| Industrial Data 2002; 5(2): 78-85 |
EVOLUCIÓN DE LA
ENERGÍA CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL
Luis Milla L.*
INTRODUCCIÓN
La energía convencional y no convencional constituye una necesidad en el mundo moderno
del cual el ser humano no puede prescindir, sin embargo existen varios problemas, tales
como; la escasez, el costo, el agotamiento, la captación, la contaminación, por tal
motivo se debe hacer un seguimiento de la evolución de cada uno de estos tipos de
energía donde no sólo priorice su costo de instalación ni el precio por KHH, sino la
oportunidad de tener la energía para un determinado fin.
Jamás despertó en el hombre y en las multitudes, admiración y estupefacción tan
profundas y miedo tan grande como la palabra energía. Fue necesario asistir a hecatombes
tan terribles y dolorosas como las de Hiroshima y Nagasaki; en las que millones de seres
humanos perdieron la vida, para que la humanidad llegara a entender en carne propia qué
es energía y, aunque de un modo intuitivo, aparentemente inexacto, personificado, en una
sola de sus manifestaciones, la energía nuclear cuyo origen y naturaleza desconoce la
inmensa mayoría de los seres humanos, y se simboliza en un instrumento terrible: como es
la bomba atómica, ante cuya potencia y efectos nos parecen juguetes infantiles las armas
más mortíferas, y fuegos de artificio el de los cañones más potentes.
La energía definida corrientemente en los textos de física como la capacidad para
realizar un trabajo, tiene muchos significados y se manifiesta de diversas maneras. A
cualquiera de sus manifestaciones, en el tiempo o en el espacio, se le da el nombre de
trabajo. Después de millones de años, el hombre ha logrado saber que la materia,
cualquiera que ella sea, y la energía, son una misma cosa, que la primera no es sino una
condensación de la segunda, que la transformación de la primera en la segunda es
posible, aunque hasta hoy no es fácil todavía, pero se conoce ya la fórmula, el proceso
para conseguir esta transformación y regular la marcha de este fenómeno.
LA ENERGÍA EN EL MUNDO
Las estimaciones para el total mundial de las reservas recuperables de carbón (definidas
como el contenido de las capas de más de 30 cm de espesor y situadas a menos de 1.200 m
de profundidad) son de unas 700 Gt, que equivalen a 250 años al ritmo de extracción de
mediados de la década de 1980 (2,8 Gt/año). Las mismas estimaciones para el petróleo
varían entre 2.400 millones de toneladas equivalentes de petróleo (1 TEP = 10 millones
de kcal), con una probabilidad de 0.9 y 6.400 millones de tep, con una probabilidad de
0.05, que representan entre 50 y 120 años al ritmo de extracción de mediados de los 80.
Es decir, en cualquier caso el ciclo del petróleo será mucho más corto que el de
carbón. Y lo mismo ocurre con las reservas de gas, cuyo ciclo será mucho más corto que
el del petróleo.
ENERGÍA CONVENCIONAL
Se denomina así a todas las energías que son de uso frecuente en el mundo o que son las
fuentes más comunes para producir energía eléctrica. En este caso, algunas veces se
utiliza como agente de locomoción la fuerza del agua, como medio de producir energía
mecánica, a través del movimiento de una rueda con cucharas y alabes, que canalizan el
poder natural de las aguas y cuyos dispositivos se denominan turbinas. El agua utilizada
para este fin pertenece al medio ambiente natural en que vivimos y por su fertilidad
pertenece a la clase renovable.
En otras ocasiones, se utiliza la combustión del carbón, el petróleo o el gas natural,
cuyo origen son los elementos fósiles, que les sirve como combustible para calentar el
agua y convertirlo en vapor.
El movimiento producido por la combustión y explosión de los derivados del petróleo,
como son, la gasolina, el petróleo diesel 2 y diesel 5, se realiza mediante la acción de
pistones, a través de un sistema de bielas que transmiten su movimiento en un eje.
Ver cuadros 1-2
Dentro de estas energías que son las más usadas en el planeta se encuentran la energía
hidráulica y la energía térmica. Desde su creación y utilización de este tipo de
energías no ha sufrido mayores cambios, salvo en lo que respecta al rendimiento y
eficiencia de las máquinas térmicas y en la automatización de los arranques, la
regulación y el apagado de las mismas.
ENERGÍA NO CONVENCIONAL
Se refiere aquellas formas de producir energía que no son muy comunes en el mundo y cuyo
uso es muy limitado debido, todavía a los costos para su producción y su difícil forma
para captarlas y transformarlas en energía eléctrica.
Entre las energías no convencionales tenemos: la energía solar, la energía eólica, la
energía química u otras formas de energía que se pueden crear.
Dentro de las que más se están utilizando tenemos la energía nuclear, la energía
solar, la energía geotérmica, la energía química, la energía eólica y la energía de
la biomasa.
DESCRIPCIÓN DE LAS DIVERSAS FORMAS DE ENERGÍA
ENERGÍA HIDRÁULICA
Desde la antigüedad el hombre ha tenido el deseo de utilizar el empuje o fuerza que ella
ejerce sobre los cuerpos que se oponen a su marcha.
Es posible que los chinos hayan inventado la rueda hidráulica primitiva, de paletas y de
impulsión inferior y directo por el empuje del agua, todavía funcionan en China
numerosas ruedas hidráulicas de gran diámetro y de concepción primitiva construidas con
cañas de bambú utilizadas para elevar de ríos arroyos el agua necesario para el riego
de los campos.
De la rueda hidráulica a la turbina hidráulica. Desde la primitiva rueda hidráulica, cuyo esbozo es posible sea la rueda China de acción, hasta la llamada rueda a reacción de Poncelet.
La rueda hidráulica, se clasifica en ruedas hidráulicas de acción, que funcionan por la acción directa, empuje o choque del agua contra las paletas o piezas que la sustituyen.
En este choque, el agua corriendo con mayor o menor velocidad, cada parte de su energía cinética a las paletas sumergidas, total o parcialmente en la misma agua, y esta energía es la que, transportaba al eje de la rueda por sus elementos rígidos, lo impulsan y lo obligan a girar. El rendimiento de la rueda de este tipo es reducido.
La perfección máxima de las ruedas hidráulicas corresponde a lo inventado por el matemático francés Pancelet, de tipo de impulsión empuje inferior, rueda que representó en el siglo XIX.
- Avance de la técnica de la rueda hidráulica a la
turbina
La turbina es una máquina que transforma la energía de un fluido en movimiento circular directamente y sin necesidad de órganos intermedios.
En las turbinas hidráulicas se utiliza la energía de caída del agua, pero éste actúa sobre las paletas constantemente en el mismo sentido, de manera que si penetra por la circunferencia exterior de la rueda sale por la interior y si penetra por la parte inferior, sale por la exterior, por este método se aprovecha casi totalmente la energía del agua.
- La turbina Francis
Es de tipo centrípedo, el agua penetra por la periferia y sale por la parte central de la rueda motriz, según el radio de este. Este tipo de turbina de eje vertical, como horizontal, ha tenido y tiene aun hoy, una gran difusión en todo el mundo y se denomina turbina a reacción. En el Perú se utiliza mucho para centrales hidroeléctricas de mediana caída.
- La turbina Kaplan
El principio fundamental se basa en lo siguiente: si una hélice cualquiera gira con rapidez en el seno de un fluido, determina y provoca el movimiento de una masa mayor o menor en cuestión, si sobre una hélice en reposo y libre se hace llegar una masa fluida, agua o aire, en movimiento rápido, la hélice girará con una velocidad que dependerá de la del fluido que choca contra sus palos (efecto de inversión).
- La turbina Pelton
Pelton, ingeniero norteamericano, resucitó con éxito hacia 1880, la vieja rueda hidráulica, pero mejorándola considerablemente. Antes de ser introducido en Europa, la rueda Pelton había logrado una gran difusión en California USA.
Las cucharas, sustituyen en la rueda Pelton a los palos de las antiguas ruedas hidráulicas. Cada par de cuchara adaptan la forma aproximada, de dos manos juntas para recibir en ellas un chorro de agua, con la diferencia de que las superficies de aquellas están perfectamente pulidas y calculadas de tal manera que aprovechan lo mejor posible la fuerza viva.
Las centrales hidroeléctricas es la coronación del uso de las turbinas hidráulicas, no crean potencia, sólo transforman la energía del agua que cae en electricidad, energía más adaptable, más varia que la del agua, pero que a diferencia de la de ésta, no se puede almacenar.
ENERGÍA TÉRMICA
La energía calorífica, en modo de manifestarse la energía, no pudiendo utilizar la
energía calorífica solar en la medida deseada por el hombre, se le ocurrió al hombre,
utilizar la producida en la combustión de diversas materias: madera y carbón primero,
del petróleo y sus derivados después, con el fin de obtener energía, fuerza para
diversos menesteres.
Todo aparato o dispositivo en energía mecánica se denomina calorífica, en energía
mecánica se denomina motor térmico.
Motores térmicos
En estos motores, el calor se transforma en energía mecánica, aprovechando el fenómeno de expansión de los gases y vapores en movimiento. Para el calentamiento del gas o del vapor, se utiliza el calor que produce al quemarse, determinados cuerpos como el carbón, el fuel-oil, la gasolina, etc. A estos cuerpos que al quemarse produce calor, se les llama combustibles.
ENERGÍA SOLAR
La cantidad de calor recibido por la tierra anualmente puede calcularse en 1946 calorías
pequeñas por centímetro cuadrado de superficie y por minuto. Este calor es capaz de
producir una potencia de 1,81 caballos de vapor por metro cuadrado.
La transformación directa de la energía radiante del sol en calor parece ser actualmente
fácil y con rendimiento elevado, del 30 al 60%, la técnica es bastante sencilla y eficaz
en el tiempo, cronológicamente el primer método empleado consiste en concentrar en una
superficie reducida las radiaciones solares recogidas en una gran superficie.
Mediante espejos esféricos, parabólicos o troncocónicos se iniciaron los dispositivos
solares para producir energía.
En la actualidad el avance en la utilización de energía solar es muy grande y los
países desarrollados ya están vendiendo programas de desarrollo energético a base de
energía solar, la misma que cada día se acerca más y más a competir en los precios de
dólares por kilovatios. Este tipo de energía obtenida se denomina renovable.
Energía fotovoltaica
Se dice que la energía solar fotovoltaica es la energía del futuro. Su despegue se produjo en el contexto de programas espaciales, en los cuales se ha permitido hacer funcionar satélites artificiales por energía solar, aprovechando directamente la radiación del sol.
Como características positivas podemos mencionar que, en este tipo de energía, la energía solar se transforma en energía eléctrica sin partes móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas.
Esta generación eléctrica es de duración prácticamente ilimitada, no requiere mantenimiento, no produce contaminación ni hace ruido.
El efecto fotoeléctrico permite transformar directamente energía solar (ya sea directa o difusa) en energía eléctrica continua. Para ello, se suelen utilizar semiconductores, y en especial el silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre que se obtiene de la arena).
El elemento base es la célula solar. Suelen ser de silicio monocristalino, policristalino o amorfo. Los conjuntos de células se orientan hacia el Sur para aprovechar más la radiación solar, y son conectadas a un sistema de almacenamiento (baterías) y de conversión de la corriente.
Se trata pues de una fuente de energía que puede aprovecharse en cualquier aplicación: red eléctrica, consumo en lugares aislados de zonas rurales.
ENERGÍA EÓLICA
El viento es una masa de aire en movimiento. El aire es el fluido gaseoso que envuelve a
toda la tierra, fluido que es indispensable para la vida humana, la de los animales, para
las plantas, que respiran de modo análogo a la del hombre, Esta envoltura recibe el
nombre de atmósfera.
La vela
Se desconoce a ciencia cierta cual fue la primera utilización práctica de la energía del viento, primera en modalidad como es natural, La primera idea creadora del hombre primitivo fue la vela y su utilización en la navegación.
La forma de vela más utilizada es la cuadrada era tan sencilla como la embarcación, posterior a ella es la vela triangular.
Durante muchas reglas el hombre utilizó la vela como único medio posible para atravesar los mares, y el viento y la vela constituyen un binomio de elementos inseparables. El viento proporciona la energía más barata que se podía imaginar pero es mudable en velocidad y dirección, inconstante.
El molino de viento
Es la máquina energética más sencilla que se conoce y el único ingenio inventado por el hombre, después de la vela, para aprovechar el viento como agente activo productor de energía.
El moderno molino de viento, se desea a que la técnica modificó y mejoró, mediante el aligeramiento de su estructura.
Con el fin de aumento el rendimiento de estos aparatos se sustituye la típica rueda de aspas, por turbinas de eje vertical y provistos, de numerosos alabes grandes, regulables y movibles alrededor de sus ejes respectivos, con el fin de transformar la turbina en cilindros de superficie continua y deslizante cuando el viento alcanza grandes velocidades.
Actualmente, también este tipo de obtención de energía ha desarrollado extraordinariamente y su uso como energía alternativa esta bien difundida en el mundo. Es también de energía renovable.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
Los volcanes no son las únicas manifestaciones de la energía calorífica de la tierra,
de orden inferior son las que proporcionan los géiseres, las fumarolas y los soffinis,
manifestaciones atenuadas del vulcanismo.
Los géiseres son chorros intermitentes del agua líquida caliente mezclada con vapor de
agua que surgen con violencia del suelo en algunas regiones.
Las fumarolas son manifestaciones puramente de naturaleza volcánica, masas de gases a
temperaturas elevadas a 200oC, en otras surgen agua con abundantes vapores de ácido
clorhídrico y gas sulfuron que se disuelven en el agua que surgen con ellos.
Los soffionis, son manifestaciones de la energía interna de la Tierra, fuentes de vapor
de agua a temperatura superior a 100oC comprendidos 145o a 300oC y a una presión elevada,
entre 5 y 30 atmósferas.
Este tipo de energía se va difundiendo su captación pero muy lentamente, no ha
desarrollado mucho.
Los sistemas geotérmicos aprovechan las fuerzas existentes en el interior de la Tierra
para producir energía útil para el consumo.
El interior de la corteza terrestre alberga energías que se encuentran en constante
movimiento, los terremotos son una manifestación de esas fuerzas, así como los volcanes
activos, que liberan en la superficie de la Tierra el exceso de energía que se mueve en
su interior. La zona del interior de la tierra donde se producen esas fuerzas se encuentra
aproximadamente a unos 50 Km. de profundidad, en una franja denominada sima o sial.
Conforme se desciende hacia el interior de la corteza terrestre se va produciendo un
aumento gradual de temperatura, siendo ésta de un grado cada 37 metros aproximadamente.
No obstante, existen zonas de( nuestro planeta donde las altas temperaturas se encuentran
al nivel de la superficie, donde las instalaciones geotérmicas podrían ser más
rentables.
ENERGÍA NUCLEAR ATÓMICA
Es una nueva fuente que por su alimentada amplitud y por sus características parece
entrar en el dominio de lo mágico, se refiere a la utilización industrial de la energía
atómica que superó los sueños de los alquimistas medievales. Una fuente de energía
inextinguible, puesto que ha resuelto el problema del autoabastecimiento continuo, debido
a que en el reactor nuclear se ha conseguido, que la fusión del usuario 235 se convierta
en una mayor cantidad de nuevos elementos fisionables o escindibles que la consumida.
En 1959 se inició la construcción de centrales electro atómicas, luego la energía
nuclear se empezó a experimentar para uso en las locomotoras, la navegación en los
submarinos, en cohetes estratosféricos y en los satélites artificiales, etc., pero aún
así durante varias décadas hubo un desarrollo muy grande en la construcción de
centrales eléctricas nucleares, sin embargo con el transcurrir del tiempo fueron
decayendo, debido a la radio actividad producida, así como a las protestas de grupos
ecologistas. Solo en Japón ha tenido éxito el uso de energía nuclear y por varios años
su programa energético estuvo basado en el desarrollo de este tipo de energía.
ENERGÍA DE LA BIOMASA
La biomasa, o cantidad de materia orgánica que constituyen todos los seres vivos de
nuestro planeta, es una fuente de energía renovable, pues su producción es infinitamente
más rápida que la formación de los combustibles fósiles. La biotecnología ha
permitido que de la biomasa puedan extraerse combustibles absolutamente ecológicos;
mediante su destilación, gasificación, hidrólisis o digestión aeróbica.
Los organismos fotosintéticos, tales como plantas y algas, proveen la mayor biomasa de la
Tierra, con un volumen estimado cercano al 80% del total; algo menos de la mitad
corresponde a los bosques y zonas arboladas. Para dar una idea de la ingente cantidad de
biomasa agrícola y forestal que se produce anualmente mediante la fotosíntesis, basta
decir que supone todo el consumo de energía del mundo multiplicado por 10, o 200 veces
todo el volumen de alimentos dispuestos. Los organismos fotosintéticos marinos y
terrestres convierten la energía del sol en materia orgánica de forma continuada, por
tanto constituye una auténtica fuente de energía renovable.
Con las demandas de los combustibles fósiles, decayeron vertiginosamente las
investigaciones en materia de biocombustibles, Hasta entonces el biocombustible principal
y más utilizado era la madera, tanto para su uso como fuente propulsora en vehículos de
transporte, como para calefacción. Asimismo, muchos vehículos utilizaban biocombustibles
a base de metanol y etanol mezclado con gasolina. Solo las crisis surgidas en los sectores
de combustibles fósiles en los últimos tiempos, ha permitido que se renueven las
esperanzas y se comience a investigar de nuevo en este tipo de energías.
El ejemplo más visible de como el biocombustible puede llegar a ser más que rentable
para nuestra maltratada naturaleza, lo encontramos en Brasil donde, desde hace muchos
años, se produce etanol a gran escala a partir de melazas de caña de azúcar o pulpa de
mandioca. Este biocombustible se mezcla al 20% con la gasolina que utilizan los
automóviles, lo que supone un considerable ahorro en la factura de petróleo, además de
una verdadera buena noticia para el medio ambiente, al ser éste un combustible que no
emite residuos contaminantes a la atmósfera.
ENERGÍA DEL MAR
Cuando algo se mueve, está realizando un trabajo, y para realizar un trabajo. Si hay algo
que esté en continuo movimiento, ese algo es el mar. Observando desde lejos puede parecer
muy tranquilo, pero cuando nos acercamos a él comprobamos que su superficie se mueve
continuamente mediante ondulaciones que pueden ser muy suaves o pueden convertirse en
grandes olas que rompen estruendosamente al chocar contra los acantilados. Los cuerpos que
flotan son arrastrados de aquí para allá por corrientes marinas. El nivel del mar
tampoco está quieto, sino que sube y baja dos veces al cabo del día, constituyendo así
el fenómeno de las mareas, que en ciertas zonas son tan acusadas que pueden cubrir y
descubrir en pocas horas grandes extensiones de terreno.
Así, todo este movimiento es reflejo de la energía almacenada en el agua, y en ciertos
lugares donde el movimiento es mucho mayor, lógicamente, el contenido en energía
también será muy grande y tal vez se pueda aprovechar utilizando dispositivos o aparatos
ingeniosos y eficaces.
Los movimientos más importantes del mar podemos clasificarlos en tres grupos: corrientes
marinas, ondas y olas y mareas.
Lan ondas y olas y las corrientes marinas tienen origen en la energía solar, mientras que
las mareas son producidas por las atracciones del Sol y de la Luna.
Algunas formas para obtener la energía del mar pueden ser mediante las corrientes
marinas, las ondas y olas, las mareas, o la energía térmica del mar.
ENERGÍA QUÍMICA
La energía química es una manifestación más de la energía. En concreto, es uno de los
aspectos de la energía interna de un cuerpo y, aunque se encuentra siempre en la materia,
sólo se nos muestra cuando se produce una alteración íntima de ésta.
En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los
aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la
leña o del petróleo en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en
el estrecho y reducido espacio de los cilindros de un motor de explosión, constituyen
reacciones químicas.
El carbón y la gasolina gasificada se combinan con el oxígeno del aire, reaccionan con
él y se transforman suave y lentamente, en el caso del carbón, o instantánea y
rápidamente, en el caso de la gasolina dentro de los cilindros de los motores. Las
mezclas gaseosas inflamadas se dilatan considerable y rápidamente y en un instante
comunican a los pistones del motor su energía, de traslación, su fuerza viva o de
movimiento.
Si se rodeasen el carbón o la leña, la gasolina y el petróleo de una atmósfera de gas
inerte, por ejemplo nitrógeno gaseoso, ni los primeros arderían ni los últimos
explotarían en los cilindros. El nitrógeno no reacciona con aquellos cuerpos y las
mezclas de gasolina y nitrógeno ni arden ni explotan.
Finalmente, hay que mencionar la más reciente y espectacular aplicación de la energía
química para lograr lo que durante muchos siglos constituyó su sueño: el viaje de ida y
vuelta al espacio exterior y a la Luna, así como la colocación de distintos tipos de
satélites artificiales en determinadas órbitas.
ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía eléctrica no se puede utilizar directamente a partir de su manifestación
espontánea en la Naturaleza. En la actualidad los medios usuales de producirla son: a)
Centrales Hidroeléctricas, b) Centrales Térmicas, c) Centrales Nucleares.
Las primeras utilizan la energía que se genera en los desniveles o saltos de agua; en
general se suelen obtener buenos rendimientos y precios bastante bajos en la energía
eléctrica así producida. En España, el carácter muy accidentado de la orografía ha
propiciado la obtención de electricidad a partir de este tipo de centrales eléctricas.
Así, durante 1978 el 42% de toda la energía eléctrica producida en nuestro país fue de
origen hidráulico.
No obstante, dos de las condiciones exigidas para la instalación de centrales
hidroeléctricas -orografía accidentada y lluvias regulares- constituyen insuperables
dificultades allí donde no se dan. Por ejemplo, años de escasez de lluvias se traducen
en drásticas bajas en la producción de energía,
Los otros tipos de centrales eléctricas (térmicas y nucleares) basan su funcionamiento
en el carbón o petróleo (térmicas) ó en el uranio (nuclear). Como es lógico, la
rentabilidad de unas y otras depende, en cada caso, tanto del precio de construcción de
la central como de los precios corrientes de los combustibles de los que se valen.
Uno de los inconvenientes que suelen darse a este tipo de centrales es la contaminación
ambiental que pueden ocasionar. Tanto las centrales térmicas de carbón y Fuego como la
mayoría de la nucleares, realizan una refrigeración de agua, y en todos los casos se
eliminan cantidades de vapor de agua por las chimeneas. Este vapor de agua hace aumentar
la temperatura y la humedad de los lugares cercanos, por lo que se pueden operar cambios
climáticos perjudiciales en algunos casos. Además, en las centrales nucleares pueden
darse otros problemas, tanto por los riesgos que comporta la manipulación del Uranio
(extracción de las minas y enriquecimiento), como por los posibles fallos es los sistemas
de refrigeración, seguridad o de control, así como por la dificultad de un eficaz
almacenamiento y posterior eliminación de residuos radiactivos.
CONCLUSIONES
La energía convencional a base de energía hidráulica y térmicas que usa como
combustible el petróleo continuará predominando por mucho tiempo más, debido a su
versatilidad y facilidad de obtención. En algunos países como el Japón la energía
térmica no convencional a base de combustible nuclear será el soporte de su desarrollo
tecnológico.
La energía solar y eólica las cuales son energías limpias que no contaminan el ambiente
y son renovables, presentan muchas aplicaciones en la actualidad y éstas se
incrementarán en el comercio.
La aplicación de las energías convencionales se da en las centrales hidroeléctricas. En
el caso del Perú la más importante Central Hidroeléctrica del Mantaro, suministra
energía a muchas industrias y ciudades del País.
En el caso de las centrales térmicas se utilizan en centros aislados como Iquitos,
Pucallpa existiendo interés en extenderlo en diferentes pueblos rurales del País.
Bibliografía
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* Docente de la Facultad
de Ingeniería Electrónica.
UNMSM
E-mail: lmillal@unmsm.edu.pe
