Esta entrada de blog explica los principios y el potencial de varias fuentes de energía renovables, como la solar, la eólica y la geotérmica, de una manera fácil de entender.
Con la frecuencia de los fenómenos meteorológicos extremos que se producen en todo el mundo recientemente, el interés por los problemas ambientales es mayor que nunca. En particular, el carbón, que ofrece una excelente eficiencia térmica pero contamina el medio ambiente debido a sus elevadas emisiones de dióxido de carbono, lleva tiempo enfrentándose a una eliminación gradual. Por consiguiente, la investigación y el desarrollo de energías renovables, que suponen una carga ambiental significativamente menor que los recursos convencionales, se encuentran en plena actividad. En Corea, diversas instituciones como Korea Hydro & Nuclear Power y la Asociación de la Industria Fotovoltaica de Corea están acelerando el desarrollo de tecnologías de energía renovable. Más allá de las conocidas energías solar y eólica, exploremos qué otros recursos se incluyen en las energías renovables, sus respectivas características y su potencial futuro.
Aunque la energía renovable suele evocar únicamente la energía solar térmica, su alcance es mucho más amplio de lo que se cree. En primer lugar, la energía solar térmica aprovecha directamente el calor emitido por la luz solar. Esto se refiere al uso del propio calor para calefacción, suministro de agua caliente, cocina, etc., sin necesidad de un proceso de conversión eléctrica independiente. Algunos ejemplos incluyen el aprovechamiento directo de la luz solar a través de las ventanas de una vivienda para obtener luz natural o para calentar agua. En países con vastos territorios como Estados Unidos, también se emplean métodos en los que el calor solar se concentra en grandes áreas para generar electricidad en torres. El factor más crítico a considerar en la energía solar térmica es la radiación solar. Esta radiación se ve influenciada por la latitud, el clima y las horas de sol de una región. Ajustando el ángulo de los colectores solares o módulos fotovoltaicos, se puede capturar la máxima cantidad de energía solar. Generalmente, resulta eficaz alinear la inclinación según la latitud de la región en primavera y otoño, reducir el ángulo en verano y aumentarlo aún más en invierno.
El uso de la energía solar tiene una larga historia. Un ejemplo bien conocido es la historia de Arquímedes, de la antigua Grecia, en el año 212 a. C., quien utilizó espejos para concentrar la luz solar e incendiar barcos romanos. Posteriormente, a finales del siglo XVIII, el científico francés Lavoisier utilizó la energía solar para generar temperaturas superiores a los 1700 grados Celsius, lo que amplió significativamente su potencial de aplicación práctica. El diseño residencial moderno también maximiza la iluminación natural al considerar la orientación de los edificios, la ubicación de las ventanas y los tipos de vidrio. El uso eficiente de la energía se logra mediante el uso de unidades de almacenamiento térmico, tanques de almacenamiento de agua caliente e invernaderos anexos.
La energía solar fotovoltaica convierte la energía lumínica generada por la transformación del hidrógeno en helio en el sol en energía eléctrica. Esto se logra principalmente mediante células solares, conocidas colectivamente como energía fotovoltaica (FV). Existen varios tipos de células solares, siendo las de silicio las más utilizadas. El silicio es abundante en la corteza terrestre, lo que lo hace fácilmente disponible, aunque requiere una pureza del 99.9999 % o superior. El silicio monocristalino de alta pureza se produce mediante el método Chokralski. Este proceso implica la fusión del silicio policristalino, la eliminación de impurezas y la extracción lenta de un cristal semilla de silicio para su crecimiento hasta alcanzar una forma monocristalina.
Las células solares monocristalinas ofrecen una alta eficiencia, pero conllevan altos costos de fabricación. En cambio, las células de silicio policristalino tienen una eficiencia ligeramente menor, pero se benefician de menores pérdidas por corte y mayores ventajas económicas. Además, existen células solares basadas en arseniuro de galio y fosfuro de indio que ofrecen alta eficiencia y resistencia a altas temperaturas y radiación. Con la tecnología actual, es difícil que las células solares monocristalinas superen el 25 % de eficiencia debido a diversos factores de pérdida (reflexión superficial, resistencia en serie, exceso de energía fotónica, etc.).
Las células solares se componen de unidades básicas llamadas "celdas". Un "módulo" consta de 36 celdas conectadas en serie. La conexión de varios módulos en serie para aumentar el voltaje forma una "cadena". Un "array" es un conjunto de múltiples cadenas. Al instalar un sistema de energía solar, se deben considerar diversos factores, como la reducción en la generación de energía debido al sombreado, las nevadas invernales, los problemas de disipación de calor y la vida útil de la batería. Si bien la generación de energía solar es muy ventajosa desde el punto de vista ambiental, ya que no emite contaminantes durante el proceso, es importante tener en cuenta que, en ocasiones, se requiere consumo de energía para la calefacción a alta temperatura.
La energía eólica aprovecha la fuerza del viento, evolucionando desde tecnologías antiguas como los molinos de viento holandeses hasta las turbinas eólicas modernas. La generación de energía eólica es particularmente sensible a la ubicación y el tiempo, ya que la producción varía significativamente, lo que hace que las condiciones del lugar sean cruciales. Las turbinas eólicas se clasifican según la posición de sus palas en relación con la dirección del viento: "a barlovento" (palas delanteras) y "a sotavento" (palas traseras). Las turbinas a barlovento tienen dificultades para autoalinearse, lo que requiere mecanismos de accionamiento independientes o palas de cola. Por el contrario, las turbinas a sotavento pueden ajustar su dirección de forma natural, pero su inestabilidad en las corrientes de aire constituye un inconveniente.
Los métodos de operación de las turbinas eólicas se clasifican en dos tipos: mantener una relación de velocidad de punta constante para mejorar la eficiencia de producción y ajustar la velocidad de rotación de las palas para producir electricidad a una frecuencia fija. Las turbinas eólicas generan inherentemente cierto nivel de ruido debido a sus componentes de accionamiento giratorios, pero la investigación tecnológica, como los diseños sin engranajes, continúa abordando este problema.
La energía geotérmica utiliza el calor del interior de la Tierra, aprovechando el calor generado por la desintegración de isótopos radiactivos o la liberación de calor del manto. El gradiente geotérmico promedio es de alrededor de 25-30 grados Celsius por kilómetro, pero en regiones con desarrollo geotérmico activo, como Pohang en Corea del Sur, puede alcanzar los 100 grados Celsius por kilómetro. La energía geotérmica es en gran medida inmune a los cambios climáticos o estacionales, lo que ofrece la importante ventaja de un suministro de energía estable las 24 horas. El método más común consiste en inyectar agua fría bajo tierra a través de pozos y extraer el agua calentada para aplicaciones de calefacción. Además de los sistemas geotérmicos de alta temperatura y los métodos que utilizan las temperaturas naturales del suelo, se está investigando en Sistemas Geotérmicos Mejorados (EGS), un método de desarrollo geotérmico profundo. Sin embargo, esta tecnología sigue siendo costosa. Además, un método ampliamente utilizado consiste en instalar tuberías subterráneas en edificios para utilizar la energía geotérmica para enfriar en verano y calentar en invierno.
Al utilizar la energía geotérmica para la generación de energía, los sistemas se clasifican según el medio de transferencia de calor empleado, como vapor seco, flash simple, flash doble o generación de energía de ciclo dual. Estos sistemas están ganando popularidad por su capacidad para proporcionar un suministro de energía estable sin depender de combustibles fósiles convencionales.
La bioenergía es la energía derivada de materia orgánica o subproductos de plantas y animales, con ejemplos representativos como el biodiésel, el biometano y el bioetanol. Esto también incluye la recolección de gas generado en vertederos para su uso como fuente de energía. Los biocombustibles se producen mediante conversión termoquímica (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno para crear otros hidrocarburos) o métodos de fermentación (utilizando levadura para convertir azúcares en etanol). Esta bioenergía está cobrando especial importancia como alternativa práctica para sustituir los combustibles utilizados en el transporte.
Jeremy Rifkin, presidente del Instituto de Tendencias Económicas de EE. UU., predijo en su discurso inaugural de 2014 en el Gran Foro de la Energía que «a medida que avancen las tecnologías de energías renovables, el coste marginal de la producción de electricidad se acercará a cero en las próximas décadas». En su libro The Zero Marginal Cost Society, predijo que el desarrollo del Internet de las Cosas (IdC) conectaría las comunicaciones, el transporte y la energía en una única red, dando lugar a una nueva estructura económica donde los costes de producción de energía y bienes serían extremadamente bajos. El coste de la generación de energía renovable, que alcanzó los 68 dólares por vatio en la década de 1970, ha descendido ahora a 60 centavos. Parece que se acerca la «era de la energía compartida», donde cualquiera puede producir energía directamente y compartir el excedente de electricidad con otros.
El desarrollo tecnológico para superar la inestabilidad de las energías renovables también está en marcha. Por ejemplo, el Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS) de LG Chem se aplica al sistema de planta de energía renovable de LG CNS, la "Solución de Microrred". Esto permite almacenar y suministrar electricidad generada por energía solar durante los períodos de máxima demanda. Esto transforma la estructura energética tradicional de "producción-consumo" en un modelo de "producción-almacenamiento-consumo", compensando las fluctuaciones de producción inherentes a las energías renovables. En particular, dado que la proporción de energías renovables supera el 10% de la generación total de energía, la inestabilidad de la red podría convertirse en un problema; el ESS se reconoce como una tecnología clave para abordar este desafío.
Para prepararnos para nuestro futuro, necesitamos comprender a fondo recursos como la energía solar térmica, la solar fotovoltaica, la eólica, la geotérmica y la bioenergía, aquellos con baja contaminación ambiental y un alto potencial de eficiencia térmica. Las energías renovables serán cruciales, transformando no solo las energías alternativas, sino toda la estructura social y el sistema económico del futuro. Nuestra comprensión y preparación para esta tecnología determinarán si se desarrolla un futuro más limpio y sostenible.
