Fuentes de energía renovable
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Cuando se hace referencia a fuentes de energía, los términos "energía sostenible" y "energía renovable" a menudo se usan indistintamente, sin embargo, los proyectos particulares de energía renovable a veces plantean importantes preocupaciones de sostenibilidad. Las tecnologías de energía renovable son contribuyentes esenciales para la energía sostenible, ya que generalmente contribuyen a la seguridad energética mundial, reduciendo la dependencia de los recursos de combustibles fósiles,[9] y brindando oportunidades para mitigar los gases de efecto invernadero.[9] Se han realizado diversos trabajos de análisis de costo-beneficio realizados por una gran variedad de especialistas y agencias para determinar las vías más baratas y rápidas para descarbonizar el suministro de energía del mundo, y el tema es de gran controversia, en particular sobre el papel de la energía nuclear.[10][11][12][13][14].
Hidroelectricidad
Entre las fuentes de energía renovable, las plantas hidroeléctricas tienen la ventaja de ser de larga duración: muchas de las plantas existentes han operado por más de 100 años. Además, las centrales hidroeléctricas son limpias y tienen pocas emisiones. Las críticas dirigidas a las centrales hidroeléctricas a gran escala incluyen: la dislocación de las personas que viven donde se planifican los reservorios y la liberación de cantidades significativas de dióxido de carbono durante la construcción e inundación del reservorio.[15].
Sin embargo, se ha encontrado que las altas emisiones se asocian solo con reservorios poco profundos en lugares cálidos (tropicales), y las innovaciones recientes en la tecnología de turbinas, está permitiendo el desarrollo eficiente de proyectos hidroeléctricos de bajo impacto en la corriente del río.[16] En general, las plantas hidroeléctricas producen emisiones de gases de efecto invernadero mucho más bajas que otros tipos de generación.
La energía hidroeléctrica, experimentó un intenso desarrollo durante el crecimiento de la electrificación en los siglos XIX y XX, está experimentando un resurgimiento de su desarrollo en el siglo XXI. Las áreas de mayor crecimiento hidroeléctrico son las economías en auge de Asia. China es el líder del desarrollo; sin embargo, otras naciones asiáticas están instalando la energía hidroeléctrica a un ritmo rápido. Este crecimiento está impulsado por un aumento en los costos de energía, especialmente por la energía importada, y por los deseos generalizados de generación más doméstica, limpia, renovable y económica.
Geotermia
Las tecnologías en uso para la producción geotérmica incluyen centrales de vapor seco, centrales de vapor flash y centrales de ciclo binario. La generación de electricidad geotérmica se usa actualmente en 24 países, mientras que la calefacción geotérmica se usa en 70 países.[17] Los mercados internacionales crecieron a una tasa promedio anual del 5 por ciento durante los tres años hasta 2015, y se espera que la capacidad de energía geotérmica global alcance los 14.5–17.6 GW en 2020.[18].
Se considera que la energía geotérmica es una fuente de energía sostenible y renovable porque la extracción de calor es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra.[19] Las emisiones de gases de efecto invernadero") de las estaciones eléctricas geotérmicas son en promedio 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5 por ciento de la de las plantas de carbón convencionales.[17] Como fuente de energía renovable para energía y calefacción, la energía geotérmica tiene el potencial de satisfacer el 3-5% de la demanda mundial para el 2050. Con incentivos económicos, se estima que para 2100 será posible satisfacer el 10% de la demanda global.[20].
Biomasa
Las briquetas de biomasa se utilizan cada vez más en el mundo en desarrollo como una alternativa al carbón vegetal. La técnica implica la conversión de casi cualquier materia vegetal en briquetas comprimidas que típicamente tienen alrededor del 70% del valor calorífico del carbón vegetal. Hay relativamente pocos ejemplos de producción de briquetas a gran escala. Una excepción está en Kivu del Norte, en el este de la República Democrática del Congo, donde la tala de bosques para la producción de carbón vegetal se considera la mayor amenaza para el hábitat del gorila de montaña. El personal del Parque nacional Virunga ha capacitado y equipado con éxito a más de 3500 personas para producir briquetas de biomasa, reemplazando así el carbón vegetal producido ilegalmente dentro del parque nacional y creando un importante empleo para las personas que viven en la pobreza extrema en las zonas afectadas por conflictos.[21].
Biocombustible
Brasil tiene uno de los programas de energía renovable más grandes del mundo, que involucra la producción de etanol combustible "Etanol (combustible)") a partir de la caña de azúcar, y el etanol ahora proporciona el 18 por ciento del combustible automotriz del país. Como resultado de esto, junto con la explotación de las fuentes de petróleo de aguas profundas domésticas, Brasil, que hace años tuvo que importar una gran parte del petróleo necesario para el consumo doméstico, alcanzó la autosuficiencia petrolera completa.[22][23][24].
La mayoría de los autos que circulan en los Estados Unidos pueden funcionar con mezclas de hasta un 10% de etanol, y los fabricantes de vehículos motorizados ya producen vehículos diseñados para funcionar con mezclas de etanol mucho más altas. Ford, DaimlerChrysler y GM se encuentran entre las compañías que venden automóviles, camiones y minivans de "combustible flexible" que pueden usar gasolina y mezclas de etanol, desde gasolina pura hasta un 85% de etanol (E85). A mediados de 2006, había aproximadamente seis millones de vehículos compatibles con E85 en las carreteras de los Estados Unidos.[25].
Los biocombustibles pueden definirse como "renovables", pero pueden no ser "sostenibles" debido a la degradación del suelo. A partir de 2012, el 40% de la producción de maíz estadounidense se destina al etanol. El etanol ocupa un gran porcentaje del "Uso de energía limpia" cuando, de hecho, aún es discutible si el etanol debe considerarse como una "Energía limpia".[26].
Según la Agencia Internacional de Energía, las nuevas tecnologías de bioenergía (biocombustibles) que se están desarrollando hoy en día, especialmente las biorrefinerías de etanol celulósico, podrían permitir que los biocombustibles desempeñen un papel mucho más importante en el futuro de lo que se pensaba anteriormente.[27] El etanol celulósico se puede obtener a partir de materia vegetal compuesta principalmente de fibras de celulosa no comestibles que forman los tallos y ramas de la mayoría de las plantas. Los residuos de cultivos (como los tallos de maíz, la paja de trigo y la paja de arroz), los residuos de madera y los residuos sólidos municipales son fuentes potenciales de biomasa celulósica. Los cultivos energéticos dedicados"), como la hierba de cambio, también son fuentes prometedoras de celulosa que pueden producirse de manera sostenible en muchas regiones de los Estados Unidos.[28].
Viento
En Europa, en el siglo XIX, había unos 200.000 molinos de viento, un poco más que los aerogeneradores modernos del siglo XXI.[29] Se utilizaban principalmente para moler el grano y bombear agua. La era de los motores de vapor impulsados por carbón reemplazó este uso temprano de la energía eólica.
Algunas de las energías renovables de segunda generación, como la energía eólica, tienen un alto potencial y ya han tenido costos de producción relativamente bajos. A fines de 2008, la capacidad de los parques eólicos en todo el mundo era de 120,791 megavatios (MW), lo que representó un incremento del 28.8 por ciento durante el año,[31] y la energía eólica produjo aproximadamente el 1.3% del consumo mundial de electricidad.[32].
La energía eólica representaba en 2006 aproximadamente el 20% del uso de electricidad en Dinamarca, el 9% en España y el 7% en Alemania, la capacidad eólica instalada en la UE es principalmente offshore (alta mar) y llegó a 14,6 GW en 2021 y se espera que aumente al menos 25 veces para 2030, utilizando el gran potencial de las 5 cuencas marinas de la UE.[33].
La capacidad total acumulada de generación eólica de electricidad instalada en todo el mundo ha aumentado rápidamente desde entonces y, a fines de 2020, asciende a 733 GW. Desde 2010, más de la mitad de toda la nueva energía eólica se agregó fuera de los mercados tradicionales de Europa y América del Norte, principalmente impulsada por el continuo auge en China, India, Brasil, Vietnam entre otros países.Para 2020 los 10 mayores productores se pueden apreciar en la tabla a seguir:[34][35]
[36].
Calefacción solar
Los sistemas de calefacción solar son una tecnología de segunda generación bien conocida y generalmente consisten en colectores solares térmicos, un sistema de fluido para mover el calor del colector a su punto de uso, y un depósito o tanque para el almacenamiento de calor y su uso posterior. Los sistemas pueden usarse para calentar agua caliente doméstica, agua de piscinas o para calefacción de espacios.[37] El calor también se puede utilizar para aplicaciones industriales o como entrada de energía para otros usos, como equipos de refrigeración.[38] En muchos climas, un sistema de calefacción solar puede proporcionar un porcentaje muy alto (20 a 80%) de energía de agua caliente doméstica. La energía recibida del sol por la tierra es la de la radiación electromagnética. Rangos de luz de ondas visibles, infrarrojas, ultravioletas, de rayos X y de radio recibidas por la Tierra a través de la energía solar. El mayor poder de radiación proviene de la luz visible. La energía solar es complicada debido a los cambios en las estaciones y del día a la noche. La cubierta de nubes también puede aumentar las complicaciones de la energía solar, y no toda la radiación del sol llega a la Tierra porque se absorbe y dispersa debido a las nubes y los gases dentro de las atmósferas de la Tierra.[39].
Las centrales térmicas solares han estado operando con éxito comercialmente en California desde fines de la década de 1980, incluyendo la planta de energía solar más grande de cualquier tipo, los Sistemas de Generación de Energía Solar") de 350 MW. Nevada Solar One es otra planta de 64MW que se inauguró recientemente.[40] Otras centrales parabólicas que se están proponiendo son dos centrales de 50MW en España y una central de 100MW en Israel.[41].
Electricidad solar
En la década de 1980 y principios de la década de 1990, la mayoría de los módulos fotovoltaicos proporcionaban suministro de energía de área remota , pero desde aproximadamente 1995, los esfuerzos de la industria se han centrado cada vez más en desarrollar edificios fotovoltaicos integrados y centrales eléctricas para aplicaciones conectadas a la red (consulte el artículo sobre centrales fotovoltaicas para más detalles). Actualmente, la planta de energía fotovoltaica más grande de América del Norte es la planta de energía solar de Nellis (15 MW).[42][43] Existe una propuesta para construir una central de energía solar en Victoria, Australia, que sería la central fotovoltaica más grande del mundo, con 154 MW.[44][45] Otras grandes centrales fotovoltaicas incluyen la planta de energía solar Girassol (62 MW),[46] y el Parque Solar Waldpolenz (40 MW).[47].
Los grandes proyectos de investigación nacionales y regionales sobre la fotosíntesis artificial están diseñando sistemas basados en nanotecnología que utilizan la energía solar para dividir el agua en combustible de hidrógeno.[48] y se ha hecho una propuesta para un proyecto de fotosíntesis artificial global[49] En 2011, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrollaron lo que denominan una "hoja artificial", que es capaz de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno directamente de la energía solar cuando se cae en un vaso de agua. Un lado de la "Hoja Artificial" produce burbujas de hidrógeno, mientras que el otro lado produce burbujas de oxígeno.[50].
La mayoría de las plantas de energía solar actuales están hechas de una serie de unidades similares donde cada unidad se ajusta continuamente, por ejemplo, con algunos motores paso a paso, para que el convertidor de luz permanezca en el foco de la luz solar. El costo de enfocar la luz en los convertidores, como los paneles solares de alta potencia, el motor Stirling, etc., puede reducirse drásticamente con una mecánica de cuerdas simple y eficiente.[51] En esta técnica, muchas unidades están conectadas con una red de cuerdas, de modo que tirar de dos o tres cuerdas es suficiente para mantener a todos los convertidores de luz enfocados simultáneamente a medida que cambia la dirección del sol.
Japón y China tienen programas nacionales destinados a la energía solar espacial (SBSP) a escala comercial. La Academia China de Tecnología Espacial (CAST) ganó el Concurso Internacional de Diseño de SunSat 2015 con este video de su diseño de articulación giratoria múltiple. Los defensores de SBSP afirman que la energía solar basada en el espacio sería limpia, constante y global, y podría escalar para satisfacer toda la demanda de energía planetaria.[20] Una reciente propuesta de la industria de varias agencias (que se hizo eco de la recomendación del Pentágono de 2008) ganó el Desafío de Innovación D3 (Diplomacia, Desarrollo, Defensa) de SECDEF / SECSTATE / USAID.[52].
Energía oceánica
Portugal tiene la primera granja comercial de olas del mundo, la Aguçadora Wave Park , en construcción en 2007 e inaugurada el 23 de septiembre de 2008. La granja utilizó tres máquinas Pelamis P-750 que tenían una expectativa de generar 2,25 MW.[54][55] y los costos se estimaban en 8,5 millones de euros. Debido a problemas técnicos en las máquinas Pelamis P-750, estas fueron devueltas al puerto de Leixões en noviembre de 2008. La financiación para una granja de olas en Escocia fue anunciada en febrero de 2007 por Scottish Executive, a un costo de más de 4 millones de libras , como parte de un paquete de financiamiento de 13 millones de libras para la energía oceánica en Escocia. La granja será la más grande del mundo con una capacidad de 3 MW generada por cuatro máquinas Pelamis.[56].
En 2007, la primera turbina del mundo para crear cantidades comerciales de energía utilizando la energía de las mareas se instaló en los estrechos de Strangford Lough en Irlanda. El generador de electricidad de marea submarina de 1,2 MW aprovecha el rápido flujo de marea en el lago, que puede ser de hasta 4 m/s. Aunque el generador es lo suficientemente potente como para alimentar hasta mil hogares, la turbina tiene un impacto ambiental mínimo, ya que está casi completamente sumergida y los rotores giran lo suficientemente lento como para que no supongan ningún peligro para la vida silvestre.[57][58].
Tecnologías habilitadoras para las energías renovables
La energía solar y eólica son fuentes de energía intermitentes que suministran electricidad del 10 al 40% del tiempo. Para compensar esta característica, es común vincular su producción con la hidroelectricidad ya existente o la generación de gas natural. En regiones donde esto no está disponible, la energía eólica y solar pueden combinarse con una hidroelectricidad con almacenamiento por bombeo significativamente más costosa.
Las bombas de calor y el almacenamiento de energía térmica son clases de tecnologías que pueden permitir la utilización de fuentes de energía renovables que de otra forma serían inaccesibles debido a una temperatura demasiado baja para su utilización o un lapso de tiempo entre la disponibilidad de energía y cuándo se necesita. Al aumentar la temperatura de la energía térmica renovable disponible, las bombas de calor tienen la propiedad adicional de aprovechar la energía eléctrica (o en algunos casos, la energía mecánica o térmica) al usarla para extraer energía adicional de una fuente de baja calidad (como el agua de mar, agua de lago, el suelo, el aire, o el calor residual de un proceso).
Las tecnologías de almacenamiento térmico permiten que el calor o el frío se almacenen durante períodos de tiempo que van desde horas o durante la noche hasta la estación, y pueden implicar el almacenamiento de calor sensible (es decir, al cambiar la temperatura de un medio) o calor latente (es decir, a través de los cambios de fase de un medio, tal como entre el agua y el aguanieve o hielo). Los almacenamientos térmicos a corto plazo se pueden utilizar para la regulación de los máximos en sistemas de distribución eléctrica o calefacción urbana. Los tipos de fuentes de energía renovables o alternativas que se pueden habilitar incluyen energía natural (por ejemplo, recolectada a través de colectores solares térmicos, o torres de enfriamiento seco usadas para recolectar el frío del invierno), energía residual (por ejemplo, de equipos de HVAC, procesos industriales o centrales eléctricas), o excedentes de energía (por ejemplo, como estacionalmente de proyectos hidroeléctricos o intermitentemente de parques eólicos). La comunidad solar de Drake Landing (Alberta, Canadá) es ilustrativa. El almacenamiento de energía térmica permite a la comunidad obtener el 97% de su calor durante todo el año de los colectores solares en los techos de los garajes, que se acumulan en verano.[59][60] Los tipos de almacenaje para calor sensible incluyen tanques aislados, conglomerados de perforaciones en sustratos que van desde la grava hasta el lecho de roca, acuíferos profundos o pozos revestidos poco profundos que están aislados en la parte superior. Algunos tipos de almacenamiento son capaces de almacenar calor o frío entre temporadas opuestas (especialmente si son muy grandes), y algunas aplicaciones de almacenamiento requieren la inclusión de una bomba de calor. El calor latente generalmente se almacena en tanques de hielo o lo que se llama materiales de cambio de fase") (PCM).