Energías alternativas Ecología

Fecha: Sábado, 15 Abril, 2006 - 00:00

Energía eólica (III parte)

Almacenamiento de energía
Todas las formas de generar energía eléctrica, sean tradicionales (termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares) o alternativas (eólica, solar, fotovoltaica, etc.), enfrentan el problema de una demanda irregular. En el caso de las alternativas, la situación es aún más complicada, por las fluctuaciones del viento, la alternancia de días y noches, la reducción de la radiación solar por nubes, etc. Algunas causas de cambio rápido de demanda son:
- los aumentos súbitos (“picos”) de demanda -un 30/40% mayor que el promedio diario-  en la tarde/noche, por el masivo regreso de personas a sus hogares y el consiguiente encendido de artefactos;
- la caída de demanda desde la medianoche hasta la madrugada;
- su recuperación desde el comienzo de la mañana por el reinicio de la actividad industrial y comercial, etc.
Existen otros cambios de demanda, más lentos, provocadas por los cambios de estaciones, como lo son refrigeración, bombeo para riego, ventilación y acondicionamiento de aire en verano; calefacción y mayor necesidad de iluminación en invierno.
Las energías tradicionales -si disponen de capacidad ociosa, con el consiguiente costo- pueden variar la potencia generada para adaptarse a las variaciones de demanda, si bien la eficiencia máxima la logran operando a régimen constante. En cambio, las energías alternativas -si operan aisladas de una red de interconexión- deben disponer, forzosamente, de formas de almacenar energía para no interrumpir el suministro. Esto puede lograrse mediante:
1) baterías: son útiles sólo con potencias bajas. Se utilizan baterías de plomo/óxido de plomo, del tipo usado en automotores. Si bien más caras,  las baterías de níquel/hierro o níquel/cadmio tienen el doble de vida útil (10 años contra 5-6 años de las plomo);
2) hidrobombeo: los excedentes de energía generados se utilizan para bombear agua a un depósito ubicado 50-
100 metros por encima del punto de toma. Cuando se desea recuperar esa energía, se deja bajar el agua que, al pasar por la bomba, la hace funcionar como turbina, la que está acoplada a   un generador eléctrico. Como existe una pérdida por rozamientos del 20% en la elevación y otra igual en la descarga, se recupera sólo el 64% (0,8 x 0,8) de la energía excedente.
Con potencias de 1000 MW o más, existen en el mundo unos 40 instalaciones de este tipo, ubicadas principalmente en Japón (12) y EE. UU. (9). En Argentina existen varios puntos apropiados, uno de ellos en la Pcia. de Buenos Aires (Laguna la Brava - Partido de Balcarce), pero ninguna instalación;
3) producción de hidrógeno: la energía excedente puede usarse para electrolizar agua y separarla en sus dos elementos componentes, el hidrógeno y el oxígeno. Cuando se desea recuperar esa energía, se alimenta el hidrógeno -en fase gas- a una celda de combustible donde, al reaccionar con el oxígeno del aire, produce energía eléctrica. Una ventaja decisiva de este método es que no genera contaminante alguno, ya que el producto de la reacción en la celda de hidrógeno es vapor de agua. Se halla muy avanzado el concepto de una “economía del hidrógeno”, que reduciría a niveles mínimos los contaminantes asociados a la producción de electricidad, permitiendo suplantar en el futuro a los combustibles fósiles.
4) volantes de inercia: en este caso, la energía excedente se usa en acelerar una rueda (volante) giratoria, apoyada en soportes con rozamiento mínimo. El volante está vinculado con un generador de electricidad o con una bomba, que permiten recuperar la energía almacenada en el volante, a costa de reducción de su velocidad de giro. El rozamiento se reduce recurriendo a apoyos de levitación magnética y alojando el volante en una cámara de vacío. Se estudian nuevos materiales para los volantes, que soporten las grandes tensiones  de la fuerza centrífuga que producen las altas velocidades de giro;
5) superconductores: se llaman así ciertos metales y cerámicos que, cuando son enfriados a temperaturas entre el cero absoluto (- 273º C) y la del nitrógeno líquido (-196º C), pierden su resistencia al paso de la electricidad. La temperatura en la que la resistencia eléctrica se anula se llama “temperatura crítica de superconductividad”. La ausencia de resistencia eléctrica significa que los electrones pueden trasladarse libremente, sin pérdidas de energía en forma de calor; en cambio, en un conductor común, la circulación de electricidad es acompañada de una pérdida de energía eléctrica que se transforma en calor (efecto Joule; E perdida = I2. R .t , donde I es la intensidad de la corriente, R la resistencia del conductor y t el tiempo de circulación de la corriente).
La superconductividad puede aprovecharse para almacenar energía en el campo magnético creado por el flujo de una corriente eléctrica continua en una bobina que ha sido enfriada criogenicamente (criogenia: estudio y uso de materiales por debajo de -150 º C); los sistemas de este tipo se componen de:
- bobina superconductora;
- enfriador criogénico, para mantener la bobina a la temperatura adecuada;
- acondicionador de potencia.
Una vez que la bobina fue cargada, la corriente no se reduce y la energía magnética correspondiente queda almacenada indefinidamente. Cuando se  precisa extraer energía, basta con tomar corriente de la bobina superconductora.
Se trabaja intensamente en el desarrollo de materiales que presenten superconductividad a temperaturas más cercanas a la del ambiente. Ya existen dos cerámicos que tiene temperaturas críticas de -183 º C y de -148 º C.
6) aire comprimido: la energía excedente se usa para comprimir aire en grandes espacios existentes, previamente acondicionados,  a presiones del orden de 70 atmósferas; cuando se desea recuperar la energía acumulada, se libera aire a presión -previo calentamiento para aumentar el rendimiento- en una turbina acoplada a un generador eléctrico. Existe una instalación de este tipo en Alemania (Huntorf, cerca de Bremen, que utiliza una caverna de
300.000 m3) y otra en Alabama (EE.UU);
7) calor: la energía excedente se puede utilizar para calentar agua, aceites especiales o sodio fundido; el agua es de bajo costo, pero los otros fluidos tienen calores específicos elevados y bajas tensiones de vapor, que permiten obtener altas densidades de almacenamiento de energía, en depósitos sencillos.
También puede recurrirse a la fusión de mezclas de sales (usualmente 60% de nitrato de sodio y 40% de nitrato de potasio, que funde a 220 º C); en la Fig. 3 se muestra un esquema en uso.

Baterías y celdas de combustible
Ambos dispositivos convierten energía química en electricidad, pero la batería tiene todas las sustancias reactantes en su interior, en tanto que en la celda de combustible los reactantes se renuevan continuamente. Si bien existen diversas configuraciones, las celdas de combustible difieren en su electrolito; en el caso de la celda de hidrógeno, se compone de:
a) un ánodo metálico, al que llegan los electrones, que circulan por un conductor externo hacia la carga (por ejemplo, una lámpara); el ánodo, en su cara interior, tiene canales que distribuyen el hidrógeno sobre toda la superficie del catalizador que recubre la membrana central. Sobre ese catalizador, las moléculas de hidrógeno (H2) se convierten en iones hidrógeno (H+) al perder electrones (e-);
b) un cátodo metálico, con canales en su cara interior que distribuyen el oxígeno del aire sobre toda la superficie del catalizador que recubre la membrana central; el catalizador convierte las moléculas de oxígeno (O2), en átomos de oxígeno (O) que carecen de carga eléctrica pero que son muy electronegativos y atraen los iones hidrógeno a través de la membrana central. Se produce allí la reacción -el producto es agua (H2O)- entre átomos de O, iones hidrógeno y electrones; estos últimos llegan al cátodo luego de pasar por los conductores y la carga externa;
c) membrana central, cuya característica es dejar circular los iones hidrógeno pero no los electrones ni los átomos de oxígeno;
d) el catalizador, que recubre ambas caras de la membrana central, es platino finamente dividido y disperso, para que tenga el máximo de superficie de contacto con el hidrógeno y el oxígeno en sus forma moleculares.
                         
Reacción en el ánodo: 4 H2
à 4 H+ + 4 e-
Reacción en el cátodo: O2
à 2 O
                                         4 H+ + 2 O + 4 e-
à 2 H2O
Resultado neto de la reacción: 2 H2 + O2
à 2 H2O + electricidad

La celda de hidrógeno sólo produce 0,7 voltios; para lograr voltajes más útiles (6, 12 o mayores) se acoplan en serie 10 o más celdas, conformando una pila.
La membrana central, sólo permeable a iones hidrógeno, opera a temperaturas relativamente bajas (aprox. 80º C), lo cual es una ventaja, pues se calienta rápido y no requiere de estructuras caras para su contención.
Las pilas de hidrógeno tienen una densidad de potencia (kW / kg de peso) elevada, lo que se traduce en tamaños pequeños.

Autor: Redacción EcoDias