Explorando las Energías Renovables: Del Océano al Sol

Este documento aborda diversas fuentes de energía renovable, centrándose en las energías marinas y la energía fotovoltaica. Se explican sus principios, componentes clave, ventajas, desventajas y aplicaciones.

Energías Marinas: El Potencial Energético del Océano

Tipos de Energías Marinas y su Funcionamiento

A continuación, se describen las principales formas de producir energía a partir del mar:

• Energía Mareomotriz: Aprovecha la diferencia de nivel del agua del mar entre la pleamar y la bajamar, influenciada por la gravedad lunar y solar, para generar electricidad mediante turbinas.
• Energía de Corrientes Marinas: Se obtiene al aprovechar la energía cinética inherente al movimiento constante de las corrientes oceánicas, utilizando turbinas submarinas similares a las eólicas.
• Energía Undimotriz (Olas): Proviene de la energía mecánica generada por el movimiento ascendente y descendente de las olas del mar, que se transforma en energía eléctrica a través de diversos dispositivos.
• Energía de Salinidad (Osmótica): Se genera a partir de la diferencia en la concentración de sal entre el agua de mar y el agua dulce (generalmente de río). Este proceso, conocido como ósmosis inversa o directa, permite producir electricidad, resultando en agua salobre como subproducto.
• Energía de Gradiente Térmico Oceánico (OTEC): Utiliza la diferencia de temperatura entre las aguas profundas y frías (aproximadamente 5°C) y las aguas superficiales y cálidas (aproximadamente 25°C) para accionar una máquina térmica (ciclo Rankine) y producir electricidad.

Componentes Fundamentales de la Energía Mareomotriz

Los elementos esenciales para el aprovechamiento de la energía mareomotriz incluyen:

• La acción gravitacional del Sol y la Luna, que provoca el ascenso y descenso de las mareas.
• La turbina y el generador eléctrico, encargados de transformar la energía del agua en electricidad.
• Una altura mínima de las mareas (generalmente 5 metros o más) para que el sistema sea viable.
• La presa de marea o barrera, que retiene el agua para crear el diferencial de altura necesario.

Elementos Clave para la Energía de las Corrientes Oceánicas

Para la explotación de la energía de las corrientes marinas, se consideran fundamentales:

• Las corrientes marinas con velocidad y caudal suficientes.
• La velocidad del agua, que determina la cantidad de energía cinética disponible.
• Los generadores o turbinas submarinas, diseñados para operar eficientemente en este entorno.

Tipos de Generadores para la Energía de Corrientes Marinas

Existen diferentes configuraciones de generadores para aprovechar las corrientes marinas:

• Rotores de flujo axial: Situados en la misma dirección del flujo de la corriente, similares a las turbinas eólicas horizontales.
• Rotores de eje vertical: Reciben el flujo transversalmente, lo que les permite captar energía desde cualquier dirección de la corriente.
• Alerones basculantes (hidroalas): Aprovechan la diferencia de presión generada por el movimiento del agua sobre láminas o perfiles hidrodinámicos para crear un movimiento ascendente y descendente en los alerones, que luego se convierte en energía.

Equipos para el Aprovechamiento de la Energía de las Olas (Undimotriz)

Algunos de los equipos más utilizados para convertir la energía de las olas en electricidad son:

• Pelamis: Es un dispositivo flotante y articulado que aprovecha el movimiento de las olas. Al «cabalgar» sobre ellas, sus secciones activan pistones hidráulicos que bombean fluido, generando electricidad que se transmite por cables submarinos al lecho oceánico.
• Boyas: Dispositivos flotantes que suben y bajan con las olas, utilizando este movimiento para accionar un generador.
• OWC (Oscillating Water Column): Estructuras fijas o flotantes que capturan el aire comprimido por el movimiento de las olas dentro de una cámara, el cual luego impulsa una turbina.
• The Oyster: Un dispositivo articulado anclado al fondo marino que se balancea con las olas, bombeando agua a alta presión a una turbina en tierra.

Tipos de Turbinas Utilizadas en Centrales Mareomotrices

En las centrales mareomotrices, una de las turbinas más comunes es:

• Turbina de bulbo: Una turbina de tipo Kaplan encapsulada en un bulbo sumergido, ideal para grandes caudales y bajas alturas de caída.

Restricciones de la Energía Mareomotriz

La energía mareomotriz no puede implementarse en todos los lugares del mundo debido a un requisito fundamental:

• Se necesita una diferencia mínima de al menos 5 metros entre la marea alta (pleamar) y la marea baja (bajamar) para que la generación de energía sea económicamente viable y eficiente.

Ejemplo de Ubicación para Energía Mareomotriz

Un lugar donde se puede generar energía mareomotriz es:

• Liverpool, en el Reino Unido (aunque la central de La Rance en Francia es un ejemplo histórico y de gran escala).

Energía Fotovoltaica: El Poder del Sol

Componentes Fundamentales de una Instalación Fotovoltaica

Una instalación fotovoltaica típica se compone de los siguientes elementos esenciales:

• Panel solar (o módulo fotovoltaico): Capta la radiación solar y la convierte en electricidad de corriente continua.
• Regulador de carga: Protege las baterías de sobrecargas y descargas excesivas, y optimiza el flujo de energía.
• Baterías: Almacenan la energía eléctrica generada para su uso posterior, especialmente durante la noche o días nublados.
• Inversor: Transforma la corriente continua (CC) generada por los paneles y almacenada en las baterías en corriente alterna (CA), apta para el consumo doméstico o la inyección a la red.
• Contador bidireccional: Mide tanto la energía consumida de la red como la energía inyectada a la red por el sistema fotovoltaico.

Función de las Baterías en una Instalación Fotovoltaica

Las baterías cumplen varias funciones críticas en un sistema fotovoltaico:

• Almacenar energía: Permiten guardar el excedente de energía generada durante las horas de sol para utilizarla cuando la producción es baja o nula.
• Proporcionar energía instantánea elevada: Suministran la potencia necesaria para picos de consumo.
• Fijar la tensión de trabajo: Ayudan a mantener una tensión estable en la instalación, asegurando el correcto funcionamiento de los equipos.

Generación Fotovoltaica en Ecuador

En Ecuador, la generación anual a través de energía fotovoltaica se estima en:

• 26.000 GWh (Gigavatios-hora).

Tipos de Paneles Solares Existentes

Los paneles solares se clasifican principalmente en los siguientes tipos:

• Monocristalinos: Fabricados a partir de un único cristal de silicio, ofrecen alta eficiencia y un color uniforme (negro).
• Policristalinos: Compuestos por múltiples cristales de silicio, son ligeramente menos eficientes que los monocristalinos pero más económicos y con un tono azulado.
• Amorfos (o de capa fina): Utilizan una capa delgada de material semiconductor, son flexibles y funcionan mejor en condiciones de baja luminosidad, aunque con menor eficiencia.

Función del Regulador en una Instalación Fotovoltaica

El regulador de carga es un componente vital en una instalación fotovoltaica. Es el dispositivo que conecta el panel solar con los elementos de consumo eléctrico y las baterías. Su función principal es:

• Proteger el sistema: Evita sobrecargas y descargas profundas de las baterías, prolongando su vida útil.
• Regular la tensión: Fija la tensión de trabajo de la instalación, asegurando que los equipos reciban la energía adecuada.

Ventajas y Desventajas de las Energías Marinas y Fotovoltaicas

Desventajas de la Energía Fotovoltaica

• Costo inicial elevado: La inversión inicial para un sistema de paneles solares puede ser considerable, dependiendo de factores como la ubicación, la radiación solar disponible, el nivel de consumo y los hábitos familiares.
• Intermitencia: Aunque el sol es una fuente constante, la cantidad de radiación solar captada en un punto específico es variable. Factores como la nubosidad o la lluvia pueden reducir significativamente su efectividad.
• Almacenamiento costoso: Si bien existen bancos de baterías para almacenar la energía solar en aplicaciones residenciales, su costo sigue siendo elevado, lo que limita su adopción masiva.
• Uso de materiales específicos: Algunos tipos de paneles solares requieren materiales que pueden ser menos abundantes o más complejos de extraer, como el telurio de cadmio o el selenio, galio, indio y cobre (CIGS).
• Requerimiento de espacio: La densidad energética solar (watts por metro cuadrado) varía geográficamente. En algunas ubicaciones, se necesita una mayor superficie de paneles para generar la misma cantidad de energía, lo que puede ser un desafío en zonas urbanas densas.

Ventajas de la Energía Fotovoltaica

• Fuente renovable e inagotable: La energía solar es una fuente inagotable a escala humana, disponible por miles de millones de años.
• Abundancia global: La Tierra recibe aproximadamente 120.000 terawatts de radiación solar, una cantidad que supera en más de 20.000 veces la demanda energética mundial actual.
• Bajo impacto ambiental: La generación de energía solar no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni otros contaminantes durante su operación.
• Disponibilidad global: La energía solar puede ser aprovechada en prácticamente cualquier lugar del mundo, incluso en regiones con menor insolación o cercanas a los polos.
• Reducción de costos eléctricos: Los sistemas fotovoltaicos pueden disminuir significativamente la factura eléctrica. Con medidores bidireccionales, los usuarios pueden incluso inyectar el excedente de energía a la red, generando créditos o compensaciones.

Ventajas de las Energías Marinas

1. Fuente renovable y predecible: Las energías marinas, como la mareomotriz, son renovables y, en muchos casos, predecibles debido a la influencia gravitacional de la Luna y el Sol.
2. Tecnología en desarrollo y disponible: Aunque algunas tecnologías están en fases iniciales, otras ya son operativas y están en constante mejora.
3. Potencial en zonas costeras: Gran parte de la población mundial reside cerca de las costas, lo que facilita la integración de estas fuentes energéticas.
4. Bajo impacto visual y ambiental: Muchas instalaciones pueden ser submarinas, reduciendo el impacto visual. El impacto ambiental directo suele ser menor que el de otras fuentes.
5. Recurso inagotable: El movimiento del océano es constante y vasto.
6. Contribución a la sostenibilidad: Ayuda a mitigar la contaminación y la dependencia de combustibles fósiles.
7. Cero emisiones: Durante su operación, no generan gases de efecto invernadero ni residuos contaminantes.
8. Innovación tecnológica: El desarrollo de turbinas submarinas para aprovechar las corrientes de marea reduce la necesidad de costosas presas, disminuyendo tanto el costo de instalación como el impacto ambiental.
9. Ubicación estratégica: Las instalaciones pueden situarse lejos de zonas de pesca intensiva y, en general, tienen un impacto mínimo en la avifauna marina.

Desventajas de las Energías Marinas

1. Desafíos tecnológicos: Requieren tecnologías robustas para operar en ambientes marinos hostiles (corrosión, tormentas), y muchas de estas tecnologías aún están en fases de desarrollo o perfeccionamiento.
2. Localización restringida: No todas las ubicaciones costeras son aptas; se necesitan condiciones geográficas y oceanográficas específicas (ej. grandes diferencias de marea, corrientes fuertes).
3. Altos costos: La instalación y el mantenimiento de infraestructuras marinas son complejos y costosos debido al ambiente corrosivo y las dificultades de acceso.
4. Requisitos geográficos estrictos: Para la energía mareomotriz, por ejemplo, se requiere una diferencia mínima de marea de al menos cinco metros, lo que limita los sitios potenciales.
5. Impacto en la navegación: Las instalaciones pueden interferir con rutas de navegación, especialmente en estrechos o desembocaduras de ríos con alto tráfico marítimo.
6. Generación intermitente (mareomotriz): Las centrales mareomotrices solo pueden generar energía durante las pleamares y bajamares, lo que limita su operación a unas pocas horas al día (aproximadamente 10 horas).
7. Resistencia a condiciones extremas: Los equipos deben ser extremadamente duraderos para soportar la corrosión del agua salada, las fuertes corrientes y las tormentas oceánicas.

Recapitulación de Energías Marinas

Explicación Detallada de las Energías Oceánicas

Para finalizar, se reitera la explicación de las principales energías que nos brinda el mar:

• Energía Mareomotriz: Es la energía que aprovecha la diferencia en el nivel del agua del mar, influenciada por la posición de la Luna y el Sol, para generar electricidad.
• Energía de Corrientes Marinas: Se obtiene mediante el aprovechamiento de la energía cinética inherente a las masas de agua en movimiento constante en los océanos.
• Energía Undimotriz (Olas): Está dada por la energía mecánica generada por el movimiento de las olas del mar, la cual se convierte en energía eléctrica.
• Energía de Salinidad (Osmótica): Es la energía que se obtiene por la diferencia en la concentración de sal entre el agua de mar y el agua de río, dejando como residuo agua salobre.
• Energía de Gradiente Térmico Oceánico (OTEC): Es la energía que utiliza la diferencia de temperatura entre las aguas profundas y frías y las aguas superficiales y cálidas para mover una máquina térmica y generar electricidad.