La energía solar es la obtenida directamente del Sol. La radiación solar incidente en la Tierra puede aprovecharse, por su capacidad para calentar, o, directamente, a través del aprovechamiento de la radiación en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es un tipo de energía renovable y limpia, lo que se conoce como energía verde.

La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud.

Rendimiento

Cada sistema tiene diferentes rendimientos. Los típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10%. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15%. Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar el 70% de transferencia de energía solar a térmica).

También la energía solar termoeléctrica de baja temperatura, con el sistema de nuevo desarrollo, ronda el 50% en sus primeras versiones. Tiene la ventaja que puede funcionar 24 horas al día a base de agua caliente almacenada durante las horas de sol.

Los paneles solares fotovoltaicos tienen un rendimiento bastante bajo (en torno a un 18 %) y no producen calor que se pueda reaprovechar. Sin embargo, son muy apropiados para instalaciones sencillas en azoteas y de autoabastecimiento, aunque su precio es muy alto.

También se estudia obtener energía de la fotosíntesis de algas y plantas, con un rendimiento del 3%.

Según el 21º Estudio del World Energy Council, para el año 2100 el 70% de la energía consumida será de origen solar.

Tecnología y usos de la energía solar

Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:

• Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos.
• Energía solar térmica: Para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción.
• Energía solar fotovoltaica: Para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se excitan con la radiación solar.
• Energía solar termoeléctrica: Para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico)
• Energía solar híbrida: Combina la energía solar con la combustión de biomasa, combustibles fósiles, Energía eólica o cualquier otra energía alternativa.
• Energía eólico solar: Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde están los generadores.

Otros usos de la energía solar y ejemplos más prácticos de sus aplicaciones:

• Huerta solar
• Central térmica solar, como:
  • la que está en funcionamiento desde el año 2007 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), de 11 MWh de potencia que entregará un total de 24 GWh al año
• Potabilización de agua
• Cocina solar
• Destilación
• Evaporación
• Fotosíntesis
• Secado

• Arquitectura sostenible
• Acondicionamiento y ahorro de energía en edificaciones
  • Calentamiento de agua
  • Calefacción doméstica
  • Iluminación
  • Refrigeración
  • Aire acondicionado
  • Energía para pequeños electrodomésticos

La energía eólica marina es, al igual que la eólica terrestre, una aplicación de la fuerza producida por el viento. La diferencia respecto a la obtenida en tierra radica en que los aerogeneradores (molinos) se ubican mar adentro. Su coste de instalación es muy superior al de las zonas terrestres, pero también su vida útil es mayor. Además, los costes de las cimentaciones y anclajes han disminuido de forma espectacular en los últimos años, con lo que el precio del megawatio (MW) de potencia se está igualando al de otras energías renovables. Dinamarca es el país que inició la energía eólica marina y en sus mares se encuentran en la actualidad los mayores parques de aerogeneradores. Esta manera de obtención de energía cuenta además con el beneplácito de organizaciones ecologistas como Greenpeace, que apuestan por ella por su carácter renovable y su escasa incidencia en el ecosistema.
En la actualidad los parques offshore, ésta es su denominación internacional, se sitúan en aguas poco profundas, alejados de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los espacios de interés natural u ornitológico. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características diferentes a los que llegan a tierra.

Cómo llega la energía a tierra

En un principio, los anclajes de los aerogeneradores se efectuaban con hormigón a través de la cimentación por gravedad, es decir, con la construcción en un dique seco de grandes estructuras que después se fijaban en el emplazamiento elegido y se rellenaban con grava y arena. Un diseño posterior, el monopilote, consiste en una perforación del lecho marino, de un diámetro de 3,5 a 4,5 metros y una profundidad de 10 a 20 metros, en la que se introduce un gran cilindro metálico que sirve de base a la torre. Los parques eólicos se conectan a tierra por cables submarinos enterrados para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos de pesca, anclas, etc. En zonas estratégicas del parque se colocan, entre otras instalaciones de servicio, centros de transformación que convierten la baja o media tensión en alta para favorecer así el transporte hasta la costa. Una vez en tierra, tan sólo resta conectar la línea eléctrica con la red de distribución existente.

Aves y aerogeneradores marinos

Los aerogeneradores marinos no tienen un efecto significativo en la vida de las aves acuáticas. Esta es la conclusión de dos experimentos realizados en Dinamarca, con los que se pudo comprobar que las aves se mantenían a una distancia segura de las turbinas y, por otro lado, que los rotores que giran no las ahuyentaban de sus áreas de alimentación.

Dinamarca, pionera

El primer parque eólico marino, compuesto por 11 aerogeneradores, se construyó en Dinamarca en 1991 en el mar Báltico y, en 2002, tras la puesta en marcha de varios parques con distinta potencia, se inauguró el parque de Horns Rev, el más grande del mundo con 80 aerogeneradores y con una potencia instalada de 160 MW.
Tras los años de uso de energía eólica marina en Dinamarca se puede concluir que, aunque se ha requerido una importante inversión económica, la producción de electricidad es más estable y un 20% superior a la energía eólica terrestre. Además, la vida útil del parque, con un buen mantenimiento, puede llegar a duplicarse. En la actualidad el 50% del consumo eléctrico familiar danés proviene de este tipo de energía.

España, sólo proyectos

Según Greenpeace, en la Península Ibérica sería posible crear por este medio 25.000 MW de potencia hasta el año 2030, con lo que se evitaría la emisión anual de unos 25 millones de toneladas de CO2.
En España hay varios enclaves marinos estratégicos para este fin, como el Estrecho de Gibraltar, el cabo de Creus, el delta del Ebro o zonas de la costa gallega, pero, en general, la costa española no es muy adecuada por la gran profundidad de sus mares. Existe un proyecto, de un coste estimado de 1.650 millones de euros, que consiste en instalar aerogeneradores a unos 18 kilómetros del cabo de Trafalgar, entre Barbate y Conil en Cádiz, con una potencia de 1.000 MW (sumaría tan sólo el 0,1% de la energía renovable española). A él se oponen por un lado los representantes de la flota de Barbate y Conil, ya que entienden que supone un riesgo para la pesca artesanal y las rutas migratorias de los atunes y, por otro, las autoridades locales, que mantienen que el impacto visual retraerá a los turistas.

La energía mareomotriz es la energía potencial o cinética que contienen los océanos. Está energía se está desarrollando y se piensa podría ser una energía que sustituiría a los combustibles fósiles, porque esta energía es renovable y tres cuartas partes del planeta son océanos, así que casi todo país puede emplearla. Está energía la producen en conjunto el Sol y la Luna, que hacen:

• Las olas
• Las mareas
• Las corrientes marinas

La energía de una central mareomotriz convencional se toma de las diferentes alturas que puede tener la marea en el día, reteniéndola y haciendo mover una turbina. La energía mareomotérmica consiste en usar la diferencia de temperatura entre la superficie y las profundidades oceánicas. Esa diferencia de temperatura hace que se genere una corriente de convección. Las corrientes de convección son el fenómeno físico que se produce en un fluido cuando una parte de éste está más caliente (y por tanto es menos densa) que otra que se sitúa por encima de la primera. Esto hace que intercambien sus posiciones, y por tanto se muevan y generen una corriente.

Estas corrientes pueden hacer a una turbinaLa energía mareomotriz es la energía potencial o cinética que contienen los océanos. Está energía se está desarrollando y se piensa podría ser una energía que sustituiría a los combustibles fósiles, porque esta energía es renovable y tres cuartas partes del planeta son océanos, así que casi todo país puede emplearla. Está energía la producen en conjunto el Sol y la Luna, que hacen:

Las olas Las mareas Las corrientes marinas La energía de una central mareomotriz convencional se toma de las diferentes alturas que puede tener la marea en el día, reteniéndola y haciendo mover una turbina. La energía mareomotérmica consiste en usar la diferencia de temperatura entre la superficie y las profundidades oceánicas. Esa diferencia de temperatura hace que se genere una corriente de convección. Las corrientes de convección son el fenómeno físico que se produce en un fluido cuando una parte de éste está más caliente (y por tanto es menos densa) que otra que se sitúa por encima de la primera. Esto hace que intercambien sus posiciones, y por tanto se muevan y generen una corriente.

Estas corrientes pueden hacer a una turbina moverse para generar energía eléctrica. También se pueden aprovechar las olas y corrientes marítimas. Esta tecnología se está desarrollando, Francia ya está pensando en hacer su segunda central mareomotriz. Aunque, no contaminen la atmósfera estas pueden influir en la biodiversidad y en la salinidad del agua.

También se pueden aprovechar las olas y corrientes marítimas. Esta tecnología se está desarrollando, Francia ya está pensando en hacer su segunda central mareomotriz. Aunque, no contaminen la atmósfera estas pueden influir en la biodiversidad y en la salinidad del agua.

¿Qué es una celda de combustible?

Una celda de combustible es una generadora que convierte la energía química de un combustible directamente en electricidad. En casi todos casos el combustible es hidrógeno o una mezcla de gases rica en hidrógeno. La reacción en una celda de combustible es:

Hidrógeno + Oxígeno (del aire) –> Electricidad + Agua + Calor

¿Hay distintas clases de celda de combustible?

Sí, existen varias clases, incluyendo: PEM (sigla en inglés de Membrana de Intercambio Protónico), carbonato derretido, y alcalino (del tipo de combustible utilizado por el programa espacial de los EUA). Las celdas de combustible de carbonato derretido funcionan a temperaturas muy elevadas y así son más aptas para aplicaciones a mayor escala, por ejemplo, en plantas eléctricas. Las celdas de combustible PEM son más apropiadas para la generación de energía a pequeña escala, por ejemplo, en vehículos. El SERC produce exclusivamente celdas de combustible PEM, y por eso la mayoría de la información en este sitio se refiere a esta tecnología.

¿Cómo se compara la celda de combustible con otras tecnologías para la producción de energía?

Una celda de combustible es parecida a una batería en el sentido que los dos mecanismos convierten la energía química directamente en electricidad. Sin embargo, una celda de combustible nunca necesita recargarse, pero una batería sí necesita recarga. Mientras se proporciona combustible y aire, la celda de combustible sigue produciendo energía eléctrica sin interrupción.

Nuestra manera normal de generar energía eléctrica es por el ciclo de vapor. Quemamos un combustible para producir calor, el calor se utiliza para producir vapor, el vapor hace funcionar una turbina, y la potencia de la turbina se usa para operar una generadora para producir electricidad. Una celda de combustible nos permite evitar este proceso complejo y ineficiente, convirtiendo la energía química en el combustible en electricidad con solo un paso.

¿Cuáles son las ventajas que nos ofrece la celda de combustible?

Una celda de combustible es silenciosa, eficiente y limpia. No produce ningún tipo de contaminación durante su operación. Los únicos subproductos son calor (lo cual se utiliza para calentar aire o agua en un sistema de cogeneración) y agua. Esta agua producida tiene suficiente pureza para usarla como agua potable en los naves espaciales. Estas características hacen la celda de combustible un buen vecino que puede producir energía aún en los barrios urbanos muy poblados donde las leyes acerca de las emisiones son estrictas.

Las celdas de combustible son eficientes en un 40-50%, significativamente más que las generadoras convencionales. Una planta de vapor es normalmente 35% eficiente, mientras la eficiencia de un motor de combustión interna en un vehículo típico es solo 15%.

¿Para qué se utilizan las celdas de combustible hoy?

Las celdas de combustible se pueden utilizar para:
energía remota: para casas sin acceso a la electricidad de los servicios públicos, para estaciones climáticas en el campo, y para repetidoras para telecomunicaciones

energía portátil: para equipos electrónicos pequeños, por ejemplo teléfonos celulares y computadoras portátiles

motores vehiculares: para automóviles, camiones, barcos, etc.

generación distribuida: para generación estacionaria en sitio

Quizás se comprobará la energía remota como el primer mercado económicamente factible para las celdas de combustible, especialmente en aplicaciones donde el ruido, las emisiones o el combustible necesario para las generadores normales son problemas. Aunque hay mucha atención dirigida hoy al uso de las celdas de combustible en los automóviles, probablemente va a ser difícil meterse en este mercado, debido al costo relativamente bajo por caballo de los motores normales de combustión interna y la fortaleza y alta densidad de potencia requeridas en los sistemas de propulsión vehiculares.

¿Si ya estoy utilizando la energía solar, por qué necesito una celda de combustible?

La energía solar es un recurso limpio, de electricidad casi ilimitada, pero hay una desvantaja: el sol se pone en la noche. En el pasado hemos resuelto este problema con grandes reservas de baterías, pero estas baterías tienen una capacidad limitada, son muy pesadas, pueden incorporar químicos tóxicos, y hay que reemplazarlas cada cierta cantidad de años. En vez de una batería, podemos usar un sistema coombinado de una electrolizadora y una celda de combustible. La electrolizadora usa electricidad (de los módulos solares) para dividir el agua y así producir gases de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se puede almacenar en tanques y luego usarlo en una celda de combustible para producir energía silenciosa y limpia, en la noche o cuando no hay sol.

Si las celdas de combustibles son tan buenas ¿Por qué no las usamos hoy?

De verdad estamos utilizando las celdas de combustible bastante ya. Además de unas aplicaciones muy visibles como en los naves espaciales, la organización Fuel Cells 2000 tiene una lista de más de 600 instalaciones de celdas de combustible pasadas y actuales al nivel mundial en su sitio de internet. Sin embargo, las celdas de combustible todavía proveen solo una pequeña porción de nuestro consumo de energía.

Hay dos razones porque las celdas de combustible todavía no se usan mucho. Uno es que hace falta mucho desarrollo de la tecnología. Otro factor es que el precio es muy alto. Las celdas de combustible no son inherentemente caros, pero igual como otras tecnologías, no van a ser competitivas hasta que se vendan muchas unidades. Los proyectos del SERC, que demuestran las ventajas prácticas y ambientales de las celdas de combustible, representan un paso importante en el avance mundial para hacer disponible las celdas de combustible en todas partes.

¿Cuánto cuestan las celdas de combustible?

Actualmente las celdas de combustible son una tecnología experimental. Por lo tanto, cada sistema es construido a mano utilizando materias producidas en pequeñas cantidades. Es un proceso caro, por eso las celdas de combustible PEM cuestan actualmente unos 20 dólares estadounidenses por vatio producido, dependiendo de su tamaño y aplicación. En el futuro, con el mejoramiento de la tecnología y producción a gran escala de las celdas de combustible en industrias, el costo se rebajará considerablemente.

¿Qué es la fusión nuclear?

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula , aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.

No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de lo productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV.

Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción. 

Tecnología

Esta reacción que se ha descrito antes es la más fácil de conseguir, pero no quiere decir que sea sencillo lograr energía de las reacciones de fusión. Para ello se deben unir los núcleos de dos átomos, el problema radica en que los núcleos de los átomos están cargados positivamente, con lo que al acercarse cada vez se repelen con más fuerza. Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones.

La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es calentando el combustible hasta temperaturas de millones de grados de manera que los choques entre núcleos sean por agitación térmica, aquí también se aprovecha el efecto túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos, ésta es la fusión por confinamiento magnético.

Ventajas de la fusión

La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el próximo siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos.

Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía.

Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la “lluvia ácida” o el “efecto invernadero”.

La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.

Estado actual

Actualmente se ha producido energía de fusión nuclear en dos máquinas distintas, el JET (Joint European Torus) de la Unión Europea en Oxfordshire, y el TFTR (Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en Princeton. Los dos son dispositivos de fusión por confinamiento magnético.

Se ha conseguido sólo en estas máquinas porque son las únicas que han inyectado tritio a un plasma de deuterio. El resto de máquinas funciona con plasmas de sólo deuterio o sólo hidrógeno para investigar en el comportamiento del plasma a altas temperaturas, pero sin producir fusiones.

Se ha demostrado la viabilidad científica de la producción de energía mediante fusión nuclear. El siguiente paso es construir un reactor que demuestre la viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica a partir de la de fusión. Este reactor será ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en fase de diseño. Para el diseño y construcción de este gran reactor se han asociado las diferentes comunidades de fusión (Rusia, Unión Europea, Japón y USA) ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo país.

Perspectivas de futuro

La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción experimental de una potencia de fusión del orden de un gigavatio es un objetivo realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales es importante cubrir esta etapa.

La envergadura y el coste de este experimento serán similares a los de cualquier instalación con una potencia de un gigavatio; el calendario para el estudio, construcción y explotación será similar al de cualquier megaproyecto. ITER, la siguiente generación, es una experiencia piloto para Europa y sus socios en el campo de la fusión por confinamiento magnético.

El espíritu comunitario alcanzado por esta investigación en Europa desde hace varias décadas, se ha transmitido al resto del planeta con la esperanza de poder contar en el próximo siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía necesaria para la humanidad.