Energies Renovables

Índex
Introducció
La societat occidental té un abans i un després de l'automòbil. Ha canviat les nostres vides, les nostres ciutats,
els nostres costums; ja parlem d'una cultura de l'automòbil . Però l'automòbil també s'ha convertit en una
amenaça ambiental i en un principal consumidor d'energia de la nostra societat.
Tot això ens fa reflexionar al voltant d'aquest fenomen que és l'automòbil. És evident que, si volem reduir
l'impacte de l'automòbil sobre el nostre entorn, ens caldrà una tecnologia més neta i més eficient. Però, per
sobre de tot, ens caldrà el compromís de tots nosaltres per aconseguir una conducció responsable, par a un ús
assenyat de l'automòbil.
Les administracions públiques i les escoles han d'informar, educar, assessorar i sensibilitzar la societat sobre
el consum energètic i l'impacte ambiental dels automòbils, per tal de canviar l'ús que en fem i aconseguir
fer−ne un ús més responsable. Només si la societat participa i es compromet amb la solució per al problema
s'aconseguirà algun resultat durador i eficaç a llarg termini.
El sector del transport és avui el que consumeix més energia a Catalunya. La meitat d'aquest consum es
produeix en espais urbans i una quarta part en desplaçaments de menys de 2km.
El creixement de les zones urbanes i de la densitat de població, l'augment del parc de vehicles fins als gairebé
quatre milions i el canvi en l'estil de vida de les persones marquen una clara tendència cap a la mobilitat
obligada per accedir de la residència als serveis i llocs de treball o d'estudi. Per això és necessari implementar
les noves tecnologies i els nous vehicles al transport urbà.
Les energies renovables
A través de la seva historia, l'ésser humà ha anat creixent sobre la dependència energètica. Avui en dia és
inimaginable la vida sense energia. Il·luminació, calefacció, refrigeració, cocció dels aliments, transport,
comunicació, cada petita part del nostre mon quotidià està lligat a l'energia.
L'energia pot classificar−se segons la forma en que s'obté: energia no renovable o convencional, i energia
renovable o alternativa.
L'energia no renovable prové de fons que s'esgoten com l'urani, carbó i el petroli.
Les energies renovables són aquelles que no s'esgoten com l'energia solar, eòlica, mareomotriu, geotèrmica,
etc.
Produir energia neta, apostar per les renovables, frenar la dependència de les importacions energètiques,
limitar l'efecte hivernacle... són objectius que és difícil imposar−se.
Les energies renovables podrien solucionar molts dels problemes ambientals, com el canvi climàtic, els
residus radioactius, la pluja àcida i la contaminació atmosfèrica. Les energies renovables podrien cobrir un
terç del consum d'electricitat i reduir les emissions de diòxid de carboni en un 20% per l'any 2005.
1
Perquè serveixen les energies renovables?
Donat l'elevat cost de l'energia renovable, la seva introducció en el mercat és lenta.
Dia a dia, a mesura que el cost de l'energia no renovable incrementa i els jaciments s'esgoten, les energies
renovables van guanyant espai, i es converteixen en un avantatge.
Aplicacions més freqüents
Electrificació d'habitatges aïllats, cuinar, refrigeració, enllumenat, calefacció, vehicles elèctrics,
senyalització...
Tipus d'energies renovables
Algunes de les energies renovables més utilitzades són:
L'energia solar és la que procedeix de les radiacions del Sol que arriben a la Terra, on escalfen l'atmosfera i
fan possible la vida. Tenim dos tipus d'energia solar: energia tèrmica i energia fotovoltaica.
L'energia hidràulica és l'energia que aprofita la velocitat i la pressió dels corrents d'aigua que tornen al mar.
L'energia eòlica és la que proporciona la força del vent.
L'energia de la biomassa és el conjunt de matèria orgànica d'origen vegetal o animal susceptible de ser
utilitzada per produir energia.
L'energia geotèrmica és la que ens proporciona la calor interna de la terra, i utilitzant el vapor de la calor es
fa moure un generador elèctric que produeix electricitat. També serveix per la calefacció.
L'energia mareomotriu és la que s'obté aprofitant la força de les marees, el moviment de les ones i la
diferencia de temperatura de l'aigua segons la profunditat.
Fonts alternatives
Combustibles alternatius al petroli
El transport a Catalunya depèn avui pràcticament en la seva totalitat de derivats del petroli. Per això, en les
properes dècades, el sector es veurà abocat a un canvi radical de l'estructura energètica per raons d'eficàcia
tecnològica, econòmica i ambiental.
La baixa diversificació de fonts energètiques del sector (més d'un 98% del transport català depèn dels derivats
del petroli), i la limitació futura de les exigències del petroli fan necessari l'avenç en el desenvolupament de
nous combustibles, fons energètiques i sistemes de propulsió.
Cal donar suport a la recerca i a les noves alternatives que dibuixen un nou escenari energètic pel futur. A
grans trets, les línies d'investigació més reeixides són les que estudien les possibilitats que ofereixen el gas
natural comprimit, el gas liquat i l'electricitat.
Transports amb energies alternatives
2
Els transports actuals utilitzen, normalment, el diesel o la benzina per a la seva combustió. Aquests dos
combustibles són molt contaminants per al medi ambient, per això s'estan buscant energies alternatives.
Les ramificacions de l'escalfament urbà del planeta ens obliguen a parar l'abocament de carbons a l'atmosfera.
Els fabricants de vehicles han descobert altres tipus de combustibles que són molt menys perjudicials per al
medi ambient.
El 50% dels problemes en el transport d'avui en dia poden ser deguts a l'ús dels motors de combustió interna
per la gran contaminació que aquest produeix.
Vehicles elèctrics
La seva aparició és anterior a la dels vehicles de combustió (tenen més d'un segle d'antiguitat). Han tornat a
reviure. Ens ofereixen una millor forma de fer funcionar qualsevol vehicle.
El vehicle elèctric (VE) és una forma de fer funcionar un cotxe amb només 1/3 de la reducció de recursos
naturals y 1/20 de la pol·lució ambiental. El VE és eficient, silenciós i no utilitza gasolina ni olis, és totalment
ecològic.
Un vehicle elèctric és aquell que utilitza un motor elèctric enlloc d'un motor convencional d'explosió, i un
pack de bateries enlloc d'un tanc i benzina. El motor elèctric té una mida d'uns 25 litres, i es connecta
directament a una transmissió estàndard. El pedal accelerador del vehicle està connectat mitjançant un enllaç a
un controlador elèctric. Pressionant l'accelerador lleugerament, enviarem energia al motor elèctric en
proporció a la pressió que fem sobre el pedal.
El tramvia
És un ferrocarril, generalment de tracció elèctrica, instal·lat en una via pública per on poden circular al mateix
temps tota mena de vehicles, per la qual cosa els carrils, de perfil especial, són encaixats en el paviment del
carrer o de la carretera i el corrent elèctric és pres generalment d'una catenària mitjançant el tròlei. Els primers
tramvies eren de tracció animal.
El tren
És una sèrie de vagons enganxats els uns amb els altres que, arrossegats per una o més locomotores,
condueixen passatgers (tren de passatgers) o mercaderies (tren de mercaderies o tren de càrrega) d'un punt a
un altre d'una via fèrria.
El metro
Ferrocarril destinat al transport ràpid que s'aplica essencialment a grans ciutats de més d'un milió d'habitants.
El seu recorregut és generalment subterrani, o elevat en viaducte, per tal de no interferir en el trànsit urbà.
Automòbils elèctrics
Els VE són automòbils que funcionen amb energia elèctrica enlloc de benzina. Tenen els seus avantatges, com
el rendiment i la baixa contaminació, i els seus inconvenients, com el preu, la velocitat y la autonomia.
Actualment són el tipus de cotxes més eficaços que es poden comprar.
3
Alguns components bàsics dels vehicles elèctrics són:
Centres d'Energia Elèctrica
És el cervell electrònic que dirigeix la bateria per a la càrrega i la distribució.
Controlador dels Sistemes del Vehicle
És el cervell de tot el cotxe, que realitza les operacions crítiques de l'automòbil i s'assegura que el cotxe
funcioni.
Centre Protector de l'Energia
Assegura la protecció elèctrica quan condueixes, carregant la bateria, etc.
Bateria de Sulfur de Sodi
Aquest tipus de bateria té tres o quatre vegades més espai d'emmagatzematge d'energia que les bateries
convencionals d'àcid de plom.
Sistema de Control Climàtic
L'automòbil funciona amb calefacció automàtica (no s'ha d'esperar que el vehicle s'escalfi), i un silenciós
sistema d'aire condicionat.
Frens Regeneratius
Quan frenes, el motor del VE es torna generador, i l'energia que normalment es perd, es torna electricitat i
s'emmagatzema per al seu ús posterior a les bateries.
Tecnologia de bateries
Per proporcionar una acceleració ràpida i uns viatges de llarga distància, les bateries del VE han de tenir una
gran potència i una gran energia. A més a més, ha de ser barat, fàcil de mantenir, segur i tolerant als abusos
del funcionament diari dels vehicles.
La bateria de àcid−plom és la més utilitzada en el mercat per al VE.
Hi ha diferents tipus de bateries:
• plom−àcid (actuals)
• plom−àcid (horitzó)
• Níquel−Cadmi
• Níquel−Acer
• Níquel−Metall híbrid
− Lithium−Ion
Reciclatge de bateries
Un dels punts crítics de la infrastructura dels VE és assegurar−se que les bateries siguin respectuoses amb el
medi ambient. El reciclatge de les bateries de plom−àcid s'està fent actualment, i existeix suficient capacitat
4
de reciclatge per donar suport a l'increment de curt termini de l'ús de les bateries.
Sistemes de càrrega
La tecnologia de càrrega d'avui en dia inclou sistemes de càrrega conductius (contacte metall−a−metall) i
inductius (magnèticament enllaçats).
· Sistemes conductius: utilitzen un sistema d'endoll i cable que pot canviar segons el tipus de connector
utilitzat i el nivell de voltatge i corrent. El carregador pot estar localitzat dins el vehicle o fora.
· Sistemes inductius: utilitzen un cable i un connector en forma de pala que transmet l'energia del sistema
elèctric exterior al VE per mitjà de la inducció magnètica.
Vehicles amb energia solar
Existeixen tres tipus de categories d'energia solar:
1.− Els que poden funcionar pràcticament amb el Sol, sense necessitar pràcticament bateria. Aquest té
l'inconvenient de que si passa per llocs amb ombres o si es posa núvol es redueixen molt les seves possibilitats
o es para. Bàsicament aquest tipus de vehicle només es construeixen per els grans Rallys Solars, ja que són
poc utilitzats en la vida quotidiana per la seva gran envergadura.
2.− Els que utilitzen els pannells per acumular energia en una o varies bateries i el motor s'alimenta d'elles, els
pannells aporten una gran part de l'energia que es necessita per al seu funcionament. És el tipus de vehicle
més comú que permet una envergadura i més acord amb les dimensions habituals.
3.− Els vehicles elèctrics que com a molt porten algun petit pannell per mantenir la bateria o efectuar petites
recarregues i bàsicament es carreguen de la xarxa elèctrica.
Perquè aquest tipus de vehicles es considerin solars és imprescindible que en lloc de la recarrega, existeixi una
instal·lació d'energia solar que proporcioni l'energia necessària. Pot ser una instal·lació autònoma (amb
bateries) o amb connexió a la xarxa elèctrica que és més eficient, d'aquesta forma encara que no coincideixin
les hores de Sol amb les hores de recarrega del vehicle, el balanç energètic final és el que compta.
Parts del vehicle solar
Motor
La part més important del vehicle solar és el motor elèctric, d'ell depèn no només la velocitat i prestacions
sinó també el consum d'energia.
El més aconsellable és instal·lar un motor de corrent continua de la potència adequada (mínim 400W per una
persona). La majoria d'aquests motors treballen a elevades revolucions i requereixen reductors mecànics que
impliquen pèrdues d'energia.
Transmissió
Actualment, per transmetre la força del motor a les rodes, en els vehicles lleugers, s'utilitza la típica cadena de
moto o de bicicleta o la corretja dentada. Cada una d'elles té avantatges i inconvenients segons l'aplicació.
· Corretja: − Avantatges: silenciosa, sense greixar i lleugera.
5
− Inconvenients: necessita més tensió i preu.
· Cadena: − Avantatges: menys tensió, més marge i economia.
− Inconvenients: soroll, greixar i pes.
Variador
Un element imprescindible és el variador de velocitat, sobretot si el vehicle ha de superar els 10km/h. El
variador és l'encarregat d'actuar com a accelerador i permet una arrencada suau.
Els variadors actuals amb tecnologia de Mos−Fet no tenen quasi pèrdues d'energia al commutar a alta
freqüència (30 kHz) per regular el voltatge d'alimentació.
També permeten la inversió de polaritat per la marxa enrere i la recuperació d'energia al frenar o reduir la
velocitat així com a les baixades.
Bateria
El punt dèbil d'un vehicle solar és la bateria, s'està treballant molt per investigar noves formes
d'emmagatzemar l'energia elèctrica, però per ara el que hi ha en el mercat actual són les bateries de plom, les
més econòmiques. Les de níquel−cadmi o les de níquel hidrur són de preu elevat i per ara les segones de poca
capacitat.
Dintre de les de plom podem escollir entre tres tipus: plom/àcid, plom àcid−hermètica i plom àcid−gel.
El pannell solar
Existeixen pannells de moltes mides diferents, cosa que permet la combinació adequada per aprofitar el
màxim l'espai disponible, també es possible demanar pannells sense el marc d'alumini per posar−lo en
el sostre amb un baix perfil. Existeixen pannells sense vidre, molt lleugers, però de poca potència, i el
preu és més elevat.
Control de l'energia
Per un control total de l'energia que obtenim i la que consumim s'utilitza un instrument, que té:
• Voltímetre, amperímetre, % de carrega de bateria i comptador de Ah (ampers/hora) en corrent
continua.
• És reversible. Disposa de memòria de: Ah carregats, voltatge mínim. Voltatge màxim, indicació de
bateria carregada, indicació de carrega.
• De 1 a 99% de carrega de bateria.
• Consulta de tots els paràmetres amb només dues tecles.
• Alimentació de la pròpia bateria. Consumeix 30 mA
• Mida: 11x12cm
Comptaquilòmetres
No només ens indica la velocitat actual sinó que també veiem els quilometres recorreguts, el temps que em
tardat, la màxima velocitat, la mitjana, etc.
Altres possibilitats
6
No només s'han construït vehicles terrestres alimentats per energia solar, sinó també s'han fet embarcacions i
avions.
Avions solars
L'avió solar podria considerar−se com el vol més ecològic dins dels avions de motor. S'estan desenvolupant
interessants investigacions en aquest camp amb resultats interessants.
El cotxe d'aire comprimit (MDI)
Mesura 2.65 m de llarg i té tres places (la del conductor al mig) i un maleter molt gran. Amb aquest cotxe es
poden recórrer 200 km amb un consum de 2€ i emetent pel seu tub d'escapament aire net a − 20º. Aquest
vehicle pot servir tant per grans trajectes (amb aire−benzina) com per circular per la ciutat (aire comprimit).
Altres aplicacions de la tecnologia MDI són la congeneració, la nàutica, els grups electrògens, i totes aquelles
en les que es pugui aplicar l'aire comprimit com a sistema d'acumulació d'energia.
El vehicle de transport urbà MultiCAT's no contamina i inclou també importants avantatges econòmiques. És
un tipus de tren amb rodes pneumàtiques que aconsegueix transportar fins a 135 persones amb un cost
energètic de 2.5€ cada 100 km, cosa que podria permetre als ajuntaments oferir transport pràcticament gratuït
als seus ciutadans.
Vehicles de gas natural
El gas natural pot ser utilitzat com a combustible per als vehicles a motor de dos formes: com a gas natural
comprimit (GNC), la forma més utilitzada, o com a gas liquat.
Les preocupacions respecte a la qualitat de l'aire a la major part de les regions del món reforcen l'interès per la
utilització del gas natural. Els vehicles que utilitzen aquest tipus de combustible produeixen un 20% menys de
gas amb afecte hivernacle que els vehicles que funcionen amb benzina o amb diesel. La utilització de gas
natural en els vehicles motoritzats no és una novetat, ja que ja s'utilitzaven als anys 30. En molts països,
aquest tipus de vehicles són presentats com una alternativa als autobusos, taxis i altres transports públics. El
gas natural en vehicles és a la vegada barat i pràctic.
Beneficis econòmics
El gas natural costa d'un 15 a un 40 per cent menys que la benzina i el diesel. És un combustible de combustió
que redueix la necessitat de manteniment dels vehicles.
Emissions
El gas natural és un dels combustibles més nets. Les emissions de monòxid de carboni dels automòbils amb
gas són aproximadament un 70% més baixos, les de gas orgànic no matà són un 80% menors i les d'òxid de
nitrogen són un 87% més baixes que les dels automòbils amb benzina.
Seguretat
Els vehicles que utilitzen gas natural són tan segurs com els que utilitzen benzina. En cas d'accident el gas es
dispara a l'atmosfera en comptes de fer un bassal, el que redueix riscs d'incendis.
Vehicles d'hidrogen
L'element fonamental del vehicle d'hidrogen és la pila combustible que extreu els electrons de l'hidrogen per
7
convertir−los en electricitat. Actualment, les piles de combustible han aconseguit una bona eficàcia i permeten
2kW per litre i per quilo amb pressions variables. Això s'aconsegueix connectant una sèrie de fins a unes 200
cèl·lules simples. Un motor de 60kW permet arribar a velocitats modernes. La velocitat a l'automòbil
d'hidrogen és el resultat de la potència de quilowatts que té l'electricitat injectada en el rotor.
Les centrals d'hidrogen poden obtenir l'hidrogen per electrització de l'aigua amb energia elèctrica renovable
com la produïda pels parcs eòlics o els pannells solars instal·lats com a coberta d'un aparcament públic. La
fabricació d'hidrogen per electròlisi és la menys eficient, però una vegada comprimit i emmagatzemat en el
vehicle, aquest hidrogen supera el 75%. En canvi, quan l'hidrogen s'extreu del metà , el rendiment d'aquest
procés és més elevat, però el rendiment global, valorant tot el procés, se situa al voltant del 48% i el 60%. Per
això, els motors d'hidrogen tenen un rendiment del 55% respecte el 30% que produeixen els motors de
combustió interna.
Existeixen autobusos propulsats per hidrogen en funcionament. Mentre, queden alguns problemes per resoldre
com el seu pes que encara és molt elevat i el preu que és 10 vegades superior a un vehicle convencional.
Les piles de combustible
El món de l'automòbil pot ser la clau per impulsar el desenvolupament de l'hidrogen.
La pila combustible és un sistema d'emmagatzament i transport d'energia totalment neta, ja que no emet cap
residu ni gasos contaminants.
La producció de la pila combustible és senzilla: es provoca la reacció de l'hidrogen amb l'oxigen de l'aire i
s'obté energia més aigua. Amb l'hidrogen com a vector d'energia neta, la pila de combustible obre perspectives
molt interessants des del punt de vista de la reducció dels gasos que produeixen efecte hivernacle i de la
diversificació de les fonts de producció d'electricitat.
Funcionament de les piles de combustible:
L'hidrogen flueix cap a ànode on un catalitzador com el platí facilita la seva conversió en electrons i protons.
Aquests travessen la membrana
electrolítica per combinar−se amb l'oxigen i els electrons al costat del càtode. Els electrons, que no poden
travessar la membrana, flueixen de l'ànode al càtode a través d'un circuit extern i alimenten dispositius
8
elèctrics. Una celda electroquímica produeix aproximadament 1 Volt. Per aplicacions de potencia s'agrupen
moltes d'aquestes celes per formar la pila de combustible, les quals el seu voltatge augmenta en proporció del
nombre de celes agrupades.
Tipus de piles de combustible:
Tipus de
símbols amb electròlit temperatura combustible aplicacions avantatges
Anglés
polimèriques
Nafió
(PEMa)
alcalines
(AFC)
d'àcid
fosfòric
(PAFC)
KOH
(aq.)
H3PO4
60−100 ºC
90−100 ºC
H2
H2
175−200 ºC H2
de carbonats
fosos
(MCFC)
carbonats
600−1000 ºC H2
Li, Na, K
D'òxid sòlid
(SOFC)
(Zr,Y)O2 800−1000 ºC H2
conversió
directa de
metanol
(DMFC)
Nafió
60−100 ºC
CH3OH
transport
equips
portàtils
electricitat
baixa temperatura,
arranc ràpid,
electròlit sòlid
(redueix corrosió,
fugues, etc.)
millors
subministraments
militars
de corrent degut a
espacials
la seva ràpida
reacció catódica.
eficiència de fins un
85% (con
cogeneració de
Electricitat calor i electricitat).
Possibilitat
d'utilitzar H2 impur
com a combinació.
Inconvenients
la baixa
temperatura.
requereix
catalitzadors
cars (Pt) I H2
pur.
Requereix
eliminar el CO2
d' aire i
combustible.
catalitzador de
Pt.
corrent i
potència baixes.
pes i mida
elevats.
les altes
temperatures
avantatges derivats
augmenten la
Electricitat de les altes
corrosió i
temperatures.
trencament de
components
avantatges derivats
les altes
de les altes
temperatures
temperatures.
faciliten el
Electricitat
L'electròlit sòlid
trencament de
redueix corrosió,
components
fugues, etc.
combustible líquid,
transport
més proper a la
equips
tecnologia actual,
portàtils
més les avantatges
electricitat
de les PEM.
Scooter d'hidrogen: Mojito FC
El ciclomotor d'hidrogen permet una autonomia amb el dipòsit ple de 190 km a 55 km/h.
9
L'Scooter utilitza una pila de combustible. Aquesta utilitza una tecnologia avançada per reduir la seva mida i
el seu pes.
L'aplicació de l'hidrogen en els ciclomotors obre una via per reduir la contaminació i el soroll que amb el
temps els motors de combustió interna produeixen. Els ciclomotors elèctrics basats en l'hidrogen no només
estalvien amb contaminació sinó que podrien recarregar−se en estacions de servei equipades amb energies
renovables.
L'aplicació de piles de combustible de petita potència està propiciant un nou concepte en la generació
d'energia. L'energia portada per una bom−bona d'hidrogen és el doble de la que pot subministrar una bateria i
amb un pes més gran.
Bibliografia
Enciclopèdia Catalana, autors variats, editorial Gran Enciclopèdia Catalana, Barcelona, Abril 1988. Pàgines
149−150, volum 15;Pàgina 55, volum23; Pàgines 20−21, volum 23.
www.icaen.es
www.panoramaenergetico.com
www.terra.es
www.altec.com
Buscadors: www.yahoo.es
www.google.com
www.altavista.com
www.lycos.es
www.carinergree.com
www.cosmac.udg
www.shelios.com
www.uaedolphin.com
Conclusions
• Les energies renovables són importants perquè no contaminen però malauradament , avui en dia
s'utilitzen molt poc.
• L'energia renovable del futur creiem que pot ser l'hidrogen acompanyat per la pila combustible, tot i
10
que encara s'han d'acabar de desenvolupar.
• Si en el futur substituïm els combustibles (benzina i diesel) per els esmentats es podria reduir molt la
contaminació de l'aire i l'efecte hivernacle.
• L'inconvenient de les energies alternatives és que encara són molt cares.
Conjunt de cables que constitueixen la línia àrea de contacte dels ferrocarrils elèctrics i els tramvies.
Dispositiu de presa de corrent d'alguns vehicles de tracció elèctrica.
Conductor elèctric que té carregues negatives i receptor de les positives en tots aquells dispositius a l'interior
dels quals hi ha un medi no metàl·lic.
Introducció
•
11