Energía Renovable: una mirada al presente y futuro

La energía que se consume diariamente proviene de los recursos naturales disponibles en el planeta, los cuales pueden ser renovables o no renovables. Las fuentes de energía renovable son aquellas que se consideran inagotables, como el agua (energía hidroeléctrica), el calor de la tierra (energía geotérmica), el viento (energía eólica), el sol (energía solar), la biomasa (bioenergía) y la energía de los océanos. El sector energético es uno de los principales emisores de gases de efecto invernadero debido a la utilización de combustibles fósiles, lo que ha aumentado el interés en la integración de las energías renovables en la matriz energética a nivel mundial. Estas energías han sido incentivadas a través de diversos mecanismos, lo que ha ayudado a reducir sus costos y hacerlas competitivas con las fuentes no renovables. En este artículo se revisa los diferentes tipos de energía renovable y su aplicación para abastecer a los consumidores finales, así como el estado de avance de las energías renovables a nivel mundial.

Tipos de Energía Renovable

La producción de energía eléctrica a través de fuentes renovables se refiere a la obtención de energía mediante proyectos que aprovechan la energía generada por diferentes fuentes renovables, tales como la energía hidroeléctrica, la energía geotérmica, la energía eólica, la energía solar, la bioenergía y la energía de los océanos, que incluye la energía de las mareas, olas y corrientes marinas. A continuación, se explica detalladamente cómo se obtiene y utiliza cada una de estas fuentes de energía renovable para la generación de energía eléctrica.

Energía hidroeléctrica

Esta forma de energía se deriva de la energía que se encuentra en movimiento y la energía almacenada en la altura de los ríos y cascadas. Hay dos tipos principales de tecnología hidroeléctrica que se utilizan para generar electricidad: centrales de pasada y centrales de embalse. Las centrales de embalse implican la construcción de un embalse para almacenar agua, mientras que, en las centrales de pasada, generalmente se utiliza el curso natural del río. La principal diferencia entre ambos tipos de centrales hidroeléctricas es que las centrales de embalse son despachables, lo que significa que su generación eléctrica puede ser programada, mientras que las de pasada no lo son. En ambos tipos de centrales, el agua se dirige hacia las turbinas, lo que produce un movimiento rotatorio que a su vez genera electricidad. En el caso de las centrales de pasada, se utiliza la energía cinética del agua del río, mientras que en las centrales de embalse se aprovecha la energía potencial del agua almacenada en el embalse. Para medir la potencia de estas centrales, es necesario medir el caudal de agua y la altura de caída del agua. La medición del caudal de agua permite determinar la energía cinética, mientras que la medida de la altura de caída del agua se utiliza para determinar la energía potencial. Para determinar el potencial hidroeléctrico, es necesario realizar levantamientos de información en el terreno para detectar los recursos hídricos disponibles.

Se considera solo a las centrales de pasada como una fuente de energía renovable, ya que no necesita de un embalse que ocasiona un impacto ambiental.

Energia Geotérmica

La energía geotérmica se obtiene a partir del calor que se encuentra en el interior de la corteza terrestre. Para aprovechar esta energía, se requiere de un fluido, como el agua, para capturar el calor térmico del interior de la corteza terrestre. Normalmente, este fluido se encuentra en la tierra formando acumulaciones llamadas reservorios, que se manifiestan en el exterior de la corteza terrestre en forma de geiseres, aguas termales, etc. Hasta principios de 2021, las tecnologías disponibles permiten aprovechar el calor de estos reservorios como energía térmica y eléctrica, lo que depende de la temperatura del reservorio. Cuanto más alta sea la temperatura del fluido, mayor será su aplicación en centrales de generación eléctrica. Para determinar la potencia máxima de estas centrales, es necesario medir la temperatura que se podría alcanzar en el fluido y también identificar el tamaño de los reservorios.

Existen tres tipos de centrales geotérmicas que se pueden identificar: en primer lugar, se encuentran las plantas de vapor flash, que extraen agua caliente a alta presión desde la profundidad de la tierra y la convierten en vapor para impulsar las turbinas del generador. Luego, cuando el vapor se enfría, se condensa el agua y se devuelve al pozo para volver a ser utilizada. En segundo lugar, están las plantas de vapor seco, las cuales utilizan vapor seco para encender turbinas y generar electricidad mediante el generador. Finalmente, se encuentran las plantas de ciclo binario, que transfieren el calor de agua caliente a otro líquido, que se evapora para activar un generador eléctrico.

Para identificar las zonas con potencial geotérmico, es necesario llevar a cabo trabajos de exploración, que se dividen en tres fases: geología, geofísica y geoquímica. Cada una de estas fases es importante para detectar la presencia del recurso geotérmico y, de esta manera, reducir el riesgo de descubrir reservorios que no sean técnicamente factibles de explotar. Si se determina que hay potencial geotérmico después de la fase de exploración, se puede proceder a la fase de explotación, teniendo en cuenta que aún existe el riesgo de que el reservorio no sea económicamente viable.

Energía eólica

Esta forma de energía se basa en la captación de la energía cinética del viento. Se utiliza una tecnología que consta de un generador eléctrico instalado en una torre, que aprovecha la energía cinética del viento para generar electricidad. La elección del tamaño óptimo de las palas del aerogenerador y la altura adecuada de la torre dependen de la curva de perfil del viento (que muestra la velocidad del viento en relación con la altura) y la geografía del terreno. Actualmente, la tecnología permite generar electricidad tanto en tierra (on-shore) como en el mar (off-shore). Para medir la potencia máxima de estas centrales eólicas, se requiere la medición de la velocidad y dirección del viento, para lo cual se utiliza un anemómetro colocado a la altura deseada.

El potencial eólico se calcula en función de la distribución de la velocidad del viento. Los aerogeneradores situados en sitios donde las medias de velocidad del viento son de 8 metros por segundo en la altura del eje del rotor producen entre el 75% y el 100% más de electricidad que aquellas donde el viento sopla a una media de 6 metros por segundo. Un aerogenerador de 1,8 MW situado a un buen emplazamiento produce más de 4,7 GWh cada año. Esto es suficiente para satisfacer las necesidades de energía eléctrica anual de más de 1.500 hogares.

Existen tres criterios para la clasificación de las centrales eólicas: la orientación de las turbinas (horizontal o vertical), las características de la instalación (en tierra o en el mar) y la conectividad a la red (conectada o no conectada). Los aerogeneradores con turbinas de eje horizontal son los más populares y tienen un eje de rotación paralelo al suelo. Generalmente, estas turbinas tienen tres aspas y pueden alcanzar alturas similares a un edificio de 20 pisos. Por otro lado, los aerogeneradores con turbinas de eje vertical son menos utilizados y tienen un eje de rotación perpendicular al suelo. Dependiendo de la forma de la turbina, pueden ser clasificados como "Darrieus" (2 o 3 arcos), "Panemonas" (4 o más semicírculos) o "Sabonius" (2 o más filas de semicilindros).

Energia solar

La energía solar se obtiene a partir de la radiación electromagnética del sol. Hay varias formas de aprovechar esta energía, como la solar fotovoltaica, que genera electricidad, la solar termoeléctrica de concentración, que también genera electricidad, y la solar térmica para agua caliente sanitaria, que genera calor. En la tecnología solar fotovoltaica, las celdas funcionan como un semiconductor que produce una reacción físico-química que libera energía eléctrica en forma de corriente continua. Los paneles fotovoltaicos, que contienen estas celdas con material semiconductor, son característicos de esta tecnología. Hay diferentes tecnologías de paneles fotovoltaicos en el mercado, siendo la que utiliza celdas de silicio policristalino la más común debido a su eficiencia.

La tecnología de concentración solar termoeléctrica funciona al aprovechar la reflexión de los rayos solares en espejos para concentrarlos en un fluido, que se calienta al absorber la energía térmica generada por los rayos solares. Luego, esta energía térmica se transfiere a otro fluido, generalmente agua, que se convierte en vapor debido al aumento de temperatura y mueve una turbina para generar electricidad. Estos sistemas operan a temperaturas elevadas, que oscilan entre 400°C y 600°C. Las tecnologías de concentración solar termoeléctrica más comunes son la torre concentradora, el colector o plato parabólico y el reflector Fresnel lineal.

Por último, la tecnología solar térmica para agua caliente sanitaria se compone de un sistema que incluye un depósito y un panel solar que contiene un circuito por el cual fluye agua, la cual absorbe la energía térmica proporcionada por la radiación solar, energía que es aprovechada en las viviendas. Estos sistemas están diseñados para trabajar a baja temperatura (hasta 180 °C) y se utilizan para aplicaciones como calentar agua, calefacción y piscinas.

La eficiencia de generación de energía en cada una de estas tecnologías depende de las condiciones climáticas, como la nubosidad, y la inclinación de los rayos solares en relación a la tierra. Para medir la potencia máxima de estos sistemas, se requiere medir la radiación solar, para lo cual se utiliza un instrumento conocido como piranómetro o solarímetro.

Energía de biomasa (bioenergía)

La bioenergía proviene de la biomasa, que incluye materia orgánica sostenible como cultivos energéticos, desechos agrícolas y forestales, desechos animales, residuos urbanos y de tratamiento de aguas. La biomasa tiene múltiples usos, como combustible para la cogeneración, la producción de biocombustibles líquidos y la generación de biogás. El potencial de la biomasa como combustible y biocombustible puede medirse mediante tecnologías satelitales y análisis de tierras cultivables. El biogás se produce a través de la descomposición biológica de la materia orgánica, y se puede recuperar de rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de aguas servidas. La medición del potencial del biogás requiere información sobre la cantidad y el tipo de residuos en los sitios de producción.

Energía oceánica

Existen diversas formas de obtener energía a partir de los océanos, tales como la energía mareomotriz que se obtiene de las mareas, la energía undimotriz obtenida de las olas, la energía generada por las corrientes marinas y la energía obtenida del gradiente térmico. Para cada tipo de energía mencionada, existen diferentes tecnologías disponibles. A pesar de que existen tecnologías en desarrollo para aprovechar estas formas de energía, aún se encuentran en fase experimental debido a sus altos costos de desarrollo y la complejidad del medio marino. Sin embargo, si se logra desarrollar tecnologías rentables para su explotación, la energía de los océanos podría convertirse en una fuente importante de energía renovable, contribuyendo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la mitigación del cambio climático.

El estado de las energías renovables en el mundo

Cada año, se genera más electricidad a partir de energías renovables en comparación al año anterior. La capacidad instalada de energía renovable fue suficiente para proporcionar aproximadamente el 28.3 % de la generación mundial a fines del 2021. Sin embargo, los proyectos siguieron viéndose afectados por los problemas en la cadena de suministro, retrasos en los envíos, y la subida mundial de los precios de las materias primas. A continuación, se muestra la capacidad mundial estimada de energías renovables por tipo a finales de 2021 (fuente: Renewables 2021 Global Status Report de la Agencia Internacional de Energía Renovable):

La capacidad hidroeléctrica sólo incluye las centrales de pasada y excluye las centrales de embalse, que no se consideran energía renovable. La siguiente figura muestra el gráfico de los datos de la tabla anterior.

A partir del cuadro anterior, se puede concluir que la energía hidroeléctrica sigue siendo la fuente de energía renovable más grande en términos de capacidad instalada, representando casi la mitad de la capacidad total de energía renovable a nivel mundial a finales de 2021. Sin embargo, la energía eólica y la energía solar fotovoltaica también han experimentado un crecimiento significativo en los últimos años, y juntas representan más del 50% de la capacidad total de energía renovable en todo el mundo. La energía bioenergética, la energía geotérmica y la energía marina aún tienen una presencia mucho menor en el mix de energía renovable, pero se espera que experimenten un crecimiento significativo en los próximos años a medida que las tecnologías continúen mejorando y los costos sigan disminuyendo. En general, el crecimiento constante de la capacidad de energía renovable a nivel mundial indica una tendencia positiva hacia una transición hacia fuentes de energía más sostenibles y una mayor mitigación del cambio climático.

Conclusión

En general, las energías renovables son una alternativa cada vez más importante a las fuentes de energía tradicionales que utilizan combustibles fósiles y que contribuyen significativamente al cambio climático y a la contaminación ambiental. Las energías renovables, como la energía solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y marina, utilizan fuentes de energía inagotables y limpias que no emiten gases de efecto invernadero ni otros contaminantes tóxicos.

El desarrollo y la expansión de las energías renovables han sido impulsados por el aumento de la conciencia y la preocupación por el cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para limitar su impacto en el medio ambiente. Además, la disminución de los costos de tecnologías como paneles solares, turbinas eólicas y baterías ha hecho que las energías renovables sean cada vez más competitivas en términos de costo con las fuentes de energía convencionales.

Referencia

[1] Environment, U. N. (2022, junio 16). Renewables 2022 Global Status Report. UNEP – UN Environment Programme. https://www.unep.org/resources/report/renewables-2022-global-status-report

[2] Carta González, José Antonio. Centrales de energías renovables : generación eléctrica con energías renovables, Madrid ES Pearson Educación 2013.