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CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA TRANSFORMADORES MICHAEL MENDEZ RAMIREZ 20171005088 NICOLAS ALEJANDRO GONZALEZ MURCIA 20171005019 PROFESOR:PABLO EMILIO ROZO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA 2020-1 1 TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………...4 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………5 ENERGÍAS NO CONVENCIONALES 1. DEFINICIÓN ...………………………………………………………………………………………6 2. CARACTERÍSTICAS ...…………………………………………………………………………….-6 3. CLASES DE ENERGÍAS NO CONVENCIONALES……………………………………………...-7 3.1. ENERGÍA SOLAR ……………………………………………………………………………….8 3.1.1. ENERGÍA FOTOVOLTAICA……………………………………………………………….8 3.1.1.1. TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS…………………………………………..9 3.1.1.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO……………………………………………….9 3.1.1.3. EFICIENCIA……………………………………………...……………………..…._10 3.1.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA……………………………...………………….…………-10 3.1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS COLECTORES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA………..11 3.1.3.1. ACUMULACIÓN DE CALOR E INTERCAMBIO DE CALOR…………………..11 3.2. ENERGÍA EÓLICA……………………………………………………………………………...11 3.2.1. AEROGENERADOR…………………………………………………………………...…-12 3.2.1.1. ¿QUÉ ES?....………………………………………………………………....…...…-12 3.2.1.2. TIPOS DE AEROGENERADOR…………………………...……………....…......._12 3.2.1.3. FUNCIONAMIENTO……………………………………....…………………....…_12 3.2.1.4. POTENCIA DE UN AEROGENERADOR……………....………………………..._13 3.3. ENERGÍA GEOTÉRMICA……………....………………….………………………………….-14 3.3.1. ¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA GEOTÉRMICA?…………………………….…......14 3.3.2. ¿CÓMO SE OBTIENE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA PARA EL CONSUMO?............._15 3.4. ENERGÍA HIDRÁULICA O HIDROELÉCTRICA……………………………………………-16 3.4.1. FUNCIONAMIENTO…………………………………………………………………….._16 3.4.2. TIPOS DE TURBINAS……………………………………………………………………-16 3.4.3. TIPOS DE PRESA…………………………………………………………………………-18 3.4.3.1. PRESAS DE HORMIGÓN…………………………………………………………..18 3.4.3.2. PRESAS DE ELEMENTOS SIN TRABAR………………………………………..-19 3.4.4. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS………………………………………...-20 3.4.4.1. SEGÚN LA UTILIZACIÓN DEL AGUA-..……………………………………...._.20 3.4.4.2. SEGÚN EL DESNIVEL…………………………….……………………………….21 3.5. ENERGÍA UNDIMOTRIZ…………………………….………………………………………...21 3.5.1. ¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ?......................................................-21 3.6. ENERGÍA MAREMOTRIZ………………………………………………….…………………-22 3.6.1. MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA MAREMOTRIZ…………………………-23 3.7. ENERGÍA MAREMOTÉRMICA…………………………………………………………...…_24 3.7.1. ¿CÓMO SE GENERA LA ENERGÍA MAREMOTÉRMICA?…………………………._24 3.8. BIOMASAS…………………………………………………………………………………….-25 3.8.1. TIPOS DE BIOMASAS Y BIOCOMBUSTIBLES………………………………………_25 3.8.2. ¿CÓMO FUNCIONA LA BIOMASA PARA CONSEGUIR ENERGÍA APROVECHABLE?……………………………………………………………………..._26 3.9. BIOGÁS……………………………………………………………………………………….._26 3.9.1. BIODIGESTOR…………………………………………………………………………...-27 4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS……………………………………………………………....….._28 4.1. VENTAJAS……………………………………………………………………………………._28 4.2. DESVENTAJAS………………………………………………………………………………..-29 5. CIBERGRAFÍA………………………………………………………………………………….__30 2 TABLA DE FIGURAS Imagen 1. Célula fotovoltaica…………………………………………………………………8 Imagen 2. Energía solar térmica.……………………………………………………………._10 Imagen 3. Tipos de aerogeneradores.……………………………………………………….._12 Imagen 4. Obtención de energía geotérmica.……………………………………………….._15 Imagen 5.Esquema de generación de energía hidráulica.…………………………………..._16 Imagen 6. Turbina pelton.…………………………………………………………….…….._17 Imagen 7. Turbina francis.…………………………………………………………….……._17 Imagen 8. Turbina kaplan.…………………………………………………………….……._17 Imagen 9. Turbina de hélice.……………………………………………………………….._18 Imagen 10. Presa de gravedad.……………………………………………………………..._18 Imagen 11 Presa de arco.……………………………………………………………….…..._19 Imagen 12. Presa de contrafuertes.…………………………………………………………._19 Imagen 13. Boyas para energía undimotriz.………………………………………………..._22 Imagen 14. Energía maremotriz.………………………………………………………...…._23 Imagen 15. Zonas de interés para la energía maremotérmica.………………………….….._25 Imagen 16. Ciclo de la biomasa.………………………………………………………...…._26 Imagen 17. Ciclo del biogás.……………………………………………………………….._27 Imagen 18. Biodigestor.………………………………………………………………….…_28 3 INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia la especie humana ha tenido que enfrentarse a múltiples adversidades, ya sea para sobrevivir o para simplificar procesos esta se ha visto obligada a buscar formas totalmente nuevas que le permitan sobreponerse a todos estos problemas y a su vez evolucionar como especie. De la mano de esta evolución o progreso hay un término que siempre ha estado asociado, “ENERGÍA”, la obtención y manipulación de esta le ha permitido a los humanos implementar toda clase de soluciones a un sin número de problemas, con esto en mente se ha vuelto una prioridad de primer nivel el poder optimizar los procesos de obtención y uso de esta misma. Como es bien conocido los recursos que han predominado en el proceso de obtención de energía son todos aquellos que tienen como base los combustibles fósiles, haciendo uso de estos la humanidad ha logrado suplir la necesidades básicas además de permitir implementar múltiples herramientas en solución a problemas que se han ido presentado. El uso de combustibles fósiles así como ha traído grandes beneficios también ha generado problemas que conforme pasa el tiempo son más graves y notorios, el principal inconveniente que esta tiene es el daño que genera a los diferentes ecosistemas terrestres debido a los cambios climáticos provocados por la emisión de gases generados en el proceso de tratamiento de estos recursos, otro problema marcado es que así como la gran mayoría de los recursos que se encuentran en el planeta estos son limitados por lo que es de suponer que se requiere buscar alternativas para suplir estos metodos de obtencion de energia, ahi es donde entra el concepto de energías no convencionales. Cuando se habla de energías no convencionales se hace referencia a la energía eléctrica generada de fuentes renovables que por lo general son poco comunes, es decir, fuentes difíciles de captar en la naturaleza para su transformación en energía eléctrica, estas también se conocen como "energías limpias", ya que por lo general no combustionan, no contaminan y no dejan desechos. Todas estas formas están presentes de un modo u otro en la naturaleza, e igualmente todas son compatibles con la preservación del medio ambiente. El hecho de que el procesamiento de estas fuentes de energía sea complicado hace que los costos asociados al proceso de conversión sean elevados. Dentro de la energías no convencionales hay gran variedad de fuentes disponibles, en cada una de estas se han generado varios avances para facilitar su implementación, se han diseñado y fabricado distintos artefactos con el fin de aprovechar al máximo lo que estas fuentes de energía pueden ofrecer, en el caso de la energía solar se tienen la célula fotovoltaica, para la eólica se tiene el uso de los aerogeneradores, para la geotérmica las bombas de calor, en la energía hidráulica se tienen las centrales hidroeléctricas, y así con las múltiples fuentes de energía no convencionales, estos instrumentos serán expuestosa detalle, junto con su funcionamiento en el presente documento. 4 OBJETIVOS ● Conocer de forma detallada las formas de obtención de energía eléctrica a partir de fuentes poco convencionales. ● Identificar las características, ventajas y desventajas de las llamadas energías “no convencionales” frente a las “energías convencionales”. ● Explicar de manera precisa, cada una de las formas de energía no convencional; de qué recurso se obtienen, de qué manera se aprovecha el recurso y de qué manera se transforman en energía eléctrica. ● Asociar las energías no convencionales y su proceso de obtención con lo visto en el curso de transformadores eléctricos. 5 ENERGÍA La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de hacer funcionar las cosas. La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el joule (J), en honor al físico inglés James Prescott Joule. ENERGÍA ELÉCTRICA Cuando dos puntos tienen una diferencia de potencial y se conectan a través de un conductor eléctrico se genera lo que conocemos como energía eléctrica. Definimos energía eléctrica o electricidad como la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos. ENERGÍAS NO CONVENCIONALES 1. DEFINICIÓN La energía no convencional es la energía eléctrica generada de fuentes renovables y/o poco comunes; es decir, fuentes difíciles de captar en la naturaleza para su transformación en energía eléctrica. Su uso es limitado debido todavía a los costos para su producción y su difícil forma para captarlas y transformarlas en energía eléctrica. También se les conoce como "energías limpias", ya que por lo general no combustionan, no contaminan (aunque todas tienen algún impacto en el medio ambiente) y no dejan desechos (excepto la madera). Destacan la energía eólica (viento), paneles solares (sol), energía mareomotriz (olas del mar), energía geotérmica (suelo), biogás y energía de la biomasa. Las energías verdes son energías renovables que no contaminan, es decir, cuyo modo de obtención o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente. Todas estas formas están presentes de un modo u otro en la naturaleza, e igualmente todas son compatibles con la preservación del medio ambiente. El hecho de que el procesamiento de estas fuentes de energía sea complicado hace que los costos asociados al proceso de conversión sean elevados. Sin embargo, la baja emisión de gases contaminantes y el hecho de que en su mayoría se trate de recursos naturales renovables, fomenta el desarrollo de nuevas tecnologías que aumenten su eficiencia; todo en aras de disminuir el uso intensivo de las energías convencionales y, con ello, reducir considerablemente la afectación sobre la naturaleza. Actualmente, están cobrando mayor importancia a causa del agravamiento del efecto invernadero y el consecuente calentamiento global, acompañado por una mayor toma de conciencia a nivel internacional con respecto a dicho problema. Asimismo, economías nacionales que no poseen o agotaron sus fuentes de energía tradicionales (como el petróleo o el gas) y necesitan adquirir esos recursos 6 https://solar-energia.net/electricidad de otras economías, buscan evitar dicha dependencia energética, así como el negativo en su balanza comercial que esta adquisición representa. 2. CARACTERÍSTICAS Las energías no convencionales, también conocidas como energías alternativas o renovables, suelen tener un sofisticado mecanismo de conversión en lo que a la generación de energía eléctrica se refiere.Las características más importantes de las energías no convencionales son las siguientes: ● Las energías no convencionales provienen de recursos naturales renovables; es decir, se trata de fuentes inagotables en el tiempo. Esto impulsa la investigación y el desarrollo sobre nuevas tecnologías que incrementen la eficiencia de los procesos de conversión de energía, y hagan de estos mecanismos y medios masivos de generación a nivel mundial. ● Tienen un impacto ambiental muy reducido. Este tipo de procesos de generación de energía no implica emisión de dióxido de carbono u otro tipo de gases contaminantes al medio ambiente. ● Este tipo de energías suele extraerse de recursos naturales palpables y cotidianos (sol, viento, mareas, suelo, etc). ● Se conocen como energías limpias. Su procesamiento no genera desperdicios difíciles de eliminar, por lo que se trata de un procedimiento “limpio”. 3. CLASES DE ENERGÍAS NO CONVENCIONALES Las energías no convencionales se derivan de recursos provenientes de la naturaleza, destacados por su diversidad y abundancia en el medio de existencia. Dependiendo del tipo de recurso, el proceso de conversión de energía es diferente, ya que amerita la implementación de tecnologías específicas para cada insumo. A continuación los principales tipos de energías no convencionales son: ● Energía solar. ● Energía eólica. ● Energía geotérmica. ● Energía hidráulica o hidroeléctrica. ● Energía mareomotriz. ● Energía undimotriz. ● Energía Maremotérmica ● Biomasas ● Biogás 7 3.1. ENERGÍA SOLAR La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando. Hoy en día, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotoeléctricas, helióstatos o colectores solares, pudiendo transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad. La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. 3.1.1. ENERGÍA FOTOVOLTAICA La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica. Este tipo de energía, a menudo se la denomina directamente energía fotovoltaica. Esta transformación en energía eléctrica se consigue aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores mediante las células fotovoltaicas. El material base para la fabricación de paneles fotovoltaicos suele ser el silicio. Cuando la luz del Sol (fotones) incide en una de las caras de la célula solar genera una corriente eléctrica. Esta electricidad generada se puede aprovechar como fuente de energía. Imagen 1. célula fotovoltaica 8 3.1.1.1. TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir en tres subcategorías: ● Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristalde silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme. ● Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso. ● Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costosas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras. Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y costo. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 22 % mientras que el de las últimas puede no llegar al 10 %, sin embargo su costo y peso es muy inferior. 3.1.1.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Se puede explicar el funcionamiento de las células fotovoltaicas en los siguientes pasos: I. Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio. II. Los electrones, partículas subatómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados. III. Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar. IV. La corriente continua se lleva a un circuito electrónico conversor (inversor) que transforma la corriente continua en corriente alterna, (AC) (tipo de corriente disponible en el suministro eléctrico de cualquier hogar) de 120 o 240 voltios. 9 El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son: ● Radiación de 1000 /mW 2 ● Temperatura de célula de 25 °C Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14% - 20%. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15% - 21% 3.1.1.3. EFICIENCIA La eficiencia de una célula solar (η), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una célula solar está conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega a la celda, irradiancia (E, en ), bajo condiciones /mW 2 estándar (STC) y el área superficial de la célula solar (Ac en ).m2 η = P mE×Ac 3.1.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA La energía solar térmica (o energía termosolar) consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales. 10 Imagen 2. Energía solar térmica. 3.1.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS COLECTORES DE ENERGIA SOLAR TERMICA ● Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C. ● Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300°C. ● Colectores de alta temperatura. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica. 3.1.2.2. ACUMULACIÓN DE CALOR E INTERCAMBIO DE CALOR El almacenamiento de calor permite que las centrales solares termales puedan producir electricidad durante las horas del día sin luz solar o por la noche. Además, la utilización de los acumuladores baja el costo de la electricidad generada con estas centrales solares. El calor es transferido a un medio de almacenamiento termal en un depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la generación de electricidad en la noche. Los medios de almacenamiento termal incluyen vapor presurizado, hormigón, una variedad de materiales con cambio de fase, y sales fundidas tales como calcio, sodio y nitrato de potasio. 3.2. ENERGÍA EÓLICA La energía eólica es la energía que se obtiene del viento. Se trata de un tipo de energía cinética producida por el efecto de las corrientes de aire. Esta energía la podemos convertir en electricidad a través de un generador eléctrico. Es una energía renovable, limpia, que no contamina y que ayuda a reemplazar la energía producida a través de los combustibles fósiles. El mayor productor de energía eólica del mundo es Estados Unidos, seguido de Alemania, China, India y España. En América Latina el mayor productor es Brasil. En España, la energía eólica abasteció de electricidad al equivalente a 12 millones de hogares, esto es un 18% de las 11 necesidades del país (Fuente AEE). 3.2.1. AEROGENERADOR 3.2.1.1. ¿QUÉ ES? Un aerogenerador es un dispositivo que convierte la energía cinética debido al movimiento de las aspas o palas que reaccionan al viento en energía eléctrica. Las palas de este dispositivo giran alrededor de 13 y 20 revoluciones por minuto a una velocidad constante o bien a velocidad variable, donde la velocidad del rotor varía en función de la velocidad del viento para alcanzar una mayor eficiencia 3.2.1.2. TIPOS DE AEROGENERADOR Existen dos tipos de aerogenerador: ● De eje horizontal: este es el que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo, este tipo es muy utilizado por la característica de que se adapta a las potencias requeridas. ● De eje vertical:son aquellos que su eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo, la ventaja de estos es que ocupan menos espacio y se pueden colocar unos muy cerca de otros, además que no necesitan sistema de orientación ya que sus palas captan el viento en cualquier dirección. Imagen 3. tipos de aerogeneradores. 3.2.1.3. FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un aerogenerador de eje horizontal resumido se puede mostrar en estos pasos o etapas: ● Orientación automática: Las hélices del aerogenerador se ubican de manera 12 automática paraaprovechar el viento, esto lo hace a partir de los datos registrados por la veleta. ● Giro de las palas: El viento hace girar las palas, el dispositivo entrega la máxima eficiencia con vientos con velocidades de 11m/s. Con vientos muy fuertes el aerogenerador podrá dañarse o proporcionar tensiones excesivas, por lo que el dispositivo cuenta con un sistema de freno. ● Multiplicación: El rotor hace girar un eje lento conectado a una multiplicadora la cual tiene como función elevar la velocidad de giro de 13 a unas 1500 revoluciones por minuto aproximadamente. ● Generación: La multiplicadora a través de su eje rápido transfiere energía al generador acoplado que produce energía eléctrica.La energía del generador, de 690 voltios, pasa por un transformador para adaptarla al voltaje necesario de la red de distribución, generalmente de entre 20 y 132 kilovoltios. ● Distribución: Luego de haberse realizado todos los pasos anteriores la energía es llevada a la base del aerogenerador y llevadas a las líneas de transmisión. 3.2.1.4. POTENCIA DE UN AEROGENERADOR La energía cinética del aire ( ) depende de la velocidad del aire ( ) y de su densidad ( ). ω v ρ La potencia, en vatios por unidad de superficie, se puede expresar como: ρvω = 2 1 3 Por tanto, la potencia eólica a la que estará expuesta una turbina se determina multiplicando la anterior expresión por el área de barrido de la turbina, que es el círculo que abarcan las aspas. Sin embargo, no toda la potencia del aire puede ser aprovechada por el aerogenerador. El límite de Betz indica que una turbina no puede aprovechar más de un 59.3 % de la energía cinética del viento. El número (0.593) se le conoce como el coeficiente de Betz. En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25 m/s de promedio. La primera es la llamada velocidad de conexión y la segunda la velocidad de corte. Básicamente, el aerogenerador comienza produciendo energía eléctrica cuando la velocidad del viento supera la velocidad de conexión y, a medida que la velocidad del viento aumenta, la potencia generada es mayor, siguiendo la llamada curva de potencia. Las aspas disponen de un sistema de control de forma que su ángulo de ataque varía en función 13 de la velocidad del viento. Esto permite controlar la velocidad de rotación para conseguir una velocidad de rotación fija con distintas condiciones de viento. 3.3. ENERGÍA GEOTÉRMICA La energía geotérmica es un tipo de energía que usa el calor almacenado en el interior de la corteza terrestre. Se trata de una energía renovable e incuantificable. La expresión geotermia proviene del término griego geo, que significa 'tierra', y thermos, que significa 'calor'. En otras palabras, la energía geotérmica es aquella que aprovecha la energía térmica almacenada en el interior de la Tierra en forma de agua caliente, vapor de agua y roca seca caliente. Algunos ejemplos de energía geotérmica disponibles en el ambiente son: los volcanes, los géiseres y las aguas termales. Existen usos directos e indirectos de la energía geotérmica. El uso directo aprovecha el calor inmediat del subsuelo, siempre inferior a 150º C. Abarca la obtención de agua caliente sanitaria (uso en autoclaves y desinfección) y la climatización. El uso indirecto se refiere a la obtención de electricidad, solo posible en yacimientos con más de 150º C. 3.3.1. ¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA GEOTÉRMICA? La radiación del sol deja de afectar el subsuelo a cierta profundidad. A partir de ese punto, la temperatura del suelo se va elevando en la medida en que aumenta esta profundidad. Es decir, mientras más se aproxime al magma terrestre, más caliente estará el subsuelo. En lugares con actividad volcánica o con gran movimiento de placas tectónicas, el calor del magma de la Tierra es más superficial. En esos lugares abundan zonas de roca fundida o roca seca caliente. El calor del magma eleva la temperatura del agua del subsuelo y produce vapor Este proceso genera tres tipos de reservorios o yacimientos geotermales: las fuentes, los acuíferos y los yacimientos secos ● Fuentes termales: se forman cuando el agua o el vapor suben a la superficie y produce fenómenos como los géiseres y las llamadas aguas o fuentes termales. ● Acuíferos de agua caliente: son los depósitos de agua caliente que se mantienen en la corteza terrestre. ● Yacimientos secos: están formados por rocas secas calientes y otros materiales 14 fundidos. 3.3.2. ¿CÓMO SE OBTIENE ENERGÍA GEOTÉRMICA PARA EL CONSUMO? La energía geotérmica directa se puede obtener a través de instalaciones llamadas bombas de calor, las cuales contienen un intercambiador de calor. Estas bombas aprovechan el calor de la corteza terrestre inmediata, y así alimentan la infraestructura de forma directa (casas, edificios o industrias). El uso directo también es posible mediante el tendido de tuberías intercambiadoras. La energía geotérmica indirecta es obtenida en plantas o centrales geotérmicas, las cuales se encargan de transformarla en energía eléctrica. Estas centrales deben estar cerca de los grandes yacimientos. Las centrales geotérmicas tienen dos pozos de producción. Uno es el encargado de obtener el agua caliente y el vapor, y el otro es responsable de reinyectar el agua en el subsuelo, lo que permite renovar el ciclo. En el caso de los yacimientos secos, el agua es inyectada a través de una perforación en la roca seca caliente. Al entrar en contacto con este material, el agua eleva su temperatura y genera vapor. Luego el agua es recuperada. La energía producida hace girar una turbina a miles de revoluciones por minuto. Esta turbina pone en marcha un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica. La energía eléctrica resultante es canalizada a un transformador, encargado de distribuirla para su consumo. 15 Imagen 4. Obtención de energía geotérmica 3.4. ENERGÍA HIDRÁULICA O HIDROELÉCTRICA La energía hidráulica o energía hídrica es una fuente de energía renovable que aprovecha la caída de agua desde una cierta altura para generar energía eléctrica. Se aprovecha así la energía cinética de una corriente o salto de agua natural. Para conseguir aprovechar esa energía se aprovechan los recursos tal y como surgen en la naturaleza (por ejemplo, cataratas, gargantas, etc.) o se construyen presas. Las instalaciones más comunes hoy en día son las centrales hidroeléctricas. 3.4.1. FUNCIONAMIENTO Para esta forma de energía se utiliza un método muy similar al de la eólica, pero aplicado a las corrientes de agua, esto puede ser en flujos de ríos o en flujos artificiales hechos por el hombre, donde el agua fluye desde un depósito en altura través de un túnel hacia fuera del embalse. Se colocan turbinas dentro del flujo de agua que extraen su energía cinética y la convierten en energía mecánica. Esto hace que las turbinas giren a alta velocidad, esta energía mecánica es transferida al generador para ser convertida en energía eléctrica. La cantidad de energía hidráulica generadadepende del flujo de agua y la distancia vertical (conocida como “cota”) desde la cual cae el agua. Imagen 5. Esquema de generación de energía hidráulica. 3.4.2. TIPOS DE TURBINAS ● Turbina Pelton: Es uno de los tipos más eficientes de turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujo transversal, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda (rodete o rotor) que cuenta con cucharas a su alrededor, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas. Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos 16 hidráulicos de bajo caudal. Imagen 6. Turbina pelton. ● Turbina Francis: Se trata de una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Las turbinas Francis son turbinas hidráulicas que se pueden utilizar para un amplio rango de saltos y caudales, son capaces de operar en rangos de desnivel que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Imagen 7. Turbina francis. ● Turbina Kaplan: Es una turbina de agua de reacción de flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice del motor de un barco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos de pequeña altura y grandes caudales. 17 Imagen 8. Turbina Kaplan. ● Turbina de hélice: es una turbina hidráulica con álabes fijos del rotor al contrario a una turbina Kaplan con álabes del rotor ajustables. Consiste de una corona directriz con álabes directrices y un rotor. Dependiendo del flujo se puede realizar la turbina hélice con regulación simple (ajustación de álabes directrices) o doble (ajustación de álabes directrices y de velocidad de giro del rotor). Imagen 9. Turbina Hélice. 3.4.3. TIPOS DE PRESAS Las prensas se clasifican en: 3.4.3.1. PRESAS DE HORMIGÓN hay tres tipos básicos o principales de presas de hormigón que se clasifican por su estructura: ● Presas de gravedad: son estructuras de hormigón de sección triangular; la base es ancha y se va estrechando hacia la parte superior; la cara que da al embalse es prácticamente vertical. La estabilidad de estas presas radica en su propio peso. Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menor mantenimiento. Su altura suele estar limitada por la resistencia del terreno. 18 Imagen 10. Presa de gravedad. ● Presas de bóveda o arco: La curvatura presenta una convexidad dirigida hacia el embalse, con el fin de que la carga se distribuya por toda la presa hacia los extremos. En condiciones favorables, esta estructura necesita menos hormigón que la de gravedad, pero es difícil encontrar emplazamientos donde se puedan construir. Imagen 11. Presa de arco. ● Presas de contrafuertes: Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. Estas presas precisan de un 35 a un 50% del hormigón que necesitaría una de gravedad de tamaño similar aunque a pesar del ahorro de hormigón las presas de contrafuertes no son siempre más económicas que las de gravedad, ya que el costo de las complicadas estructuras para forjar el hormigón y la instalación de refuerzos de acero suele equivaler al ahorro en materiales de construcción. 19 Imagen 12. Presa de contrafuertes 3.4.3.2. PRESAS DE ELEMENTOS SIN TRABAR Las presas de tierra y piedra utilizan materiales naturales con la mínima transformación, aunque la disponibilidad de materiales utilizables en los alrededores condiciona la elección de este tipo de presa. El desarrollo de las excavadoras y otras grandes máquinas ha hecho que este tipo de presas compite en costos con las de hormigón. La escasa estabilidad de estos materiales obliga a que la anchura de la base de este tipo de presas sea de cuatro a siete veces mayor que su altura. La cuantía de filtraciones es inversamente proporcional a la distancia que debe recorrer el agua; por lo tanto, la ancha base debe estar bien asentada sobre un terreno cimentado 3.4.4. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Las centrales pueden clasificarse a grandes rasgos según la utilización del agua o según la altura del salto de agua o desnivel existente: 3.4.4.1. SEGÚN LA UTILIZACIÓN DEL AGUA ● Centrales de agua fluyente: Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas. No cuentan con reserva de agua, por lo que el caudal suministrado oscila según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío. ● Centrales de agua embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas. ● Centrales de regulación: Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan períodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales. Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la 20 producción. ● Centrales de bombeo: Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear. No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible. 3.4.4.2. SEGÚN EL DESNIVEL ● Centrales de alta presión: Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina. Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan turbinas Pelton y Francis. ● Centrales de media presión: Poseen saltos hidráulicos de entre 200 - 20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200 m3/s por turbina. En valles de media montaña, dependen de embalses. Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes. ● Centrales de baja presión: Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300 m3/s. Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan. 3.5. ENERGÍA UNDIMOTRIZ La energía undimotriz es la energía de las olas, a diferencia de la maremotriz que utiliza la subida y bajada de las mareas.Las olas se generan por el efecto del viento sobre la superficie de los mares y los océanos y, si somos capaces de aprovecharlas, podemos convertirlas en una energía libre de emisiones de .OC 2 3.5.1.¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ? En efecto, puesto que el oleaje es una consecuencia del rozamiento del aire sobre la superficie del mar, aunque este resulta muy irregular, su aprovechamiento para la obtención de energía bien merece la pena, qué duda cabe. 21 Precisamente por ello, se han creado distintas máquinas, como la instalación de turbinas en el fondo del mar unidas a boyas, por otra parte la más común. Las boyas transmiten el movimiento de las olas hasta las turbinas, generando electricidad. Básicamente, las olas acceden a una cámara de aire, elevando el nivel de agua comprimiendo el aire del interior que, finalmente, será expulsado por una apertura superior, accionando una turbina o, lo que es lo mismo, se produce energía eléctrica. Otro sistema, el conocido como "serpientes marinas" robóticas, -Anaconda (un proyecto de Checkmate Seaenergy) ó Pelamis- han sido así bautizadas en honor a su forma. Consiste en la instalación de unas máquinas flotantes que obtienen energía del movimiento de sus distintas partes articuladas. Aunque hay instalaciones que funcionan con éxito, algunas están en fase experimental y, tanto éstas como las comerciales, todavía son escasas. Como ocurre con otros tipos de energías del mar (potencia osmótica, maremotérmica, energía de las corrientes o mareomotriz), también la energía de las olas está todavía en estudio y mejora. Sobre todo, teniendo en cuenta la enorme fuente de energía limpia y renovable que pueden ofrecernos el mar, un recurso igualmente inagotable. Imagen 13.Boyas para energía undimotriz. 3.6. ENERGÍA MAREMOTRIZ La energía mareomotriz es aquella energía que aprovecha el ascenso y descenso del agua del mar producido por la acción gravitatoria del sol y la luna para generar electricidad de forma limpia. Se trata, por tanto, de una fuente de energía renovable e inagotable que utiliza la energía 22 de las mareas producida en nuestros océanos. Una central mareomotriz se basa en el almacenamiento de agua en un embalse formado al construir un dique con unas compuertas que permiten la entrada de agua o caudal para la generación eléctrica. El sistema es sencillo y sigue el mismo principio que los antiguos molinos de mareas: cuando la marea sube, se abren las compuertas y se deja pasar el agua hasta que llega a su máximo nivel. A continuación, se cierra el dique para retenerla y se espera a que el mar vaya bajando al otro lado, lo que produce un gran desnivel. Esta altura es aprovechada para hacer pasar el agua por las turbinas y generar electricidad. Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), sólo en aquellos puntos de la costa en los que la mar alta y la baja difieren más de cinco metros de altura es rentable instalar una central de estas características. Imagen 14.Energía maremotriz. 3.6.1. MÉTODOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA MAREOMOTRIZ ● Generador de la corriente de marea: los generadores de corriente de marea (TSG) hacen uso de la energía cinética del agua en movimiento a las turbinas de la energía, de manera similar al viento (aire en movimiento) que utilizan las turbinas eólicas. Este método está ganando popularidad debido a costos más bajos. ● Presas de marea: hacen uso de la energía potencial que existe en la diferencia de altura (o pérdida de carga) entre las mareas altas y bajas. Las presas son esencialmente los diques en todo el ancho de un estuario, y sufren los altos costes de la infraestructura civil, la escasez mundial de sitios viables. ● Energía mareomotriz dinámica: es una tecnología de generación teórica que explota la interacción entre las energías cinética y potencial en las corrientes de marea. Se propone 23 que las presas muy largas ( 30 a 50 nbsp;km de longitud) se construyan desde las costas hacia afuera en mar o el océano, sin encerrar un área. Se introducen por la presa diferencias de fase de mareas, lo que lleva a un diferencial de nivel de agua importante (por lo menos 2.3 metros) en aguas marinas ribereñas poco profundas con corrientes de mareas que oscilan paralelas a la costa, como el Reino Unido, China y Corea del Sur. 3.7. ENERGÍA MAREMOTÉRMICA La conversión de la energía maremotérmica es un método de producción que depende de la diferencia entre la temperatura del mar en la superficie y la temperatura debajo de la superficie. Para que este tipo de energía sea viable la diferencia debe ser de al menos 20ºC y la profundidad del agua no puede ser mayor a los 100 metros. El lugar donde existe mayor diferencia en la temperatura del mar, y por lo tanto, la mejor zona para la energía maremotérmica es el mar que se ubica cerca del Ecuador. 3.7.1. ¿CÓMO SE GENERA LA ENERGÍA MAREMOTÉRMICA? El agua caliente del mar se utiliza para calentar y vaporizar un líquido que normalmente se encuentra en un punto de ebullición bajo, a medida que el líquido se calienta genera vapor, el cual mueve una turbina y genera energía. Por último, el agua fría del mar se utiliza para que el vapor vuelva a su estado líquido. Es una forma de trabajo parecida a la que se utiliza para la energía geotérmica. En la práctica, la diferencia de temperatura requerida para que la operación resulte económica es de alrededor de 20°C. Para lograr la diferencia de temperatura deseada, se deben buscar regiones geográficas de la superficie del océano calentadas por el sol en donde la temperatura promedio sea de 25°C a 30°C, ya que la temperatura es de aproximadamente 5°C a un nivel de 600 a 900 metros de profundidad. En las zonas situadas entre los trópicos, la variación de la temperatura del mar en función de la profundidad permite distinguir tres capas: ● La superficial, de 100 a 200 metros de espesor, actúa como colector de calor, con temperaturas entre 25 y 30 grados. ● La intermedia, entre los 200 y 400 m. de profundidad, con variación rápida de temperatura y que actúa como barrera térmica entre capas superior y profunda. ● La profunda, en la que la temperatura disminuye suavemente hasta alcanzar 4°C a 24 https://grupostriatum.wpengine.com/2009/07/24/energia-geotermica/ 1000 metros y 2°C a 5000 metros. Por lo tanto, en los mares tropicales existe una diferencia de temperatura, entre la superficie y una profundidad de 1000 metros, del orden de 20°C que podría aprovecharse para accionar una máquina térmica. Tales regiones sólo existen en las latitudes cercanas al Ecuador, localizándose las regiones con diferencias más grandes de temperatura en la parte occidental del Océano Pacífico; también son satisfactorias las regiones al este y al oeste de Centroamérica y algunas áreas alejadas de la costa del sur de los Estados Unidos y al oriente de Florida. Imagen 15 zonas de interés para la Energía maremotérmica. 3.8. BIOMASAS La biomasa es una energía renovable a base de materia orgánica que, si bien hace unos añosaún no era del todo conocida, ya está consolidada como una de las opciones que manejan los consumidores a la hora de generar calor. Su alta eficiencia energética, dosis de ahorro y sostenibilidad ambiental permiten que sea una opción viable para muchos casos. 3.8.1.TIPOS DE BIOMASA Y BIOCOMBUSTIBLES La biomasa puede ser de origen natural, residual o producida. La biomasa natural se produce en la naturaleza sin intervención humana. La residual proviene de los restos que generan diversas actividades de las personas, mientras que la biomasa producida hace referencia a cultivos 25 energéticos o excedentes agrícolas. Los principales combustibles obtenidos a partir de la biomasa son leñas, astillas, pellets, huesos de aceituna y cáscaras de frutos. 3.8.2. ¿CÓMO FUNCIONA LA BIOMASA PARA CONSEGUIR ENERGÍA APROVECHABLE? Hay dos métodos principales para convertir la biomasa en energía aprovechable: ● El primero es el calor para generar energía a través de la combustión, pirólisis, gasificación y co-combustión. ● Para lo segundo se utilizan diferentes microorganismos que degradan las moléculas en procesos como la fermentación alcohólica y metánica. De esta forma, a partir de materia orgánica se generan biocombustibles secundarios con distintas aplicaciones. La biomasa gana terreno y lo hace, entre otras cosas, porque se puede emplear como fuente alternativa de energía limpia. A ello hay que sumar otros aspectos como la subida del precio del petróleo, el crecimiento de la producción agrícola, el cambio climático, el aumento de la preparación técnica y el conocimiento científico en la investigación de renovables y aterrizar en un escenario económico propicio para la explotación de plantas de biomasa. Imagen 16 ciclo de la biomasa 26 3.9. BIOGÁS El biogás es un gas que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de materia orgánica, mediante la acción de microorganismos(bacterias metanogénicas,etc.), y otros factores, en ausencia de oxígeno(esto es, en un ambiente anaeróbico). El producto resultante es una mezcla constituida por metano(CH4) en una proporción que oscila entre un 40% a un 70% y dióxido de carbono(CO2), conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno(H2), nitrógeno(N2), oxígeno(O2) y sulfuro de hidrógeno(H2S). La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado útil para tratar residuos biodegradables ya que produce un combustible de valor además de generar un efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o abono genérico. Este gas se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o plantas generadoras a gas, o para generar calor en hornos, estufas, secadores, calderas u otros sistemas de combustión a gas, debidamente adaptadas para tal efecto. Imagen 17 ciclo del biogás. 3.9.1. BIODIGESTOR Los biodigestores permiten la descomposición anaeróbica de la materia orgánica (sin contacto con el aire). En otras palabras, la falta de oxígeno favorece algunas bacterias que descomponen la materia (basura) y libera biogás, el cual está mayormente compuesto por metano el cual es inflamable y puede se utilizado como combustible para la calefacción o para la cocina, o también ser refinado más puro en biometano. 27 El biometano puede ser reinsertado en la grilla de gas natural o utilizado como combustible para vehículos Los motores Diesel son una buena alternativa para el aprovechamiento del biodigestor ya que permiten una mezcla como combustible (hasta de un 80% de biogás y 20% de gasoil o diesel), este motor no requiere de modificaciones para este uso. El digestor también genera un subproducto líquido, que sirve como excelente fertilizante orgánico o sólido, que se utiliza para enriquecer la tierra. Por otro lado, también se puede generar biodiesel reutilizando el aceite vegetal de las cocinas o de restaurantes, sobretodo los de comida rápida ya que son los que más aceite utilizan y desechan, pero ya es un proceso más complejo. Sin embargo es para tener en mente distintos ejemplos de cómo reutilizar simples desechos del día a día. Imagen 18 biodigestor. 4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 4.1. VENTAJAS Las ventajas más representativas de las energías no convencionales son las siguientes: ● El hecho de que se trate de energías limpias favorece considerablemente a la conservación del medio ambiente, ya que las energías no convencionales son libres de agentes contaminantes. ● Ya que provienen de fuentes renovables, su continuidad está garantizada en el tiempo. Esto limita las guerras por combustibles fósiles a nivel mundial. ● Impulsan la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías en aras de la eficiencia 28 en los procesos de generación. ● Desarrollan la economía del área en la cual se implementan. Esta industria emergente promueve nuevas fuentes de empleo e impulsa el autoabastecimiento de sectores geográficos apartados de los grandes centros urbanos. 4.2. DESVENTAJAS Las desventajas más importantes en la implementación de este tipo de energías se detallan a continuación: ● En el caso de los aerogeneradores o los paneles solares, estos pueden inducir contaminación visual y/o sónica, por daños en los paisajes naturales. ● Requieren de una inversión inicial cuantiosa, debido a la implementación de infraestructuras novedosas y tecnologías de punta. ● Su rendimiento es considerablemente menor con respecto a las energías convencionales. ● El costo de producción, almacenamiento y transporte es superior en comparación con las energías convencionales. ● Muchas de las fuentes de energía no convencional están sujetas a cambios climáticos. La continuidad del suministro puede verse afectada por la ocurrencia de fenómenos naturales u otras contingencias impredecibles. 29 5. CIBERGRAFÍA ● https://www.energyavm.es/energia-eolica-definicion-como-funciona-y-ventajas/ ● https://www.asorenovables.com/energia-solar/#:~:text=La%20energ%C3%ADa% 20solar%20es%20una,tecnolog%C3%ADas%20que%20han%20ido%20evolucio nando. ● https://www.significados.com/energia-geotermica/ ● https://masqueingenieria.com/blog/tipos-de-presas-y-su-clasificacion/ ● https://www.ecologiaverde.com/que-es-la-energia-undimotriz-372.html ● https://gstriatum.com/2013/02/18/que-es-la-energia-maremotermica/ ● https://www.caloryfrio.com/energias-renovables/biomasa/que-es-la-biomasa-y-com o-funciona.html 30 https://www.energyavm.es/energia-eolica-definicion-como-funciona-y-ventajas/ https://www.asorenovables.com/energia-solar/#:~:text=La%20energ%C3%ADa%20solar%20es%20una,tecnolog%C3%ADas%20que%20han%20ido%20evolucionando. https://www.asorenovables.com/energia-solar/#:~:text=La%20energ%C3%ADa%20solar%20es%20una,tecnolog%C3%ADas%20que%20han%20ido%20evolucionando. https://www.asorenovables.com/energia-solar/#:~:text=La%20energ%C3%ADa%20solar%20es%20una,tecnolog%C3%ADas%20que%20han%20ido%20evolucionando. https://www.significados.com/energia-geotermica/ https://masqueingenieria.com/blog/tipos-de-presas-y-su-clasificacion/ https://www.ecologiaverde.com/que-es-la-energia-undimotriz-372.html https://gstriatum.com/2013/02/18/que-es-la-energia-maremotermica/https://www.caloryfrio.com/energias-renovables/biomasa/que-es-la-biomasa-y-como-funciona.html https://www.caloryfrio.com/energias-renovables/biomasa/que-es-la-biomasa-y-como-funciona.html
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