Generación de energía eléctrica con fuentes renovables

Por Luis Vargas, Jannik Haas, Lorenzo Reyes y 2 más

El objetivo de esta publicación es acercar los fundamentos físicos y principios básicos de las tecnologías de generación eléctrica a partir de fuentes renovables a jóvenes científicos, profesionales y público en general interesados en tecnologías limpias para la generación de electricidad a pequeña, mediana y gran escala.

• Idioma: Español
• Editorial: Editorial Universitaria de Chile
• Fecha de lanzamiento: 15 jun 2022
• ISBN: 9789561126688

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1. Introducción

1.1. Breve historia de la energía

Desde tiempos muy remotos la especie humana ha utilizado las fuentes de energía a su alcance en una constante búsqueda de mayor confort y desarrollo. En un comienzo el hombre hacía uso pasivo de la luz y el calor provenientes de la entonces inexplicable masa luminosa, hoy conocida como el Sol, para poder ver al cazar y protegerse del frío. Así, junto con el consumo de comida para accionar sus músculos, el sol y la biomasa constituían la primera fuente de energía renovable aprovechada por los humanos.

El control del fuego, aproximadamente un millón de años atrás [1], marca un cambio de paradigma: disponer de la energía en cualquier momento. Así, la combustión de la leña –energía solar concentrada en biomasa [2]– comienza a imperar como fuente energética para entregar calor y luz, ahuyentar depredadores y preparar alimentos. Posteriormente se empieza a usar animales para asistir trabajos pesados, por ejemplo en la agricultura, o para transporte de materiales, es decir, otra vez el trabajo de músculos para generar trabajo mecánico.

También las siguientes fuentes de energía serían derivadas de la energía solar. Así nacen los primeros veleros (7.000 años atrás) para transporte, comercio y pesca. Luego se inventan los molinos: primero aquellos accionados por el agua (2.200 años atrás) y luego los impulsos por el viento (hace 1.000 años), generando un movimiento mecánico capaz de bombear agua y moler grandes cantidades de cereal. Si bien estas tecnologías ya diversifican la matriz energética, el trabajo principal seguiría siendo realizado por los músculos de animales y humanos, tal como nos lo muestran numerosas ilustraciones de nuestros antepasados [2]. Hace unos 1.000 años, la población mundial se estimaba en 200 millones de personas.

Los censos marcaban casi 1.000 millones de personas durante uno de los periodos más fascinantes de la historia, la Revolución Industrial, hace unos 250 años. El uso de la leña y carbón vegetal se tornaría cada vez más importante hacia los años 1800, principalmente para alimentar los hornos de fundición de hierro. Sin embargo, la extracción de la madera ya alcanzaba niveles insustentables. Tal vez es esta la primera gran muestra de sobrexplotación de recursos naturales. Solo mediante la combustión del coque (carbón enriquecido) se lograría aumentar los niveles de producción de hierro y, a la par, permitir la reforestación [3]. El carbón seguiría sustituyendo a la leña, no solo en la combustión sino también para nutrir la máquina de vapor. Si bien el carbón y el coque fueron clave para expandir la industria del hierro, cabe destacar que la energía hidráulica alimentaba a muchas otras industrias relevantes de la época, aunque menos intensivas en energía, como, por ejemplo, la textil [3]. Otro hecho, usualmente desapercibido, es que la energía eólica era usada para el bombeo de agua para uso en la ganadería, locomotoras y casas, cuyo primer auge es contemporáneo con la máquina a vapor [3].

Los años 1880 son interesantes para una nueva forma de energía: la electricidad. En solo 15 años se muestra que es posible la generación de electricidad a partir de una celda solar de selenio, Thomas Edison instala la primera central eléctrica a carbón en Nueva York, entrada en operación la primera central hidroeléctrica en Wisconsin y se desarrolla el primer molino eléctrico en Ohio. Siguiendo la promesa de Edison, generaremos electricidad tan barata que solo los ricos usarán velas [4], el sistema eléctrico completo –desde la generación hasta el consumo– estaría perfeccionado hacia fines de los años 1890. Así, el desarrollo eléctrico despegaría rápidamente, sobre todo en la industria.

Tecnologías para aprovechamiento energético no faltaban, sin embargo es el carbón, recurso barato y para entonces estimado como ilimitado, que se establecería como principal fuente de energía para los ya 1.500 millones de personas. Así, tras la Revolución Industrial, se darían todas las condiciones para iniciar un crecimiento vertiginoso de la población, población que no solo duplicaría su tamaño cada 50 años sino también su hambre por la energía (Figura 1).

Año

Figura 1: Evolución del consumo energético total y per cápita, y de la población global [5]. MWh = Mega Watts hora; PWh = Peta Watts hora (las unidades MWh (megawatts-hora) y PWh (petawatts-hora) corresponden a cantidad de energía, ver sección 1.2 para más detalle).

Junto al lanzamiento de la electricidad, la creación del motor de gasolina de Daimler, la ignición eléctrica de Benz y el carburador Daimler-Maybach son tres elementos clave que permiten iniciar la era del automóvil [3]. Así, la demanda hacia el petróleo crudo crecería rápidamente hasta reemplazar al carbón como principal fuente de energía en los años 1950. En esa época también se inicia el consumo de gas natural. Al mismo tiempo se construye el primer reactor nuclear, prometiendo energía económica, limpia y abundante a los más de 2.500 millones de habitantes.

El desarrollo basado en tecnologías fósiles dominaría en las siguientes dos décadas (Figura 2). Con ello, los efectos que la combustión origina localmente, como emisión de material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono, y globalmente, como efecto invernadero y lluvia ácida, serían cada vez más agudos y muchas veces difíciles de revertir. Ello redundaría, en algunos casos, en efectos desastrosos tanto para el medio ambiente como para la propia salud de las personas.

Figura 2: Evolución del uso mundial de energías primarias en términos absolutos (arriba), relativos (medio) y composición relativa para años selectos (abajo) [6].

Los altos precios y la escasez de combustibles fósiles, producto de las crisis de petróleo de los años 1970 (Figura 3), originan el primer cuestionamiento serio sobre el agotamiento y la dependencia de una economía de 4.000 millones de personas a ese tipo de combustibles. En este escenario, por primera vez en la historia moderna, nacen impulsos fuertes para promover las energías renovables (ER). Nacen institutos de investigación asociados a la energía solar, apoyos estatales para la energía eólica, la primera ciudad piloto alimentada con energía solar, la primera granja solar y el primer concentrador solar térmico de potencia. Lamentablemente, estas iniciativas serían efímeras y opacadas por un nuevo boom petrolero con bajos precios.

Figura 3: Evolución del precio del petróleo (1861-1944: promedio en Estados Unidos, 1945-1983: Arabian Light enunciado en Ras Tanura, 1984-2015 Brent) [7].

En los años 1990, frente a las evidencias del cambio climático y el aumento sostenido de precios de los combustibles fósiles, vuelven a proliferar las ideas de la generación limpia.Así, diversos países, entre los cuales destacan Dinamarca, Japón y Alemania, apuestan fuertemente al desarrollo de la energía eólica y fotovoltaica. Dinamarca, en la convicción de alejarse de la energía nuclear, apuesta, mediante fuertes impulsos estatales, a la inversión y consumo de energía eólica. Por otro lado, importantes subsidios y fondos para investigación permiten a Japón impulsar su desarrollo fotovoltaico a mediados de la década [8]. Poco después del acuerdo de reducir los gases de efecto invernadero mediante el Protocolo de Kioto en 1997, Alemania se convertiría en líder fotovoltaico desde la actualización de su sistema de fomento de las energías renovables en el año 2000.

El tiempo comprendido entre el año 2000 hasta hoy se caracteriza por importantes avances en la implementación de tecnologías renovables. Principalmente, hacia 2010 las tasas anuales de instalación de parques eólicos y fotovoltaicos marcarían nuevos récords año tras año. Alemania, por ejemplo, desde 2008 en adelante instala más de 4 GW (gigawatts)de paneles solares cada año (esto equivale a dos veces la demanda punta de lo que era el antiguo Sistema Interconectado del Norte Grande en Chile) [9]. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos, la dependencia actual hacia los combustibles fósiles es, con un abrumador 80%, todavía imperiosa [10]. Es también preocupante que los subsidios mundiales para las energías fósiles son cuatros veces superiores a los de las energías renovables [10], en un mundo poblado por más de 7.000 millones de seres humanos.

Por otro lado, tras más de medio siglo de energía nuclear, sus principales promesas siguen aún sin cumplirse: el tratamiento final de los desechos no se ha resuelto, las reservas de uranio son cada vez más limitadas y su enriquecimiento es cada vez menos competitivo y, para la mayoría de los países, la energía atómica no contribuye hacia su independencia energética. Además, el riesgo operativo queda cada vez más evidente por accidentes como el de Pennsylvania (1979), Chernobyl (1986) y Fukushima (2011), por solo mencionar algunos de los más de 20 mayores accidentes nucleares [11]. A pesar de ello, algunos países, como China, India y Rusia, siguen invirtiendo en energía nuclear, aunque con tecnologías más seguras. Por otro lado, nace en este contexto la tendencia hacia el abandono de la energía nuclear o desnuclearización, iniciado por Suecia (1980) y más tarde seguido por Italia, Bélgica y Alemania, sumando al año 2015 más de 10 países [12]. Algunos decidieron no construir nuevas plantas, mientras que otros, incluso apagan las centrales existentes. De hecho, recientemente más plantas se han cerrado que abierto [13].

Chile, por su parte, aprueba en el 2008 la ley de cuotas de energías renovables no convencionales (ERNC) exigiendo un 10% para el año 2024. Cuatro años después elevaría su meta a un 20% al año 2025. Eventualmente, también impulsada por elevados precios eléctricos, se inicia –sin subsidios– la instalación de grandes parques eólicos y solares, particularmente en la zona centro-norte del país. A la fecha, sin embargo, la matriz energética chilena comparte la dependencia mundial hacia los combustibles fósiles.

Como la historia lo demuestra, las energías renovables son, al mismo tiempo, la forma más antigua y la más moderna de las energías aprovechables por la humanidad.A la vez, existe una relación ambivalente entre la energía y el desarrollo humano. Mientras que las distintas fuentes de energía delimitan la velocidad de desarrollo humano, ni poseer abundantes reservas energéticas, ni consumir vastas cantidades de energía garantizan el confort económico o la felicidad personal [3]. En esta línea, la historia dirá si la Revolución Industrial y la era fósil fueron efectivamente un avance o el periodo de mayor miopía en términos energéticos, ambientales y sociales de la humanidad.

En el contexto del fuerte crecimiento poblacional iniciado tras la Revolución Industrial, un bacteriólogo hablaría del abandono de la fase de adaptación y el inicio de la fase de reproducción exponencial. Nuestro alimento durante esta era: los combustibles fósiles. Pronto llegaremos a la fase estacionaria y ante la naturaleza efímera de las soluciones tecnológicas que inventamos frente a nuestro insaciable deseo hacia las energías nace la pregunta: ¿qué energías acuñarán la próxima época?

Este libro pretende entregar las herramientas básicas para lo que, en el entendimiento de los autores, son las tecnologías de dicha época. Pero antes de ingresar al mundo de las energías renovables, visitaremos algunos conceptos básicos relacionados con la energía y su conversión.

1.2. Energía y potencia

1.2.1. ¿Qué es la energía?

Las plantas al crecer, los animales al correr, los humanos al pensar, todos necesitan energía. Energía es vida. También el ciclo hidrológico, –gotas de agua que se elevan desde el océano para migrar hacia la cordillera–, requiere energía. Vibraciones atómicas dan origen al calor, saltos de electrones a la luz, y combustión de gasolina al movimiento mecánico del auto. Energía es cambio.

El término energía proviene de la composición de dos palabras del griego antiguo: en (en, dentro) y ergon (trabajo) que derivó en energeia (actividad, acción, operación) [14], es decir, trabajo o actividad dentro de un sistema. En la física tradicionalmente se define como la capacidad para realizar trabajo [15]. A su vez, trabajo T es una fuerza¹ F aplicada en una distancia d (T = F • d). Luego, se dice que todo lo que puede aplicar fuerza por cierta distancia posee energía. En el sistema internacional la energía y trabajo se miden en Joules (J) y la fuerza en Newton (N). El Joule es equivalente a un Newton-metro (Nm) y el Newton a un kilogramo-metros-segundo-² (kg • m • s-²).

Figura 4: Por ejemplo, una persona que pesa 800N (una masa de 81,6kg bajo acción de la aceleración de gravedad g igual a 9,8m/s²) y quiere subir 3 metros, haría un trabajo de 800N • 3m = 2400J. Es entonces la persona que posee energía, dada su capacidad para realizar trabajo. En este caso habría gastado 2.400J para hacer el trabajo.

1.2.2. Potencia

Aunque existan distintas formas de llegar a la cima, por ejemplo, caminando, corriendo, o con un salto, es interesante notar que el trabajo será siempre el mismo (dado que la única fuerza de este caso es la gravedad). Aquí nace entonces la necesidad de definir otro concepto para incluir la velocidad con la cual se hace el trabajo: la potencia (P). La potencia mide, en cada instante de tiempo, la velocidad con la que realiza un trabajo. Así, para un intervalo de tiempo (t), la potencia media ( R—), medida en Watts (W), a la que un trabajo es realizado puede calcularse como:

En el ejemplo anterior, si subir la escalera caminando, corriendo y con un salto, demora 10, 5 y 2 segundos, respectivamente, la potencia media en cada caso sería 2400 J/10 s = 240 W, 2400 J/5 s = 480 W y 2400 J/2 s = 1200 W. Cabe destacar que un humano adulto puede entregar tasas de trabajo entre 50-90 W, y unos cientos de Watts solo durante instantes muy limitados [3].

Si bien la potencia usualmente se usa en el mundo eléctrico, aplica a todo tipo de procesos, como el ya mostrado con el ejemplo anterior. Cuando en un proceso existen componentes térmicas y eléctricas, es usual distinguir su potencia usando el subíndice e para denotar su potencia eléctrica y t para la térmica, MWt y MWe respectivamente.

Como hemos visto, los conceptos energía y potencia están relacionados (a través de la dimensión tiempo), pero son totalmente distintos. Aunque informalmente suelen ser confundidos, en el mundo científico es necesario distinguirlos con claridad.

1.2.3. Las fuerzas fundamentales

Tal vez las formas más cotidianas de la energía son la electricidad para alimentar los computadores, el calor de una ducha y la energía cinética de un vehículo. Sin embargo existen muchas otras, como la energía química contenida en los enlaces de un árbol o la energía elástica de un resorte. Todas ellas son resultado de las cuatro fuerzas fundamentales del universo que, en la aceptación convencional son: la fuerza nuclear fuerte, electromagnética, gravedad y nuclear débil.

Es digno señalar que la búsqueda para un entendimiento de la naturaleza es investigación en curso. Así, hace un par de décadas, la fuerza electromagnética y la débil fueron unificadas mediante la teoría electrodébil [16]. La idea de buscar una teoría unificadora no es nueva. Antes del trabajo de Oersted, Faraday y Maxwell (entre otros), también creíamos que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos independientes. Actualmente el desafío de los físicos teóricos es compatibilizar las teorías de gravedad con las de la mecánica cuántica. En esta línea se postula la existencia de una quinta fuerza, la gravedad cuántica, que permitiría describir todas las fuerzas mediante la Teoría del Campo Unificado².

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener unido al núcleo atómico (protones y neutrones), venciendo la repulsión eléctrica de los protones. Es la más fuerte de las fuerzas, pero no se observa afuera del núcleo de un átomo, actuando solo a distancias muy cortas (diámetro de un núcleo ~10-¹⁵m).

La fuerza electromagnética actúa sobre partículas con carga. El fenómeno incluye la fuerza electrostática (cargas en reposo) y el efecto combinado entre fuerzas eléctricas y magnéticas. Si bien el rango sobre la cual esta influye es ilimitado, su efecto decae con el cuadrado de la distancia. Es interesante notar que esta fuerza es responsable de mantener los enlaces entre átomos y moléculas, definiendo así la mayoría de las características químicas. Es responsable de muchos fenómenos macroscópicos, como la fricción y los rayos, y la de la corriente eléctrica.

La fuerza de gravedad es parecida a la electromagnética: actúa sobre dos cuerpos con masa en un rango infinito y decae con el cuadrado de la distancia. Sin embargo, es siempre de atracción y más débil que la segunda. Es la responsable, por ejemplo, de mantener los planetas en órbitas alrededor del Sol y de hacer fluir el agua.

La fuerza nuclear débil actúa a distancias muy cortas (fracción de un diámetro de un protón ~10-¹⁸m) y es la responsable de algunos fenómenos nucleares, como el decaimiento beta positivo (transformación de un protón a neutrón). Este decaimiento permite formar deuterio (hidrógeno pesado) que fusionado con un hidrógeno genera helio, lo cual (junto a la fuerza nuclear fuerte) es clave para el funcionamiento del sol.

La interacción entre las fuerzas anteriores y la materia genera distintas formas de energía. A continuación revisaremos los tipos de energías más comunes y su relación con las fuerzas fundamentales.

1.2.4. Formas de energía

1.2.4.1. Energía cinética (y térmica)

La energía cinética son átomos en movimiento.Así, nosotros, vehículos o gotas de agua en movimiento somos ejemplos de esta. Pero también el calor, movimiento o vibración aleatoria de los átomos son una manifestación de energía cinética, medible a través de la temperatura. Elementos en giro, como ruedas, también son expresiones de este tipo de energía. La energía cinética (Ec) es usualmente forzada por la gravedad, como un río escurriendo de la montaña al mar, pero también puede resultar por el calor liberado en una combustión³ o la electricidad que impulsa un motor o el simple traslado de un objeto de un lugar a otro. La energía cinética es descrita matemáticamente como la mitad del producto entre la masa de un objeto y su velocidad al cuadrado:

1.2.4.2. Energía potencial gravitacional

La energía potencial gravitacional (Ep) está asociada a la fuerza necesaria para contrarrestar el efecto de la gravedad al mover un objeto una distancia h (o más bien Altura). La gravedad ejerce una fuerza F sobre un objeto de masa m, según la expresión: F = m • g, donde g es la aceleración de gravedad. El producto entre esta fuerza y la diferencia de altura Δh, es la energía potencial gravitacional:

Ep= mgΔh

En otras palabras, para elevar un objeto bajo efecto del campo gravitacional es necesario gastar energía (equivalente a m • g • Δh). Alternativamente, visto desde la perspectiva geocéntrica, la energía potencial gravitacional es lo que se cansa la Tierra al mover la manzana de un punto a otro.

1.2.4.3. Energía electromagnética (y química)

La energía electromagnética (Ee) incluye las interacciones eléctricas presentes a nivel atómico y molecular, que usualmente son producto de la fuerza fundamental que lleva el mismo nombre. Pero también la radiación solar (y todo su espectro: infrarroja, espectro visible, rayos X) es energía electromagnética, resultado de la fusión solar (en donde interactúan todas las fuerzas fundamentales).

Un átomo se puede visualizar como un núcleo rodeado de una nube de electrones, que cuando se recombina con otros átomos redistribuye su carga. De esta manera, la energía química puede entenderse, a nivel atómico, como energía eléctrica. Así, la energía química es en rigor energía eléctrica de los enlaces moleculares del combustible que durante la combustión se rompen, formando nuevos enlaces de menor energía y liberando calor.

La electricidad también es un ejemplo familiar de esta categoría. Ocurre particularmente en metales, estructuras donde un par de electrones por átomo pueden fluir libremente por el material. Para mantener este flujo es necesario compensar la energía que los electrones pierden al chocar con la red metálica, suministrando energía externa. La electricidad se puede describir con la diferencia de potencial eléctrico (V) entre dos puntos (análogo a la energía potencial mencionada arriba) y la corriente eléctrica (I), que corresponde al flujo de electrones, durante un tiempo (t):

Ee= V • I • t

Es interesante notar que el voltaje se puede inducir siguiendo el principio de Faraday: una bobina (enrollado de cables) girando en un campo magnético. Este principio se aplica en la mayoría de las centrales eléctricas, en las cuales las bobinas son accionadas por un rotor que es impulsado por el calor (o viento o agua) en presencia de un imán. Veremos más detalles en el próximo capítulo.

Finalmente, también la energía elástica (ej: un resorte) es un tipo de energía electromagnética. La compresión o estiramiento de un material genera un reordenamiento de las moléculas que lo conforman, afectando la energía contenida en los electrones de valencia que forman los enlaces.

1.2.4.4. Energía nuclear

La energía nuclear se refiere a la energía contenida en los lazos que unen al núcleo atómico. Así, las reacciones de fusión del Sol son un ejemplo de este tipo de energía. La fisión, división de un átomo, como en los reactores o bombas atómicas, también es parte de esta familia. En ambas reacciones, fusión y fisión, existe una ruptura entre los enlaces de las partículas subatómicas (protones y neutrones) generando un reordenamiento, que converge en nuevos átomos y transformación de masa en energía. La energía nuclear se puede describir mediante la relación de Einstein, que relaciona una diferencia de masa m con el cuadrado de la velocidad de la luz c:

En= mc²

1.2.4.5. Resumen

Como vimos anteriormente, hay cuatro fuerzas fundamentales que interactuando entre ellas y con masa, pueden generar energía. Esta se manifiesta en numerosas formas, que se pueden clasificar en cuatros grupos: energía cinética, potencial, electromagnética y nuclear. Así, la energía eléctrica y magnética son casos particulares de la energía electromagnética, mientras que la energía térmica fue clasificada como una manifestación de energía cinética, y la química y elástica como electromagnética.

Cabe destacar que otra definición de energía, la mecánica, es entendida como la suma entre energía cinética y energía potencial gravitacional. Por otro lado, la energía giratoria, contenida, por ejemplo, en una rueda de inercia, es un caso particular de energía cinética, por lo cual a veces es llamada energía cinética angular.

La Tabla 1 muestra un resumen de las energías antes discutidas, junto a su portador y un ejemplo de ecuación que la describe.

Tabla 1: Formas de energía, su portador y ejemplo de ecuaciones. Las formas de energía en negrita indican las formas fundamentales.

Donde: E= energía, V= diferencia de tensión, I= corriente eléctrica, t= tiempo, m= masa, T= temperatura, v= velocidad, Δh= diferencia de altura, h= constante de Planck, n= frecuencia de un fotón, L= inductancia de bobina, c= velocidad de la luz, k= constante elástica, x= distancia de deformación, Im= momento de inercia, w= velocidad angular, H= entalpía, T= temperatura, S= entropía.

1.2.5. ¿Qué son las fuentes de energía renovable?

Energía renovable es la que proviene de fuentes de energía que son regeneradas por la naturaleza en una escala temporal relevante para los humanos. Sørensen [17] agrega la tasa (velocidad) de uso a la definición: las fuentes de energía renovable son los flujos de energía que son regenerados a la misma tasa a la cual son usados.

Si observamos el sistema Tierra, nos damos cuenta que el calor que esta irradia al espacio es igual a la radiación solar que ingresa (se encuentra en un equilibrio térmico). Usar la energía solar, es decir, transformarla en una forma que nos es más útil, no alteraría el equilibrio anterior. En otras palabras, la situación con o sin intervención humana sería la misma: el calor, tarde o temprano, se irradiará al espacio. El uso de la energía solar, ya sea por transformaciones naturales o artificiales, sin embargo, podría implicar una demora en la devolución de calor al espacio. Por esta razón los distintos sistemas de almacenamiento naturales de la energía solar también son considerados fuentes renovables. Así, el calor y corrientes de océanos y aire, las olas y mareas, la biomasa y el ciclo hidrológico son todos fuentes de energía renovable [17].

Existe una tasa de extracción máxima de las fuentes renovables para que estas sigan siendo regenerativas. Esta tasa debe ser inferior a la velocidad a la cual nuevos