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El oro solar y otras fuentes de energía
El oro solar y otras fuentes de
energía
Compilación y armado Sergio Pellizza
Dto. Apoyatura Académica I.S.E.S
B i b l i o t e c a s
P R I M E R A
I L S E
P A R T E
I. EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR
II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEVÓ
III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGÍA DE LA BIOMASA
S E G U N D A
P A R T E
IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS
V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS
VI. CATARATAS DE ENERGÍA
VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL
VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS
IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
I N T R O D U C C I Ó N
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1. LA ENERGÍA ES DELEITE ETERNO1
EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas
Alva Edison, mejor conocido como "el mago de Menlo Park"
construyó la que fue, junto con la estación Holborn Viaduct de
Londres, la primera planta de potencia para generar energía
eléctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante
una instalación de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si
fallaba alguna lámpara, ¡toda la ciudad se quedaba sin luz!, como
sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad.
Actualmente, ¿qué ocurriría si cuando fallara un foco toda la
ciudad se quedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una
posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparato eléctrico nos
parece lo más natural. Sin embargo, tener la posibilidad de
hacerlo requirió de muchos años, desde que se descubrieron las
leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construyó la
primera planta eléctrica de potencia.
Pero, a su vez, la construcción de la primera planta eléctrica
necesitó la invención del foco, logro que disputaron Thomas A.
Edison y Joseph Wilson Swan.
En el debate entre Edison y Swan, decía el primero, refiriéndose a
Swan: "Ahí lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer
algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que
hace años lograron lo mismo."
Swan, quien permaneció callado durante mucho tiempo, escribió
en la revista Nature, en enero de 1880:
Hace quince años utilicé cartón y papel carbonizado en la
fabricación de una lámpara eléctrica basada en el principio de la
incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen
ustedes que la está usando ahora el señor Edison. Entonces no
logré obtener la duración que buscaba, pero desde entonces he
hecho muchos experimentos y creo que durante los últimos seis
meses conquisté completamente la dificultad que había causado mi
anterior fracaso; ahora puedo producir una lámpara eléctrica
duradera por medio de carbones incandescentes.
Años después, antes de que se realizara el juicio por la primacía
del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compañía
3
Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que más tarde se
convertiría en la General Electric.
En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar
las ciudades con los primeros focos eléctricos; el problema
fundamental que éstos presentaban era no disponer de un
filamento duradero (véase la figura 1).
Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes
que lo componen.
Los avances tecnológicos se asimilan rápidamente. Sin embargo,
olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cuáles son
sus principios de operación. La primera locomotora, por ejemplo,
provocó serias protestas de los ingleses por las elevadas
velocidades que alcanzaba. En México, la ciudadanía también
protestó cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban
por la Alameda central; hoy, ¿cuántos ciclistas se atreven a
circular por las calles de la capital? ¿Cuando prendemos un foco,
sabemos que tiene un filamento de tungsteno y torio que permite
que dure 750 horas encendido?
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A través de los años el hombre ha perfeccionado la capacidad de
hacer trabajos que requieran grandes esfuerzos físicos, para dejar
a las máquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores más
creativas; sin embargo, como consecuencia ha aumentado el
consumo de energía por habitante, el cual es más alto en los
países desarrollados. Por otro lado, las máquinas han acortado el
tiempo que se requería para desempeñar muchas actividades, por
lo cual es fundamental producir energía utilizable a través de las
diferentes fuentes. Cuando se habla de energéticos nos referimos
al aprovechamiento de dichas fuentes, así como a su óptima
utilización.
Los energéticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero
se utilizó la energía mecánica de los músculos para efectuar las
labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la
tracción animal facilitaron aún más el transporte de cargas
pesadas. Aquí vale la pena aclarar que los animales, incluido el
hombre, necesitan de una fuente de energía fundamental para
efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran
y son la fuente energética fundamental para desempeñar
cualquier actividad.
La madera ocupó durante muchos siglos el primer lugar como
fuente energética y hoy se sigue utilizando ampliamente, sobre
todo en el campo. Desde que el hombre hizo la primera fogata,
hasta ahora que se calienta en una chimenea casera, han pasado
miles y miles de años. Posteriormente, el empleo del carbón
ocasionó que se abandonara la leña como combustible
fundamental. Además, su transformación en coque y el invento de
la máquina de vapor marcaron un cambio tecnológico, económico
y social de gran importancia: la Revolución Industrial.
Pocos años antes del inicio de la primera Guerra Mundial se
empezó a emplear el petróleo y el gas. Antes de que terminara la
segunda Guerra Mundial, Fermi realizó la primera reacción nuclear
controlada y en la década de los años cincuenta aparecieron los
primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la
energía calorífica producida por la fisión o rompimiento de los
núcleos atómicos. En la década de los cincuenta y sesenta el
petróleo y el gas desplazaron al carbón, situación que prevalece
hasta nuestros días. Entre 1960 y 1985 proliferó la construcción
de reactores nucleares, sobre todo en los llamados países
desarrollados como EUA, Francia, la ex Unión Soviética (hoy
Comunidad de Estados Independientes), Japón, la ex Alemania
Federal, Inglaterra, etcétera. Posteriormente, los países en vías
de desarrollo como India, Argentina, Brasil y México construyeron
sus primeras centrales nucleoeléctricas.
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Hasta 1990 había 424 reactores nucleares en todo el mundo.
Actualmente se siguen construyendo centrales nucleoeléctricas,
pero en un porcentaje decreciente, entre otras razones debido a
los accidentes nucleares, los desechos radiactivos y los
movimientos ecologistas internacionales. Algunos países, como
México, que en la década pasada tenían un ambicioso programa
nucleoeléctrico, han preferido continuar con el petróleo como
principal fuente de energía y diversificar el aprovechamiento de
ésta con distintas fuentes energéticas (geotermia, carbón, energía
hidráulica, energía nuclear, energía solar y eólica). Pese a lo
anterior, los recursos energéticos que posee cada país constituyen
un factor importante para adoptar una política energética. Un país
sin petróleo, carbón, geotermia y con baja insolación o
soleamiento, difícilmente puede aprovechar distintas fuentes de
energía.
La transformación de las fuentes de energía en diversas formas
de energía utilizables nos proporciona gran cantidad de
beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar,
calefacción, refrigeración, ventilación, transporte, etcétera.
La energía hidráulica, la que se obtiene del petróleo, el gas, la
energía eólica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa
tienen un origen común: la energía del Sol. Por otro lado, las
fuentes de energía que no tienen un origen solar son: la energía
de la fisión nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las
mareas. La fusión nuclear es un caso aparte, dado que se
reproducen
en
condiciones
artificiales
las
reacciones
termonucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo de nuestra
estrella: el Sol. La energía solar es producto de las reacciones de
fusión nuclear que ocurren en el Sol; así, la energía que recibimos
del Sol tiene como origen la energía nuclear.
Según una de las teorías más aceptadas, el petróleo, el gas y el
carbón provienen de la descomposición de organismos vegetales y
animales que vivieron hace 300 millones de años y que fueron
sepultados bajo el suelo marino y continental. Por otro lado, en
las plantas se lleva a cabo la fotosíntesis debido a la acción de los
rayos solares y éstas almacenan aproximadamente el 1% de la
energía solar recibida. Así, los combustibles fósiles como el
petróleo, el gas y el carbón, la energía que se obtiene de las
plantas, árboles, desechos orgánicos y los alimentos que consume
el hombre son de origen solar. La energía que las centrales
hidroeléctricas aprovechan de los ríos se debe a la evaporación
del agua de los océanos, provocada por el calentamiento de los
rayos solares. Posteriormente, al caer el agua desde diferentes
alturas, se transforma la energía potencial de los ríos en energía
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eléctrica. El viento se origina por la diferencia de temperaturas en
la atmósfera terrestre, provocada por la forma en que inciden los
rayos solares, en combinación con la rotación de la Tierra.
Sin embargo, la energía solar se origina por la fusión de los
núcleos atómicos, donde se funden elementos ligeros como el
hidrógeno y en el proceso se liberan grandes cantidades de
energía en forma de calor, que se calculan usando la famosa
fórmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y
energía: E=mc² (donde E es la energía, m la masa y c la
velocidad de la luz); parte de la masa de los núcleos atómicos se
transforma en energía calorífica, que es precisamente la que el
Sol nos proporciona en forma de radiación. Por ejemplo, si se
unen cuatro núcleos de hidrógeno se forma helio, electrones
positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa
de los productos antes y después de la reacción de fusión nuclear
se observará una diferencia o defecto de masa faltante después
de la reacción. Debido a que la energía debe conservarse antes y
después de la reacción, la masa faltante se transforma en energía
calorífica. En el caso de la reacción mencionada, cuando se
fusionan cuatro núcleos de hidrógeno se produce un núcleo de
helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV 2
(megaelectrón-volts) de energía calorífica. Para darse una idea
de lo que representa esta cantidad, la fusión nuclear que tuviera
lugar en un pequeño cuarto de dos metros por lado bastaría para
producir más energía que el reactor de Laguna Verde.
2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGÍA Y POCA POTENCIA
Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas
líneas nuestro cuerpo está empleando 84 kilocalorías por cada
hora de lectura. Pero esas 84 kilocalorías que empleamos para
leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de
energía: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir
alimentos que le proporcionen 3 000 kilocalorías diarias.3
Pero ahora surge una pregunta: ¿por qué tenemos que recuperar
la energía que invertimos en la lectura? La respuesta no es
sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta
que se descubriera entre 1830 y 1850 el principio de la
conservación de la energía, que afirma que ésta no se crea ni se
destruye, únicamente se transforma, o expresada esta idea en
forma general: la energía del Universo se mantiene constante.
Volviendo a nuestro caso, la energía que nos proporcionan los
alimentos se transforma en energía utilizable para desempeñar
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todas nuestras actividades. Para aquellos que se estén quedando
dormidos, sólo mencionaremos que se consumen 500 kilocalorías
durante 8 horas de sueño (alrededor de 1/6 de la energía que
necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere
cierta cantidad de energía para que todos los órganos trabajen
adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiológicos del
organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y
corresponde a más de la mitad de la energía que consumimos a
través de los alimentos).
Antiguamente se creía que podía existir una máquina capaz de
moverse indefinidamente y se le denominó móvil o máquina de
movimiento perpetuo (véase el recuadro 1). Una máquina cuyo
único resultado fuera extraer calor y convertirlo íntegramente en
trabajo sería un móvil perpetuo de segunda clase; es decir, una
máquina que efectuara trabajo sin una fuente externa de energía.
Los beneficios que nos reportarían estas máquinas serían
invaluables; sin embargo, las leyes de la termodinámica se han
encargado de demostrar que su construcción es imposible.
Recuadro 1
Lázaro Carnot y La Real Academia de Ciencias
de París. En el año de 1775, la Academia de
Ciencias de París había tomado una decisión:
no examinaría ninguna solución a los
problemas de la duplicación del cubo, la
cuadratura del círculo, ni analizaría ninguna
máquina de movimiento perpetuo.
Lázaro Carnot, padre de Sadi Carnot, también
había declarado: "es inútil que se les explique
que toda máquina se reduce a una palanca; al
parecer el símil se les hace demasiado vago y
confuso. Yo puedo demostrarles no solamente
que toda máquina abandonada a sí misma
tiene que detenerse, sino que además, puedo
señalar el instante preciso en que debe
hacerlo."
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Por ejemplo, si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial
para que gire, al cabo de un tiempo la fricción provocará que
parte de la energía que se utilizó para moverla por un lado se
transforme en energía calorífica del aire que la rodea y por el otro
ocasione el calentamiento de la rueda. Así, la fricción provocará
que la rueda se detenga.
La ley de la conservación de la energía se formuló entre 1830 y
1850, gracias al trabajo de muchos científicos, entre los que
podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott
Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la
energía no puede crearse ni destruirse, de manera que la energía
total de un sistema permanecerá constante.
La primera ley de la termodinámica no es otra cosa que la ley de
conservación de la energía para los sistemas termodinámicos, es
decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada
matemáticamente, ésta señala que el cambio de energía interna
de un sistema es igual a la energía recibida en forma de trabajo
externo hecho sobre el sistema más la energía en forma de calor
que absorbe dicho sistema (U +W=Q, donde U es el cambio de
energía interna, W es el trabajo y Q la energía calorífica).
A partir de la formulación de la ley de la conservación de la
energía quedó establecido que es imposible construir una
máquina capaz de crear energía, a la cual se le denominó
máquina de movimiento perpetuo de primera clase. La ley de
conservación de la energía para los sistemas termodinámicos
permite transformar energía calorífica en trabajo y trabajo en
energía calorífica. Pero en los procesos naturales se observó que
el trabajo que realiza una máquina sí se puede transformar
totalmente en calor, aunque la energía calorífica no se puede
transformar totalmente en trabajo.
Fue así como surgió la segunda ley de la termodinámica, la cual
señala que es imposible que exista una máquina o proceso cuyo
único resultado final sea transformar calor en trabajo de una
fuente calorífica que esté a la misma temperatura. Dicha forma de
la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su
vez, Rudolph Clausius formuló un postulado equivalente en el que
afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo frío
a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que
ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a
los fríos y no al revés. Decir "voy a enfriar mi café" no es lo
mismo que "voy a calentar el aire con mi café". Afortunadamente,
no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en física la
situación es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible
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que exista una máquina cuyo único resultado final sea
transformar energía calorífica en trabajo con una fuente de calor a
la
misma
temperatura,
como
lo
habíamos
señalado
anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que
exista una máquina de movimiento perpetuo de segunda clase.
Con una máquina de este tipo aprovecharíamos la energía
calorífica del aire que nos rodea para transformarla en energía
mecánica de un motor de coche, con lo cual tendríamos una
fuente de energía prácticamente ilimitada, o moveríamos la
turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los ríos.
Una de las consecuencias más importantes de la segunda ley de
la termodinámica es que en los procesos en donde se transforma
calor en trabajo útil para, por ejemplo, mover un motor, siempre
existirán pérdidas de calor que no se pueden transformar en
trabajo útil, o puesto en términos de eficiencia, que cuando se
trate de obtener trabajo de una máquina térmica la eficiencia
teórica nunca podrá ser del 100 por ciento. La eficiencia real de
cualquier motor es todavía inferior al valor teórico.
Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a
diferentes temperaturas sí es posible transformar calor en trabajo
a través de un proceso cíclico que se denomina ciclo de Carnot. Es
a través de este proceso cíclico como funcionan todos los motores
de combustión interna, en particular los de los automóviles.
Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodinámica, que es
imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo (véase
la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la
máquina perpetua del primer tipo sería creer que nuestro
organismo es capaz de realizar cualquier actividad sin ingerir
nunca un solo alimento.
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Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un
plano inclinado que tiene una cadena con balines. Como de A a B hay
cuatro balines y de B a C hay dos, se podrían pensar que los cuatro
balines del lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho,
por simple diferencia de pesos. Si a esto añadimos que la cadena es
continua, entonces se moverá indefinidamente; con ello se tendría una
máquina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus
descartó dicha posibilidad y señaló que la cadena quedaría en equilibrio.
Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que
consumimos proporcionan más energía de la que empleamos para
desempeñar nuestras actividades. ¿Dónde queda la energía
sobrante que nos proporcionan los alimentos? ¿No habíamos
señalado que la energía se conserva? Efectivamente, pero cuando
efectuamos un trabajo muscular, parte de la energía se pierde en
forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se
acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (véase el cuadro I que
muestra la energía de algunos alimentos).
CUADRO I. Energía de los alimentos (en kilojoules).
11
kJ(por cada 100 g
del alimento)
Arroz blanco
1 522.9
Espaguetis crudos
1 543.8
Harina de maíz (sin
germen)
1 518.7
Harina de trigo suave
1 522.9
Maíz de grano
1 510.4
Palomitas
1 615.0
Pan blanco de trigo
1 284.4
Pan de centeno
1 092.0
Pan integral de trigo
1,196.6
12
Papas
313.8
Plátano
510.4
Garbanzo
1 522.9
Chícharo
1 410.0
Lentejas
1 422.5
Cacahuates tostados
2 368.1
Coco
1 238.4
Nuez de acajú
2 330.0
Pistaches
2 502.0
Ajo
Apio
Calabaza
560.6
79.4
125.5
13
Cebolla
188.2
Col
117.1
Coliflor
138.0
Espárrago
96.0
Espinaca
125.5
Haba
493.7
Frijol
150.6
Lechuga
62.7
Pepino
62.7
Perejil
179.9
Pimiento
129.7
Rábano
96.2
14
Betabel
184.0
Tomate
87.8
Zanahoria
171.5
Aceituna
485.3
Aguacate
384.9
Ciruela
196.6
Fresa
150.6
Limón
121.3
Mango
246.8
Manzana
242.6
Melón
184.0
Naranja
175.7
15
Papaya
133.8
Pera
234.3
Sandía
92.0
Toronja
158.9
Uva
284.5
Azúcar
1 606.6
Chocolate
2 209.1
Miel de abeja
1 280.3
Huevo
619.2
Jamón
1 267.7
Embutidos
1 707.0
Pollo
711.2
16
Cerdo
903.7
Ternera
794.9
Vaca
1 020.8
Pavo
1 121.3
Tocino
2 604.9
Atún
1 204.9
Camarón
359.8
Ostión
184.0
Filete de Pescado
376.5
Fuente: OMS, 1987.
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El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de
aproximadamente 37ºC. Para ello, el sudor actúa como un
termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que
ésta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que
acompaña a la fiebre.
Los alimentos que ingerimos se transforman en energía química
utilizable por reacciones de oxidación; es decir, el oxígeno que
respiramos se emplea para transformar los alimentos en energía
química. La energía química, a su vez, se transforma en energía
mecánica cuando movemos algún músculo, pero parte de la
energía química se pierde inevitablemente en forma de calor. Los
músculos esqueléticos tienen cuando mucho una eficiencia del
20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el
ambiente. Debe mencionarse también que los desechos que
producimos contienen energía almacenada que no aprovechó el
cuerpo, lo cual no significa que otros organismos no la puedan
aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un
excelente nutriente para el crecimiento de las plantas y también
de éste se puede obtener gas metano para cocinar.
Por lo tanto, la energía que consumimos en los alimentos sí se
conserva. Únicamente tenemos que considerar la energía química
que no se transforma en movimiento de nuestros músculos y que
se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (véase
el cuadro II).
CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas.
kJ
(Kilojoules)
Dormir
4.52
18
Sentarse
5.82
Pararse
7.32
Caminar
15.50
Trabajar sentado en la
oficina
7.5
Cocinar
8.8
Limpieza moderada
18.0
Fuente: OMS, 1987
Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos
corporales; por esto, es deseable que las máquinas realicen el
trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas más creativas.
Sin embargo, la conservación de la energía nuevamente hace su
aparición. Para que las máquinas realicen trabajo se requiere una
fuente de energía, un combustible que, al igual que los alimentos,
provea la energía necesaria para realizarlo. El desgaste físico y el
tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de México
a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume
cuando se hace el viaje en camión (aunque lo que pagamos por el
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camión hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada
pasajero en Tres Marías si hiciéramos el viaje a pie). La gran
ventaja del camión es que el motor realiza el trabajo, en lugar de
nuestro cuerpo; además, la potencia que desarrolla el camión, es
decir, la energía por unidad de tiempo, es mayor que la de
nuestro cuerpo.
Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de camión
transforman toda la energía en trabajo mecánico, inevitablemente
una parte se transforma en calor y es irrecuperable.
Sadi Carnot se encargó de demostrar en su libro Reflexiones
sobre la potencia motriz de fuego (véase el recuadro 2), de 1824,
que la eficiencia teórica máxima a la que opera cualquier máquina
térmica es:
donde Tmax. es la temperatura máxima y Tmin. es la mínima.
Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando
que la temperatura máxima es la de entrada y la mínima es la de
salida. Entonces la fórmula sería:
Recuadro 2
Sadi Carnot y la eficiencia de las máquinas
térmicas. "La potencia motriz del calor es
independiente del agente empleado para
realizarla, su magnitud está fijada únicamente
por la temperatura de los cuerpos entre los
20
que se efectúa,
transferencia."
a
fin
de
cuentas,
su
Por ejemplo, una máquina de vapor tiene una temperatura
máxima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a
la caldera tiene esa temperatura máxima, y la temperatura
mínima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se
elimina el vapor a la atmósfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se
convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastará sumar
273.16 a cada temperatura) será de 21%. Aunque en la práctica,
como existen pérdidas de calor de otro tipo (fricción, turbulencia,
conducción de calor, mezcla de diferentes sustancias, etcétera), la
eficiencia real de estas máquinas es de 15%. La eficiencia real de
un motor de automóvil común es de 22%. La temperatura
máxima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior
del motor es de alrededor de 120ºC, mientras que la temperatura
a la que salen expulsados los gases es de 50ºC
aproximadamente, que sería la temperatura mínima. En el caso
de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las
máquinas térmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la
temperatura máxima como la mínima. En una caldera es el vapor
de agua y en un automóvil es la gasolina o el diesel.
En todas las máquinas térmicas a las que se refiere Carnot, la
eficiencia teórica máxima es de poco menos del 60%; es decir,
que no puede existir una máquina térmica con una eficiencia
superior a este valor (véase el recuadro 3).
Recuadro 3
21
Denis Papin y la olla express. Cuando el físico
francés Denis Papin presentó su invento de la
olla express ante la Real Sociedad de Londres,
la olla estalló frente a los distinguidos
miembros.
Posteriormente,
solicitó
otra
demostración, dado que ahora la olla poseía
una válvula de seguridad; sin embargo, todos
los miembros se opusieron a la nueva
demostración, temerosos de salir sin vida,
dado el peligro potencial que representaba el
invento. La única excepción fue la del
presidente, el físico Robert Boyle, quien
permitió la demostración, siempre y cuando
se efectuara ante un número razonable de
personas.
Ahora, si se trata de una máquina que transforma combustible en
calor o que evita el uso de calor, la máquina puede ser 100%
eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a
90%, al igual que la de una caldera grande de una central
termoeléctrica; la eficiencia de un generador eléctrico puede ser
de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85%
aproximadamente.
Supongamos que un estudiante con mucha energía dedica 8 400
kilocalorías a leer este libro. A primera vista nos sorprendería toda
la energía que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber
cuánto tiempo le dedicó a esta tarea. Cuando nos enteramos que
leyó todo en 840 horas, es decir, un poco más de un mes, resulta
que sólo empleó 10 kilocalorías diarias, en promedio, para leer. Si
comparamos esta cantidad con las 84 kilocalorías que se
necesitan para leer durante una hora, el estudiante leyó alrededor
de siete minutos diarios. Éste es precisamente el caso de un
estudiante con mucha energía y poca potencia.
Un buen lector podría leer cinco horas diarias, y así leería todo el
libro en dos días y utilizaría tan sólo 840 kilocalorías. Así podría
leer 10 libros como éste y emplear las mismas 8 400 kilocalorías.
Por lo tanto, cuando se habla de energéticos, y en particular de
las centrales de energía, es muy importante conocer no sólo
cuánta energía se produce, sino la rapidez con la que se produce
22
dicha energía; la energía por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo
tanto, es desarrollar mucha potencia.
Si ahora regresamos al ejemplo de la energía empleada en la
lectura, se había dicho que se utilizan 84 kilocalorías por cada
hora de lectura, pero ¿no sería deseable que fueran 84
kilocalorías por cada dos horas? Así podríamos leer más y comer
menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto...
pero una máquina sí. Aunque la máquina no entiende lo que lee.
El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina y
por esto se introdujo el concepto de potencia, que se define como
la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energía por
unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100
watts de potencia, la compañía de luz nos cobra la energía, que
es igual a la potencia multiplicada por el tiempo; es decir,
tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora =
0.1 kilowatts-hora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si
lo usamos dos horas cobrará 0.2 kWh.
Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la
cuenta será de 0.06 kWh por cada hora que esté prendido. Al de
dos horas la compañía de luz nos cobrará 0.12 kWh. Por lo tanto,
cuanto menor sea la potencia de los aparatos que se utilicen, o
menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor será la
cuenta de luz.
Los medidores de luz que se encuentran instalados en todas las
casas-habitación miden el consumo diario de energía en kilowattshora. Por ejemplo, un departamento amplio consume diariamente
alrededor de 5 kWh.
Las plantas o centrales de energía eléctrica deben ser de mucha
potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades
de todas las casas. Así, la producción de electricidad depende de
la demanda de la población que tiene que satisfacerse.
En el Sistema Internacional de Unidades la energía se mide en
joules; sin embargo, como es una unidad muy pequeña, para
medir el consumo de energía doméstica se emplea otra unidad,
tal vez más conocida: el kilowatt-hora, abreviado kWh (1
kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencionó
anteriormente es la kilocaloría; 1 kilocaloría = 4 186.8 joules.
También se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units)
con la siguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10-4 joules.
23
La unidad de potencia es el watt (véase el recuadro 4) y sus
múltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y el terawatt,
abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt
equivale a un joule/segundo, o en forma abreviada 1W = 1J/s. En
el cuadro III aparecen las unidades de energía y potencia, cómo
se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV están los
múltiplos y submúltiplos que se utilizan como prefijos en todas las
unidades.
Recuadro 4
Sociedad inglesa de lunáticos. Durante la
segunda mitad del siglo XVIII existía en
Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada
Sociedad Lunar, porque sus miembros se
reunían el primer lunes posterior a la Luna
llena. A la asociación de lunáticos, como se
les llamó, pertenecían: James Watt, Erasmus
Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y
William Small, entre otros.
CUADRO III. Unidades de energía: conversión.
1 joule =
1
watt·segundo
newton·metro =
=
1
kilogramo·metro2
segundo2
1
/
24
1 J = 1 W·s = 1 N·m = 1 kg·m2/s2
=
6.242 x 1018 eV (electrónvolt)
=
6.242
x
1012
(megaelectrón-volt)
MeV
= 107 ergs
= 0.2388 cal (calorías)
=
2.778 x 10-7 kW·h (kilowattshora)
=
9.478 x 10-4
Thermal Units)
BTU
(British
=
3.725 x 10-7
power-hora)
hp·h
(horse
=
0.7376
fuerza)
ft·lbf
(pies·libras
25
Unidades de Potencia: Conversión
1 watt =
1
joule/segundo
=
1
kilogramo·metro2/segundo3
1 W = 1 J/s = 1 kg·m2/s3
= 0.001 kW (kilowatts)
=
6.242 x 1018 eV/s (electrónvolt/segundo)
= 0.001341 hp (Horse Power)
=
3413 BTU/h (British Thermal
Units/hora)
CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos.
26
Prefijo Símbolo Potencia Cantidad
exa
E
1018
1 000 000
000 000
000 000
peta
P
1015
1 000 000
000 000
000
tera
T
1012
1 000 000
000 000
giga
G
109
1 000 000
000
mega M
106
1 000 000
kilo
103
1 000
100
1
10-3
0. 001
mili
k
m
27
micro M
10-6
0. 000 001
nano n
10-9
0.000 000
001
pico
P
10-12
0.000 000
000 001
femto f
10-15
0.000 000
000 000
001
atto
10-18
0.000 000
000 000
000 001
a
3. FORMAS DE ENERGÍA
La energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y
químicas: energía cinética y potencial, que en conjunto
constituyen
la
energía
mecánica,
energía
calorífica,
electromagnética (eléctrica y magnética), nuclear y química.
Cuando hablamos de las formas de energía no nos estamos
refiriendo al origen de ésta, sino únicamente al tipo de energía;
en cambio, cuando aludimos a las fuentes de energía sí nos
referimos a su origen, es decir, de dónde se obtiene. Una fuente
de energía como el petróleo produce una forma de energía:
calorífica, mecánica, química o eléctrica. También, cuando
hablamos de fuentes estamos diciendo implícitamente que se
trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser
humano puede utilizar para realizar todo tipo de actividades.
28
Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen
y aprovechamiento:
1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se
convierte en calor para posteriormente transformarse en
electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que
proporcionan el petróleo, el gas o el carbón se obtiene en grandes
cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las
centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los
transportes la energía se transforma en cinética o mecánica
(pasando por la energía calorífica o térmica) o bien en energía
calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.
2) Energía hidráulica. En ésta se aprovechan las caídas de agua
que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo
tanto se trata de energía potencial. La energía hidráulica es
energía mecánica, primero potencial, cuando el agua de un río es
detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia
de altura, y después cinética, cuando se deja caer el agua de la
presa. Dicha energía cinética es la que se utiliza para mover un
turbogenerador y producir energía eléctrica en las centrales
hidroeléctricas.
3) Energía geotérmica. Es la energía calorífica del interior de la
Tierra, la cual se transforma en energía mecánica y eléctrica a
través de un turbogenerador.
4) Energía nuclear. En ésta, la energía que une a los núcleos de
los átomos se transforma en energía calorífica, y ésta, a su vez,
en mecánica y eléctrica.
5) Energía solar. En ésta se aprovecha directamente la radiación
solar para producir calor o electricidad.
6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los
vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse
en electricidad.
7) Energía de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia
viva y los desechos orgánicos como combustibles, por lo tanto se
trata de energía química, que se pueden transformar en cualquier
forma de energía. El caso de la madera es un ejemplo.
Existe también una clasificación de las fuentes de energía de
acuerdo con su duración. Las fuentes no renovables son aquellas
29
que después de cierto tiempo de explotación acabarán por
agotarse. Éste es el caso de los combustibles fósiles, la fisión
nuclear y la energía geotérmica. Por otro lado están las fuentes de
energía renovables, entre las que se encuentran la solar y la
eólica, dado que son fuentes que para todo fin práctico nunca se
agotarán.
I .
E L
H I L O
D O R A D O :
S O L A R
L A
E N E R G Í A
Al golpe del oro
solar,
estalla en astillas,
el vidrio del mar.
J.J. Tablada
I. 1. INTRODUCCIÓN
DURANTE siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han
aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética
sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en
la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos
ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es
esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo,
como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía
solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las
reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden
almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que
todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una
gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive
gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar.
Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que
permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla
precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del
Sol.
30
Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas
que nos brinda la naturaleza. ¿Cómo sería la vida sin el Sol? La
respuesta inmediata es: no habría vida. El invierno nuclear sería
poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energía
solar.
Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es
necesario que no alteremos mucho el medio, pues dichos cambios
pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos más conocidos
se encuentran los daños provocados por las explosiones
nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes
químicos, los desechos industriales, los cambios en la capa de
ozono de nuestra atmósfera, etcétera. Pero esos daños, de los
cuales nos mantiene al tanto la ecología, no preocupaban a los
hombres del pasado.
¿Hasta qué punto el avance tecnológico se convierte, en algunos
casos, en retroceso? La respuesta a esta pregunta depende de
muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por
un lado los avances tecnológicos han permitido mejorar las
condiciones de vida de la población en general, también han
acentuado la pobreza de algunos países. La dependencia
tecnológica y la imposición de modelos técnicos importados
ocasionan saltos tecnológicos con grandes huecos y deficiencias.
Si se quiere satisfacer la demanda de energía que requiere cada
habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energía
que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y
debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el
pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, que comenzara a
sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo
serán insuficientes para satisfacer la demanda mundial.
La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable
como el Sol se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si
dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la
llave, el agua saldrá en un principio caliente. De hecho, éste es el
sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de
lavar los platos después de comer. Otro ejemplo muy conocido es
cuando intentamos sentarnos en los asientos de plástico negro de
un automóvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. ¿Cuántas
veces se ha quemado usted?
Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el
aprovechamiento de la energía solar consiste en concentrar los
rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos
hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El
31
punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la
lupa. Pero el experimento podría hacerse más interesante si
utilizáramos una lupa de hielo; de esta forma estaríamos
produciendo fuego a partir del agua.
En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia
como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles
fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean
parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo
que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los
sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja
de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas
sin cobrar.
Debe quedar claro que la energía solar no constituye ninguna
panacea universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que
necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra
posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como
la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería
considerarla seriamente como una opción energética con sus
deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y
sus ventajas a largo plazo.
En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de
insolación o soleamiento anual más alto, el aprovechamiento de la
energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción. El
que esta fuente de energía sea rentable depende de las
investigaciones que se realicen, de los recursos económicos
destinados a su estudio y del interés que se preste a su
desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas
de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades
que carecen de electricidad y también se han construido algunas
plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía
solar no contribuye con ningún porcentaje al consumo energético
nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.
I.2. UN FOCO CELESTE
El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en
el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo,
aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro
planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles
puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la
Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia;
nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 km, aunque para
nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos
32
centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos
(un dos con treinta ceros), cifra difícil de imaginar para nosotros,
que estamos acostumbrados a las masas de los objetos
terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.
El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados
Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar,
donde la temperatura promedio es de 5 770ºC, más que
suficiente para derretir un automóvil.
En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo
reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen
los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para
formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes
cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo
tanto, de origen nuclear. Dos núcleos de deuterio (isótopo del
hidrógeno) se fusionan y transforman en helio; los núcleos de
helio, en carbono, y así sucesivamente hasta constituir elementos
cada vez más pesados. Actualmente, el Sol está compuesto de
73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos
más pesados).
Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las
partículas que intervienen se convierte en energía, la cual se
puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc2 (donde E
equivale a la energía, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que
es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energía
proveniente de la fusión de los núcleos atómicos que lo componen
y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la
Tierra. El Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree
que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lo tanto,
para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de
energía.
La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de
las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado
espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características
intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una
forma de radiación característica) que puede identificarse en el
espectro electromagnético. En la figura 8 pueden apreciarse las
diferentes formas de radiación electromagnética, que dependen
de la cantidad de energía que ésta posea. Para nosotros la más
común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos
infrarrojos
constituyen
otras
formas
de
radiación
electromagnética.
33
Figura 3. Espectro electromagnético.
La radiación electromagnética no es otra cosa que el tipo de
partículas o de ondas (en el sentido físico) que nos llega de un
cuerpo, en este caso del Sol. Los rayos del Sol están compuestos
por diminutas partículas, llamadas fotones que viajan a la
velocidad de la luz.
34
En 1905 Albert Einstein propuso una teoría corpuscular en la que
señalaba que la luz estaba compuesta de paquetes de energía
radiante llamados fotones, término acuñado por G. N. Lewis en
1926. Posteriormente, varios experimentos demostraron que las
partículas atómicas, incluidos los fotones, podían presentar
patrones de interferencia y difracción, características que
corresponden a una onda y no a una partícula. Sin embargo, ¿la
luz está compuesta de ondas o de partículas? A finales de la
década de los veinte la respuesta la dio la mecánica cuántica,
teoría que señala que la luz tiene manifestaciones de partícula y
de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se
pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o
como partícula, según el instrumento que se use para analizarla.
En la figura 4 pueden apreciarse las características físicas de una
onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos
observar en el movimiento que se produce en el agua de un
estanque cuando se tira una piedra al centro de éste; se formarán
una serie de anillos concéntricos que se harán cada vez más
grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aquí debe señalarse
que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se
pueden propagar en el vacío, cosa que no sucede con las ondas
de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse.
La luz se comporta como una serie de partículas en movimiento o
como una onda transversal que se propaga en diferentes
materiales o en el vacío.
T periodo = tiempo en que la onda
35
-
completa un ciclo
v frecuencia =
- por segundo
 longitud
- onda =
= número de ciclos
de distancia que
completar
hay
al
un ciclo o entre cresta y
cresta
o entre valle y valle
C
v
-
C
Velocidad de la luz = 300 000 km/s.
-
- longitud de la onda de luz
v
frecuencia de la onda de luz
-
Figura 4. Características físicas de una onda de luz.
El tipo de radiación electromagnética dependerá de las
características físicas que posean los fotones. La energía
contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de
36
Planck, E= hv, donde E es la energía de los fotones, h es la
constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra
griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones o la
frecuencia de las ondas de luz.
De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran
cantidad de energía (como los rayos gamma) y otros que son
menos energéticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se
traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la
atmósfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos
del cuerpo y chocan únicamente con los huesos: estos últimos
constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografías.
Una característica común que comparten todos los fotones es que
viajan a una velocidad constante en el vacío: a la velocidad de la
luz, que es la más alta que existe en el Universo. Una propiedad
curiosa de estas partículas es que un fotón en reposo tiene una
masa igual a cero.
A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del
Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En
la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos
llega instantáneamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a
1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.)
Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de
características diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz
visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el
espectro del Sol.
En la figura 5 puede apreciarse cómo gran parte de la radiación
solar (el 90% aproximadamente) está constituida por rayos
infrarrojos y luz visible.
37
Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está
constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y
46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo
despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta,
46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiación
de cuerpo negro a aproximadamente 6 000º K.
1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQUÍMEDES A LOS HORNOS SOLARES
Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a
petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que
sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña,
Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos
reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo,
pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y
cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cóncavo sería, por
ejemplo, el que tiene el faro de un automóvil. Este tipo de espejo,
cuando posee la forma de un paraboloide de revolución, tiene la
propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre él
desde cualquier dirección se concentran en un punto: el foco del
espejo. De esta forma, mediante la concentración de la energía de
los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá,
como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides,
en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener
temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de
Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio
(antecedente del termómetro), que consiste en un termómetro
38
rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar
su magnitud.
Durante el Renacimiento, el ingeniero francés Salomón de Caus
construyó una bomba de agua con un motor inventado por él,
cuya fuerza motriz provenía de vapor calentado por los rayos
solares. En un texto, escrito en 1615, describe dos sistemas que
funcionaban con energía solar: una fuente y una estatua sonora.
Esta última estaba hueca y contenía dos tubos de órgano; cuando
el aire se expandía debido al calor solar, la estatua empezaba a
cantar.
En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos
solares; aproximadamente en 1690, en Dresde, Alemania, E.W.
von Tschirnhausen construyó un horno solar con un espejo
cóncavo parabólico de 1.6 m de diámetro para cocer el barro
utilizado en la producción de objetos de cerámica. También
construyeron hornos solares Jorge Luis Leclerc, conde de Buffon,
escritor y naturalista francés, y los ópticos franceses A. J. Fresnell
y Villette.
En 1774, el científico inglés Joseph Priestley descubrió nada
menos que el oxígeno (aunque no le dio ese nombre),
concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de
mercurio (hoy óxido de mercurio), con una lente de 0.30 m de
diámetro; al gas desprendido lo llamó aire desflogisticado.
Posteriormente, A. L. de Lavoisier, a partir de este hallazgo dio el
nombre de oxígeno a ese gas y formuló la teoría de la
combustión, demostrando que el oxígeno es un componente del
aire. Además, construyó un horno solar con una lente de más de
1 m de diámetro que alcanzaba temperaturas de 1 700º C, en el
que se podía fundir platino.
El primer diseño de un colector plano para aprovechar el calor
solar fue concebido en la segunda mitad del siglo XVII por el
naturalista suizo Horace de Saussure. Éste consistía en una caja
perfectamente sellada con varias capas de vidrio. Los astrónomos
J. Herschel y J. Langley, así como el ingeniero C. Tellier también
fabricaron varios colectores, en los cuales trataron de perfeccionar
el diseño de Saussure.
En el siglo XIX, el clérigo escocés Robert Stirling construyó un
motor de aire caliente con un pistón que, acoplado a un espejo
parabólico, empezaba a girar cuando los rayos solares se
concentraban en el extremo exterior del pistón y se alcanzaba una
temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energía solar fue
39
el inventor sueco John Ericsson, quien también construyó un
motor de aire caliente. El interés de Ericsson por la energía solar
lo llevó a instalar un laboratorio dedicado a la investigación solar
en la ciudad de Nueva York. En 1868 diseñó un espejo rectangular
de 2X3.5 m de sección parabólica y sobre la línea focal de la
parábola colocó un tubo por el que circulaba aire; al concentrar
los rayos solares en la línea focal, el aire se calentaba y
proporcionaba el calor necesario para que trabajara una máquina
de vapor. Ericsson había construido un motor solar. Además,
diseñó varios instrumentos para medir la radiación y otras
propiedades físicas del Sol, útiles para el aprovechamiento de este
tipo de energía. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso
patentar ni comercializar sus motores solares hasta que no se
hubieran perfeccionado, por lo cual dejó muchos inventos sin
patente.
En 1860, con el apoyo de Napoleón III, Augusto Mouchot
construyó un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m
de diámetro, que se utilizó primero en una caldera y
posteriormente en una planta para bombear agua. En la
Exposición Mundial de París, celebrada en 1878, Mouchot exhibió
una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector.
También en la Exposición Mundial que se realizó en el Palacio de
las Tullerías, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar
integrado a la prensa de una imprenta. Más tarde, en esta
imprenta se editaría la revista Le Journal du Soleil.
Hasta entonces se había probado que cualquier máquina térmica
podía funcionar mediante la energía solar; sin embargo, ¿podía
convertirse directamente esta energía en electricidad?
En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el
descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con
celdas electrolíticas observó que al iluminar uno de los electrodos
se producía un voltaje y así descubrió el efecto fotovoltaico, es
decir, la conversión directa de luz en electricidad. Cincuenta años
después, W. Smith encontró que el selenio (elemento derivado del
mineral de cobre) tenía propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts
construyó las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W.
Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un
semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del
concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso
que la luz está compuesta de cuantos o paquetes de energía y
explicó satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoeléctrico, que
se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que
llevarían a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner
Heisenberg, Edwin Schrödinger, P.A.M. Dirac y Wolfang Pauli,
40
entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecánica cuántica.
En el efecto fotoeléctrico, cuando la luz llega a metales como el
platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si
los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energía
apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie
iluminada y se genera una corriente eléctrica.
Sin embargo, durante muchos años nadie se ocupó de mejorar las
celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta años para que
Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de
los Laboratorios Telefónicos Bell, utilizaran silicio con impurezas
en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una
solución para tener una fuente de energía en las instalaciones
telefónicas de las áreas rurales. Así surgieron las primeras celdas
solares que tenían una eficiencia de 15%. Una de las desventajas
era su costo, que las hacía inaccesibles. Por esto, cuando se
empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurrió que
la fuente más indicada para los satélites espaciales serían las
celdas solares y dedicó mucho tiempo y dinero para
perfeccionarlas y producirlas. Las celdas solares están constituidas
de una unión de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en
las que se presenta el efecto fotovoltaico.
La primera aplicación a mediana escala de la energía solar se dio
en una planta desalinizadora, construida en el desierto de
Atacama, en Las Salinas, Chile. Ésta tenía un área de captación
de media hectárea; proporcionaba 20 mil litros de agua potable al
día para una mina de nitrato de sodio y funcionó
ininterrumpidamente de 1872 a 1912.
A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares
de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V. Boys hicieron
una máquina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en
la planta de El Cairo, para extraer agua del río Nilo e irrigar la
zona.
A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del
siglo XX, el aprovechamiento de la energía solar permaneció en el
desván del olvido debido a que, entre otras razones, los
dispositivos solares no podían competir con las máquinas que
empleaban combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el
carbón.
En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la
energía solar empezaron nuevamente a prosperar. Se construyó
el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo,
41
Francia, bajo la dirección de Félix Trombe y en la década de los
años sesenta se fabricó el famoso horno solar de Odeillo, que
aprovechaba la fachada de un edificio para formar un gran espejo
parabólico para concentrar los rayos solares en otra construcción
cercana. En el foco de esta original construcción se alcanzan
temperaturas de 4 000º C.
En Natick, Massachusetts se construyó en la década de los
cincuenta un espejo de grandes dimensiones que concentra los
rayos solares en el foco de la parábola y que alcanza
temperaturas de 4 400º C, suficiente para derretir acero. En este
espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de
diversos
materiales
destinados
a
proteger
al
ejército
estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1
800 espejos que concentran el calor del Sol en una torre central
de 90 m de altura. Ahí, un fluido como el agua, el aceite o las
sales fundidas se emplea para producir vapor de agua y mover un
turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW
(megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar
Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201 heliostatos o
espejos de 53 m² orientados a una torre de 101 m que en la
parte superior posee una caldera en la que se funden sales,
mismas que se aprovechan para generar vapor, como se había
mencionado anteriormente, y producir energía eléctrica. Las sales
tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el
Instituto de Ingeniería de la UNAM tiene una pequeña planta solar
con colectores cilíndrico-parabólicos que siguen el movimiento del
Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se
emplea aceite como fluido de trabajo para calentar agua y
producir vapor.
I.4 ¡O SOLE MIO!
Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energía
solar se deben entender algunos conceptos fundamentales; en
primer lugar, ¿qué se entiende por energía?
La energía puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo
o sistema de realizar trabajo; entendido este último como
producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada
por la distancia que se recorre aplicando dicha fuerza. Esta
relación se expresa matemáticamente de la siguiente manera: W
= F·d (donde W = trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha
definición de trabajo sólo es válida cuando la fuerza aplicada y la
distancia recorrida están en la misma dirección; cuando no es así,
el trabajo es igual al producto de la componente o proyección de
42
la fuerza sobre la dirección en la que se mueve el objeto por la
distancia recorrida. Matemáticamente esto equivale a W = F·d·cos
 (donde es el ángulo que forman la fuerza con la dirección de
movimiento del objeto).
Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales
(esto es, sin fricción) a una altura de 10 m, y aplicamos la fuerza
en la misma dirección en la que movemos a la persona, el trabajo
realizado será: W F·d = m·g·d = (60) (9.8) (10)= 5 800 joules
(donde m es la masa y g la aceleración de la gravedad, que en
nuestro planeta es igual a 9.8 m/s²).
Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a
una altura de 10 m se necesita una energía de 5 880 joules. Pero
si quisiéramos elevarla a una altura de 20 m se necesitaría el
doble de energía para realizar ese trabajo.
En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin
embargo, el desarrollo de la tecnología ha permitido que sea una
máquina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un
caballo, después el ferrocarril, el automóvil, el camión, el avión,
etcétera. El desarrollo tecnológico ha permitido que el hombre
descargue cada vez más trabajo en las máquinas; sin embargo, al
igual que el hombre, las máquinas requieren de una fuente que
proporcione la energía necesaria para realizar cualquier tipo de
trabajo. En el ser humano, la fuente de energía son los alimentos;
en el caso de las máquinas existen diferentes fuentes de energía,
entre las que se encuentra el Sol.
Está claro que el hombre y cualquier máquina requieren de una
fuente de energía para realizar cualquier trabajo. Sin embargo, la
eficiencia con la que se realiza éste nunca podrá ser de 100%,
dado que la naturaleza ha impuesto su ley: todo sistema que
realice un trabajo siempre tendrá pérdidas de energía calorífica,
que se manifiestan de diversas formas: por ejemplo, la fricción de
las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pistón en un
motor, la transpiración del cuerpo humano, etcétera. Por lo tanto,
una parte de la energía empleada para realizar un trabajo se
transforma inevitablemente en energía calorífica y por ello la
eficiencia de cualquier máquina térmica nunca será de 100 por
ciento.
En los sistemas de conversión de energía, por ejemplo en una
presa, la eficiencia se define como el cociente de la energía útil
que se extrae del sistema, dividida entre la energía que entra al
mismo. Como la primera siempre será menor que la segunda, la
43
eficiencia de conversión de cualquier máquina, planta, central o
dispositivo siempre será menor que 1 o, expresado en
porcentajes, menor que el 100 por ciento.
Otro concepto fundamental que ya habíamos mencionado es el de
potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un
trabajo; o en otras palabras, la energía consumida por unidad de
tiempo.
La figura 6 muestra la potencia máxima que pueden desarrollar
diferentes máquinas utilizadas durante los últimos 200 años.
Como puede apreciarse, en este sentido el buey es superior al
hombre.
Figura 6. Potencia máxima de diferentes máquinas. (Tomado y adaptado
de Scientific American, La energía, Alianza Editorial, num. 561, Madrid,
1975.)
Ya mencionamos que las unidades de energía que se utilizan
comúnmente son los kilowatts-hora; asimismo, las de potencia
son los kilowatts. Los rayos del Sol proporcionan energía radiante
o radiación y como se había explicado antes, no es otra cosa que
una onda electromagnética o millones de fotones de diferentes
frecuencias.
44
Para medir la cantidad de energía que llega del Sol se emplea
como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha
radiación se usa el watt. Sin embargo, en el caso del
aprovechamiento de la energía solar, lo que interesa es la
cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área
que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta
cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiación,
soleamiento o insolación y las unidades para medirla son los
watts/m² y el langley/día.
La Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se
denomina traslación y que realiza durante un año. La trayectoria
que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una
trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros
de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y
de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado
eclíptica. Como el Sol está en uno de los focos de la elipse,
nuestro planeta está más cerca del Sol en una época y más lejos
en otra. La Tierra alcanza su máxima aproximación al Sol cuando
se encuentra a 1.45 x 108 km, posición llamada perihelio, a la que
llega hacia el 4 de enero de cada año.
A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5
de julio de cada año, alcanza la posición más separada, su afelio,
a 1.54 x 108 km de distancia.
Pero nuestro planeta no sólo se mueve alrededor del Sol, sino que
gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama
rotación. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al
plano de la eclíptica, sino que forma un ángulo de 23.45º.
Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de
Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra,
el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta
inclinación del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica
es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo
tanto, la cantidad de radiación que recibimos del Sol, en cada
caso.
En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre4,
los rayos solares
llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el día
más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto
más bajo del cielo; en consecuencia, en el día el soleamiento es
mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente,
el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la
noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos
45
hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el
ecuador, pero el eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de
23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y,
por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un
ángulo también de 23.45º respecto al ecuador. En el solsticio de
verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al
Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día más largo
del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo; éste es el
caso México. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese día
ocurre el soleamiento máximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo
opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio
de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de
primavera, día y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el
soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo
(solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al
contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en
forma gráfica cada uno de los cuatro casos.
Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.
Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los
equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra la
trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde
la latitud de la ciudad de México o de Colima.
46
Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la
ciudad de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios.
(Tomado de: Everardo Hernández et al., Atlas de la República Mexicana,
Universidad Veracruzana, 1991.)
Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una
superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de
radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro
planeta depende de la inclinación de los rayos solares.
La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios
deben conocerse para saber la cantidad de radiación que puede
aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la
radiación solar no es constante sino que cambia según las
estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de
cada región.
Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el
límite superior de nuestra atmósfera llega una cantidad de
radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se
denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a
1367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera,
a cada m² le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si
consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la
noche) se tendría una energía de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60
minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que
se genera en todo el mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh).
Sin embargo, la atmósfera y la eficiencia de los sistemas solares
ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/
año).
47
La
Tierra
tiene
una
atmósfera
cuyo
límite
se
fija
convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y está
compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera,
ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un gran invernadero,
que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de
invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un
témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también
puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual
ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar
que cuando la radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su
vez emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas que
no necesariamente tiene la misma longitud de onda.
El Sol emite una radiación caracterizada por el espectro solar. Esa
radiación es absorbida por el sistema atmósfera-Tierra. Dicho
sistema atmósfera-Tierra se calienta y a su vez emite una
radiación de características diferentes a la absorbida.
A pequeña escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el
vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el
suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten
una radiación de longitud de onda larga. Esta radiación de onda
larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación.
Así, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el
interior del invernadero. En nuestra atmósfera ocurre un efecto
similar.
Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la
superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de la
atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes
procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la
radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la
superficie terrestre. Este proceso global se llama balance
energético de la radiación solar.
Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea
compleja. Hasta ahora sólo se han hecho aproximaciones. Por
otro lado, la radiación solar que recibe cada punto de la Tierra
varía, dependiendo de la radiación directa y difusa que reciba. Por
ello, hablar de un balance global resulta una aproximación de la
radiación promedio anual que recibe la superficie terrestre,
aunque permite darse una idea de lo que sucede.
Solamente 47% de la radiación solar que absorbe nuestra
atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16%
48
indirectamente, como radiación que se difunde en la atmósfera y
se denomina, por ello, radiación difusa.
Por otro lado, la radiación solar que se desaprovecha se divide en
los siguientes porcentajes: 28% se va al espacio exterior por
reflexión en la capa superior de la atmósfera, 6% se pierde por
difusión de aerosoles5,
7 % se refleja en el suelo terrestre y
17% lo absorben las distintas capas de la atmósfera. La suma de
estas pérdidas da un total de 53 por ciento (véase figura 9).
Figura 9. Balance energético de la radiación solar para longitudes de
onda corta (< 4 µm).
Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede
aprovechar, en promedio, 47% de la radiación que llega fuera de
la atmósfera. Pero esto sólo ocurre con la radiación solar de onda
corta (menor de 4 micrómetros). La Tierra absorbe esa radiación
(47%), pero a su vez emite radiación de onda larga, tal y como
ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiación de
onda larga (mayor de 4 micrómetros) que emite nuestro planeta,
18% sale de la atmósfera. De esa manera, únicamente 29% (4718=29%) de la radiación total absorbida queda en nuestro
planeta. En la figura 9 se muestra este balance energético.
El aprovechamiento de la energía solar se refiere a la conversión
directa de la radiación solar en calor y en electricidad, llamadas
conversión fototérmica y fotovoltaica, respectivamente. La
energía solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la
energía que proporcionan las plantas y los animales, mejor
49
conocida como biomasa. También al Sol se deben los movimientos
de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; así, la
energía eólica o de los vientos es indirectamente energía solar.
Además, el depósito de organismos que alguna vez estuvieron
vivos en las capas de la corteza terrestre no es otra cosa que los
componentes del petróleo y el carbón. De esa manera, los
combustibles fósiles son también indirectamente producto de la
energía solar. Finalmente, la energía hidroeléctrica proviene de
una enorme máquina térmica, cuyo combustible es precisamente
la energía solar. Cuando los rayos del Sol calientan el agua de la
Tierra se produce vapor de agua; éste se eleva formando nubes;
ahí, el vapor de agua se condensa y se precipita, lo que aumenta
el nivel de agua de, por ejemplo, una presa.
Como se mencionó antes, los movimientos de rotación y
traslación de la Tierra hacen que varíe la cantidad de radiación
que recibe el planeta. Así, para conocer la radiación por unidad de
tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado
de la Tierra, deben conocerse varios parámetros como la latitud y
la longitud geográficas, la altura sobre el nivel del mar, la
concentración de vapor de agua y la concentración de bióxido de
carbono en la atmósfera. La medición de estas variaciones ha
permitido hacer un mapa mundial de la radiación mensual que
reciben diferentes lugares de la Tierra (véase figura 10). Por
ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el
Distrito Federal, es 19º20' Norte y 99º11' Oeste y el promedio de
radiación anual por día en el año de 1966 fue de 5.278 kWh/ m².
Esto quiere decir que en promedio cada m² de Ciudad
Universitaria recibió ese año 5.278 kWh por día. Si esa energía
pudiera aprovecharse sería suficiente para satisfacer el consumo
de electricidad de un departamento común.
50
Figura 10. Radiación total mundial (durante el mes de julio de 1966.)
(Tomado y adaptado del Solar Energy, Universidad de Wisconsin, julio,
1966.)
En la figura 11 se muestra un mapa de soleamiento o insolación
para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a
los lugares que reciben la misma cantidad de radiación. Como
puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los
que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado,
cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco
ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación
solar.
51
Figura 11. Radiación solar en la Republica Mexicana. (Tomado y
adaptado de Alternativas Energeticas, Alonso C., A y Rodríguez V., L;
datos de Galindo, I. Y Chávez A.)
1.5. ¿CÓMO SE APROVECHA TANTO SOL?
Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse
no sólo como fototérmicos y fotovoltaicos, sino también conforme
a su temperatura de operación. En los fototérmicos, la
temperatura puede ser baja, intermedia o alta. También pueden
clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas, industrias, en el
campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energía del
país o en comunidades rurales (sistemas de generación de
energía centralizados o descentralizados).
En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos
solares más utilizados de acuerdo con la clasificación anterior.
Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.
1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES
52
El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fríos, y
nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el
calor: por radiación, por convección y por conducción.
Para comprender mejor las diferentes formas de transmisión del
calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el Sol en la playa
y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quemó; el
Sol emite energía radiante compuesta de fotones u ondas
electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa la atmósfera y llega
—en un día despejado al nivel del mar— a la superficie como 4%
de rayos ultravioleta, 46% de radiación visible y 50% de rayos
infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiación tiene la
propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona
que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo,
éste absorbe la radiación solar y una de las formas en que ésta se
manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si nos
levantamos rápidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos
que una brisa nos refresca un poco. Los vientos se originan por
las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas
de la atmósfera y por la rotación de la Tierra, y así se crean
corrientes de aire llamadas de convección, a través de las cuales
el calor se distribuye en la atmósfera terrestre. La transmisión por
convección ocurre también en líquidos, por ejemplo cuando
hervimos agua.
Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo
(que está más caliente) habrá transmitido parte de su calor a la
corriente de convección de la brisa y como resultado final
percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre la arena
nos percataremos rápidamente de la conducción del calor:
tendremos que correr para no quemarnos las plantas de los pies,
debido a la transmisión de calor por conducción de la arena a
nuestros pies.
En los sistemas solares fototérmicos se deben aprovechar al
máximo estas formas de transmisión de calor o, visto de otra
manera, tienen que evitarse las pérdidas de calor por estas tres
formas de transmisión.
Entre los sistemas que convierten la energía solar en calor
aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que
se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire.
El principio general de funcionamiento de un colector es el
llamado efecto invernadero; aquí hay que recalcar que nuestra
atmósfera opera como un gran invernadero. Como se dijo
53
anteriormente, cuando la luz pasa a través de una o varias capas
de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación
que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un
sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca
un material pintado de negro (el color que absorbe mayor
cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación,
el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará
la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez
radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos
lejanos a la parte visible del espectro. La radiación emitida
dependerá de la temperatura que posea el material.6
Pero como
la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá
atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en
consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a
una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede
al entrar a un invernadero.
Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se
coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor
y por los que circule agua, se obtendrá agua calentada por el Sol.
Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente
relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la
radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos
los rayos que reciben, únicamente reflejan aquellos cuya longitud
de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible
que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una
hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las
longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En
contraposición con el blanco, el color negro absorbe todas las
longitudes de onda.
En la Parte I del Libro III de la Óptica, Newton se refiere a dicho
fenómeno como sigue: "¿Acaso la luz no engendra calor en los
cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores,
debido a que al incidir sobre ellos no se refleja hacia afuera, sino
que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su
interior hasta que se absorbe y pierde? [se refiere a la emisión de
calor]".
La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación
de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de
calor constituyen los principios físicos fundamentales para
comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular.
54
Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de
concentración. Los colectores planos funcionan a bajas
temperaturas, entre 80 y 60ºC, y se utilizan principalmente para
calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero también para
secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías,
baños públicos, embotelladoras, refrigeración, etcétera. Los
colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta
ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados
en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas más altas,
entre 60 y 165ºC, se utilizan los colectores tubulares. Éstos
consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno
exterior de vidrio, generalmente concéntricos. Entre el tubo de
vidrio y el tubo metálico externo, que debe ser negro (y puede ser
de cobre) se hace el vacío (véase figura 13), ya que la forma
tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, así
como captar la mayor cantidad de radiación solar. Debe señalarse
que se hace el vacío para reducir las pérdidas de calor por
conducción y convección, con lo cual se consiguen temperaturas
más elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares
la pérdida de calor por convección y conducción se reduce
considerablemente, la temperatura de operación aumenta y su
eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectores planos y
tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiación
difusa como directa. Los colectores de concentración, por su
parte, reúnen la radiación solar en un punto o una línea y
permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir
el movimiento del Sol (éstos se describirán más adelante).
Figura 13. Colectores tubulares.
I.7. EL CALENTADOR SOLAR
55
Tal vez la aplicación más sencilla y económica que tienen los
colectores planos sea el calentador solar con tanque de
almacenamiento.
Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el
Hemisferio Norte (como es el caso de México). A partir de cálculos
complejos de la radiación máxima que recibe una superficie
inclinada, en los que intervienen consideraciones teóricas y
empíricas, la máxima captación de un colector plano se logra
cuando el ángulo de inclinación es aproximadamente igual a la
latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia
máxima en todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de
México, un colector debe tener una inclinación de 19º. Una
segunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del
colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10º y, en
invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la capital esto equivale
a 9º en verano y 29º en invierno.
Para construir un colector plano puede usarse una caja de
aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la
caja puede ser de aluminio común). La caja del colector debe
tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10 cm de espesor
(véase la figura 14).
56
Figura 14. Colector plano para un calentador solar.
La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares,
puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa
de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja
debe estar perfectamente sellada para evitar pérdidas de calor y
el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el
interior lleva una lámina con tubos soldados pintados de negro
(por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un
recubrimiento de níquel) para que absorba y transmita la mayor
cantidad de radiación. Los tubos pueden ser de cobre y deben
estar uniformemente repartidos en forma de peine para que
circule el agua por toda el área del colector.
La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rígida,
por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte
posterior del colector.
Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el
sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de
57
energía intermitente, se requiere un tanque para que el
calentador solar dé servicio continuo. La ventaja de los colectores
planos es que funcionan con la radiación difusa, esto es, incluso
cuando el cielo está nublado, aunque obviamente la potencia
disminuye
Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo
puede utilizarse un tanque cilíndrico de acero con una capacidad
aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del
colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prácticos);
debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de
ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente
debido al efecto de termosifón.
El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el
agua fría, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el
agua caliente. Como el agua fría es más densa que la caliente, al
llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta,
tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo
se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto
termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las
capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual
hace que el agua circule continuamente (véase figura 14).
Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de
agua a una temperatura de 30 a 60º C; incorporado a una
vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su
costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 nuevos
pesos (además, no hay que olvidar el ahorro de gas).
Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros diseños y
sistemas de almacenamiento, en algunos casos más eficientes,
pero más costosos y complejos.
1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA LÍNEA
Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un líquido,
sólido o gas se emplean los llamados colectores de concentración,
que aprovechan la radiación solar directa. Para lograr un
aprovechamiento máximo, estos colectores deben tener un
mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo
largo del día, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la
radiación. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeño
motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de
seguimiento.
58
Existen también los colectores estáticos que, aunque poseen una
forma geométrica más adecuada para que permanezcan
inmóviles, son menos eficientes (véase figuras 15 y 16).
Figura 15. Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol.
(Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas
energéticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)
59
Figura
16.
Colectores
solares
de
concentración
estáticos
o
sin
seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V.,
L., Alternativas energéticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)
En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas típicas
de ambos tipos de colectores.
Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una
línea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si
utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa
fácilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los
rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la
lente. Si en ese punto colocamos por ejemplo, un trocito de papel
celofán, éste arderá rápidamente. Pero si en lugar de una lupa,
usamos un espejo cóncavo cuya forma sea un paraboloide de
revolución (véase la figura 17), se logra también la concentración
de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es
mucho más económico hacer un espejo cóncavo que una lente.
Comúnmente
se
utilizan
acrílicos
aluminizados
por
60
electrodepositado. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a
60% y cuando son de pequeñas dimensiones alcanzan
temperaturas de 100 a 300ºC.
Figura 17. Espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución. Éste
concentra los rayos solares en un punto y puede alcanzar temperaturas
elevadas.
Las antenas parabólicas instaladas en las azoteas de algunas
casas tienen la forma de paraboloide de revolución. Así que dichas
antenas también podrían utilizarse como bases para hornos
solares, siempre y cuando tuvieran un espejo (y tal vez serían
más útiles).
Para concentrar los rayos solares en una línea pueden emplearse
varias configuraciones de espejos. La más común es un cilindro
parabólico y el casquete de esfera (véase la figura 18).
61
Figura 18. Concentración de los rayos solares en una línea.
Los colectores de concentración tienen diversas aplicaciones,
entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta
colocar el sartén en el foco del espejo concentrador para preparar
cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la
adecuada para que el punto donde se concentran los rayos
solares no esté alejado del colector. Aquí debe aclararse que
como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona
alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es
máxima. Los colectores de concentración pueden emplearse como
hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un
motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilación. En
regiones con insolación intensa pueden emplearse a mediana
escala para la generación de energía eléctrica en plantas de
potencia de 1 a 100 MW.
La cantidad de energía captada en el colector depende del tamaño
de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea
62
la superficie de captación la temperatura focal será más alta. Los
heliostatos se utilizan para aprovechar una gran extensión. Éstos
consisten en un espejo cóncavo, formado por muchos espejos
planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se
concentra la energía solar. Dichos colectores pueden estar fijos o
puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el
heliostato tenga un motor programado para seguir el movimiento
aparente del Sol (véase la figura 19).
Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos
solares en una o varias líneas o en una zona pequeña. Con los
heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden
utilizar para generar energía eléctrica.
I.9. ESTANQUES SOLARES
El aprovechamiento del calor solar a través de estanques con
agua salada se originó en 1901 cuando A. V. Kalecsinsky se
percató de que en el lago de Medve, en Hungría, la temperatura
63
que alcanzaba el agua en verano a una proflindidad de 1.32 m era
de 72ºC; más que suficiente para un buen baño de agua caliente.
El mismo fenómeno ocurre en diferentes lagos del mundo. En
México existen varios estanques solares naturales, entre los que
se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en
Israel se empezó a experimentar con estanques solares artificiales
para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los
pioneros fueron Rudolph Broch y Harry Tabor) y la experiencia
israelí culminó en el año de 1979 con la construcción de la
primera planta termoeléctrica que utiliza un estanque solar y tiene
una potencia de 150 kW.
Los estanques solares son depósitos de agua con sal, en los
cuales la concentración de esta última aumenta con la
profundidad. Este fenómeno se presenta en forma natural, debido
a que la sal del agua, por ser más densa, tiende a irse al fondo
del estanque. Si se tienen tres capas de agua con diferentes
concentraciones de sal, ocurre lo siguiente: los rayos solares
calientan la capa superficial, pero como ésta se encuentra en
contacto con el ambiente, su temperatura dependerá de la
temperatura del ambiente en las distintas épocas del año; en la
segunda capa, que tiene una mayor concentración de sal, la
temperatura aumentará gradualmente, y en la tercera y más
profunda, donde la concentración de sal es más alta, la
temperatura será igual a la máxima temperatura de la segunda
capa, con la gran diferencia de que será muy superior a la
temperatura ambiente y permanecerá más o menos constante.
Las sales tienen la propiedad de almacenar el calor. Por esta
razón, la capa más profunda del estanque tiene una temperatura
mayor. En consecuencia, aparentemente la densidad tendría que
ser menor. Si calentamos agua común habrá evaporación,
convección y radiación y al cabo de un tiempo el agua cederá su
calor al medio. En un estanque solar, la primera capa tiene sal en
una concentración constante; en la segunda, la concentración de
sales aumenta gradualmente o, en términos científicos, se
establece un gradiente de sales, y al cambiar la temperatura
también se presenta un gradiente de temperatura, cuyo máximo
valor ocurre en la tercera capa. En esta última, el gradiente de
sales ocasiona que la densidad sea mayor que en la segunda y
con ello se evita la convección de calor, lo cual ocasionaría que el
agua se enfriara rápidamente. Por eso, la única pérdida de calor
entre las capas es por conducción de calor y como ésta es lenta,
la temperatura de la capa profunda es elevada (véase la figura
20). Así, en el lago Medve de Hungría, se llegan a alcanzar en
forma natural temperaturas de 72ºC.
64
Figura 20. Diagrama de un estanque solar. En A se tiene una
concentración de sal constante. Cuando se está a una profundidad entre
40 y 110 cm, la concentración de sal empieza a aumentar linealmente y
en la capa C es donde la concentración de sal es más alta.
Otro tipo de estanque solar que sí permite la conducción del calor
por convección en todas las capas de agua u otro líquido se puede
construir empleando un material que sea a la vez transparente y
aislante para que no haya transferencia de calor a la superficie
que está en contacto con el ambiente. Este sistema se utiliza en
las albercas, para mantener el agua templada. Con frecuencia se
emplea un plástico grueso con burbujas de aire que cubre
completamente la superficie de la alberca.
1.10. CELDAS SOLARES
Las celdas solares convierten directamente la luz solar en
electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz está compuesta
de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía
suficiente choca con un átomo de algún material, por ejemplo el
silicio, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón del
material queda en un estado excitado por la energía absorbida, lo
que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en
lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente,
puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condiciones
y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energía solar.
65
Para imaginarnos cómo es un átomo supongamos que el núcleo
de éste es el Sol y los planetas son los electrones que giran a su
alrededor. Para comprender lo que ocurre cuando llega un fotón,
pensemos que éste es un cometa. Si el cometa choca con Plutón,
a nivel atómico este último adquiriría una energía que le
permitiría salir del Sistema Solar. La regla del mundo atómico
establecería que todos los planetas únicamente pueden estar en
la órbita de algunos otros pero no permanecer en estados
intermedios. Si un planeta pasa a una órbita inferior producirá un
cometa y si éste choca con un planeta, este último pasará a la
órbita inmediata superior. Por lo tanto, si queremos producir un
efecto cometo-planetario, es decir, una corriente de planetas,
siguiendo las reglas del mundo atómico, se necesitaría que los
cometas poseyeran la energía suficiente para que los planetas
salieran del Sistema Solar.
Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales
semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos
conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que
tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cerámica. Un
ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en
los transistores que posee cualquier radio. El silicio, por ejemplo,
es un material semiconductor.
En los materiales semiconductores existe una región que separa a
la banda de valencia, en la cual los electrones están ligados al
núcleo atómico, de la banda de conducción, en la que los
electrones pueden circular libremente. Dicha región se denomina
banda prohibida. En los materiales aislantes ésta es mayor de 5
eV (electrón-volt) y en los semiconductores, como el silicio es de
1.1 eV. Para lograr la conducción se requiere que los electrones
de la banda de valencia pasen a la de conducción, y una forma de
lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la
energía que se requiere para que los electrones salten la banda
prohibida.
Si a un material semiconductor se le introduce una pequeña
proporción de otro material, lo cual se denomina una impureza, se
puede conseguir que se tenga un electrón de más o de menos en
la banda prohibida. Si esto ocurre cerca de la banda de
conducción, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el
electrón de más o de menos está cerca de la banda de valencia, el
material se llama tipo p (por positivo).
Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el
efecto fotovoltaico, es decir, habrá un flujo de huecos (falta de
electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones
66
hacia el lado del semiconductor p. Los fotones provenientes del
Sol llegan a la celda solar y la radiación absorbida generará
electrones en la banda de conducción y huecos en la de valencia.
Con ello, se generará una corriente eléctrica del lado p al n y
habrá un voltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia
entre los dos electrodos (positivo y negativo) se presentará un
flujo de corriente.
En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos
(véase la figura 21). La capa que está expuesta al Sol debe
aprovechar al máximo la radiación solar por unidad de área y por
esta razón el electrodo negativo está formado por pequeñas tiritas
de un material conductor. Las celdas de unión p-n se descubrieron
en 1954, en los Laboratorios Telefónicos Bell de Estados Unidos y
se utilizaron como una fuente de energía en los teléfonos rurales,
y posteriormente se emplearon para cubrir las necesidades de
energía eléctrica de los satélites artificiales, aunque el principio de
operación lo descubrieron Adams y Day en 1878, utilizando
selenio, y las primeras celdas las construyó Charles Fritts, en
1879.
67
Figura
21.
Esquema
de
una
celda
solar.
Al
unir
un
material
semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de energía
adecuada, provenientes del Sol, se producen en la banda prohibida (la
que está entre la banda de valencia y la de conducción) pares electrónhueco que generan una corriente eléctrica.
Las celdas solares tienen la ventaja de aprovechar tanto la
radiación directa como la difusa, poseen una larga vida y
convierten directamente la energía solar en electricidad. Por otro
lado, no se han usado ampliamente porque hasta ahora son
demasiado costosas y, por lo tanto, no pueden competir con otras
fuentes de energía como el petróleo y el gas. Además, su
eficiencia de operación es baja, normalmente de 10%. Sin
embargo, desde el descubrimiento de las celdas de silicio amorfo
hidrogenado,
en
los
últimos
años
han
disminuido
considerablemente los costos, aunque la eficiencia máxima (8%)
que se obtiene con este material es menor que la que se consigue
con otros. En el cuadro V aparecen algunos materiales con los que
están hechas las celdas solares que se fabrican o se estudian en
México, sus eficiencias máximas y el área de captación de cada
una de ellas.
CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área
Eficiencia
máxima (%)
Silicio amorfo
Sulfuro de cadmio
Área (cm2)
8
0.04
10
1.00
68
Silicio
monocristalino
18
2.00
7-14
2-3
Arsenuro de galio
22
0.10
Teluro de cadmio
8-9
0.02
Silicio
policristalino
Fuente: Alonso C., Antonio y Luis Rodríguez
Viqueira, Alternativas energéticas, CONACYT,
1985.
Como cada celda genera corrientes entre 10 y 40 miliamperes
(mA) por cm² y voltajes de 0.4 a 1 volt, se tienen que unir varias
celdas en serie o en paralelo, para formar páneles con potencias
de 2 a 60 watts-pico que sean útiles para satisfacer diferentes
necesidades de energía eléctrica; éstos deben estar cubiertos
para evitar el deterioro. Mediante la unión de varios páneles
puede abarcarse una área adecuada para satisfacer cierta
demanda y, al igual que en los colectores planos, las celdas deben
orientarse hacia el sur, con una inclinación adecuada.
Por ejemplo, si se quiere tener una potencia de 100 watts, se
requerirían 120 V (volts) y 0.8 A (amperes). Para ello, se
necesitaría un pánel que tuviera 300 celdas solares en serie
(0.4x300=120 V) y 20 celdas solares colocadas en paralelo
(0.040x20=0.8 A).
I.11. Y EN LAS NOCHES, ¿QUÉ?
69
Hasta ahora se han mencionado varios sistemas que convierten la
energía solar en calor o en electricidad, pero nuestro planeta gira
sobre su propio eje en un ciclo de 24 horas y, en consecuencia,
cuando anochece no puede aprovecharse la energía solar. Si
nuestras necesidades de energía pudieran satisfacerse durante el
día no habría ningún problema; sin embargo, nuestras
costumbres vampirescas nos han hecho depender cada vez más
de la luz artificial, a tal grado que en las ciudades resulta caótica
la falta de electricidad durante la noche. Las necesidades del
consumo de energía están dirigidas cada vez más a que las
personas realicen sus actividades a cualquier hora del día. Aunque
debe recalcarse que la demanda de energía siempre será mayor
durante el día.
Como nuestro planeta no recibe la luz del Sol a todas horas, se
dice que la energía solar es una fuente intermitente, dado que no
es posible aprovechar la radiación solar en forma continua.
Para resolver este problema se ha propuesto utilizar los sistemas
de almacenamiento de energía, de tal forma que la energía que
no se consume cuando hay Sol se guarde en un sistema de
almacenamiento para utilizarla durante la noche. Así se lograría
tener energía en forma continua, pero a cambio aumentaría el
costo de los dispositivos solares ya que se necesitarían sistemas
que almacenen la energía.
Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energía: los
químicos y los físicos.
En el apartado IX de la segunda parte se describen los sistemas
de almacenamiento de energía.
I.12. LA INVESTIGACIÓN SOLAR EN MÉXICO
Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con
el promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas
coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos
de Cáncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse
centrales de energía solar para satisfacer la demanda que
requiere nuestro país. Además, como en las zonas desérticas el
suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se
habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de
varias decenas de megawatts de potencia.
Hoy en día, la energía solar no contribuye significativamente a
satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según algunas
70
fuentes, en 1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer
lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energía. En
segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energía
hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el carbón,
con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por
otro lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural
no tiene acceso a la energía eléctrica.
El promedio diario de energía solar que llega a la República
Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilización de la energía solar se ha
probado con éxito como alternativa para satisfacer las
necesidades de electricidad en las comunidades rurales. También
se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho
de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al
consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos
solares y si la arquitectura de la vivienda está diseñada para que
el clima esté controlado naturalmente con diversos sistemas
solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso
de la energía solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de
los energéticos y a la descentralización energética.
Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en
primer lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en
comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el
mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear
sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco
costosos, sencillos, eficientes y duraderos.
Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la
investigación básica y aplicada que se realice en México. En el
cuadro VI se resume la investigación solar que se lleva a cabo en
nuestro país. El futuro de la energía solar depende de estas
investigaciones; por mencionar sólo un ejemplo del avance
logrado, en los últimos seis años el costo de las celdas solares ha
disminuido en un factor de diez.
CUADRO VI. Investigación solar en México.
Sistema
Colectores planos
Lugar donde se investiga
Instituto de Ingeniería de la UNAM,
Instituto dde Investigaciones en
71
Materiales de la UNAM7
, Instituto
Politécnico Nacional; Instituto dde
Investigaciones
Eléctricas;
varias
universidades e institutos en toda la
República; fábricas de calentadores
solares en el D.F., Guadalajara,
Cuernavaca y Sinaloa, CFE y la
Secretaría de Agricultura y Recursos
Hidráulicos.
Instituto
de
Investigaciones
Materiales de la UNAM.
Colectores
evacuados
Colectores
concentración
de
en
Instituto de Ingeniería de la UNAM e
Instituto
de
Investigaciones
Eléctricas.
Estanques solares
Instituto
de
Investigaciones
Eléctricas (en Palmira, Morelos);
Sosa-Texcoco;Fertimex e Instituto de
Ingeniería de la UNAM.
Celdas solares
Instituto
de
Investigaciones
en
Materiales de la UNAM, Centro de
Investigación y estudios Avanzados
del IPN, el IPN y el IIE.
72
I I .
L O
Q U E
E L
V I E N T O
N O
S E
L L E V Ó
EOLO, según la mitología griega, era el dios de los vientos. Hijo de
Zeus y la ninfa Menalipa, con sólo inflar sus enormes cachetes
podía producir huracanes, sirocos, ventiscas, tempestades e
incluso brisas, según su variable estado de ánimo.
Las investigaciones que se realizan actualmente sobre la energía
eólica se dirigen a aprovechar el viento como energético para
producir electricidad, calor, energía mecánica o cualquier otra
forma de energía.
La energía eólica está clasificada como una fuente no
convencional. Es prácticamente inagotable y no contamina. Sin
embargo, su principal desventaja es que cuando no sopla el
viento no se produce energía. Por esta razón es una fuente
intermitente y, como tal, requiere de un sistema de
almacenamiento para aprovecharla continuamente.
La historia de la energía eólica o de los vientos se remonta al año
3 500 a.C., cuando los sumerios armaron las primeras
embarcaciones de vela. Después, los griegos construyeron
máquinas que funcionaban con el viento. Así, desde la Antigüedad
éste ha sido el motor de las embarcaciones. Han pasado 5 000
años y los veleros surcan aún los mares.
Sin embargo, ésta es sólo una de las bondades del viento. Otra
aplicación familiar, cuya imagen aparece inmediatamente, son los
molinos de viento. La historia del molino de viento es confusa.
Hay quienes afirman que el primero de estos molinos surgió en
Seistán, Persia (hoy Irán), aunque parece que existen indicios
anteriores de su existencia en la isla griega de Miconos.
Los chinos utilizaron desde la antigüedad los molinos eólicos para
bombear agua y regar sus tierras; un caso notable del uso de esta
energía fueron las carretillas impulsadas con velas para facilitar el
transporte de mercancías de un lado a otro. Ya en el siglo XIX, los
chinos construyeron un vagón de ferrocarril de pasajeros que
tenía una gran vela; la principal desventaja era que la espera, en
ocasiones, era bastante larga.
II. 1. LA INVASIÓN DE LOS MOLINOS
73
Los molinos de viento emigraron rápidamente a Europa. Por un
lado, llegaron al norte de África y a España, y por otro, al norte de
Europa, a través del Mar Caspio. La primera alusión directa a ellos
en Europa lo encontramos en 1105, cuando por encargo del Papa,
el Abad de Savigny construyó varios molinos en diversas
provincias francesas.
A principios del siglo XIII los molinos eólicos invaden toda Europa.
Y es precisamente al final de este siglo cuando aparecen los
famosos molinos holandeses usados para bombear agua. Así,
cabe señalar que otra aplicación importante de estos molinos fue
para la molienda de granos.
Un testimonio famoso de los molinos de viento es, sin lugar a
dudas, la lucha contra los molinos de viento que se narra en El
ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha, de Miguel de
Cervantes Saavedra, publicado en 1605.
—¿Qué gigantes?— dijo Sancho Panza.
—Aquellos que allí ves —respondió su amo—, de los brazos
largos, que los suelen tener algunos de casi dos leguas.
—Mire vuestra merced —respondió Sancho—, que aquellos
que allí se parecen no son gigantes sino molinos de viento,
y lo que en ellos parecen brazos son aspas que volteadas
del viento hacen andar la piedra del molino.
—Bien parece —respondió Don Quijote—, que no estás
cursado en esto de las aventuras: ellos son gigantes, y si
tienes miedo quítate de ahí y ponte en oración, en el
espacio que yo voy a entrar con ellos en fiera y desigual
batalla...
Entre las aplicaciones poco usuales de la energía eólica figura un
ventilador que construyó el biólogo Stephen Hale, en 1752, para
la prisión londinense de Newgate, donde las condiciones sanitarias
no eran precisamente las más adecuadas. Esto se debía, en parte,
a que en esa época se aplicaba un impuesto elevado a las
74
construcciones con ventanas grandes y las prisiones no eran la
excepción. El sistema de Hale se extendió posteriormente a otras
cárceles. Pero no sólo la práctica eólica tuvo sus logros. En 1759
John Smeaton presentó ante la Royal Society de Londres un
tratado titulado: Cuestiones experimentales relativas a la fuerza
natural del agua y el viento.
En 1782 aparece el motor de Watt y con él se abre la puerta para
la Revolución Industrial, con sus máquinas térmicas, más
eficientes, más baratas y que podían funcionar continuamente, lo
cual trae como consecuencia que se preste menos atención al uso
de sistemas eólicos. A finales del siglo XVIII y durante todo el XIX,
el aprovechamiento de la fuerza de los vientos quedó como mera
curiosidad, salvo unas cuantas excepciones, como las turbinas con
aspas de madera y después de acero, diseñadas por Daniel
Halladay y Stuart Perry a finales del siglo XIX.
Pero mientras el petróleo era una fuente duradera y barata a
finales de la centuria pasada y en la primera mitad de la actual,
hoy se sabe que más temprano que tarde se va a agotar, razón
que ha llevado a estudiar otras fuentes de energía, como la eólica.
El viento se produce por el calor que genera el Sol, combinado
con el movimiento de rotación de nuestro planeta. Los rayos
solares calientan la corteza terrestre y al aire que la rodea. Esto
ocasiona que el aire se dilate, pierda presión, se eleve y lo
sustituya el aire frío que viene de los océanos. Durante las
noches, el proceso es al revés, es decir, el mar guarda mejor el
calor que la corteza, el aire se dilata y ahora de la corteza
proviene el aire frío. En las montañas ocurre un ciclo diurno y
nocturno parecido. Estas diferencias de presión en nuestra
atmósfera ocasionan corrientes de convección. Esto es, corrientes
más o menos circulares que van de la parte alta de la atmósfera a
la baja, para luego regresar a la primera (la rotación de la Tierra
hace más complejo el patrón de circulación del aire, porque las
fuerzas inerciales ocasionan que en las capas altas de la
atmósfera del Hemisferio Norte el aire se desvíe hacia el este y en
las bajas hacia el oeste, mientras que en el Hemisferio Sur ocurre
a la inversa). De estas corrientes, únicamente las fuerzas
horizontales son dinámicas y pueden transformarse, por medio de
unas aspas, en energía utilizable. Las corrientes verticales son
convectivas y no poseen la energía dinámica para ser
aprovechables. De hecho, el viento se define como el movimiento
horizontal de las masas de aire en nuestra atmósfera.
75
A pesar de que el uso de la energía eólica para el transporte y la
agricultura es muy antiguo, la conversión de esta energía a
electricidad pertenece a este siglo, entre otras razones porque la
electricidad aprovechable surgió a finales del siglo pasado (en
1881).
Hoy es común utilizar ventiladores en lugares donde hace mucho
calor para producir una agradable brisa. Éstos consisten en un
motor eléctrico unido a unas aspas. El proceso inverso, o sea,
aprovechar el viento para generar energía eléctrica, es una de las
aplicaciones más importantes de la energía eólica, y al aparato
capaz de realizar esta conversión se le denomina aerogenerador.
II. 2. DEL VIENTO A LA ELECTRICIDAD
Existen muchos tipos de aerogeneradores. Si los clasificáramos de
acuerdo con la potencia que producen se dividirían en pequeños,
que generan alrededor de 3 kilowatts; medianos, que llegan a
producir hasta 1 000 kilowatts (es decir, 1 megawatt), y los
grandes, que son de 1 MW en adelante. Para dar una idea de
estas cifras, la potencia de los aerogeneradores grandes es cien
veces menor que la de una planta termoeléctrica común. Por ello,
para conseguir una potencia elevada deben instalarse varios
aerogeneradores grandes en un mismo lugar.
Si clasificáramos a los aerogeneradores por sus características
geométricas, serían de dos tipos: con el rotor vertical u
horizontal. En los primeros, el eje de giro del aparato es
perpendicular al suelo. Los más conocidos son los de Klemin,
Savoius y Darrieus, diseñados en 1925, 1929 y 1931,
respectivamente. Los aerogeneradores con rotor horizontal tienen
las aspas como las hélices de los aviones, unidas a un rotor
paralelo al piso (véase la figura 22).
76
Figura 22. Diferentes tipos de rotores para aerogeneradores,
aerobombas y molinos.
El aerogenerador consta de una torre situada en un lugar
apropiado. Sobre ella sobresalen aspas de grandes dimensiones.
Éstas giran debido a la fuerza ejercida por el viento, y con ellas el
rotor que, por medio de un sistema de transmisión, está
conectado a un generador capaz de producir energía eléctrica
(véase
la
figura
23).
77
Figura 23. Diagrama del mecanismo interior de un aerogenerador de 0.1
MW. (FUENTE: ERDA-NASA.)
La potencia máxima que proporciona un aerogenerador depende
fundamentalmente de dos características: la velocidad del viento
y el radio de las aspas. Concretamente, la potencia es
proporcional al cubo de la velocidad del viento. Así que para
poseer un aerogenerador de gran potencia se necesita escoger un
lugar en donde los vientos sean veloces la mayor parte del año
(entre l0 y 40 km/h aproximadamente).
II. 3. VIENTOS DE MÉXICO
En México, el sureste, el norte y el centro son las regiones más
apropiadas para colocar sistemas eólicos; destacando La Ventosa,
en Oaxaca, donde los vientos alcanzan velocidades promedio de
20 a 25 km/h. En 1984, el Instituto de Investigaciones Eléctricas
(IIE) elaboró el primer mapa de vientos máximos en la República
Mexicana, así como un sistema electrónico que permite conocer
con bastante precisión las características fundamentales del
viento en un lugar determinado. Recientemente, el IIE publicó el
primer Atlas Eólico de la República Mexicana.
Según el libro Alternativas energéticas, del doctor Antonio Alonso
Concheiro y el ingeniero Luis Rodríguez Viqueira (coeditado por
CONACYT-FCE, en 1985):
El aprovechamiento de la energía eólica en México se
limita a las aerobombas de eje horizontal y aspas
múltiples, instaladas en localidades rurales del norte y el
sureste del país.
En México sólo existe un fabricante de aerobombas y uno
de aerogeneradores. Estos últimos se producirán
comercialmente después de la fase de prueba y
demostración. Ya están instaladas dos unidades, una en el
Ajusco y otra en la parte oeste de Michoacán.
78
El estudio de Alonso Concheiro y Rodríguez Viqueira señala que
sólo hay tres instituciones y una asociación civil dedicadas a la
investigación y el desarrollo de la energía eólica en México: el
Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE),la Universidad
Autónoma Metropolitana-Unidad Azcapotzalco, la Escuela Superior
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN y el Grupo del Sol.
De estas instituciones, la que presta más atención al desarrollo de
la energía eólica es el IIE. Ahí, señalan los autores de Alternativas
energéticas:
Los trabajos se enfocaron inicialmente a volver a diseñar
equipos desarrollados en otros países, adecuándolos a la
disponibilidad de materiales, y a habilidades técnicas y
artesanales de nuestro país.
Actualmente el IIE cuenta con un aerogenerador de velas
para aplicaciones mecánicas, una aerobomba de tipo
Savonius, una de 1.5 kWe y un aerogenerador con rotor
tipo Savonius de 200 W.
También se encuentran en proceso de construcción un prototipo
de aerobomba mecánica, del cual se instalarán dos aerobombas
en San Rafael, San Luis Potosí.
Respecto a la conversión eléctrica, el IIE posee la estación
eoloenergética de El Gavillero, en Hidalgo. En ella se construyeron
dos aerogeneradores tipo Dunlite, de 2 kW para vientos de 5 m/s,
que abastecen de energía eléctrica a la comunidad, y también el
IIE diseñó un aerogenerador denominado Albatros, con un rotor de
11 m de diámetro, que desarrolla una potencia de 8.5 kW.
En el cuadro VII se resumen las instituciones dedicadas a la
investigación eólica en México.
CUADRO VII. Investigación eólica en México.
79
Aerobombas
aerogeneradores
Instituto
de
Investigaciones
Eléctricas,
Universidad
Autónoma
Azcapotzalco,
y Metropolitana-Unidad
Escuela
Superior
de
Ingeniería
Mecánica y Eléctrica del IPN y Grupo
del Sol. Dos fabricantes comerciales.
Condiciones
del Instituto de Investigaciones Eléctricas
viento
en
la
e Instituto de Geografía de la UNAM.
República Mexicana
El alto costo de los aerogeneradores y las aerobombas representa
actualmente la desventaja fundamental para integrarlos a
mediana escala; lo mismo sucede con el sistema de
almacenamiento de energía.
Finalmente, respecto a la energía eólica se debe señalar que en
nuestro país los aerogeneradores pueden ser una opción en
comunidades rurales sin electrificar, así como una fuente de
energía, dentro de la diversificación de fuentes opcionales de
energía. Sería muy conveniente crear institutos dedicados a la
investigación de fuentes como la eólica, la solar, la fusión y la
biomasa, tal vez financiados por Petróleos Mexicanos.
El desarrollo de los sistemas eólicos, solares y los que aprovechan
la biomasa en nuestro país debe apoyarse mucho más de lo que
se ha hecho hasta ahora. Es deseable que se instalen plantas de
generación de energía eléctrica piloto para cada sistema,
apoyadas por un grupo de investigación, como se ha hecho con
otras fuentes de energía
80
I I I .
M A T E R I A V I V A
E N E R G Í A D E L A
Y D E S E C H O S :
B I O M A S A
LA MATERIA orgánica y los desechos se pueden transformar en
energía utilizable. Esta transformación se conoce como obtención
de energía a través de la biomasa.
En el aprovechamiento de la biomasa como fuente energética se
emplean principalmente árboles, plantas y desechos animales y
vegetales.
Existen dos formas de aprovechar este tipo de energía: la
conversión termoquímica y la conversión biológica.
La primera se refiere a la utilización de vegetales y desechos
orgánicos para producir calor mediante la combustión; a la
descomposición térmica de materiales que contienen carbono,
cuando no hay oxígeno, proceso denominado pirólisis; a la
hidrogenación, en la cual se obtienen hidrocarburos de los
desechos orgánicos; la hidrogasificación, en la cual se convierte el
estiercol en metano y etano, al someterlo a presiones elevadas y,
finalmente, a la fermentación y destilación, en la que se obtiene
alcohol a partir de granos y desechos vegetales.
El segundo tipo de conversión lo constituye la fermentación
aeróbica, en la cual se aprovecha el calor que se obtiene de la
descomposición de las bacterias aeróbicas, es decir, aquellas que
requieren oxígeno. Ejemplos de este proceso es el tratamiento de
aguas negras y la obtención de fertilizantes. Por otro lado está la
fermentación anaeróbica, en la cual la materia orgánica se
descompone en inorgánica en presencia de bacterias que no
requieren oxígeno (anaeróbicas), llamadas metanogénicas,
porque producen gas metano. Este gas se puede utilizar para
calentar agua y para cocinar.
El aprovechamiento de la biomasa tiene su origen en la energía
solar, dado que las plantas, a través de la fotosíntesis, absorben
una cantidad pequeña de energía (aproximadamente 1%) de la
radiación visible del espectro solar.
81
El ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la
madera: la fuente de energía más antigua que conoce la
humanidad. La madera está compuesta de celulosa y lignina, así
como de almidón, bálsamos, alcohol etílico, alcanfor, colorantes,
taninos, perfumes y resinas. Para producir calor durante la
combustión de la madera se requiere oxígeno y se libera bióxido
de carbono. A pesar de que la madera es la fuente de energía
más longeva, actualmente se sigue utilizando, sobre todo en las
áreas rurales de países como México.
Los desechos orgánicos de las grandes urbes, como los
componentes orgánicos de la basura pueden utilizarse para la
generación de energía eléctrica y en forma directa como
energético doméstico. En México se han construido algunas
plantas experimentales.
Una de las aplicaciones más espectaculares de la energía de la
biomasa es el aprovechamiento del excremento, el cual mediante
la descomposición de bacterias anaeróbicas produce gas metano,
bióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y ácido sulfhídrico, en
recipientes perfectamente sellados que se conocen con el nombre
de digestores anaeróbicos. El metano obtenido se puede
aprovechar, como ya se había mencionado para cocinar, calentar
agua y como fuente de luz artificial. Además, los subproductos del
proceso, nitrógeno, fósforo y potasio, se pueden usar como
fertilizantes. En China, por ejemplo, se han construido siete
millones de unidades y en México se utilizan en varias
comunidades rurales.
Otro ejemplo es la obtención de etanol, un alcohol que se obtiene
de los subproductos del azúcar de caña, que en el caso de Brasil
proporciona una quinta parte del combustible que utiliza ese país
para el transporte.
I V .
E L
O R O
N E G R O
Y
E L
G A S
82
EL PETRÓLEO se origina por la acumulación de plancton verde y
restos animales en los sedimentos del fondo marino, el cual,
mediante una descomposición anaeróbica se transforma
lentamente por procesos bioquímicos e inorgánicos en gotas de
petróleo (del latín aceite de piedra) o hidrocarburos. Estas gotas
se alojan en una roca sedimentaria, llamada roca madre, de
donde su extracción es casi imposible. Posteriormente, el petróleo
migra a otro tipo de rocas de grano grueso y por lo tanto
permeables, en las que se forman depósitos, donde se almacena.
Cuando está en el proceso de almacenamiento, en ocasiones
existe una roca de grano fino impermeable que cubre la capa
donde éste se almacena e impide que el petróleo siga migrando.
Es así como se llega al estado que se conoce como trampa de
petróleo. Es en esta etapa cuando el petróleo puede extraerse.
Como el petróleo es menos denso que el agua, con el paso del
tiempo se separa de ésta y se acumula en la parte superior de la
trampa. Finalmente, en la parte más alta se encuentra el gas
natural (véase la figura 24).
Figura 24. Formación del pétroleo.
El crudo es una mezcla de compuestos orgánicos que varía según
la calidad del mismo; sus componentes son los siguientes: de 85
a 90% de carbono; de 10 a 14% de hidrógeno; de 0.2 a 3% de
azufre y algunos rastros de otros materiales como vanadio y
níquel.
83
Una vez que se sabe qué es el petróleo y de qué se compone, el
siguiente paso es saber dónde se encuentra y para localizar un
yacimiento petrolífero se necesita la exploración. Como no se
conoce un método directo para detectarlo desde la superficie, se
necesita un estudio geológico de la región para examinar la
composición de las rocas; esto puede hacerse mediante la
percepción remota, es decir, tomando imágenes desde un satélite
o un avión, y posteriormente se puede obtener una descripción
geológica del lugar. Mediante investigaciones sísmicas la
información obtenida se completa aún más. Todo el proceso que
se sigue se conoce con el nombre de prospección.
A continuación se perforan los lugares escogidos, de los que se
recogen muestras de diferentes capas para probar si
efectivamente es correcta la información proporcionada por los
sismógrafos. Una vez terminado el análisis de muestras se
procede a la perforación, cuyo objetivo es encontrar y explotar el
yacimiento petrolífero (véase recuadro 6).
Recuadro 6
¿Compañía Mexicana de Petróleo "El Águila"?
"El Águila" en realidad pertenecía al consorcio
petrolero Royal Dutch Shell. En 1913, esta
compañía había obtenido una producción tan
elevada que se vio obligada a organizar una
flota de barcos, dedicada exclusivamente a
llevar sus productos al extranjero. Todo el
petróleo se exportaba, incluso el destinado al
alumbrado local. En diez años "El Águila"
ganó alrededor de 164 millones de pesos. Y
en 1922, las empresas petroleras extranjeras
exportaban 99% de la producción.
Para la perforación se utiliza una barra giratoria que tiene en la
parte inferior una especie de paleta de diamante (el material más
duro que se conoce en la naturaleza), llamada trépano, que
perfora el suelo. El trépano se lubrica con un barro especial que
fluye hacia abajo por el interior del barreno y hacia arriba por el
84
exterior del mismo. Cuando se estima que el pozo petrolero tiene
posibilidades, se rodea la perforación con un tubo de mayor
diámetro, fijado con cemento.
Recuadro 7
"Deje que el señor termine." En una reunión
con el gobierno mexicano, el representante de
la compañía extranjera "El Águila", que
explotaba el petróleo mexicano, le dijo al
presidente Lázaro Cárdenas que su compañía
sí era mexicana y que pagaba todos sus
impuestos. Sin embargo, en ese momento
intervino don Jesús Silva Herzog padre, sacó
un periódico de años atrás y se puso a leerlo
en voz alta en la reunión. En él se decía
claramente que "El Águila" sí era extranjera y
que no pagaba debidamente sus impuestos.
En ese momento, el representante de la
compañía extranjera se puso nervioso y trató
de interrumpir a Jesús Silva Herzog, pero el
general Cárdenas lo detuvo y le dijo: "Deje
que el señor termine."
Los problemas con los petroleros extranjeros
se fueron haciendo más graves y se organizó
otra reunión con el general Lázaro Cárdenas.
El propio Presidente trató de convencer a los
dueños de las compañías de petróleo que
pagaran a sus obreros mexicanos una deuda
de 26 millones de pesos. Sin embargo, uno de
los representantes le dijo al Presidente:
—¿Y, quién garantiza que el aumento será
sólo de 26 millones de pesos?
—Yo lo garantizo —contestó el Presidente.
85
—¿Usted? —replicó el representante.
—Sí, lo garantiza el Presidente de la República
—respondió el general Cárdenas.
El emisario de la compañía esbozó una ligera
sonrisa. El Presidente se puso de pie y les dijo
a todos: "Señores, hemos terminado."
Toda vez que se alcanza cierta profundidad, se retira el barreno y
se coloca una válvula de control en la boca del pozo, continuando
la perforación con un trépano más pequeño (véase la figura 25).
Una vez que se ha encontrado el codiciado oro negro se averigua
la extensión del yacimiento, para lo cual se perforan varios pozos
alrededor. Cada barril tiene 158.98 litros de petróleo.
86
Figura 25. Diagrama de un pozo-petrolero. (Tomado de Man, Energy and
Society, Earl Cook, W. H. Freeman, 1976)
Hasta finales de 1991, el país contaba con una reserva probada
de 65 500 millones de barriles de petróleo, y los principales
centros productores son los complejos marinos Cantarell y
Abkatún. Más del 90% de la producción proviene de la Sonda de
Campeche, Chiapas y Tabasco (véase el cuadro VIII). En la
actualidad se consumen diariamente 2.6 millones de barriles de
petróleo, de los cuales, aproximadamente la mitad, 1.8 millones,
se exporta al extranjero (56% a Estados Unidos). Si el consumo y
las reservas permanecieran constantes, el petróleo se acabará en
el año 2060.
CUADRO VIII. Derivados del petróleo.
Derivados
Uso
Gas propano y butano Gas doméstico
Gasavión
Gasolina
automóviles
Turbosina
Motores de combustión de avión
para
Motores para automóviles
Turborreactores y propulsores
87
Combustible
tractores
para
Tractores agrícolas
Diesel
Motores diesel
Nafta
Materia prima petroquímica
Gasolinas especiales
Pinturas y solventes
Combustible
lámparas
Lámparas y señales de ferrocarril
para
Cera y parafina
Papel encerado, velas y aislante
eléctrico
Lubricantes
Lubricación general
Bitumen
Carreteras
Aceite combustible
Producción
de
vapor,
acero,
calentamiento
industrial
y
producción de electricidad
Gasóleo
Calefacción doméstica
88
FUENTE: Susana Chow Pangtay, Petroquímica y Sociedad, Col. La Ciencia desde
México, FCE, 1987
V .
L A
E N E R G Í A D E L C A R B Ó N :
M I L L O N E S D E A Ñ O S
3 0 0
HACE aproximadamente 300 millones de años se formó gran parte
del carbón mineral que existe en nuestro planeta. Esto ocurrió en
el Paleozoico superior, en el periodo llamado Carbonífero, aunque
también durante los periodos Pérmico, Cretácico, Jurásico,
Triásico, Pleoceno y Mioceno se formaron grandes yacimientos
carboníferos.
El carbón se formó a partir de la descomposición anaeróbica de
materia orgánica, principalmente plantas superiores terrestres (a
diferencia del petróleo, que es de origen marino). Debido a la
acción de las bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue
ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno; este proceso,
aunado a los incrementos de presión y temperatura con el paso
del tiempo, provocaron cambios físicos y químicos en los restos
orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como
carbón.
El carbón mineral se empezó a utilizar como combustible en China
hace aproximadamente 2 000 años. Posteriormente lo utilizaron
los romanos. Lo curioso del caso es que en el siglo XI un inglés
"redescubrió" que el carbón podía arder. Sin embargo, desde el
siglo XIII, los ingleses lo empezaron a explotar y lo transportaban
en barco a Londres, donde lo utilizaban para producir calor.
También los indios hopi lo emplearon en lo que hoy es Arizona.
89
En 1670, el reverendo John Clayton informó la generación de un
gas luminoso que se obtenía al calentar carbón en una retorta. Un
siglo después, en 1792, William Murdock, iluminaba su casa en
Corwall, Escocia, con gas obtenido de la destilación de carbón.
Sin embargo, no fue sino hasta la época de la reina Isabel I
cuando este combustible empezó a utilizarse ampliamente en las
ciudades inglesas, sacado de las minas de Newcastle y Cardiff. El
carbón adquirió más importancia cuando Abraham Darby
descubrió el proceso que permite obtener coque a partir de
carbón.8
Al poco tiempo el carbón, como combustible, se convertiría en uno
de los principales protagonistas de la Revolución Industrial, al
lado de la máquina de vapor inventada por James Watt, en 1765.
El propio Watt diseñó, en 1803, un sistema de alumbrado para las
calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del
carbón; James Prescott Joule se dio cuenta de la relación que
existía entre la máquina de vapor y el uso directo del carbón
(véase el recuadro 8).
Recuadro 8
James Prescott Joule y el equivalente
mecánico
del
calor.
"El
conocer
la
equivalencia entre el calor y la energía
mecánica es de gran valor para resolver gran
número
de
problemas
de
interés
e
importancia. En el caso de la máquina de
vapor, averiguando la cantidad de calor
producida por la combustión de carbón
podemos determinar qué parte de dicho calor
se transforma en energía mecánica e indagar
así hasta qué punto la máquina de vapor
puede recibir nuevas mejoras. Los cálculos
que se han hecho basándose en este principio
han hecho ver que puede producirse cuando
menos diez veces más energía de la que
actualmente
se
obtiene
mediante
la
combustión del carbón. Otra conclusión
interesante es que el organismo animal,
90
aunque destinado a realizar tantos otros fines,
es, en cuanto máquina, más perfecto que la
máquina de vapor mejor contruida, o sea, que
es capaz de realizar más trabajo con el mismo
gasto de combustible. "JAMES PRESCOTT
JOULE, 1847.
Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carbón desplazó
definitivamente a la madera como combustible fundamental. A
continuación, entre ambas guerras mundiales el petróleo
sustituyó al carbón como principal energético y esta situación se
acentuó en la posguerra. Pese a ello, en 1978, el carbón
representó el 26% de la demanda de energía primaria mundial.
En el caso de México, según cifras de 1975, se ha tenido que
importar carbón para satisfacer la demanda. Sin embargo, la
producción ha ido aumentando. Hasta 1980 las reservas de
carbón eran de 3 275 toneladas. Asimismo, las reservas de
carbón no coquizable eran, según cifras de 1982, de 645 millones
de toneladas. El carbón no coquizable (es decir, del que no se
puede obtener coque) es el que se emplea para la generación de
energía eléctrica, mientras que el carbón coquizable —del que se
obtiene coque— es el que se utiliza en la industria siderúrgica y
metalúrgica para la fabricación de hierro y acero. El acero, por
ejemplo, tiene entre 0.2 y 2% de carbono que se obtiene del
coque.
Los principales consumidores de carbón en nuestro país son las
industrias que fabrican acero y hierro, y un pequeño porcentaje
(2.2% en 1975) se emplea para la generación de energía
eléctrica. La planta carboeléctrica más importante del país es la
"José López Portillo", que se localiza en Coahuila; en sus dos
unidades, Río Escondido y Carbón II, se generarán 2 600 MW con
carbón no coquizable que se obtiene de las minas cercanas a
Piedras Negras.
El carbón mineral está compuesto de carbono, hidrógeno,
nitrógeno, azufre, cenizas y otros elementos en menor cantidad
(potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera).
La calidad del carbón se mide de acuerdo con las siguientes
características: porcentaje de materia volátil, porcentaje de
carbono fijo, azufre, cenizas, oxígeno, hidrógeno, humedad y,
91
finalmente, poder calorífico. Como se utilizan diferentes
clasificaciones,
tendremos
que
mencionar,
aunque
sea
brevemente, las más comunes.
En cuanto al porcentaje de carbono fijo, el lignito tiene entre 50 y
69%, el carbón bituminoso de 69 a 86% y la antracita de 92 a
98%. De acuerdo con el porcentaje de materia volátil, el lignito
tiene entre 40 y 50%, el carbón bituminoso entre 14 y 31% y la
antracita de 2 a 8 por ciento.
El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que
tiene el carbón. Según esta clasificación, el carbón que posee un
poder calorífico más alto (esto es, las kilocalorías por kilogramo
que puede proporcionar en la combustión) es, a pesar de ser una
redundancia, el carbón bituminoso, como la hulla, que tiene un
bajo contenido de materia volátil (8 500 kca/kg); después le sigue
el carbón subituminoso con un contenido medio de materia volátil
(8 200 kcal/kg), luego la antracita, después el bituminoso con alto
contenido de materia volátil (7 000), a continuación los carbones
subituminosos (5 500) y finalmente el lignito (3 500).
En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente
el carbón café; éste se convirtió en lignito, que a su vez pasó a
ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón
bituminoso, que incluye a la hulla (el carbón que se usa para
cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo.
Todos éstos son los diferentes tipos de carbón.
El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la
industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la
producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las
centrales carboeléctricas.
Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante
un proceso de destilación se elimina la materia volátil del carbón,
quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina
coque y que es de gran utilidad en la industria siderúrgica
(producción de hierro y acero, este último es precisamente una
aleación de hierro y carbono) y metalúrgica.
Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma
en que se realiza la combustión, no se pueden transformar en
coque y se utilizan en las centrales carboeléctricas, como la de Río
Escondido, en Coahuila.
92
El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo
abierto o de tajo y en minas subterráneas. Uno de los grandes
problemas en la extracción del carbón de las minas subterráneas
es que se produce un gas muy venenoso, conocido como gas
grisú (metano) que al mezclarse con el aire en una proporción
superior a 6% puede explotar. Otro gran problema de las minas
carboníferas son las condiciones de trabajo a las que están
expuestos los mineros, pues al inhalar partículas de sílice (SiO2)
del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una
enfermedad mortal llamada silicosis.
Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer
tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que
estos factores determinan el hecho de que la explotación de la
mina sea económicamente rentable.
Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre
(en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sin lavar),
después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o
en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por
centrifugación.
En una central carboeléctrica el carbón pulverizado se transporta
por medio de un ventilador a la caldera, en la cual se mezcla con
aire caliente. Una vez en la caldera se quema para calentar agua
y producir vapor. Ahí, los productos de combustión se aprovechan
para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas
mediante una malla cargada eléctricamente que las atrae.
Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que,
unida a un generador, produce energía eléctrica.
Uno de los problemas de las centrales carboeléctricas es que
entre los productos de la combustión que se liberan a la
atmósfera está el bióxido de carbono y el dióxido de azufre; este
último es un contaminante bastante peligroso. Por ello, las
termoeléctricas que trabajan con carbón, como la de Río
Escondido, tienen filtros que evitan que estas sustancias salgan a
la atmósfera.
93
V I .
C A T A R A T A S
D E
E N E R G Í A
LA UTILIZACIÓN de la energía hidráulica, esto es, el
aprovechamiento de las caídas de agua en los ríos, data de la
época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para
bombear agua, llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el
siglo III a.C. Sin embargo, la descripción detallada de la rueda
hidráulica, así como sus aplicaciones se debe al ingeniero y
arquitecto romano Marco Vitrubio Polión, quien la describe
ampliamente en su libro De architectura. Tanto la rueda hidráulica
vertical como la horizontal se usaron en la Edad Media y el
Renacimiento, no sólo en la agricultura, sino en las minas, en la
industria textil y maderera y en el transporte. Entre 1835 y 1837
se instaló la primera turbina hidráulica, construida por el ingeniero
Bénoit Fourneyron. La palabra turbina la inventó el ingeniero
francés Claude Burdin. En el año de 1881 se construyó en
Godalming, Inglaterra, la primera planta hidroeléctrica y la
producción de energía eléctrica a gran escala empezó en 1895,
cuando se construyó la presa de 3.75 MW (megawatts) en las
cataratas del Niágara.
Los rayos solares calientan los océanos, provocando que el agua
se evapore y suba a la atmósfera para condensarse en las nubes
y caer en forma de lluvia o nieve. Una parte cae en el mar y el
resto en los continentes. Esta última es la que se aprovecha. El
agua que cae en la tierra forma ríos que, debido a las condiciones
topográficas, generalmente desembocan al mar. Para aprovechar
la energía hidráulica se requiere, además de que los ríos
transporten grandes volúmenes de agua, que las condiciones
topográficas sean adecuadas, es decir, que haya grandes caídas
de agua en su trayecto hacia el mar.
Para convertir la energía hidráulica en electricidad, generalmente
se construyen varias plantas hidroeléctricas a lo largo de un río.
Por ejemplo, en el río Grijalva, de la parte más alta del río a la
desembocadura están las siguientes presas: San Miguel, La
Angostura, Netzahualcóyotl, Chicoasén y Malpaso (véase el
recuadro 9).
94
Recuadro 9
Hidroeléctrica de Batopilas y la Société du
Necaxa. La primera central hidroeléctrica
mexicana se construyó en 1889 en Batopilas,
Chihuahua.
En 1900, "un empresario francés", el doctor
Vacquié, a nombre de la Société du Necaxa,
obtuvo la concesión para aprovechar las
aguas de ese río en la generación de
electricidad. También el mismo año, llegó a
México el ingeniero estadunidense Fred Stark
Pearson quien, tras visitar la región de
Necaxa y realizar los proyectos preliminares
necesarios para la instalación de una central
hidroeléctrica, formó en Ottawa, Canadá, la
Mexican Light and Power Company, Ltd., que
obtuvo la concesión de la compañía francesa,
procediendo a continuación al montaje de la
central, cuya primera unidad entró en
operación en diciembre de 1905". JOSÉ LUIS
HERNÁNDEZ GALÁN, La energía de la Tierra,
CECSA, México.
En una presa se construye una gran cortina de concreto armado
que detiene el agua que fluye del río. De esta forma se acumulan
millones de metros cúbicos de agua que poseen una energía
potencial, cuyo valor depende de la diferencia de los niveles
superior e inferior de agua (la altura de la caída de agua) y el
volumen de agua acumulada. En la cortina de la presa hay unas
válvulas, llamadas compuertas; cuando éstas se abren permiten
que el agua circule libremente, cayendo desde grandes alturas
(entre 60 y 750 m) a un depósito inferior, para continuar su
trayecto hacia el mar (véase figura 26). Cuando se abren las
compuertas de una presa el volumen de agua que fluye por
unidad de tiempo (llamado gasto) es muy grande (por ejemplo,
en la presa Netzahualcóyotl circulan 240 m³ cada segundo). La
energía que inicialmente era potencial, ahora se transforma en
energía cinética debido al gran chorro de agua que cae. Éste
choca con los cangilones (especie de aspas en forma de cuchara
con una estría en el centro, en el caso de la turbina Pelton) de
95
una turbina, provocando que ésta gire a gran velocidad (alrededor
de 100 revoluciones por minuto). La turbina, a su vez, está unida
a un generador de corriente eléctrica, parecido al generador de un
coche, pero de grandes dimensiones y de esta forma se produce
electricidad (véase la figura 26).
Figura 26. Diagrama de una central hidroeléctrica.
Cuando la caída de agua es grande (100 m o más), se utiliza una
turbina tipo Pelton, cuya eficiencia está entre 84 y 88%. Cuando
los saltos de agua son menores de 100 m, es más conveniente
usar las turbinas Francis (eficiencia de 94-96%) y Kaplan
(eficiencia de 93-95%). Las Francis se utilizan en caídas de agua
cercanas a los 100 m y las Kaplan para caídas aún menores
(véase la figura 27).
96
Figura 27. Diferentes tipos de turbinas hidráulicas.
Entre las ventajas que tiene una central hidroeléctrica está su alta
eficiencia (entre 80 y 90%) y además no contamina. Entre las
desventajas está la acumulación de sedimentos en el fondo de la
presa, por la erosión del agua, la cual ocasiona una reducción en
la vida útil de la presa; además, son escasos los lugares
adecuados para construirla.
En nuestro país, hasta 1981, el 36% de la energía eléctrica total
se generaba con 45 plantas hidroeléctricas. Sin embargo, en ese
entonces ya se estaban construyendo siete nuevas plantas.
V I I .
L A
G E O T E R M I A :
N A T U R A L
T E T E R A
DESDE la Antigüedad, el ser humano ha usado las aguas termales
con diversos fines. Son conocidos el baño turco o hamán, el baño
sauna y las termas romanas. En el caso de México, el temascalli
se utilizó desde la época precolombina. Y ¿cuántas personas no
han aprovechado los manantiales de aguas termales de Los
Azufres o de Ixtapan de la Sal?
Las aguas termales, los géysers, los volcanes de lodo, las
fumarolas y las erupciones volcánicas son manifestaciones de un
mismo fenómeno: el calor terrestre. Este calor proviene del
núcleo de la Tierra, que posee una temperatura aproximada de
4000ºC y que está constituido por un núcleo externo de materia
fluida y otro interno, sólido, de hierro. Se puede afirmar que el
origen del calor terrestre está relacionado con la formación de la
Tierra. Éste proviene del calor generado por el núcleo terrestre. La
corteza actúa como una especie de aislante de las capas interiores
(manto y núcleo) y por otro lado, los elementos radiactivos, tales
como potasio, uranio y torio, presentes principalmente en la
corteza continental, contribuyen parcialmente en la generación de
calor por decaimiento radiactivo (10 microcalorías/gramo/ año).
97
A partir del calor que produce nuestro planeta, la teoría llamada
tectónica de placas explica los fenómenos geofísicos que se
presentan en la superficie, tales como sismos y volcanes,
mediante el mecanismo que lleva el calor del interior a la
superficie. La costra de nuestro planeta está constituida de
grandes placas de roca que se deslizan unas sobre otras.
Generalmente una placa oceánica se mete abajo de una
continental, provocando fracturas en las rocas por donde pueden
escapar gases y vapores de magma (sílice (Si02) y minerales con
hierro y magnesio), formándose burbujas magmáticas que llegan
a las proximidades de la superficie.
El agua que se ha filtrado por las fisuras de la corteza, a lo largo
de años, y que se encuentra cerca de una cámara magmática se
ha calentado debido a que el foco de calor está en contacto con
una roca impermeable conductora y ésta ha transmitido el calor
hasta una formación rocosa permeable. En esta última, el agua ha
quedado atrapada, formando un acuífero de agua caliente. Dicha
formación está sellada en la parte superior por una capa de sales,
que se han desprendido debido a que el agua filtrada disolvió las
sales al pasar por las rocas (véase la figura 28).
Figura 28. Depósito geotérmico.
De esta forma, a profundidades que oscilan entre 0 y 10 km se
puede encontrar un acuífero, en el cual potencialmente puede
haber agua caliente, vapor de agua o ambos.
98
La temperatura del suelo terrestre aumenta con la profundidad a
una razón promedio de 30ºC por kilómetro; sin embargo, las
variaciones de la temperatura no son las mismas en todos los
lugares de la Tierra.
La exploración de yacimientos geotérmicos permite localizar
aquellos lugares en los que es posible encontrar agua o vapor a
temperaturas elevadas y a profundidades cercanas a la superficie.
Como la perforación de un pozo geotérmico potencial es muy
costosa, se utilizan métodos indirectos que permiten aproximarse
poco a poco a las posibilidades del lugar en cuestión. Entre éstos
podemos mencionar la obtención de imágenes infrarrojas del
lugar desde satélites y después desde aviones, es decir, utilizando
la técnica denominada percepción remota; el análisis químico de
muestras de roca; la medición directa de la temperatura con
termómetros enterrados en el suelo; la creación de un modelo
geológico tridimensional del yacimiento; las mediciones de la
resistividad eléctrica del suelo y la densidad relativa de las rocas
(gravimetría), y la reflexión y refracción de las ondas sísmicas, a
partir de mediciones naturales o artificiales (con explosivos).
Una vez que se han agotado los métodos indirectos se procede a
la perforación del pozo, que es similar a la de un pozo petrolero.
Los pozos geotérmicos pueden ser de tres tipos: 1) vapor, 2) de
líquido (agua caliente) y 3) de una mezcla de vapor y líquido. Los
yacimientos geotérmicos que contienen líquido y vapor son los
más difíciles de explotar, dado que el agua contiene sales
disueltas y forma una mezcla llamada salmuera. Ésta ocasiona
grandes problemas de corrosión en las instalaciones geotérmicas,
que deben resolver los ingenieros geotérmicos, si quieren que una
planta sea duradera.
El funcionamiento de una central geotérmica como la de Cerro
Prieto, en Baja California Norte, que utiliza un ciclo binario (pues
se emplea un ciclo para el vapor y otro para el agua) es como
sigue:
Se explotan varios pozos geotérmicos, de los que se obtiene agua
caliente y vapor, que llegan a un separador. Posteriormente,
mediante un proceso de centrifugación se separa el vapor y el
agua. El vapor de alta presión obtenido se envía a una turbina
especialmente diseñada para trabajar con vapor geotérmico (si se
quiere generar la misma cantidad de electricidad las turbinas
deben admitir un volumen mayor del que se requiere en una
central convencional). La energía del vapor se transforma en
99
energía cinética de rotación en la turbina, que gira a miles de
revoluciones por segundo. La turbina se une a través de un eje,
llamado rotor, a un generador capaz de producir energía eléctrica.
Sin embargo, una vez que se ha utilizado el vapor, éste pasa a un
condensador, lo cual permite que la planta proporcione más
potencia, en lugar de descargarlo a la atmósfera. Del condensador
se extraen los gases que no se pueden condensar y se eliminan a
la atmósfera (anhídrido carbónico y ácido sulfhídrico); el agua
obtenida del condensador se bombea para su utilización posterior.
A continuación, el agua separada se conduce a otros separadores
y evaporadores de baja presión, lo cual posibilita producir energía
eléctrica adicional. El agua de los condensadores pasa a una torre
de enfriamiento y el calor obtenido en ésta se aprovecha para que
trabajen los evaporadores (véase la figura 29).
Figura 29. Diagrama de una central geotérmica. (Basado en esquema de
Luis C. A. Gutiérrez Negrin.)
Por otro lado, el agua de desecho se envía a una laguna, llamada
de evaporación, aunque también se puede tratar para obtener
sustancias como ácido bórico, gas carbónico, agua pesada, cloruro
de calcio, bicarbonato, sulfato de amonio y cloruro de potasio
(este último se produce en Cerro Prieto y se usa como
fertilizante). También se puede usar en la pesca, dado que un
depósito de agua caliente es adecuado para la crianza de peces.
Sin embargo, en algunas centrales geotérmicas el agua se
100
reinyecta para evitar la contaminación de algunos subproductos
geotérmicos.
La producción mundial de electricidad a través de centrales
geotérmicas fue de 4 760 MW y nuestro país contribuyó (en 1991)
a esta cifra generando 620 MW en la planta de Cerro Prieto, y 80
MW en Los Azufres, Michoacán. México ocupa el tercer lugar en la
producción de electricidad a partir de energía geotérmica (primero
está EUA y después Filipinas) y fue también el tercer país que
instaló una central geotérmica en el mundo, la de Pathé, en
Hidalgo, que empezó a funcionar en 1959; sin embargo, como
producía 150 kW y requería mucho mantenimiento, tuvo que
pararse.
La primera central geotérmica que se construyó fue la de
Larderello, en Italia, y fue construida por Piero Ginori Conti, en
1904 (véase el recuadro 10). El segundo país que instaló una
central geotérmica fue Nueva Zelanda.
Recuadro 10
El príncipe de la geometría. "En 1884, el
doctor Ferdinand Reynaut alimentó el vapor
obtenido de los pozos a un cambiador de
calor, en el que evaporó agua de un riachuelo
próximo y, con este vapor "limpio", hizo
trabajar una máquina de émbolo de nueve
caballos de fuerza. Ésta fue la primera
aplicación geotérmica a la generación de
potencia, en este caso, mecánica, y aunque la
instalación no duró mucho debido a la
corrosión que sufrió el cambiador de calor,
sirvió para demostrar que era posible
represionar un pozo geotérmico sin que el
vapor buscara otra salida, como se había
temido. En 1904, el príncipe Piero Ginon
Conti, que llegaría a ser el presidente de la
Societa Boracifera di Larderello, repitió el
experimento, pero esta vez alimentando
directamente vapor geotérmico, de varias
atmósferas, a una pequeña máquina de 3/4
101
de caballo que accionaba un generador de
corriente directa. La electricidad así producida
se usó en la iluminación de la planta de
Larderello y ésa fue la primera aplicación
geotermoeléctrica de la historia." JOSÉ LUIS
HERNÁNDEZ GALÁN, La energía de la Tierra,
CECSA, México.
La temperatura promedio del agua o vapor geotérmicos está entre
150 y 340ºC, aunque con temperaturas menores también puede
aprovecharse la energía geotérmica. Las profundidades a las que
se encuentra un pozo geotérmico oscilan entre 200 y 3500 m. La
eficiencia real de una planta geotérmica es de 11 a 13%; y la
duración promedio de un pozo geotérmico es de 10 años.
V I I I .
L A
E N E R G Í A D E L O S
D E L O S Á T O M O S
N Ú C L E O S
VIII. 1. LA FISIÓN NUCLEAR
EN 1932, el físico inglés James Chadwick descubre el neutrón. Con
ello se abren las puertas para seguir las investigaciones que
conducirían a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o
reactor nuclear. El neutrón es una partícula que no tiene carga
eléctrica y su masa es casi igual a la del protón. Ambas partículas
forman el núcleo de un átomo.
Chadwick trabajó para Ernest Rutherford, quien propuso el
modelo del átomo, constituido por un núcleo central cargado
positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de
Rutherford, junto con el tratamiento cuántico que le dio el físico
danés Niels Bohr, conforman la descripción clásica del átomo. La
descripción moderna incluye un núcleo, compuesto de protones,
102
neutrones —que a su vez están compuestos por partículas más
elementales llamadas quarks— y electrones representados como
una nube con una cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar
determinado.
En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice así:
Para explicar el gran poder de penetración de la radiación
debemos suponer que la partícula no tiene carga neta.
Podemos también suponer que se trata de una
combinación cerrada de protón y electrón, el neutrón
discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en
1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136, 1932).
Pero, ¿cuál es la relación entre el neutrón y la energía nuclear?
Primero, hay que conocer la estructura del núcleo atómico y,
segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables
de las reacciones en cadena. Al bombardear un átomo pesado con
neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el
proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede
emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán con
otros átomos, produciéndose una reacción en cadena. Por esta
razón, el descubrimiento del neutrón es decisivo en la energía
nuclear y en particular para producir energía útil en un reactor
nuclear.
En 1933, los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie descubren que
al bombear una delgada lámina de aluminio con partículas alfa
(núcleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se
produce una radiación muy intensa. Es así como nace la
radiactividad artificial.
El físico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer
incidir un haz de neutrones en la parafina, éstos se desaceleran,
debido a los choques elásticos con los átomos de parafina y, lo
más importante, que los neutrones lentos son más efectivos para
producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la química Ida
Noddack propone la primera explicación de la fisión nuclear.
Mientras esto ocurría, el equipo de Fermi bombardeaba con una
fuente de neutrones el uranio y había encontrado un nuevo
elemento de número atómico 93 que sufría "ulteriores
desintegraciones cuya naturaleza aún no ha sido aclarada", según
afirma Otto María Corbino, impulsor de Fermi.
103
Ida Noddack había escrito una carta a la Revista de Química
Aplicada, en la que señalaba: "Cabe pensar que al bombardear
núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se descompondrán
en varias partes menores, las cuales, si bien serán isótopos de
elementos conocidos, no serán vecinos de los elementos sujetos a
radiación." Pese a que Ida Noddack envió al equipo de Fermi un
artículo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque señala
Emilio Segré, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se
molestó en realizar los simples experimentos que podían
sustentar su hipótesis."
Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producción
de elementos radiactivos artificiales a partir de neutrones, se
entera de que se ha logrado romper el núcleo atómico con
neutrones.
Otto Hahn y su discípulo Fritz Strassmann comunican su
resultado: "Como químicos, debemos decir que el producto
obtenido es bario, no radio, pero como químicos nucleares no
podemos persuadirlos de este salto, en contradicción con todos
los conocimientos previos de física nuclear. Tal vez, después de
todo, nuestros resultados se volvieron engañosos por una serie de
extraños accidentes".
Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, física
austriaca de ascendencia judía a quien el fascismo hace huir a
Suecia, pero que seguía de cerca las investigaciones de Hahn y lo
había asistido durante más de treinta años. Lise se reúne con su
sobrino en Kungalv, quien está de vacaciones: se trata del físico
Otto R. Frisch, quien trabajaba en la misma dirección. Lise le da a
leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamente el
experimento que Hahn y Strassman no se habían atrevido a
considerar como fisión nuclear. Efectivamente, bombardeando
uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen
que ver con éste: bario y kriptón. Frisch viaja a Copenhague para
comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidiéndole que lo
mantenga en secreto hasta que él y Frau Meitner publiquen los
resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fenómeno
con el nombre de fisión nuclear, tras preguntar a un biólogo por el
nombre que se utilizaba para referirse a una célula que se parte
en dos. Cinco años más tarde sale publicado el artículo en la
revista Nature, y esta demora les da ventaja a Hahn y Strassman,
quienes reciben el Nobel por el descubrimiento.
Poco después, Bohr y Wheeler (en aquella época su ayudante)
exponen la teoría de que el isótopo de uranio-238 (el más
abundante en la naturaleza) produce fisión sólo si se bombardea
104
con neutrones rápidos (con energías mayores al megaelectrónvolt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones
lentos. Más tarde, A. Nier y J. R. Dunning confirman
experimentalmente la hipótesis de Bohr.
Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de
la época. En agosto de 1939, Leo Szilard, también pionero de la
fisión, junto con varios compañeros húngaros, convencen a Albert
Einstein para que firme una carta dirigida al entonces presidente
de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirtiéndole del
peligro que entrañaba el descubrimiento de la fisión del átomo.
La famosa carta, aún en controversia, sin justificación, dado que
Einstein no participó en la construcción de la bomba atómica,
provocó que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisión
nuclear para impedir que los alemanes tomaran la delantera. Y
efectivamente, no pudieron tomarla porque los físicos más
importantes se encontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal
uso de la energía nuclear fue lo que aceleró las investigaciones y
produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba
atómica arrojada en 1945 sobre las ciudades japonesas de
Hiroshima y Nagasaki.
En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el
plutonio, elemento producido en los reactores nucleares y que se
utiliza para hacer la bomba atómica, utilizando el ciclotrón de 1.5
metros de Berkeley. Un equipo impresionante de físicos trabajaba
entonces para lograr producir una reacción en cadena controlada
y, "de pasadita", el combustible necesario para la fabricación de la
bomba.
Sólo cuatro años después del descubrimiento de la fisión, el 2 de
diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores, después de
algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la
dirección de Arthur H. Compton, la primera pila de uranio, primer
reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una
cancha de squash para la Universidad de Chicago. Para entonces,
en varios sitios de EUA se investigaba cómo lograr la fisión
controlada, por ejemplo en las universidades de Berkeley y
Columbia.
El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanzó el nivel
crítico, según narra Fermi, fue como sigue:
105
En la mañana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones
demostraron que se habían excedido ligeramente las
condiciones críticas, y que la reacción en cadena no se
efectuaba dentro del sistema únicamente por la absorción
de las tiras de cadmio. Durante la mañana, con cuidado se
retiraron todas las tiras de cadmio menos una; esta última
se extrajo poco a poco, y se vigiló de cerca la intensidad. A
partir de las mediciones, se esperaba que el sistema se
volviera crítico al remover un tramo de cerca de ocho pies
de esta última tira. En efecto, cuando se removieron cerca
de siete pies de altura, la intensidad se elevó a un valor
muy alto, pero aun así, se estabilizó después de algunos
minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la
orden de remover un pie y medio de la tira. Esta operación
nos llevaría a la victoria. Cuando se retiró el pie y medio,
muy lentamente comenzó a elevarse la intensidad, pero en
una proporción cada vez mayor, que siguió creciendo hasta
que se hizo evidente que finalmente se desviaría. Luego se
insertaron las tiras de cadmio dentro de la estructura y la
intensidad decayó con rapidez a un nivel insignificante.
En los primeros experimentos se utilizó uranio natural (238), pero
dado que se podían partir los núcleos con neutrones lentos, se
formaron dos equipos de investigación: el de Dunning y Booth
bajo la asesoría de Urey (descubridor del agua pesada), que
trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y
Anderson, que empleaba uranio natural.
Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general
Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, como uno de los
jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas atómicas
construidas en Los Alamos, Nuevo México.
Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la
desgracia que representó la utilización de la energía de la fisión
en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue
la construcción del reactor nuclear. Después del reactor de
Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en
Canadá, Francia, la ex URSS, Alemania e Inglaterra.
Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos más
relevantes que llevaron a la construcción del primer reactor, y
sólo han pasado cincuenta años desde entonces. No obstante,
106
estos sucesos se aquilatan mejor si se tiene una idea general del
funcionamiento de un reactor nuclear.
Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto
de la fisión nuclear controlada, el cual se aprovecha para generar
electricidad, producir radioisótopos y hacer investigaciones
científicas.
Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible:
uranio y torio son los elementos más adecuados. Más adelante se
verá por qué.
El átomo se compone de un núcleo y de electrones con cierta
probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado alrededor
del núcleo. Éste está formado por dos tipos de partículas: los
protones y los neutrones. Los protones tienen una masa de 1.673
X 10-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X
10-27 kg). Los protones están cargados positivamente, mientras
que los neutrones no tienen carga.
La estructura de los núcleos atómicos depende del número de
protones y neutrones de cada núcleo. El número de protones o
número atómico se designa por la letra Z, y el número de
nucleones (protones más neutrones) se llama número de masa o
másico y se representa por la letra A. De manera que el número
A-Z da el número de neutrones de un átomo. Por ejemplo, 238U92
quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo
tanto, A-Z=146 neutrones. En cambio, el 235U92 tiene Z=92
protones y A-Z=143 neutrones. El primero, 238U92, es el llamado
uranio natural y es el que más abunda en la naturaleza. El 235U92
tiene que enriquecerse, ya que se encuentra en una proporción de
0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de
enriquecimiento
pueden
mencionarse
la
difusión
y
la
centrifugación; ambos requieren de una tecnología compleja.
En el método de difusión gaseosa se aprovecha el hecho de que
como el 235U92 es más ligero que el 238U92, la velocidad de difusión
del 235U92 a través de una delgada capa (metal poroso) es más
rápida. Para lograrlo, los óxidos sólidos de uranio se transforman
en hexafluoruro de uranio (UF6), compuesto que se puede
convertir en vapor fácilmente. Como la concentración de uranio
enriquecido (235U92) aumenta lentamente, es necesario repetir el
proceso de difusión muchas veces con ayuda de bombas y
condensadores.
107
El proceso de enriquecimiento por centrifugación se basa en que
el gas de hexafluoruro de uranio (UF6) —que contiene tanto
uranio natural (238U92) como enriquecido (235U92)—, al someterse a
la centrifugación (como cuando nos metemos al torbellino en una
feria), desplaza a los bordes el uranio natural más pesado y deja
más cerca del centro al uranio enriquecido, que es más ligero. El
uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuberías
y se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias
veces hasta conseguir la concentración adecuada. La ventaja del
método de centrifugación es que consume la décima parte de
energía que el de difusión.
El número atómico o de protones determina químicamente a un
elemento, aunque cambie en número de neutrones; de manera
que a un elemento con diferente número de neutrones pero igual
número de protones se le llama isótopo. En el ejemplo anterior el
uranio 235 y el 238 son dos isótopos del mismo elemento: uranio.
Los isótopos son químicamente idénticos, pero su estructura
nuclear es muy diferente. Tanto así, que los dos grandes grupos
de reactores se dividen en los que utilizan uranio natural como
combustible en forma de óxido de uranio (UO2) y los que usan
uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF6). La
diferencia entre ambos sólo son tres neutrones.
Si pudiéramos colocar en una balanza de equilibrio las partículas
que constituyen el núcleo, separadas en uno de los platos, y en el
otro todo el núcleo, observaríamos un fenómeno interesante: el
plato donde se encuentran las partículas que componen el núcleo
separadas, pesará más. Esta diferencia de masa entre ambos
estados se debe a la energía que mantiene unidos a los protones
y los neutrones y se denomina energía de amarre. Dicha energía
es la que se aprovecha al romper los núcleos atómicos y se
calcula a partir de la fórmula de Einstein, E = mc², que establece
la equivalencia entre masa y energía.
Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un núcleo de
uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacción de dispersión en
la que, debido a colisiones elásticas o inelásticas, se da
únicamente un intercambio de energía entre el núcleo y los
neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutrón es
capturado (lento, en la mayoría de los casos), se emiten
partículas gamma ( ) o fotones de alta energía y posteriormente
el átomo radiactivo decae formando otro elemento, que a su vez
emite partículas beta () o electrones; 3) una fisión nuclear, en la
cual los núcleos de número másico elevado, y sólo éstos,
absorben un neutrón. El elemento pesado, al absorber el neutrón
provoca que las fuerzas nucleares de atracción entre protón-
108
protón, neutrón-neutrón y protón-neutrón, sean comparables a
las fuerzas de repulsión electrostáticas (o coulombianas) entre los
protones cargados positivamente.
Es decir, la fisión consiste en el rompimiento de un núcleo
atómico pesado para formar dos ligeros, proceso durante el cual
se libera gran cantidad de energía (véase la figura 30).
Figura 30. Reacción en cadena de un núcleo de uranio enriquecido con
moderador de neutrones.
El núcleo, como resultado de la colisión con el neutrón se rompe
en dos núcleos de manera parecida a como ocurre cuando una
gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones
incidentes sean lentos, los fragmentos de núcleo guardarán una
relación de 2 a 3 respecto a su masa. Éste es el caso del bario y el
kriptón, y en general de cualquier pareja de elementos altamente
radiactivos. Los núcleos resultantes de la fisión se llaman
productos de fisión (véase la figura 30).
En las reacciones de fisión se rompen generalmente núcleos de
tono, uranio o plutonio. El resultado son dos núcleos ligeros y la
liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor
y, en algunos casos, otros neutrones.
La energía liberada al bombardear un núcleo de uranio-235 es de
aproximadamente 200 MeV (megaelectrón- volts). Para tener una
idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energía tres
millones de veces mayor que la liberada en la combustión de
109
carbón. La mayor parte de la energía liberada (salvo la de los
neutrinos) se convierte en calor (véase el cuadro IX).
CUADRO IX. Distribución aproximada de la energía liberada en la fisión
de un núcleo radiactivo.
MeV
(megaelectrónvolts)
Energía
cinética
fragmentos de fisión
de
los
168
Energía instantánea de los rayos
gamma ()
7
Energía cinética de los neutrones
de fisión
5
Partículas beta ()
productos de fisión
de
los
7
Rayos
gamma
()
productos de fisión
de
los
6
110
Neutrinos (partículas sin carga y
sin masa)
Total
10
203
Por otro lado, hay núclidos (núcleos característicos) fisionables
únicamente con neutrones de mucha energía, llamados neutrones
rápidos; éstos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay
otros que se pueden romper con neutrones de cualquier energía y
en particular con neutrones de baja energía, llamados neutrones
lentos. Éstos son: uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este
último tipo de núcleos se les llama fisibles para distinguirlos de los
primeros, llamados fisionables.
Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una
reacción de fisión —según lo demostró Fermi—, ya que pasan
cerca del núcleo radiactivo durante más tiempo (la sección eficaz
de dispersión es mayor para los neutrones lentos).
La energía calorífica liberada en la fisión de un kilogramo de
uranio-235 es de 81 X 1012 joules y la de un kilogramo de
plutonio-239 es de 79.5 X 1012 joules.
Una reacción de fisión puede controlarse cuando se logra que en
promedio se produzcan dos o tres neutrones capaces de chocar
con otros núcleos de uranio. Éste es el proceso que ocurre en el
interior de un reactor. La forma física de evaluarlo consiste en
medir una cantidad llamada factor de reproducción, que es igual
al cociente del número de neutrones producidos en un intervalo
corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquier
proceso más los neutrones perdidos también en ese intervalo. Si
este valor, designado por la letra k, es igual a 1, el reactor se
denomina crítico; si es menor o mayor que 1 se llama subcrítico o
supercrítico, respectivamente.
111
La cantidad mínima de combustible necesaria para producir una
reacción en cadena controlada, en el caso de un reactor, o sin
control, cuando se trata de una bomba atómica, se denomina
masa crítica y de ésta dependen las dimensiones del reactor
(debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el
uranio-235, en ciertas condiciones, la masa crítica es de
aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se
encuentra en la naturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones
críticas (afortunadamente).
Un reactor, para producir energía eléctrica funciona como sigue:
la parte más importante del reactor es el núcleo. En él se
encuentran las barras de combustible, el moderador, el
refrigerante, las barras de control, el reflector y la fuente de
neutrones. Todos ellos están protegidos, para evitar que salgan
las radiaciones, con una gruesa capa de acero llamada vasija del
reactor y posteriormente una gruesa protección de concreto
armado. Los componentes varían según el tipo de reactor. La
fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o radón-berilio,
emisores de partículas alfa (), núcleos de helio. Ésta se acerca a
las barras de combustible para iniciar la reacción nuclear.
Las barras de combustible están rodeadas de un material o
sustancia llamado moderador. El moderador se encarga de frenar
los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones
nucleares. Como moderadores se utilizan el agua pesada (bióxido
de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con
uranio natural, y agua natural en los reactores BWR y PWR (de
agua hirviente y agua a presión, respectivamente), que trabajan
con uranio enriquecido (véase la figura 31). También se utiliza
berilio, óxido de berilio y carbón en forma de grafito. El reflector
se encarga de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes
del núcleo del reactor. Las barras de control al sumergirse
absorben gran cantidad de neutrones; éstas son generalmente de
boro o cadmio, y su función es controlar la potencia del reactor al
grado de poder pararlo inmediatamente.
112
Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presión (PWR). (FUENTE:
CFE.)
El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la
fisión y lo transporta fuera del núcleo del reactor. En algunos
casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia,
por ejemplo, de agua; pero el refrigerante puede ser de sodio
líquido, una mezcla de sodio y potasio, bióxido de carbono o helio.
El calor producido por la fisión se lleva fuera del núcleo (véase la
figura 31) y mediante un intercambiador de calor (exceptuando el
caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor
para producir vapor de agua, que va directamente a una turbina
conectada a un generador, para así producir energía eléctrica.
Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presión y
uranio enriquecido), BWR (reactor de agua hirviente y uranio
113
enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador
que utiliza uranio natural y barras de combustible presurizadas),
HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta
temperatura y grafito como moderador) y FBR (reactor rápido de
cría, en el que a partir de neutrones rápidos se producen grandes
cantidades de plutonio, más que el producido originalmente, de
manera que no hay que recambiar las barras de combustible).
Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo,
una condición que todos deben satisfacer es la seguridad, es
decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que
los productos de fisión son altamente radiactivos, lo que puede
constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el
medio. Por ello, la seguridad en los reactores es fundamental.
Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se dé a
los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado
la energía nuclear por los accidentes ocurridos y por el destino de
los desechos radiactivos, la tecnología nuclear es un recurso que
se debe conocer y considerar dentro de las posibilidades
energéticas, porque es un recurso real que proporciona a la
población grandes cantidades de energía eléctrica. En el cuadro X
se proporciona la radiación que recibe un ser humano en un año.
Como puede observarse, la cantidad de radiación natural es
superior a la artificial
CUADRO X. Radiación que recibe una persona anualmente.
Radiación
Radiación natural
Milirems
(mrem)
114
Materiales terrestres
60
Rayos cósmicos (Sol y estrellas)
50
Materiales de construcción
Materiales terrestres
SUBTOTAL
Radiación del cuerpo humano por elementos
radioactivos presentes en él
5-15
10
125-135
25
Radiación artíficial
Radiografías y fluoroscopías
40
Aparatos de televisión
5
Viajes en avión (más de 7 h)
5
115
Centrales nucleares
3
Relojes con carátula luminosa
2
SUBTOTAL
TOTAL
55
205-215
FUENTE: CFE, 1987
En el caso de México, se está construyendo la segunda unidad de
la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde, Veracruz (es del tipo
BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer
reactor nuclear para producir electricidad que posee el país. La
segunda unidad entrará en operación en pocos años y generará
una cantidad similar de energía eléctrica.
También
existen
algunos
reactores
nucleares
para
experimentación, como el que tiene el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de
Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos éstos son
reactores subcríticos.
VIII. 2. FUSIÓN NUCLEAR
En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo
reacciones de fusión nuclear. A temperaturas de millones de
grados los átomos se disocian y quedan cargados eléctricamente
116
o ionizados en un estado de la materia que se denomina plasma.
En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen
unidos a los electrones con el núcleo, los cuales se denominan
coulombianas y se pueden unir los núcleos de los átomos,
liberando grandes cantidades de energía.
En la fusión, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas
se han reproducido en condiciones simplificadas y artificiales en
los laboratorios terrestres. En una reacción de fusión dos núcleos
de elementos ligeros como el hidrógeno se unen para formar uno
pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los
núcleos ligeros. Dado que la energía de amarre es mayor, hay un
déficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdo
con la fórmula de Einstein como una gran liberación de energía.
Los elementos e isótopos que se utilizan para producir una
reacción de fusión son el deuterio, el tritio (isótopos del
hidrógeno) y el helio (véase la figura 32). En los reactores de
fusión, la reacción más conveniente en términos energéticos es la
de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el
segundo se puede producir artificialmente a partir del litio. En
términos de abundancia y costo, la reacción más conveniente es
la de deuterio con deuterio.
Para vencer la repulsión electrostática de los núcleos de deuterio y tritio y
poder fusionarlos se necesita alcanzar una temperatura superior a 50 millones
de grados, temperatura de un plasma. Otras reacciones de fusión:
D+ D
He + n + 0.82 MeV
D+ D
T + H + 1.01 MeV
D + He
He + H + 3.6 MeV
Figura 32. Reacción de fusión nuclear deuterio-tritio.
117
Para producir artificialmente una reacción de fusión se necesita
vencer la fuerza de repulsión de los núcleos que se quieren
fusionar. Esto sólo se ha logrado de dos maneras diferentes:
1) Elevando la temperatura del combustible de fusión a varias
decenas de millones de grados, estado de la materia que se
conoce con el nombre de plasma; en términos generales consiste
en un gas cargado eléctricamente, en el cual las elevadas
temperaturas hacen que se separen los electrones del gas. Sin
embargo, a estas temperaturas no existe un material que pueda
guardar al gas cargado o plasma. Para lograrlo se requieren
grandes imanes eléctricos (electroimanes) y que el gas tenga la
forma de un toro o dona. Sólo manteniendo estas condiciones,
aproximadamente en pulsos de un segundo de duración, se puede
producir una reacción de fusión, en la que haya ganancia de
energía y ésta se pueda aprovechar. (En teoría se establece el
criterio de Lawson, que señala que para un tipo de reacción el
producto de la densidad del plasma por el tiempo de
confinamiento debe ser igual a un valor mínimo). Este tipo de
confinamiento se denomina magnético y el dispositivo más
utilizado para lograrlo fue propuesto por los físicos soviéticos Igor
E. Tamm y Andréi D. Sajarov, en 1950. Se denomina TOKAMAK,
que es un acróstico de toroid (toroide), kamera (cámara), magnet
(imán) y katushka (bobina).
En un TOKAMAK se utiliza un gran electroimán o transformador de
corriente, en el cual se aplica un voltaje en el llamado primario y
por inducción se produce una corriente en el secundario. En el
caso del TOKAMAK, el secundario es el plasma donde se va a llevar
a cabo la fusión nuclear. Como no existe ningún material que
pueda soportar las temperaturas de un plasma, se ha propuesto
la forma de dona o toro. Como debe ser el plasma el que haga las
veces de secundario y no el recipiente metálico que lo contiene,
se colocan cuatro anillos dieléctricos que cortan la dona en cuatro
(llamados cortes poloidales) para que la corriente se interrumpa
en el recipiente metálico que contiene el plasma. Un segundo
problema es evitar que el plasma de fusión toque las paredes del
recipiente, lo cual se ha resuelto colocando una bobina enrollada
en la dona para que forme un campo magnético muy intenso y el
plasma quede confinado magnéticamente en una segunda dona
más pequeña que no toca las paredes del contenedor (véase la
figura 33).
118
Figura 33. Diagrama esquemático de un TOKAMAK. Reactor de fusión por
confinamiento magnético.
En México se ha construido en el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimental llamado
Novillo.
Hasta ahora, en la mayoría de los TOKAMAK los tiempos de
confinamiento han sido de milésimas de segundo, razón por la
cual se ha invertido más energía en calentar el plasma que la que
se obtiene de la fusión nuclear.
2) Otra forma de lograr una reacción de fusión es el método de
confinamiento inercial. En la fusión por el método de
confinamiento inercial se ha utilizado un láser muy potente (de 30
000 000 000 de watts) que se parte en varios rayos y el pulso
tiene una duración de una mil millonésima de segundo. Los
"brazos" del láser se hacen incidir en una minúscula pelotita que
119
contiene deuterio y tritio. El láser provoca un gran aumento
repentino de la presión y temperatura en la cápsula con deuterio
y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los núcleos hasta lograr
la fusión.
Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión
comercial, esto es, que sea capaz de producir energía eléctrica.
Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos
considerables. En Rusia se tienen grandes TOKAMAK, al igual que
en Japón. En relación con los sistemas de confinamiento inercial,
en el Lawrence Livermore Laboratory, en California, funcionan los
dos grandes láseres de fusión llamados Shiva y Nova.
Entre las reacciones de fusión más convenientes, la de deuteriotritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentra en forma
abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir
del litio como ya se había mencionado anteriormente.
Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa
radiación producida, así como la corta vida de los elementos
radiactivos como el tritio (isótopo del hidrógeno), que en realidad
es el único producto radiactivo de las reacciones de fusión, los
neutrones que decaen en átomos de hidrógeno y los productos
radiactivos que se producen cuando los neutrones chocan con las
paredes del contenedor, que dependen de la estructura del
mismo. Todo lo anterior, sin considerar que se produce (en el
caso de la reacción deuterio-tritio) cuatro veces más energía que
en la fisión nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de
ignición del reactor, es decir, que se produzca más energía de la
que se invierte para lograr la fusión.
I X . L A C U E R D A D E L
A L M A C E N A M I E N T O
M O V I M I E N T O :
D E E N E R G Í A
CUANDO jugamos con un balero notamos que después de cierto
tiempo nos cuesta más trabajo hacer capiruchos, debido a que la
cuerda se ha enredado. Si dejamos el balero colgando
observamos que empieza a girar solo a gran velocidad en un
120
sentido; lo mismo ocurre con un yoyo. ¿Qué ocasiona que se
mueva el balero? La respuesta la encontramos en el
almacenamiento de energía. Una parte de la energía que hemos
empleado para jugar se ha almacenado en la cuerda y se
manifiesta posteriormente como energía cinética.
También la cuerda de los juguetes es otro mecanismo en el que
interviene el fenómeno de almacenar energía. Hoy, en todos los
juguetes de pilas se almacena energía. De hecho, las pilas son
uno de los múltiples sistemas de almacenamiento de energía.
En la vida cotidiana, el sistema de almacenamiento más conocido
es la batería de un automóvil (construida a base de plomo y un
ácido), cuya diferencia con una pila es que aquélla es recargable,
mientras que la mayoría de las pilas comunes se descargan y no
pueden recargarse.
Pero, además de los juguetes y las baterías, los sistemas de
almacenamiento de energía tienen dos aplicaciones a gran escala:
1) Posibilitan hacer un uso más eficiente de la energía que se
consume. Para ello, es posible guardar la energía durante los
periodos de baja demanda, mediante un sistema de
almacenamiento de energía, y utilizarla en los periodos de alta
demanda. Esto puede hacerse en ciclos diarios, semanales,
mensuales, estacionales, etc. Se ha demostrado que si se emplea
el almacenamiento de energía en ciclos diarios, se puede reducir
un 3% la unidad superior de demanda y con ciclos semanales se
reduce un 5%. En la figura 34 se muestra una curva típica
semanal de demanda de energía que se satisface con los
diferentes tipos de centrales eléctricas. Comúnmente las plantas
termoeléctricas de combustible de bajo precio se utilizan para
satisfacer la demanda de energía en las horas en que se gasta
más energía o demanda pico, cuya eficiencia es de alrededor de
25%. En estos casos, la introducción de un sistema de
almacenamiento puede reducir en 5% la máxima demanda de
energía, porque se aprovecha más eficientemente en el tiempo.
121
En la gráfica A se muestra una curva
típica de la generación de energía
eléctrica de todas las centrales
eléctricas a lo largo de una semana
(como puede observarse, en las
noches, sábado y domingo se requiere
menos energía eléctrica). En B se
muestra la misma curva pero con la
introducción
de
un
sistema
de
almacenamiento. Se guarda la energía
en las noches, sábado y domingos y se
genera para satisfacer la demanda
pico, con este sistema se puede
conseguir un ahorro de energía
eléctrica.
Figura 34. Almacenamiento de energía.
2) En el caso de las fuentes intermitentes de energía, tales como
la energía solar o la eólica, los sistemas de almacenamiento de
energía son indispensables, si se quiere disponer de energía en
forma continua. En el caso de la energía solar, sólo hay Sol de
día, así que si se quiere aprovechar la energía solar durante las
noches se debe emplear un sistema de almacenamiento de
energía. Esto evidentemente trae como consecuencia que el costo
de la energía solar sea superior. Por esto, es deseable contar con
sistemas de almacenamiento de energía que sean eficientes,
122
baratas y que sean durables. Estas tres características son
fundamentales para seleccionar un sistema de almacenamiento de
energía —así como en cualquier sistema energético—. También
existen otras características como la densidad de energía, la
capacidad de transporte y la duración del almacenamiento.
Los sistemas físicos de almacenamiento de energía son: el
bombeo de agua o hidrobombeo, el almacenamiento por aire
comprimido, los volantes giratorios o flywheels, los sistemas de
almacenamiento de calor latente y calor sensible y los imanes
superconductores. Algunos de ellos se ilustran en la figura 35.
Figura 35. Algunos sistemas de almacenamiento de energía.
El hidrobombeo consiste en elevar agua de un depósito inferior a
otro superior, durante los periodos de baja demanda de
electricidad (es decir, fuera de las horas pico en las que se
consume más electricidad), y la operación como una planta
hidroeléctrica convencional (dejando caer el agua y generando
electricidad) durante las horas pico.
123
La parte fundamental de un sistema de hidrobombeo es la
turbobomba (una turbina con una bomba de agua). La turbina
puede conectarse a un motor-generador, que dependiendo del
sentido de rotación del rotor, puede generar electricidad, o bien,
si la rotación se invierte, bombear agua del depósito inferior al
superior. También es posible tener la turbina y el generador
operando separadamente. La principal limitación de este sistema
es el número reducido de lugares apropiados para la construcción
de los depósitos.
En el sistema de aire comprimido se guarda el aire a una presión
elevada (80 atmósferas) en depósitos bajo tierra, naturales o
artificiales. Por ejemplo, minas abandonadas, cavidades rellenas
con soluciones minerales o acuíferos. Durante las horas de baja
demanda el aire se comprime adiabáticamente en compresores
centrífugos y axiales y se almacena en la cavidad y durante las
horas pico el aire se expande y mueve un turbogenerador.
Los volantes giratorios o flywheels son ruedas hechas de un
material muy resistente a la tensión y con una distribución de
materia que ayuda a soportar grandes velocidades (por ejemplo,
un tipo de rueda es más delgada en el borde y aumenta de
espesor conforme nos acercamos al centro). En los volantes
giratorios se almacena energía cinética que es directamente
proporcional a la tensión del material e inversamente proporcional
a la densidad del mismo. Conforme aumenta la velocidad de giro
del volante, aumenta la energía almacenada.
Hay distintas formas de volantes giratorios: anillos concéntricos
unidos por resinas, miles de pequeñas fibras unidas en el centro
como si se tratara de un manojo de espaguetti, ruedas con grosor
decreciente y anillos suspendidos magnéticamente.
Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una
unidad sellada al vacío, para evitar las pérdidas por fricción con el
aire y se conectan a un motor-generador.
Para entender mejor este sistema, en San Francisco se pusieron a
operar unos tranvías con volantes giratorios. Durante las bajadas,
el movimiento de las ruedas del tranvía hacía que se generase
electricidad, la cual se almacenaba como energía cinética del
volante giratorio y durante las subidas la energía almacenada en
el volante se empleaba para mover el motor eléctrico del tranvía.
En los sistemas de calor latente o sensible se aprovecha, valga la
redundancia, el calor latente o sensible de un medio de
124
almacenamiento para guardar el calor. En el proceso, un fluido de
trabajo pasa o transfiere el calor de la fuente de almacenamiento.
En el sistema de almacenamiento de calor latente se aprovecha el
calor que produce una sustancia cuando cambia de fase. El
cambio de sólido a líquido es el que más se utiliza en la práctica.
Para guardar el calor se utilizan, por ejemplo, lechos de roca,
agua caliente, líquidos orgánicos, metales, ladrillos, sales, etc.
Para seleccionar los materiales se debe considerar que posean
una alta capacidad calorífica (calor sensible) o un valor elevado de
calor de fusión (calor latente). En ambos casos, la temperatura
máxima y mínima, así como la densidad de energía, son los
criterios que más pesan para elegir un material adecuado.
IX. 1. LOS IMANES SUPERCONDUCTORES Y OTROS SISTEMAS
QUÍMICOS PARA ALMACENAR ENERGÍA
El fenómeno de la superconductividad consiste en que, al bajar la
temperatura de algunos materiales como el mercurio, el niobio, el
plomo o el tantalio o aleaciones como el estaño, llega un
momento (temperatura crítica) en que la resistencia al paso de la
corriente se hace igual a cero, y en consecuencia, las pérdidas por
la potencia disipada son despreciables. Por otro lado, otra
propiedad de los superconductores es la presencia del efecto
Meissner, que consiste en que éstos no permiten la presencia de
un campo magnético, propiedad que posibilita que un
superconductor flote en el aire si se coloca abajo de un imán.
Estas propiedades tienen muchas aplicaciones en los sistemas
eléctricos.
Un imán superconductor es una bobina hecha de un material
superconductor (un alambre enrollado en un núcleo) por la que se
hace pasar una corriente elevada, produciéndose un campo
magnético que induce una corriente eléctrica, aunque existe un
campo magnético crítico y una corriente crítica para los cuales la
superconductividad desaparece.
En los imanes superconductores la energía almacenada es
proporcional al cuadrado del campo magnético producido. Se ha
propuesto almacenar energía mediante grandes bobinas
enterradas bajo tierra, hechas de materiales superconductores,
pues en estas condiciones las corrientes serían elevadas y los
campos magnéticos que se producirían serían intensos. Así, se
puede lograr que una corriente eléctrica se mantenga almacenada
girando en la bobina sin pérdidas. Dichas bobinas deben estar
125
provistas de un sistema de enfriamiento para alcanzar las
condiciones de superconductividad.
La gran ventaja de los imanes superconductores es su elevada
eficiencia, así como el almacenamiento directo que se logra de la
energía eléctrica.
Se debe mencionar un descubrimiento reciente que de seguro
provocará cambios tecnológicos y que servirá para lograr un
aprovechamiento continuo de la energía solar: los nuevos
materiales superconductores, llamados superconductores de alta
temperatura o calientes, hechos a base de óxidos de cobre con
elementos de las tierras raras como lantano e itrio.
Como
se
mencionó
anteriormente,
los
sistemas
de
almacenamiento
son
indispensables
para
la
utilización
ininterrumpida de las fuentes intermitentes de energía, ya que
con ellos dicha energía puede aprovecharse también durante las
noches, así como para aumentar la eficiencia del proceso de
demanda de energía eléctrica. De estos sistemas, los imanes
superconductores constituyen la forma más eficiente de
almacenamiento; sin embargo, hasta ahora eran sumamente
costosos, ya que requerían de un sistema de refrigeración muy
complejo y helio líquido para alcanzar temperaturas cercanas al
cero absoluto (-273º C).
Con los nuevos materiales superconductores esta desventaja
desaparece. Como se señaló anteriormente, cuando hay
superconductividad, la resistencia al paso de una corriente
eléctrica es cero o nula. Con los novedosos materiales la
superconductividad puede lograrse a temperaturas mucho más
altas que las obtenidas anteriormente (-175º C), lo que permite
utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, que es un elemento
abundante en la atmósfera, lo cual significaría un sistema de
refrigeración más sencillo y por lo tanto menos costoso.
De lo anterior se desprende que con los nuevos materiales, en un
plazo cercano se encontrará un sistema de almacenamiento de
energía que abaratará el aprovechamiento continuo de energía.
En México, el Instituto de Investigaciones en Materiales y el
Instituto de Física, ambos de la UNAM, han producido diversos
materiales superconductores de alta temperatura.
126
En general, los nuevos materiales superconductores inauguran un
área de investigación en el campo de los energéticos y, en
particular, serán de gran utilidad en el aprovechamiento de las
fuentes no convencionales que requieren de sistemas de
almacenamiento, como es el caso de la energía solar o la eólica.
Probablemente se puedan construir superconductores combinados
con páneles de celdas solares o aerogeneradores, capaces de
proporcionar
una
alternativa
más
atractiva
para
el
aprovechamiento de la energía solar en México y en el mundo.
Por otro lado, existen sistemas químicos para almacenar energía.
Éstos son: el almacenamiento de hidrógeno, que se puede
generar en la electrólisis del agua, para convertirlo en electricidad
en una celda de combustible; los tubos termoquímicos, en los
cuales se lleva a cabo una reacción endotérmica del lado de la
fuente de calor y una exotérmica, del lado de la demanda de
energía; las bombas de calor, y, finalmente, las baterías o pilas.
Las baterías o pilas son dispositivos electroquímicos que
convierten la energía eléctrica (en forma de corriente directa o
constante) en energía química durante la carga de la batería, y
durante la descarga, convierten la energía química en energía
eléctrica. En los sistemas de almacenamiento de energía sólo se
pueden emplear las baterías recargables. De ellas, la más
conocida es la batería de automóvil, que es una batería que
funciona con la reacción química que se produce cuando se
combina plomo con un ácido. Sin embargo, existen otras que son
apropiadas para el almacenamiento, como las de cloruro de zinc y
agua (ZnCI2.H20), las de litio, con una aleación de sulfuro ferroso
(Li-FeS) y las de sulfuro de sodio (NaS). El costo, la duración, la
eficiencia, la vida útil de la batería, así como la energía que puede
proporcionar por unidad de volumen son algunas de las
características más importantes que deben considerarse antes de
seleccionar algún tipo de pila.
En el cuadro XI se resume la eficiencia de los diversos sistemas
de almacenamiento de energía.
Los avances en investigación que se realicen en los sistemas de
almacenamiento de energía son indispensables para que fuentes
de energía como la solar o la eólica puedan competir con otras
fuentes de energía.
CUADRO XI. Sistemas de almacenamiento de energía.
127
Físicos
Eficiencia (%)
(en
promedio)
Hidrobombeo
66
Aire comprimido
69 "
Volantes giratorios
78 "
Calor sensible y latente
65 "
Magnetos
superconductores
90 "
Químicos
128
Batería Li/aleación FeS
58.374
Batería NaS y ZnCl2(H2O)
56.772.2
Bateria plomo-ácido
60.767.7
Celda de combustible con
24-58
H
Tubo termoquímico, SO3
Bomba
HYCSOS
23.5
termoquímica 11.614
En el caso de México, es esencial diversificar el uso de las fuentes
de energía. Ya se está haciendo en fuentes como la geotermia, la
fisión nuclear y el carbón. Sin embargo, deben intensificarse los
esfuerzos en la investigación y construcción de plantas piloto, así
como en la tecnología de la energía solar, la eólica, la energía de
la biomasa y la fusión nuclear. El uso eficiente de la energía, así
como
el
desarrollo
de
sistemas
de
almacenamiento
experimentales debe desarrollarse en la práctica.
De igual forma, el ahorro de energía y las medidas prácticas para
que la población colabore en el uso racional de la energía
desempeñan un papel importante. Las opciones energéticas
individuales o autosuficientes y rurales no deben dejarse de lado
por prestarle más interés a la satisfacción de la macro demanda
129
de energía que requiere el país; por el contrario, las iniciativas
individuales, pequeñas o regionales, deben estimularse, pues la
suma de pequeñas partes puede representar una contribución
importante para satisfacer la demanda de energía de cualquier
persona.
Finalmente, nuestro país, a diferencia de muchos otros, tiene la
fortuna de contar con petróleo para cubrir gran parte de la
demanda energética. Pero, si nos faltara, ¿cómo se cubrirían las
necesidades energéticas de cada persona? Para responder a esta
pregunta, sólo añadiremos un ingrediente final: el petróleo es una
fuente que tarde o temprano se agotará y algunos países son
importadores de energía. El aprovechamiento de las diversas
fuentes (véase la figura 36) debe hacerse seria e
inteligentemente, pensando en todas las variables que intervienen
a corto, mediano y largo plazo. La formación de recursos y la
investigación práctica y teórica constituyen una forma de
aumentar nuestras reservas.
1041
1039
1037
1035
Cuasar
(débil)
1027
Traslación
1013
de la Luna
Catarats
Tecla de
del
10-1
piano
Niágara
E.
E.
Nebulosa
Potencial
Aprovch.
de
1025
1011
10-3
de
de las
Andrómeda
océanos
mareas
Cúmulo
globular
1023
Traslación
1021
de la Tierra
Colibrí
Calor
E.P. de
solar que
un
recibe la 109 Tzunami 10-5
grano
tierra 1
de sal
semana
E. solar
que recibe
107
la Tierra
en 1 hora
Rayos
10-7
Salto de
una
pulga
130
1033
31
10
1029
E. en
Energía del
1/2
reposo
Sol (1
1019 Terremoto 105
10-9
manzana
de 7
mes)
protones
Traslación
Volcanes
17
de
10 y fuentes 103
Neptuno
termales
Rotación
1015 Huracán
de la Tierra
101
Cerillo
Bíceps
1011
-
10
13
EA de
núcleo
de
oxígeno
E. en
Reposo
del
electrón
Figura 36. Escala de energías (en joules). (Tabla tomada del Museo de
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