extra- pesado del cinturón de Orinoco (Venezuela), arenas de alquitrán de Athabasca (Oeste de Canadá), y los depósitos de petróleo helado y viscoso (Declive Norte de Alaska). Óleo de arcilla xistosa también es un recurso potencial, aunque aún no se puede considerar petróleo verdadero; es una piedra rica sedimentaria en substancias orgánicas, que posee un proceso casi tres veces más costoso de qué la exploración de pozos comunes. Consumo Final y Demanda de Energía El consumo final se asocia la energía que pone en movimiento los sectores económicos de un país. La demanda energética es cuánto “requiere” o utiliza cada uno de estos sectores en un período determinado. Así siendo, se relaciona próximamente con el desarrollo de un país, junto con las alteraciones de sus matrices de energía. Acompañando la evolución de los sectores diversos de la economía, así como el uso, disponibilidad y la busca por reservas de energía, si puede deducir las proyecciones por los años próximos. Políticas externas e tratados, como el Protocolo de Quioto, tienen importancia cuánto a algunas de estas proyecciones; la búsqueda para las “energías limpias”, una reducción posible en las emisiones del carbón, procediendo básicamente de los combustibles fósiles, entre otros, podían cambiar determinados escenarios. Pero, países en vía de desarrollo tienen diversas necesidades de aquellos considerados desarrollados. 28 Características físicas y químicas del óleo crudo, junto con localización y extensión de depósitos, son factores principales para la determinación de su valor como materia prima. Como ninguna de sus características físicas o químicas permite detectarlo con certeza de la superficie, la prospección científica llegó a ser importante en el comienzo del siglo XX, cuando los geólogos habían comenzado a mapear las características terrestres que indicaban locales favorables a la perforación. Reveladores eran los afloramientos que indicaron la presencia de rocas sedimentares porosas y impermeables. La roca porosa (piedra arenisca caliza o dolomitas) sirve de depósito para el petróleo, que en ella puede migrar, bajo una diferencia de presión, a través de intersticios y de grietas, hasta el punto de escape, es decir, hasta el pozo perforado. Solamente en enero de 1939 que la existencia de petróleo en nuestra tierra brasileña ha sido revelada. Perforado en Lobato - BA, por entonces Departamento Nacional de Producción Mineral, un órgano del gobierno federal. En octubre de 1953 se instituyó el monopolio estatal para la investigación, minería, refinamiento, transporte e importación de óleo en Brasil, por Petrobrás (Petróleo Brasileño S.A.), debajo de la orientación y fis- calización del Consejo Nacional de Petróleo. En las décadas siguientes, la exploración se fue para el Recôncavo Baiano, Cuenca de Sergipe/Alagoas, Cuencas sedimentares de Amazonas y de Paraná. Con los avances tecnológicos, Petrobrás alcanzó resultados buenos en descubrimientos del gas natural en la región del río Juruá, en alto Amazonas. Las plataformas continentales también tuvieron éxito, con descubierta de óleo en la costa de Sergipe (campo de Guaricema). Todavía, fue la crisis del petróleo empezada en 1973, que hizo posible la prospección en áreas antes consideradas pocas económicas. En la década de 1970, ha sido intensificada la exploración de cuencas sumergidas. La identificación del petróleo en la cuenca de Campos, litoral de Rio de Janeiro, dobló las reservas brasileñas. Más de veinte campos de pequeño y medio tamaño fueran encontrados más adelante en la costa de Rio Grande do Norte, Ceará, Bahia, Alagoas y Sergipe. Al principio de los años 80, Brasilera, después de los Estados Unidos, el país que más perforaba en el mar, pero, en el final del siglo, aún necesitaba importar casi la mitad del petróleo que consumía. Estructura de consumo de combustibles derivados de petróleo en Brasil, según BEN 2007 (año base 2006). En año de 2006, Petrobrás anunció la autosuficiencia brasileña en petróleo. La ex- pansión del sector se debe a las nuevas descubiertas y a las plataformas que habían iniciado la producción a partir de 2003, que están permitiendo en sólo dos años, aumentar su producción en 400 mil barriles/día, pasando de 1,5 millones en 2004 para 1,91 millones en 2006. Navio-plataforma P-34, da Petrobrás: exemplo do desen- volvimento tecnológico brasileiro na exportação do pe- tróleo. Generación de Energía Eléctrica: Hidroeléctrica es la niña de los ojos de la matriz energética brasileña Especialmente cuando se habla de ma- triz energética brasileña, no si puede dejar de referirse la energía hidroeléctrica. El país, que posee relevo e hidrografía parcamente propicios para este fine, tiene su consumo resi- dencial basado casi que en su totalidad en esta fuente. Segura, económica y de captación relativamente simples, tiene como revés principal el factor climático; períodos largos de estiaje pueden complicar su abastecimiento. La dependencia brasileña se percibe claramente cuando verificamos los datos de ofertas de la energía interna divulgados por el Ministerio de Minas y de Energía (MME), que muestra que casi 75% vienen de las centrais hidroeléctricas. Esto fue sentida “en la piel” por 29 la gente brasileña, que en su historia reciente sufrió una restricción de energía. Según especialistas, el mismo no tuve como factor determinativo los estiajes de años anteriores y sí un planeamiento considerado inadecuado. Independiente de su causa, el “apagón” al principio de este siglo podrá se repetir, de acuerdo con proyecciones de algunos investigadores, hasta 2011; el gobierno brasileño, por medio de MME, refuta cualquier posibilidad. La cuestión es que a corto plazo, no existiría una solución inmediata para la actual dependencia de energía hidroeléctrica de Brasil, por lo menos no con un coste compatible. Oferta interna de energía eléctrica “Brasil x Mundo”, según BEN 2007 (año base 2006). Mismo siendo una fuente de energía renovable y considerada limpia, en especial por no emitir carbono (teóricamente), causa impacto ambiental cuando en la inundación del área de presa. Hay hipótesis de emisión de carbono por la materia orgánica en descomposición y de la captura del mismo por el agua, allá del “aprisionamiento” de este carbono en el fundo de los embalses. También es necesario considerar el im- pacto social. Sólo en Brasil, existen más de 500 presas hidroeléctricas. Algunos estudios demuestran los impactos que la construcción de grandes presas hidroeléctricas causa a las comunidades nativas de las áreas inundadas por el embalse y su entorno, principalmente sobre la salude y la cualidad de vida de estas poblaciones. Según algunos de estos, la construcción de presas puede facilitar el desarrollo y la difusión de enfermedades debido a cambios bruscos en lo ecosistema. Para prevenir el problema de la pérdida de biodiversidad existente, el Consejo Nacional del Medio Ambiente (CONAMA) publicó una resolución tornando obligatoria una remuneración ecológica. Los empresarios que construyen y operan presas deben gastar por lo menos 0,5% del valor de proyecto en la compra de otros bosques para instalar e man- tener una estación ecológica u otra unidad de conservación allí. Es una regulación única del mundo. Su vigencia también fue ampliada para cualquier proyecto de grande porte, por ejemplo, carreteras que vengan a remover bosques y otras formas de vegetación natural que tenga importancia. Área inundada en la hidroeléctrica de Balbina – Brasil. ¿E Cuanto a la Energía Nuclear? La energía nuclear proporciona: (1) la desintegración radioactiva, pro- ceso según lo cual un núcleo se convierte espontáneamente en el núcleo de otro isótopo o elemento; (2) la fisión nuclear, por la cual un nú- cleo pesado si se divide en dos otros y libera la energía en ellos contenida; (3) la fusión nuclear, según la cual dos núcleos atómicos leves, sometidos a temperaturas muy altas, reaccionan para formar un único núcleo, de un peso más grande. El primer reactor nuclear fue construido en la universidad de Chicago, bajo supervisión del físico italiano Enrique Fermi. El equipo produjo una reacción en cadena en 2 de diciembre de 1942. Inmediatamente después 28 de segunda guerra mundial, científicos y ingenieros de varios otros países habían emprendido investigaciones destinadas a desarrollar los reactores nucleares para la producción energética en una escala grande. En 1956, el Reino Unido inauguró en Calder Hall la primera central nuclear totalmente comercial. Un año más tarde, entró en funcionamiento la primera planta americana de este tipo. El número de grandes centrales nucleares aumentó rápidamente en muchos países industrializados hasta el final de la década de 1970. Después de esto, tuve una reducción significativa en el ritmo del uso de la energía nuclear para los fines comerciales, por razones diversas: la demanda de la energía eléctrica estaba muy abajo de lo que se esperaba; el coste de la construcción de los nuevas plantas nucleares era alto; la opinión pública ejercía presión contra la construcción de usinas, principalmente después de los accidentes catastróficos ocurridos en la planta de Three Mile Island, en los Estados Unidos, y en Tchernóbil, Ucrania, entonces parte de la Unión Soviética. Sin embargo, Francia, Japón, Corea del Sur y Tailandia, que disponen de pocas alternativas energéticas, continuaran a usar la energía nuclear Todos los reactores nucleares producen energía a partir de la reacción de fisión, pero los científicos creen que la fusión nuclear controlada puede originar una fuente de energía alternativa relativamente barata de generación de la electricidad, qué ayudaría a conservar el abastecimiento del combustible fóseles del planeta, en rápido agotamiento. Más allá de valiosa fuente de energía eléctrica para el uso comercial, los reactores nucleares también sirven para impulsar algunos tipos de navíos militares, submarinos y de ciertas naves espaciales no-tripuladas. Otro uso importante de los reactores es la producción radiactiva del isótopo, ampliamente utilizada en la investigación científica, la terapéutica y la industria. Los isótopos son creados por el bombardeo de sustancias no-radiactivas con los neutrones liberados durante la fisión. El calor liberado por fisiones también se quita del núcleo del reactor por una sus- tancia refrigerante, que puede ser líquida o ga- seosa. Los refrigerantes deben tener buenas propiedades de transferencia de calor, así como tener mala propiedad para absorber neutrones. Tanto la agua leve (común) cuanto pesada se utilizan como refrigerantes, lo que ocurre también con los metales líquidos (sodio, por ejemplo), helio y varias otras sustancias. A medida que la reacción en cadena continúa, los productos de la fisión se acumulan en núcleo del reactor. La mayoría de estos fragmentos es altamente radiactiva y emite rayos gamma y neutrones. Para proteger los operadores de la planta y a la gente cerca de radiación de estos fragmentos, y de la radiación causada directamente por el proceso de fisión, el reactor es rodeado por paredes y un piso de concreto suficientemente grueso, que constituyen la estructura de contención. Cuánto a las basuras, estas son sustancias radioactivas peligrosas que permanecen por millares de años y, por lo tanto, deben ser eliminados o ser almacenados de forma permanente. Todavía aún no fue descubierto, un método práctico y seguro del tratamiento de estos residuos. Mientras sucede a todaactividad humana, la producción de energía nuclear no puede ser considerada absolutamente libre de riesgos. Las medidas de prevención tienen como objetivo, por lo tanto, para reducir al mínimo al riesgo de accidentes. Tchernóbil, el mayor desastre nuclear de la historia. El “Surgimiento” de las Renovables A demanda por energia aumentou, assim como o apelo pela busca daquelas que não estejam diretamente relacionadas com a emissão de carbono na atmosfera. Para solu- cionar ou minimizar esses problemas, surgiram diversas fontes para a geração de energia elé- trica ou mesmo para uso como combustível. 29 Participación de las fuentes en oferta interna de energía “Brasil x Mundo”, según BEN 2007 (año base 2006). Energía Solar El aprovechamiento de la energía generada por el Sol es hoy, sin duda ninguna, una de las alternativas energéticas prometedoras de este milenio. Y cuando se habla en energía, debe ser recordado que el Sol es responsable por el origen de prácticamente todas las otras fuentes. No sería ninguna al afirmar que las fuentes de energía son, en última instancia, derivadas del Sol. Dentro del Sol, la masa es directamente convertida en energía por el proceso de fusión nuclear, donde las masas pequeñas generan enormes cuantidades de energía. Este potencial, ilustrado por E = mc2, donde E es la cantidad de energía creada, m es la masa de materia destruida y c é a velocidad de la luz. Así, el Sol produce una cantidad masiva de 3,94 x 1023 kW todo día, alcanzando temperaturas de 5.700 ºC. Esta energía es irradiada y lleva aproximadamente 8 minutos para cubrir sus 129 millones de km de jornada hasta nos alcanzar aquí en la Tierra; pero, gracias a atmósfera, parte de esa energía es absorbida y difundida. El Sol proviene anualmente, para la at- mósfera terrestre, 1,5 x 1018 kWh de energía, lo que corresponde a 10.000 veces al consumo mundial de energía en este período. Esto hecho viene indicar que, más allá de ser responsable por el mantenimiento de la vida en la Tierra, la radiación solar consiste en una fuente energética inagotable, teniendo un enorme potencial del uso por medio de sistemas de captación y conversión en otra forma de energía (térmica, eléctrica, etc.). De toda la radiación solar que llega en las capas superiores de la atmósfera, sólo una fracción alcanza la superficie terrestre, debido a la reflexión y a la absorción de los rayos solares por la atmósfera. Esta fracción que alcanza la tierra es constituida por un componente directo y un componente difuso (ese sufre un cierto tipo de dispersión). Notadamente, si la superficie de recepción está inclinada con respecto a la línea horizontal, tendrá un tercero componente reflejado para el ambiente del entorno (tierra, vegetación, obstáculos, suelos rocosos etc.). El coeficiente de la reflexión de estas superficies es llamado de Albedo Debido al cambio entre días y noches, estaciones de año y los períodos de nubosidad, los recursos energéticos solares presentan grande variabilidad, induciendo, como el caso, al uso común con otros sistemas. El principio básico consiste entonces en capturar esta luz, sea a través de las células fotovoltaicas o concentradoras, de acuerdo con su uso. Termo Solar Circuitos térmicos solares utilizan los rayos de sol para calentar líquidos o mismo sólidos, que son usados en sistemas de transferencia de calor para generar el vapor; esto alimenta un generador. Los materiales calientes pueden ser usados para funcionar una máquina directamente, y es lo principio básico de funcionamiento de la energía termo-solar. Los colectores como éstos típicamente calientan fluidos (agua o aire, por ejemplo) a temperaturas que varían de 150 a 200 F (66 a 93 ºC). La eficacia de tales colectores varía de 20 a 80%. Cuando se requieren temperaturas más altas, se utiliza un colector concentrador. Estos colectores reflejan y concentran luz solar de una grande área. Podemos demostrar, como ejemplo de este dispositivo, uno que fue instalado en los Pireneus, Francia, y tiene varios acres de espejos focalizados en un único punto. La energía que se concentra en el punto es 3.000 veces más grandes que cualquier espejo del sistema, y la unidad produce temperaturas de hasta 3.630 F (2.000 ºC). Otra estructura, llamada "Power Tower" cerca de Barstow, Califórnia, genera 10.000 kW de electricidad. Aquí, el horno actúa como una caldera y produce vapor para una turbina- eléctrica a vapor. 30 En colectores concentradores sofistica- dos, como esto instalado en California, cada espejo es girado por un helióstato que dirige los rayos del Sol de espejo para el punto de concentración. Motores de posicionamiento, y sus controladores hacen de tales sistemas costosos. Los colectores menos costosos producen temperaturas abajo de estos, pero aún más altas que aquellos conocidos como Flat-Plate. Por ejemplo, reflectores parabólicos que si concentran la luz solar en pipas oscuras puede producir temperaturas fluidas de cerca de 400 hasta 550 F (200 hasta 290 ºC) y pueden concentrar la energía solar en hasta 50 veces su fuerza original. Importante mencionar que también existe el uso de la energía termo- solar a través de colectores planos. Concentrador solar Power Tower, en Califórnia, EE.UU. Fotoeléctrica Tenidas antes como enredo de películas de ficción científica, el uso de células de energía fotovoltaica ha sido inicialmente medio de alimentación de los satélites americanos. Hoy, la forma más trivial de esta energía es encontrada en relojes y calculadoras solares. Estas células, láminas finas pequeñas recubiertas por una capa de décimos de milímetros de un material semiconductor, como silicio, consiguen hacer la conversión de luz en electricidad. Cuando están expuestas a una fuente de luz (en el caso, Sol), los fotones (partículas de luz) excitan los electrones del semiconductor. Con la energía absorbida de los fotones, los electrones pasan para la banda de conducción del átomo y crean una corriente eléctrica. Las células se agrupan más adelante para formar los paneles solares. Esta forma de producir energía no causa daños al medio ambiente, no hace contaminación y normalmente no necesita de movimientos de máquinas para funcionar. Sin embargo, aún no posee status de “solución” para los problemas de energía del mundo. Sigue siendo una energía costosa, comparada con aquella venida de petróleo, plantas nucleares o hidroeléctricas. Una vez más, fue la primera grande crisis del petróleo que ha traído a tona la idea de se usar esta energía comercialmente. En aquel momento, el coste de la producción de energía fotovoltaica en Estados Unidos era de US$ 60,00 kW/hora. Con el desarrollo en laboratorios y el aumento de la producción, el precio hoy es cerca de US$ 0,30 kW/hora, y mismo así esto precio es cinco veces más alto qué aquellas formas de energía convencionales. Ésta es una de las razones por las cuales no se piensa en sustituir por plantas con paneles solares, haciendo todo el mundo vivir a través de la luz Solar. La energía fotovoltaica presenta de manera simples soluciones mejores para problemas que otras fuentes de energía habían sido menos eficientes para resolver. Panel de células fotovoltaicas. En principio de los años 80, la materia prima de las células fotovoltaicas, el silicio monocristalino que es muy costoso, tenía grado de eficacia de 10%. En la fabricación en escala industrial, este índice creció para 15%. Silicio monocristalino es un cristal perfecto, con sus elementos organizados de manera ordenada, como los apartamentos de un edificio. Es muy 31 costoso porque es necesaria mucha energía para producirlo. Existe también silicio policristalino, más barato, porque consume menos energía en su producción, donde los granos son mayores y más desorganizados, como si en lugar de un edificio tuviera un montón de casas traslapadas.El policristalino gana en factor costo, pero él pierde en eficiencia: el rendimiento máximo obtenido es alrededor de 14%. La idea que mueve los estudios y usos de energía fotovoltaica no es sustituir toda la fuente de energía del mundo para Solar. Pero, los investigadores con los ojos en el futuro delimitan grandes usinas fotovoltaicas instaladas en regiones desérticas con grande insolación. El almacenaje de la electricidad producida si daría por la producción de hidrógeno por electrólisis - hidrógeno que podría convertirse en el siglo próximo en combustible principal a ser usado por el hombre. A corto plazo, la energía fotovoltaica tiene la ventaja de ser autónoma. Se produce y se consume en el mismo lugar, sin necesidad de ligarse a redes de distribución de energía. Una residencia que usa paneles solares podría hasta vender el exceso de energía que produje. Brasil hace uso de energía fotovoltaica desde 1978, cuando la compañía Telebrás importó la tecnología solar para electrificar una de sus estaciones retransmisoras en interior de Goiás. En este mismo tiempo, Marina de Guerra de Brasil también adoptó el sistema para electrificación de sus señalizadores y boyas. A partir de 1980, con la creación de Heliodinámica, el Brasil no sólo inició la producción de células solares y paneles, así como comenzó a exportar las células a países como India, Canadá, Alemania y EE.UU. Uno de los proyectos pioneros de Heliodinámica fue la creación de un sistema fotovoltaico para bombear agua, establecido en Caicó, Rio Grande do Norte, en 1981. Los agricultores de una finca situada en interior empezaran a disponer de agua para la plantación. A pesar de lentamente, el sistema ha llegado a otros lugares de la región Nordeste y hasta mismo a Isla de Marajó, donde allá de irrigar la tierra, abastece bebedores de agua para el consumo ganadero. En el Pantanal Matogrossense, muchas fincas están equipadas con células solares. Sólo que en estos lugares alimentan sistemas de radiocomunicación, refrigeración, iluminación, televisiones y la recepción de señales vía satélite para las antenas parabólicas. Es una opción mucho más barata en largo plazo de que hacer llegar hasta allí la red eléctrica, o mismo proveer energía utilizando generador a diesel. Pero la inversión inicial para la implantación de los paneles sigue siendo más grande del que aquella exigida para la energía convencional, lo qué limita su uso en proyectos auspiciados por el gobierno o a particulares que tiene una renda más elevada. Aunque todo el país tiene un clima propicio al uso de la energía fotovoltaica, la región Nordeste es aquella que mejor si adapta su uso, por tener mucho brillo del Sol y deficiencia de la energía instalada. El uso más importante, pero, es proveer energía en los lugares aislados, distantes de las redes eléctricas, qué en largo plazo puede significar una solución para los países subdesarrollados. Los factores vitales que afectan las características eléctricas en un panel son intensidad luminosa y temperatura de células. La corriente generada en los módulos aumenta de manera linear con la crecida de intensidad luminosa. Pero, el aumento de temperatura en la célula hace con que la eficacia del módulo baje reduciendo así los puntos de operación en la potencia máxima creada. Energía Eólica En el Occidente, los más viejos registros del uso de dispositivos eólicos fechan de 1100, consistiendo de máquinas de eje de rotación horizontal. Por muchos siglos, estos dispositivos fueran usados como fuentes de energía mecánica, usado para bombear agua y en molinos de granos. De siglos XI al XIX, las energías eólica e hidráulica eran las únicas fuentes de energía mecánica, siendo que solamente durante el siglo XIX habían sido substituidas gradualmente por máquinas a vapor y por motores de combustión. Aunque algunos arquetipos de generadores eólicos de electricidad ya existían desde la década de 1950, fueran las crisis del petróleo de 1973 y 1978 que habían llevado a la creación de programas de subsidio y de investigación de conversión eólico-eléctrica en algunos países. El renacimiento de la energía eólica ocurrió en Dinamarca en 1980, cuando varias compañías pequeñas, fabricantes de máquinas agrícolas, desarrollaran la primera generación de turbinas eólicas para el uso comercial. La energía consumida por el propietario directamente no fue proveída para la red, comprada por un precio firme. EE.UU. también había iniciado una inserción fuerte de la energía eólica alrededor de 1980, pero por 34 razones político-económicas dejaran de invertir en nuevas instalaciones al largo de esta década, volviendo a tomar su crecimiento solamente en el final de la década de 1990. Alemania, actualmente es el que tiene la más grande de capacidad instalada, no presentó expresivas inversiones en el sector hasta el año de 1991. Con la creación de leyes de incentivo de este recurso de la energía, entonces asumió la dirección mundial en la generación de energía eólico-eléctrica. España tuve crecimiento rápido a partir de 1998 y hoy figura como el país con la segunda capacidad instalada más grande del mundo, excediendo los EE.UU. Otros países que presentan elevadas tasas de crecimiento son Reino Unido, India y China. Como principios básicos, tenemos que el movimiento del aire atmosférico es primariamente generado por los gradientes de presión existentes en la atmósfera. Sin embargo, la dirección, la velocidad y las aceleraciones del movimiento son determina- das por un equilibrio de fuerzas: - fuerzas de gradientes de presión; - gravedad; - fuerzas de rozamiento; - fuerza de Coriolis (oriunda de la rotación de la Tierra). Imagen de una finca eólica. Otros factores influencian los movi- mientos de aire, como la compresibilidad, intercambios de energía con la superficie, energía provenida de cambios de fase del vapor d agua, entre otros. Así, el modelaje matemática de los movimientos atmosféricos es realizado por un conjunto de ecuaciones, que utilizan la conservación de momento, de masa (ecuación de continuidad) y energía termodinámica, así como parametrizaciones que determinan condiciones de contorno, forzantes y balances entre la atmósfera y sus fronteras. A denominación “viento” es normalmente se utiliza para los movimientos horizontales de las parcelas de aire. En altos niveles el viento puede ser razonablemente bien representado por las aproximaciones geostrófica y de viento gradiente, donde ignorase el rozamiento y supone que el viento es decurrente solamente del equilibrio entre las fuerzas de gradientes de presión y la fuerza de Coriolis. Así, dado un campo de presión, puede fácilmente estimar de forma aproximada las direcciones de las corrientes de aire y las velocidades del viento. En lenguaje técnica de energía eólica, el viento de altos niveles es denominado como “viento geostrófico”. Desde 1980 las turbinas eólicas expe- rimentaran un crecimiento rápido en tamaño y potencia de generación. Las primeras turbinas dinamarquesas tenían diámetros de 10 hasta 15 metros y capacidades de generación de 30 hasta 55 kW. Actualmente, las turbinas comerciales poseen capacidad de 2,5 MW y diámetros de 80 metros. Durante las décadas pasadas, más allá de la cuestión del tamaño y de la energía, algunos aspectos habían sido tomados en cuenta en la evolución tecnológica de los aerogeradores: - rotores de 2 o 3 palas; - velocidad de rotación constante o variable; - control por stall o por pitch; - generador de inducción (asíncrono) o síncrono; - con o sin caja de reducciones; - palas de madera, metal o fibra de vidrio; - conexión directa a la red o conversión AC- DC-AC; - actuadores hidráulicos o eléctricos. Crecimiento de tamaño y capacidad de los generadores eólicos. 35 Cada uno de estos aspectos, y la reunión de cada uno de estas opciones en conjunto quecompone una turbina, influencian directamente en su funcionamiento y el uso, llevando a diferentes respuestas del sistema de generación en relación a la velocidad del viento disponible. En el control de velocidad por stall las palas están fijadas al rotor, y la velocidad de rotación es limitada sólo por el despegamiento aerodinámico del aire en las palas para velocidades altas (turbinas de este tipo poseen una parte móvil en la extremidad de las palas – tip spoiler - para frenarlas cuando son necesarias). En el control de velocidad por pitch las palas pueden cambiar su ángulo de ataque con relación al viento, de manera a evitar velocidades extremas de rotación y para un beneficio aerodinámico mejor. Los generadores asincrónicos producen una frecuencia de tensión fija, para una cierta faja de velocidades de rotación. Los generadores síncronos poseen su frecuencia sincronizada con la velocidad de rotación y, para producirse en una única frecuencia, tendrían que girar en una misma velocidad. Las turbinas eólicas son instaladas en alturas cada vez más grandes, ya alcanzando 100 m. Como ejemplo, los 75 aerogeradores del complejo eólico de Osório, litoral norte de Río Grande do Sul, cada uno con 2 MW, palas de 35 m de largo (70 m de diámetro) y peso de 100 ton, son apoyados por torres de concreto de 98 m de altura y pesan 810 ton. Las fundaciones de las torres poseen de 20 hasta 30 m de hondura, consumiendo 600 m cúbicos de concreto y 60 ton de hierro. (Este parque es el mayor de Latinoamérica). Otros estados, como Ceará, también poseen parques eólicos en operación. También hay Turbinas Off-shore, instalaciones en el agua, donde el rozamiento existente en la superficie es menor, llevando a mayores velocidades en pocas alturas. Es un área en grande avance tecnológico (Alemania, Dinamarca y Reino Unido). Levantamiento de Recursos Muchas fases preceden a la instalación de un generador, finca eólica o mismo la implantación de colectores solares. Antes de cualquier cosa, hace necesario levantar cuales son las regiones que mejor vendría soportar las instalaciones de generación, es decir, las regiones con disponibilidad del viento y cantidad sostenible de radiación solar para estos fines. En esta etapa, son de gran importancia los atlas eólicos y solares La medida de la radiación solar, tanto el componente directo como el componente difuso en la superficie terrestre es de gran importancia para los estudios de la influencia de las condiciones climáticas y atmosféricas. Con un histórico de estas medidas, pueden ser viables las instalaciones de los sistemas térmicos y fotovoltaicos en una región determinada que garantiza la explotación máxima a través al largo del año donde, las variaciones de intensidad de radiación solar sufren alteraciones significativas. Según las normas preestablecidas por OMM (Organización Mundial de Meteorología) son establecidos límites de precisión para 4 tipos de instrumentos: de referencia o estándar, instrumentos de primero, segunda y tercera clase. Las mediciones estándares son: radiación global y difusa en plan horizontal y radiación directa normal. Los instrumentos que se utilizan para estas medidas son los piranómetros (miden la radiación global), piroheliómetros (miden la radiación directa), heliógrafos (registran la duración del brillo solar), actinógrafos (miden la radiación global), entre otros. Por otra parte, los modelos también se pueden utilizar para la creación de Atlas del potencial radiométrico De una manera similar, llevando en cuenta aspectos de relevo, vegetación, existencia de construcciones y mismo la experiencia técnica, las fincas pequeñas son los locales elegidos que podrán tener estaciones de medida de viento. Con base de estas medidas, en los datos de relevo y de los modelos locales, puede ser establecido los puntos donde el viento alcanza condiciones excelentes en esa área, bien como si puede verificar la variabilidad del viento al largo de días y año. Entonces se sigue, conduciendo la estimación del potencial de generación de la energía, calculándose la viabilidad y época de retorno del proyecto. Sólo entonces, el proyecto de las turbinas específicas para el local se inicia. Se tomados en cuenta aspectos económicos, logísticos (existencia de redes de transmisión), de la seguridad (ocurrencia de condiciones meteorológicas severas) etc. El proyecto comprende no sólo las turbinas propiamente dichas, pero también las fundaciones, torre, dispositivos del control etc. Después de la instalación del sitio es necesario disponer de pronósticos de tiempo a corto plazo, buscando la operación de la finca eólica con eficacia y seguridad máximas, así como para proveer a la agencia de operación 34 del sistema eléctrico información sobre la cantidad de energía que estará disponible en las próximas horas o los días, teniendo como objetivo un planeamiento mejor Los pronósticos de largo plazo (climático) permiten prever de antemano la escasez de recursos eólicos, a través de determinación previa de relaciones entre viento y variables climáticas. Así, puede ser dicho que el modelaje del viento para el sector eólico posee dos abordajes bastante distintos: modelaje para la estimación del potencial eólico y los pronósticos del viento. ¿E los Usos de estos Sistemas? Los usos se relacionan con sus clasificaciones. Sistemas aislados utilizan generalmente una cierta forma de almacenamiento de energía. Este almacenaje se puede hacer a través de baterías, cuando si desea utilizar los equipos eléctricos, o se almacena bajo la forma de energía gravitacional cuando el agua para los tanques en sistemas de abastecimiento se bombea. Algunos sistemas aislados no necesitan almacenaje, la cuál es el caso de la irrigación donde toda el agua bombeada se consume directamente o almacenadas en depósitos. En los sistemas que necesitan el almacenaje de la energía en baterías, un dispositivo se utiliza para controlar la carga y la descarga en la batería. Los sistemas híbridos son los que se separan de la red convencional, y presentan varias fuentes de generación de la energía. Por ejemplo, turbinas eólicas, generación diesel, módulos fotovoltaicos entre otras. El uso de algunas formas de generación de la energía eléctrica llega a ser complejo en la necesidad de optimización del uso de las energías. Un control de todas las fuentes es necesario de modo que tenga eficacia máxima en la entrega de la energía para el usuario. Los sistemas híbridos se utilizan generalmente para los sistemas de porte medio a grande atendiendo un número más grande de usuarios. Por trabajar con cargas de corriente continua, el sistema híbrido también presenta un inversor. Debido a la gran complejidad de arreglos y la multiplicidad de opciones, la forma de optimización del sistema es necesario un estudio particular para cada caso. Ya los sistemas Interconectado a la Red, utilizan una gran cantidad de paneles fotovoltaicos, y no utilizan almacenamiento de energía; toda la generación es entrega directamente en la red. Este sistema representa una fuente complementaria al sistema eléctrico de gran porte que está conectado. Todo el arreglo está conectado en inversores y luego conectado directamente en la red. Estos inversores deben satisfacer los requisitos de calidad y seguridad para no afectar la red. Estas son aquellas más conocidas y utilizadas actualmente, que habían aparecido cuando no tenía la preocupación con el medio ambiente, y ni la tecnología para recoger la energía de fuentes alternativas. Esquema de interconexión de redes. Todos hablan en Protocolo de Quioto... ¿Pero usted sabe lo que él realmente propone? El Protocolo de Quioto es consecuencia de una serie de eventos, iniciados con la Toronto Conference on the Changing Atmosphere, en Canadá (octubre de 1988). Después, el IPCC's First Assessment Report em Sundsvall,Suecia (agosto de 1990), y culminó con Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático (UNFCCC) en la ECO-92 en Rio de Janeiro, Brasil (junio de 1992). También consolidan diversas secciones de UNFCCC. Este tratado internacional tiene obligaciones más rígidas para reducción de emisión de gases que influyen en el efecto invernadero y en el calentamiento global. Fue negociado en Quioto (Japón en 1997), siendo abierto para firmas en 16 de marzo de 1998 y ratificado en 15 de marzo de 1999. Oficialmente, entró en vigor en 16 de febrero de 2005, después que Rusia lo ratificó en Noviembre de 2004. Los países desarrollados tienen la obligación de reducir la cantidad de gases contaminantes en, por lo menos, 5,2% hasta 2012, con referencia a los niveles de 1990. Los países signatarios tendrán que poner en práctica los planos para reducir las emisiones entre 2008 y 2012. 35 Biocombustibles Éstos son los combustibles que utilizan como materia prima elementos renovables para la naturaleza, como caña de azúcar, usada para la fabricación del alcohol, y de otras biomasas, como mamona y maíz. Mezclado al Diesel “común”, se convierten en un combustible bien menos contaminador, pudiendo sustituir parte de lo que sería emitida por combustibles fósiles o el carbón mineral. Bio-Óleo Bio-óleo es un líquido negro obtenido por medio del proceso de pirolisis, donde la biomasa es sometida a temperaturas altas en un ambiente aislado con poco o nada de oxígeno. Es utilizado principalmente como combustible para calefacción y la generación de energía eléctrica. Biogás Biogás es un tipo de mezcla gaseosa de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) producida en medio anaeróbico por acción de bacterias en la descomposición de sustancias orgánicas, que son fermentadas con determinados límites de temperatura, contenido de humedad y de acidez. El metano, componente principal de biogás, no tiene olores, color o sabor, pero los otros gases presentes confieren un olor torpe rápido a él. Biomasa para Líquido Tratase de un líquido obtenido en dos etapas. Primero un proceso de gasificación es realizado, cuyo producto es sometido al pro- ceso de Fischer-Tropsch. Puede ser empleado en la composición de lubrificantes y combustibles líquidos para el uso en los motores del ciclo diesel. Bioetanol Común Bioetanol es la clase que comprende todos los procesos de obtención de etanol cuya materia-prima usada es la biomasa. Se produce em Brasil a base de zumo extraído de caña de azúcar. Hay países que emplean maíz, celulosa y remolacha para su producción. El uso de etanol tiene ventaje sobre el metanol (cuando este alcohol se consigue de los derivados de petróleo) por ser menos contaminante. Etanol Celulósico Etanol Celulósico es el etanol obtenido a partir de un elemento específico de biomasa, la celulosa. Tiene dos procesos principales para producirlo. En un de ellos la celulosa es sometida al proceso de hidrólisis enzimático, utilizando una enzima llamada celulase. El otro proceso, que se utiliza con menos frecuencia, es compuesto por la sucesiva ejecución des tres fases siguientes: gasificación, fermentación y destilación. Biodiésel Biodiésel es un combustible que tiene como materias-primas etanol (en vez de metanol) y un aceite cualquier de origen vegetal (mamona, dende y soya) o animal (como sebo). Él es usado en sustitutos total o parcial del diesel de petróleo (petrodiésel). Biodiésel es predominantemente pro- ducido a través de una reacción química llamada transesterificación de triglicerídeos (aceites o grasas vegetales o animales) con alcohol de cadena corta (metanol o etanol), teniendo glicerina y el jabón como subproductos. La reacción de transesterificación es catalizada por ácido o base, dependiendo de las características del aceite y/o grasas usadas. También puede ser producido de cualquier fuente de ácidos grasos, allá de aceites y grasas vegetal o animal. Los residuos grasos también aparecen como materias primas para producción de combustible. En esta dirección, se pueden citar los aceites de frituras, lodo del refinamiento, sustancia grasa de las alcantarillas, aceites o grasas vegetal o animal sin especificación, ácidos grasos etc. Mire que biodiesel no es lo mismo que el aceite vegetal bruto: es un combustible producido con un proceso químico que quita glicerina, dañosa al motor, del aceite vegetal. Se utilizan notaciones abreviadas definidas como BX, donde X es el porcentaje por volumen de biodiésel en la mezcla. Así: B5, B20 y B100 son notaciones donde el combustible tiene concentraciones de 5%, 20% y 100% biodiésel (puro) 36 Fueran citados: Amarante, O. A. C. do, Brower, M., Zack, J., Sá, A. L. de. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Ministério de Minas e Energia, Eletrobrás. Brasília, 2001. BEN 2007, ano base 2006 – Ministério de Minas e Energia: Disponível em www.mme.gov.br; Energia Eólica (explicações sobre geradores assíncronos e síncronos). Acesso on-line: http://www.unificado.com.br/fisica/energia_eolica. htm, 27 de agosto de 2006. Gasch, R., Twele, J. (Eds.), Wind Power Plants: Fundamentals, Design, Construction and Operation. Solarpraxis AG, Alemanha, 390p., 2002. Geller, Howard S. Revolução energética: políticas para um futuro sustentável. Rio de Janeiro, 2003. Goldemberg, J. Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento, 2. ed. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2003. GWEC – Global Wind Energy Council, Global Wind 2005 Report, 50p., 2006. Holton, J. An Introduction to Dynamic Meteorology, Third Edition. Academic Press, San Diego, 511 p., 1992. International Energy Outlook 2006 - US Energy Information Administration: Disponível em http://www.eia.doe.gov/ Para Conocer Más: Agência Nacional de Energia Elétrica: www.aneel.gov.br Empresa de Pesquisa Energética: www.epe.gov.br Energias Alternativas: http://www.geocities.com/capecanaveral/5534/ind ex.htm Meio Ambiente no Brasil – Paulo Nogueira Neto: http://www.mre.gov.br/cdbrasil/itamaraty/web/po rt/meioamb/sitamb/enhidro/apresent.htm Organização Greenpeace: www.greenpeace.org.br Petrobrás: www.petrobras.com.br Programa Nacional de Biodiesel: www.biodiesel.gov.br Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia: www.inpa.gov.br
