Energías alternativas y nucleoeléctrica

María Gabriela Ruiz Hinojosa
Ingeniería Química


Potencia por unidad de área (W/m2)
Número de días


Velocidad del viento (m/s)
Número de días

Potencia por unidad de área (W/m2)
Número de días

Energía a 40 m por unidad de área vs Número de días

Curva de Potencial
Potencia vs Velocidad
Velocidad (m/s)
Potencia (kW)

Velocidad del viento (m/s)
Número de días





El objetivo de esta materia es brindar una visión global acerca de la problemática energética mundial y su relación con el cambio climático, las energías renovables y el hidrógeno y la energía nuclear.
FACTOR LÍMITE
El factor esencial renovable es que la expansión de la población esté de acuerdo con un equilibrio sustentable de modo que las necesidades de consumo de la población equiparen a la capacidad de renovación del elemento.
El factor esencial no renovable, en cambio, consiste en que la capacidad de soporte transitoria está llevando a la extinción de las reservas.
ENERGÍA ACTUAL
Las fuentes de energía primarias son:
Carbón (27%)
Gas natural (24%)
Energía nuclear (6%)
Fuerza del agua (6%)
Petróleo (3%)
A pesar de que el petróleo constituye en porcentaje más pequeño dentro de las fuentes de energía primarias, es bastante utilizado en el mundo. Como se puede observar en la figura que se muestra a continuación, tan solo ocho países consumen más del 50% de petróleo a nivel mundial. De éstos, Estados Unidos sobresale con un consumo del 25%.

Figura 1. Consumo mundial de petróleo
FUENTE: BP Statistical Review of World Energy 2005
Si bien hidrocarburos como el propano y el butano se obtienen a partir del gas licuado de petróleo, el metano se produce tratando al gas natural. De ahí que el petróleo no tiene que ser considerada la única fuente de materias primas como los hidrocarburos.
La figura que se muestra a continuación indica el consumo de energía per cápita en el mundo, en función de las toneladas equivalentes de petróleo.

Figura 2. Consumo de energía per cápita
FUENTE: BP Statistical Review of World Energy 2008
Una tonelada equivalente de petróleo representa la cantidad de energía consumida en relación a la contenida en un barril de petróleo.
En la figura se muestra claramente que Norteamérica arrasa en el consumo de toneladas equivalentes de petróleo. Evidentemente se debe transforman la cantidad de energía que se consume al año si se quiere empezar a actuar responsablemente con el medio ambiente. Las figuras 1 y 2 demuestran que un estilo de vida alto implica un consumo de energía alto.
En Ecuador, el consumo de energía per cápita abarca el uso de 1 m3 de petróleo. Esto implica el empleo de grandes cantidades de petróleo en nuestro país y, trasladando esta realidad hacia la situación global, cantidades terriblemente grandes en el mundo. De ahí que actualmente se están visualizando problemas medioambientales graves, el efecto invernadero por ejemplo.
La experiencia de St. Matthew
La demanda energética está en función del crecimiento de la población.
El crecimiento de la población está directamente relacionado con el consumo de energíaEl crecimiento de la población está directamente relacionado con el consumo de energía
El crecimiento de la población está directamente relacionado con el consumo de energía
El crecimiento de la población está directamente relacionado con el consumo de energía
Figura 3. Representación del crecimiento del consumo energético en función del crecimiento de la población
FUENTE: The introduction, increase and crash of reindeer on St. Matthew Island, Klein David, 1986
Este crecimiento es exponencialEste crecimiento es exponencial
Este crecimiento es exponencial
Este crecimiento es exponencial
Figura 4. Crecimiento de la producción mundial de energía en función del crecimiento de la población
FUENTE: U. S. Census Bureau, 2006

Figura 5. Aumento de la demanda energética
FUENTE: WEC, IIASA, IEA/OECD 2001/2002
En la curva se muestra la tendencia de la demanda energética en el mundo. Se observa que en el año 2000 la mayor parte de la demanda energética mundial era abastecida por el petróleo (zona roja), aunque las fuentes de energía han tendido a equiparar su importancia. Por otro lado, también se observa que para el año 2050 se necesitará el doble de la demanda energética actual. Entonces surge la pregunta, ¿qué va a hacer el Ecuador para en el año 2050 satisfacer sus necesidades energéticas?
La potencia disponible de energía hidroeléctrica en el país está en alrededor de 10 GW, y con ello aparentemente se solucionaría el problema. Sin embargo, se debe considerar el impacto ambiental, pues la generación de energía eléctrica a partir de la fuerza del agua produce desplazamientos humanos.
Si se aumenta la producción de energía hidroeléctrica, muy probablemente se inundarán ciertas zonas mientras que se desabastecerá de agua a otras. Esto se puede evitar si primero se calcula el caudal ecológico que se va a dejar, a fin de que exista un flujo de agua aceptable en ríos y lagos.
Para el 2050 también aumentará el consumo de energía nuclear y de gas natural. El gas natural es una fuente de energía limpia, y a propósito de esto sería grandioso encontrar una fuente de este combustible en el país.
No se debe tener una matriz energética que se abastezca únicamente de fuentes renovables. Aunque se procure la disminución en el uso de combustibles fósiles, no se puede eliminarlos completamente. Energías como la nuclear son una muy buena opción para abastecer las necesidades energéticas del país en el futuro, pero ésta vendría a ser únicamente un complemento para las energías renovables.
Y para finalizar con esta parte, se muestra a continuación una foto nocturna de la tierra, en la que se observa claramente la distribución inequitativa de la energía. Esto se debe a que el consumo de energía está en función de estilo de vida de la gente de la siguiente manera: mientras mayor es el estilo de vida de una familia, mayor es su consumo de energía.

Figura 6. Foto nocturna de la Tierra
FUENTE: Salgado Francisco, 2010
EFECTO INVERNADERO
Los gases de la atmósfera hacen que una parte de la radiación que no es absorbida por la tierra cambie de longitud de onda, al ser reflejada por la superficie, y regrese a la tierra, reflejada nuevamente por la atmósfera. Aunque el efecto invernadero ha existido siempre, sus efectos han sido más evidentes en las últimas décadas.
Las principales emisiones de acuerdo al tipo de gas en nuestro planeta se presentan de la siguiente manera: 8,7% para el metano (CH4), 4,6% para los óxidos de nitrógeno (NOx), 2,1% para el dióxido de carbono (CO2), 83% para el dióxido de carbono (CO2) obtenido a partir de la producción de energía mediante el proceso de combustión, y 2,1% para otros gases. (FUENTE: EIA, 2003).

Todos estos gases son los responsables del efecto invernadero. Mientras que el dióxido de carbono (CO2) se obtiene a partir del proceso de combustión, el metano (CH4), cuyo efecto es 21 veces el efecto equivalente del dióxido de carbono (CO2), es consecuencia de la agricultura, específicamente por causa de los rumiantes. Además, debido a la tecnificación de la agricultura, la cantidad de metano (CH4) que se produce es mayor, pues este proceso trabaja con fertilizantes.
El dióxido de carbono y el metano se relacionan mediante la siguiente ecuación química:
CH421+2O2 CO21+2H2O
Por lo tanto, cuando se quema metano (CH4) éste pasa a ser dióxido de carbono (CO2). Así, se deja de emitir 20 ton de dióxido de carbono (CO2). En vertederos municipales se quema el metano indiscriminadamente.
El mercado del carbón se financia de acuerdo a las toneladas de dióxido de carbono (CO2) que dejó de emitir.
Los óxidos de nitrógeno, conocidos más bien como NOx, son consecuencia del uso de fertilizantes, de los diversos procesos que se desarrollan en la industria y del proceso de combustión, como por ejemplo la combustión del petróleo, en la que se generan cantidades considerables de dióxido de nitrógeno (NO2). Su efecto es 310 veces el efecto equivalente del dióxido de carbono (CO2).
Los HFC, que son compuestos utilizados en la refrigeración, presentan un efecto que va de 800 a 12000 veces más que el efecto equivalente de CO2. Los semiconductores utilizados en electrónica también contribuyen al efecto invernadero, pues emiten PFC, cuyo efecto es 6500 veces mayor al efecto equivalente del CO2.
Finalmente, también se han reportado emisiones de SF6, un buen aislante eléctrico, cuyo efecto es 23900 veces el efecto equivalente del CO2.
Si se relaciona la concentración de los gases del efecto invernadero en la época preindustrial con la actualidad, se obtendrá datos como los siguientes:
La concentración de dióxido de carbono (CO2) en la época preindustrial fue de 280 ppm. Hoy, esta concentración subió a 379 ppm.
La concentración de metano (CH4) en la época preindustrial fue de 715 ppb. Hoy, esta concentración está en alrededor de 1774 ppb.
La concentración de dióxido de nitrógeno en la época preindustrial fue de 270 ppb. Actualmente, está concentración presenta un valor de 319 ppb.

La regla del notario dice que si bien la cantidad de energía y el consto que implica producir una hoja de papel siempre será la misma, el costo monetario (mercado, oferta/demanda) no es igual al costo físico (agotamiento de recursos). El costo físico involucra, además del agotamiento de recursos no renovables, un impacto sobre la salud y el clima y la destrucción progresiva de sistemas bióticos naturales.
El problema radica en que no se considera un pago a la naturaleza. Como no se paga a la naturaleza su uso y su consumo, y como tomamos de ella lo que nos place y se lo devolvemos en forma de emisiones y de desechos, ésta reacciona de manera lógica, cumpliendo la ley de acción y de reacción, pues debe buscar su equilibrio. Los desastres naturales son consecuencia de que la naturaleza no entiende de dinero, sino de acción y reacción.
Y Ecuador no está libre de esta ley. De acuerdo a datos de INHAMI, nuestro país ha sido víctima del cambio climático, y prueba de esto es que la temperatura medida en Quito ha presentado una tendencia creciente en los últimos años. Además, se ha encontrado que los glaciares del Cotopaxi perdieron más del 30% de su área en los últimos 30 años.
Frente a este panorama es lógico preguntarse ¿qué hacer? Pues la solución está en reducir, reutilizar y reciclar. Se debe llegar a juna conciencia ecológica que, con la ayuda de leyes y reglamentos, permita encontrar alternativas energéticas con las que se puede alcanzar un desarrollo sostenible. El desarrollo sostenible consiste en satisfacer las necesidades actuales sin comprometer a generaciones futuras. Para esto, el primer paso es entender que la sociedad no se debe basar en un recurso renovable.

INTRODUCCIÓN
El delicado equilibrio climático parece amenazado por un incremento de gases en la atmósfera que provoca una retención de calor, la misma que podría significar un "calentamiento" cada vez mayor en toda la Tierra, con consecuencias que podrían afectar a todos los seres vivos. Como las masas de aire se mueven por todo el planeta, el fenómeno es global, y ha traído consigo efectos inesperados.
El calentamiento global es el tema por el cual muchas de las formas de energía alternativa surgen como una necesidad más que como una opción. Si bien puede tratárselo teóricamente, también se lo analiza en base a estudios y mediciones con las que se puede estimar las cantidades de gases que se van a generar, por ejemplo.
La temperatura del planeta tierra es perfecta para el desarrollo de la vida.La temperatura del planeta tierra es perfecta para el desarrollo de la vida.Conjuntamente con el problema del agujero en la capa de ozono, el calentamiento global es un fenómeno de connotación universal, y de hecho se lo considera actualmente como el principal problema a escala mundial. Es importante notar que el calentamiento global y el agujero en la capa de ozono constituyen problemas diferentes, aunque pueden estar muy relacionados entre sí.
La temperatura del planeta tierra es perfecta para el desarrollo de la vida.
La temperatura del planeta tierra es perfecta para el desarrollo de la vida.
En fin, el calentamiento global es un fenómeno universal que corresponde al incremento en la temperatura del planeta. La temperatura de la Tierra es perfecta, pues ninguno de los otros planetas tiene un clima con el que sea posible la vida.
Un efecto invernadero base, natural más bien, producido por la capa atmosférica, en la que se encuentran gases como el vapor de agua y el dióxido de carbono, es la causa por la cual la temperatura terrestre ha permitido la existencia de vida tal y como la conocemos. Sin este calentamiento global básico, la temperatura de la Tierra estaría en alrededor de los -22 . Asimismo, gracias al efecto invernadero la temperatura de la superficie del planeta es aproximadamente 14 .
El calentamiento global base ha equilibrado la temperatura, aunque se han presentado épocas de desequilibrios en el planeta, gracias a los cuales se han producido huracanes, inundaciones, grandes sequías, entre otros. Dichos desequilibrios son naturales, sólo que se ha visto que en las últimas épocas éstos son más frecuentes.
El factor que ha cambiado la temperatura es un incremento de los gases atmosféricos, debido en parte a la deforestación masiva de los últimos años, pues los árboles se encargan de absorben dióxido de carbono.
Al igual que en un invernadero, la radiación entra en la Tierra a través de la atmósfera. La atmósfera es una capa de gases que permiten el paso de radiaciones de pequeña longitud de onda, luz visible y ultravioleta precisamente, de modo que estas radiaciones, al chocar con el suelo y el agua, en parte son absorbidas, en parte son reflejadas y en parte son remitidas como radiaciones de mayor longitud de onda.
El efecto invernadero se debe netamente a la radiaciónEl efecto invernadero se debe netamente a la radiaciónSin embargo, lo que sucede en la atmósfera no es precisamente lo que sucede en un invernadero, pues en este último se tiene una especie de barrera física, de vidrio generalmente, por la cual se producen dentro del lugar fenómenos de convección y conducción debido al choque de las moléculas. En el caso de la Tierra, el efecto invernadero responde a un fenómeno de radiación básicamente, y no involucra a los otros mecanismos de transferencia de calor (conducción o convección).
El efecto invernadero se debe netamente a la radiación
El efecto invernadero se debe netamente a la radiación
RADIACIÓN RECIBIDA DEL SOL
Concentration des gaz atmosphériquesTemps
(milliards années)4321100%21%H2OCO2O2Concentration des gaz atmosphériquesTemps
(milliards années)4321100%21%H2OCO2O2
Concentration des gaz atmosphériques
Temps
(milliards années)
4
3
2
1
100%
21%
H2O
CO2
O2
Concentration des gaz atmosphériques
Temps
(milliards années)
4
3
2
1
100%
21%
H2O
CO2
O2
El planeta Tierra se ve afectado por la radiación que recibe del sol, radiación electromagnética de longitud de onda corta básicamente, que es la responsable de casi toda la energía que la superficie del planeta alcanza desde el exterior.
Albedo es una forma de energía que se refleja tanto en las nubes como en su entorno.Albedo es una forma de energía que se refleja tanto en las nubes como en su entorno.Parte de la energía que llega del sol es reflejada inmediatamente. Esta fracción de energía que es devuelta inmediatamente al especio se llama Albedo, y corresponde al 31% de la energía total.
Albedo es una forma de energía que se refleja tanto en las nubes como en su entorno.
Albedo es una forma de energía que se refleja tanto en las nubes como en su entorno.
Como se dijo anteriormente, la capa de gases de la atmósfera permite el paso de la radiación de longitud de onda pequeña, es decir poco energética, como la Visible o la Ultravioleta. Cuando esta radiación choca contra la superficie terrestre, se produce una reemisión de energía de mayor longitud de onda, y por tanto menos energética, que tranquilamente puede caer en la región infrarroja del espectro electromagnético.
Resumiendo, lo que sucede es lo siguiente: la radiación del sol llega y hay una reemisión de la energía que choca contra la tierra. Luego esta energía remitida choca contra las moléculas de los gases de efecto invernadero, de modo que parte es reflejada mientras que el resto es absorbido. Así, la zona influenciada por los gases se va calentando a medida que se lleva a cabo el efecto.
Gases de efecto invernaderoEnergía que llega del solInfrarrojos emitidos al espacioInfrarrojos reflejadosInfrarrojo absorbidoEl aire cercano se calientaGases de efecto invernaderoEnergía que llega del solInfrarrojos emitidos al espacioInfrarrojos reflejadosInfrarrojo absorbidoEl aire cercano se calienta
Gases de efecto invernadero
Energía que llega del sol
Infrarrojos emitidos al espacio
Infrarrojos reflejados
Infrarrojo absorbido
El aire cercano se calienta
Gases de efecto invernadero
Energía que llega del sol
Infrarrojos emitidos al espacio
Infrarrojos reflejados
Infrarrojo absorbido
El aire cercano se calienta
Debido al tipo de vibraciones que presentan, los gases del efecto invernadero absorben energía infrarroja.Debido al tipo de vibraciones que presentan, los gases del efecto invernadero absorben energía infrarroja.Estos gases tienen la particularidad de absorber energía en la región infrarroja de espectro electromagnético, debido a las diferentes formas de vibrar que tienen las moléculas. Se recordará que el tipo de vibración que presenta una molécula le confiere la particularidad de absorber en determinada región. Todo proceso vibratorio supone un calentamiento, ya que se recordará que la temperatura no es más que una medida de la energía cinética de las moléculas.
Debido al tipo de vibraciones que presentan, los gases del efecto invernadero absorben energía infrarroja.
Debido al tipo de vibraciones que presentan, los gases del efecto invernadero absorben energía infrarroja.
Entonces los gases de efecto invernadero absorben la energía infrarroja. Poco después de su absorción, esta energía se remite en todas las direcciones, de modo que muy posiblemente el suelo reabsorbe parte de esa energía, que calienta aire y suelo. Así, la temperatura promedio de la tierra es 15 .
De acuerdo a estimaciones que se han realizado, de la energía emitida por el sol:
50% alcanza la superficie
20% es absorbida por los gases
30% es reflejada al espacio por nubes, hielo, nieve, tierra, y otros elementos
Entonces se entiende que el calentamiento de la Tierra se ha incrementado en los últimos años debido a la introducción de más gases a la atmósfera, pues éstos incrementan la cantidad de radiación infrarroja, y por tanto de calor y de temperatura, desequilibrando el balance de radiación y produciendo lo que se conoce como calentamiento global.
Gases de Efecto Invernadero
En los últimos años el efecto invernadero se ha incrementado, debido a que cada uno de los gases de efecto invernadero ha incrementado su concentración en la atmósfera, de modo que en esta zona de la Tierra hay más radiación involucrada.
Los gases de efecto invernadero son:
Dióxido de carbono (CO2) 69,6%
Óxidos de nitrógeno (NOx) 7,1%
Metano (CH4) 22,9%
Vapor de agua (H2O)
Ozono (O3)
Gases fluorados: CFCs, hexafluoruro, entre otros
Dióxido de Carbono
La emisión se cualquier gas de efecto invernadero está referida al dióxido de carbono.La emisión se cualquier gas de efecto invernadero está referida al dióxido de carbono.Todo lo que refiere al efecto invernadero se expresa en términos del dióxido de carbono (CO2). De hecho, se calcula las emisiones de los otros gases de efecto invernadero en función de las emisiones de dióxido de carbono (CO2).
La emisión se cualquier gas de efecto invernadero está referida al dióxido de carbono.
La emisión se cualquier gas de efecto invernadero está referida al dióxido de carbono.
El CO2 no es un gas tóxico, y por eso no era del interés de los científicos en el pasado. Hoy, la meta principal es reducir las emisiones de este gas mediante el empleo de fuentes de energía alternativas.
Se genera en procesos de combustión completa de combustibles fósiles e hidrocarburos, como carbón, derivados del petróleo, entre otros. Proviene además de la respiración de los animales y humanos y es absorbido por las plantas en el proceso de fotosíntesis, de ahí que la deforestación contribuye a su incremento. En ausencia de luz, las plantas respiran y generan dióxido de carbono. También es absorbido por el océano, y emitido en los procesos anaerobios de descomposición de la materia orgánica.
Otras fuentes naturales de dióxido de carbono son los volcanes.
Se han producido cambios no predecibles en los procesos del ciclo del carbono.Se han producido cambios no predecibles en los procesos del ciclo del carbono.El dióxido de carbono forma parte del ciclo del carbono, que es un ciclo complejo pues el carbono está involucrado en todos los compuestos orgánicos. El carbono que pasa a la fase gaseosa es básicamente dióxido de carbono (CO2).
Se han producido cambios no predecibles en los procesos del ciclo del carbono.
Se han producido cambios no predecibles en los procesos del ciclo del carbono.
Dentro del ciclo del carbono está el proceso de formación de petróleo, un proceso muy lento por cierto. Y dado que se ha utilizado este petróleo en poco tiempo, no se le ha permitido a la naturaleza seguir con su ritmo normal, desbalanceando de esta manera el ciclo.
Las concentraciones de dióxido de carbono han aumentado de 280 ppm, en tiempos anteriores a la revolución industrial, a 380 ppm para el año 2005. Se habla de un incremento anual de 1,8 ppm. La concentración actual es más alta que la calculada hace 420 mil años.
Si se analizan los reportes de la concentración de dióxido de carbono (CO2) anuales, se percibe que desde el año 1000 todo transcurre normalmente, con pequeñas oscilaciones que suben y bajan, hasta que se llega al año 1900, donde la concentración se dispara. A partir de ese año, la tendencia ha sido creciente y, además de que no ha bajado nada, la pendiente tampoco parece disminuir.
Otro problema con el dióxido de carbono es que tiene tiempos de vida media bastante altos. De hecho, el tiempo de vida media de dióxido de carbono emitido a la atmósfera es una medida compleja dado que, en comparación con otros gases, no se descompone ni química ni fotoquímicamente, aunque si participa en otros procesos.
Anteriormente se mencionó que el dióxido de carbono es absorbido por la superficie del mar y en las plantas verdes. Sin embargo estos procesos sólo representan un almacenamiento temporal, de modo que en pocos años éste puede retornar a la atmósfera.
Si se lograra que el dióxido de carbono se deposite en las aguas profundas o precipite como carbonato (CaCO3), se lograría un descenso permanente de su concentración en la atmósfera. Sin embargo, estos procesos son bastante lentos y requieren de cientos de años.
Vapor de Agua
Contribuye al efecto invernadero, y también forma parte de un ciclo que asimismo se está alterando. A este ciclo se lo conoce como el ciclo del agua en la Tierra, y dentro de él el vapor de agua se condensa a grandes alturas y forma la lluvia. En el día las nubes están venteando la radiación solar y, de esta manera, contribuyendo al efecto invernadero.
El vapor de agua regula los cambios de temperatura en la Tierra. Lo que sucede es que todo lo que tiene que ver con el agua y los mares se relaciona con las corrientes de agua y las mareas, que su vez también influyen en la temperatura del planeta. Por eso no se ha definido aún si el calentamiento global va a acabar con nosotros debido a temperaturas extremadamente altas o a fríos terribles.
Además se debería considerar que, debido a la posición de la Tierra respecto al sol, ésta no gira exactamente de forma elíptica en torno al sol, sino más bien año tras año se va alejando un poco. Esto influye tremendamente en la temperatura del planeta.
En zonas de la Tierra como los grandes desiertos, cuya atmósfera tiene poca proporción de vapor de agua, las fluctuaciones de temperatura entre el día (absorción de radiación solar) y la noche (emisión hacia el cielo nocturno) son muy grandes. Además, como consecuencia de los aumentos de temperatura, existe mayor cantidad de agua en la atmósfera.
Metano
Se forma en los procesos anaerobios (sin presencia de oxígeno) de descomposición de la materia orgánica, como por ejemplo en el manejo de abonos, en los procesos de tratamiento de aguas, en la descomposición anaerobia de la basura en rellenos sanitarios, entre otros. A propósito de esto, es importante indicar que relleno sanitario no es lo mismo que botadero, ya que le primero es organizado y planificado.
El metano también se libera en los cultivos de arroz, ya que los cultivos de arroz se desarrollan en pantanos donde hay bacterias anaerobias, y surge como producto de los procesos de digestión de los rumiantes. Todo esto contribuye al incremento de la concentración de metano en la atmósfera.
Una cantidad importante de metano se encuentra atrapada en ciertas minas de carbón, de modo que cuando se las explota se va liberando a esta sustancia. Lo mismo sucede en el caso de bloques de hielo, que almacenan temporalmente metano que se libera cuando estos bloques se derriten.
El metano también es producido por fuentes naturales, como son los pantanos (76%), la acción de termitas (11%), emisiones de océanos (8%) e hidratos de metano (5%).
La disminución de la concentración de metano depende de reacciones con radicales en la atmósfera. Éstas son:
El metano puede formar estos compuestos por causa de procesos naturales en la atmósfera.El metano puede formar estos compuestos por causa de procesos naturales en la atmósfera.CH4+OH CH3 +H2O
El metano puede formar estos compuestos por causa de procesos naturales en la atmósfera.
El metano puede formar estos compuestos por causa de procesos naturales en la atmósfera.
CH4 CH2O CO2
CH4+O OH +CH3
De ahí que la concentración de metano dependa de las condiciones de la naturaleza.
Óxidos de Nitrógeno
El principal óxido de nitrógeno que contribuye al efecto invernadero en el óxido nitroso (N2O). Este gas se produce naturalmente por ciertos procesos que involucran a microorganismos tanto del suelo como del agua.
Las fuentes antropogénicas (debidas al ser humano) de este gas de efecto invernadero se relacionan con la agricultura, procesos de combustión y procesos de producción de ácido nítrico. De hecho, el tema de la agricultura afecta claramente al ciclo del N2O.
Parte del óxido nitroso (N2O) es transformado, y con ello "destruido", en la atmósfera por procesos de fotólisis, que involucran radiación electromagnética visible. Pese a eso, su concentración se ha incrementado en un 18% en los últimos 2000 años.
El dióxido de nitrógeno (NO2), por su parte, se produce en los procesos de combustión pues, contario a lo que se cree, el nitrógeno no es inerte y más bien a temperaturas de alrededor de 1000 forma compuestos oxidados. Las reacciones que se pueden desarrollar, si se trabaja a temperaturas altísimas, son las siguientes:
N2+O2 2NO
N2+12O2 N2O
12N2+O2 NO2
Y aunque los óxidos de nitrógeno no se generen en grandes cantidades, existen al fin y al cabo.
Así, en carros y en calderos se producen especies oxidadas de nitrógeno. De ahí que se debe tener mucho cuidado, pues para mejorar la combustión muchas veces se suele aumentar la temperatura o introducir una cantidad mayor de aire, y nitrógeno con él.
El dióxido de nitrógeno es un precursor del ácido nítrico e, igual que el dióxido de azufre, puede ser el causante de lluvia ácida. Pero un problema aún más grave con esta especie es que participa en la producción de ozono, otro gas de efecto invernadero, gracias a la participación de radiación ultravioleta de longitud de onda no tan pequeña, que tranquilamente puede ser suministrada por la energía que viene a la Tierra.
NO2hvNO +O
O +O2 O3
Como este fenómeno depende básicamente de la radiación, en verano las concentraciones de ozono se disparan, es decir, suben tremendamente, no sólo por el aumento de la radiación que llega hacia la Tierra, sino también porque ésta es la época preferida por los turistas para salir a pasear en sus autos, en los que se generan óxidos de nitrógeno.
Ozono
Gas de efecto invernadero es el ozono que está en la tropósfera. No se lo debe confundir con el ozono de la estratósfera, ya que éste es un gas amigable, además de que impide el ingreso de la radiación ultravioleta.
El ozono en la tropósfera se forma por reacciones fotoquímicas a partir de emisiones provenientes de los procesos de combustión, llevados a cabo en automóviles, calderos, plantas industriales, entre otros.
El ozono es una sustancia perjudicial para la salud humana ya que, además de ser tóxico, es un agente oxidante muy fuerte que afecta principalmente al sistema respiratorio.
Como se vio anteriormente, el ozono se forma en la atmósfera debido a fenómenos en los que intervienen los óxidos de nitrógeno, especialmente el dióxido de nitrógeno (NO2).
Algunos gases fluorados también son responsables de la destrucción de la capa de ozono.Algunos gases fluorados también son responsables de la destrucción de la capa de ozono.Gases Fluorados
Algunos gases fluorados también son responsables de la destrucción de la capa de ozono.
Algunos gases fluorados también son responsables de la destrucción de la capa de ozono.
Son compuestos orgánicos que poseen en su estructura átomos de flúor, como por ejemplo los CFCs y el hexafluoruro de azufre (SF6). Además de sus efectos en la capa de ozono, también contribuyen a la problemática del efecto invernadero, sobre todo los que tiene cloro y bromo en su estructura. De hecho, como se solía creer que el flúor no era responsable de la destrucción de la capa de ozono, se lo comenzó a utilizar indiscriminadamente sin considerar su gran efecto sobre el efecto invernadero.
Tiene la capacidad de producir un calentamiento global mucho mayor que el dióxido de carbono.
Potenciales de Calentamiento Global
Para determinar los potenciales de calentamiento global se emplean expresiones matemáticas como la siguiente:
Tg CO2 Eq=Gg de gas×GWP×Tg1,000 Gg
Donde GWP es el Global Warning Potential.
Para determinar la cantidad de cada uno de los gases de efecto invernadero que se están emanando a la atmósfera, todo se expresa en función del dióxido de carbono (CO2). Así, el potencial de calentamiento global muestra la capacidad del gas para producir el mismo efecto que el CO2.
A partir de esta ecuación se ha obtenido información importante. Por ejemplo, que el metano (CH4) tiene un efecto 21 veces mayor al del dióxido de carbono, o que el HFC – 23 es 11700 veces más eficiente que el CO2, es decir, que una molécula de HFC – 23 contribuye de igual manera al efecto invernadero que 11700 moléculas de CO2. Incluso moléculas pequeñas como el hexafluoruro de azufre (SF6) prestan una contribución alta al calentamiento global (23900 equivalentes de CO2).
Efectos del Calentamiento Global
Cambios climáticos muy rápidos.
Deshielo progresivo de los casquetes polares, con la subsecuente elevación del nivel de los océanos.
Disminución de los glaciares.
Alteración del ciclo hidrológico, debido a una mayor evaporación del agua. Se prevé un aumento de lluvias en las latitudes altas durante el invierno, e intensificación de las sequías de 5% a 50% para el 2050.
Podrían verse afectados los bosques tropicales y la diversidad ecológica, sobre todo en las mismas zonas polares.
Aumento de enfermedades tropicales, como consecuencia del aumento de temperatura en ciertas zonas del planeta que obliga a los insectos a migrar.
Contaminación de acuíferos, recesión de costas y tierras húmedas (podría inundarse alrededor del 15% de la tierra fértil de Egipto y 14% de Bangladesh).
Disminución del suministro de agua dulce.
Mayor frecuencia de desastres naturales, como huracanes, tornados y maremotos.
Olas de calor en algunos lugares del planeta.
Aumento de las zonas desérticas.
Cambios en los ecosistemas de corales.
No sólo está cambiando la temperatura del planeta, sino también la del mar.
¿Qué podemos hacer?
Lo primero es tomar conciencia de que esto es algo real. Las medidas e mitigación pueden ser grandes o pequeñas, pero cada uno tiene que sentirse responsable.
Es necesario buscar combustibles alternativos para disminuir la cantidad de CO2. El gas y el alcohol son algunas posibilidades. Se requiere pensar seriamente en el desarrollo de tecnologías que involucren el uso de estos combustibles.
El uso de energía nuclear es una alternativa válida, en vista de que es una de las formas más limpias de generar otras formas de energía.
Bajar el consumo de energía.
Utilizar automóviles que consuman menos combustible y dar un buen mantenimiento a los vehículos para que disminuya tal consumo.
Utilizar focos ahorradores.
Utilizar energías renovables donde sea posible.
Reciclar materiales.
Promover la siembra de árboles.
Ahorrar agua y luz eléctrica.
Utilizar medios de transporte masivos.
Planificar adecuadamente los sistemas de transporte en las ciudades.
Evitar el uso de energía en calefacción y aire acondicionado, en la medida que sea posible.
Desarrollar políticas gubernamentales para implementar nuevas formas de generación energética.
Diversificar la matriz energética
Aplicar leyes que sancionen el desperdicio de energía, agua y el daño al ambiente.
Tomar la decisión de disminuir ciertos estándares de comodidad.
Nuestra responsabilidad es poner en práctica todas estas acciones, AHORA, con la seguridad de que se van a lograr muchas mejoras.

La Tierra como un Cuerpo Negro
El flujo de entrada de energía solar es una constante (S), cuyo valor definido es 1368 Wm2. Se considera que el área de incidencia es πRE2, donde RE es el radio de la Tierra (6400 km). Por lo tanto, el flujo de energía es entrada es:
QEntra=SπRE2
La energía de salida se debe solamente a fenómenos de radiación. Por ello se utiliza la ecuación de Boltzmann en la determinación del flujo de energía de salida, dado por:
QSale=σε4πRE2T4
Donde σ es la constante de Boltzmann (5,67×10-8W/m2°K4), ε es el coeficiente de absortividad/emisividad, 4πRE2 es el área esférica de la Tierra (área de transferencia) y T es la temperatura absoluta de la Tierra.
Se puede aplicar un balance de energía en el planeta Tierra. Para esto, es posible considerar que la Tierra se comporta como un cuerpo negro (ε 1), y que la energía que llega del sol es exactamente igual a la que se emite.
Por tanto, haciendo un balance de energía entre la energía que llega al planeta y la que se emite, y considerando que en el equilibrio esos valores deben ser iguales, se tiene:
QEntra=QSale
SπRE2=σ14πRE2T4
S=4σT4
Sin embargo, sólo una parte de la Tierra recibe la energía del sol. Ésta es S/4, es decir 342 W/m2:
S4=σT4 342Wm2=σT4
Por otro lado, la reflexión que se produce por las nubes equivale al 31% del flujo de entrada de energía solar. Por tanto, el valor exacto de incidencia será del 69% para el planeta. Frente a esto, la ecuación a partir de la cual se puede calcular la temperatura media de la Tierra es:
69%S4=σT4
69100342Wm2=5,67×10-8Wm2°K4T4
T=254°K=-19
Pero, realmente la temperatura promedio del planeta es de:
T=287°K=14
Por lo tanto, no se puede considerar al planeta como un cuerpo negro para realizar el balance energético, pues existe una serie de "compartimentos" internos que intervienen en la absorción y en la transformación de la energía.
Como se vio antes los gases que absorben la radiación infrarroja, denominados gases de efecto invernadero, impiden que parte de esta radiación sea remitida al espacio.
Energía Solar
342 W/m2εaσTa41-εaσTS4σTS4Atmósfera (a)Energía solar que incide en atmósfera terrestre, considerando la reflexión.Superficie Terrestre SEnergía Solar
342 W/m2εaσTa41-εaσTS4σTS4Atmósfera (a)Energía solar que incide en atmósfera terrestre, considerando la reflexión.Superficie Terrestre S
Energía Solar
342 W/m2
εaσTa4
1-εaσTS4
σTS4
Atmósfera (a)
Energía solar que incide en atmósfera terrestre, considerando la reflexión.
Superficie Terrestre S
Energía Solar
342 W/m2
εaσTa4
1-εaσTS4
σTS4
Atmósfera (a)
Energía solar que incide en atmósfera terrestre, considerando la reflexión.
Superficie Terrestre S
Por lo tanto, los gases de efecto invernadero actúan como Capa Aislante, de modo que si no existieran estos gases, el planeta Tierra sería un lugar helado e inhóspito, con un clima que imposibilitaría la existencia de la vida humana.
El aislamiento evita la energía en forma de radiación, pues parte de la radiación infrarroja queda dentro de la atmósfera y produce un aumento de la temperatura de la Tierra.
Se puede establecer un nuevo balance de energía que considera la presencia de los gases de efecto invernadero. Considerando que la potencia irradiada al espacio es resultado de la energía que emite la atmósfera (εaσTa4) y la energía que emite la superficie terrestre hacia la atmósfera (1-εaσTS4), se tiene que:
Potencia irradiada al espacio=εaσTa4+1-εaσTS4Potencia irradiada al espacio=εaσTa4+σTS4-εaσTS4Potencia irradiada al espacio=σTS4-εaσTS4-Ta4
Donde TS es la temperatura de la superficie terrestre y Ta la temperatura de la atmósfera.
Una vez llegada a esta ecuación se obtiene algunas conclusiones importantes. Evidentemente la temperatura de la superficie terrestre siempre va a ser mayor a la temperatura de la atmósfera, pero el término TS4-Ta4 muestra que si Ta aumenta, necesariamente TS debe aumentar, a fin de mantener el equilibrio de la ecuación mediante la conservación del término. Así, la matemática está explicando el fenómeno físico que está ocurriendo.
Los países se comprometieron a reducir las emisiones totales del planeta en un 5% tomando como base el año de 1990.Los países se comprometieron a reducir las emisiones totales del planeta en un 5% tomando como base el año de 1990.El protocolo de Kioto
Los países se comprometieron a reducir las emisiones totales del planeta en un 5% tomando como base el año de 1990.
Los países se comprometieron a reducir las emisiones totales del planeta en un 5% tomando como base el año de 1990.
37 países firmaron el protocolo de Kioto, que entró en vigor el 16 de febrero de 2005, comprometiéndose a reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero, dióxido de carbono especialmente, en al menos un 5% en el período comprendido entre 1990 y 2012. Así, para el año 2050 se espera que las emisiones lleguen al 50%. Cada país tiene su propio porcentaje de reducción.
Estados Unidos nunca firmó este acuerdo, mientras que la Unión Europea está comprometida con la reducción de los gases de efecto invernadero, aunque cumplirlo sea muy difícil.
El objetivo del protocolo de Kioto es reducir la emisión de seis grandes responsables del calentamiento global:
Dióxido de carbono (CO2)
Metano (CH4)
Óxido nitroso (N2O)
Hidrofluorocarbonos
Perfluorocarbonos
Hexafluoruro de azufre (SF6)
A partir de esto se pretende reducir el cambio climático antropogénico, cuya base es el efecto invernadero. Así, se evitará el aumento en 2 de la temperatura de la Tierra, previsto para el año 2012.
XV Conferencia del Cambio Climático
Copenhague – 2009
Su objetivo fue negociar la continuación del protocolo de Kioto, para el cual se tuvieron pocos resultados debido a que no se llegó a ningún acuerdo. Además, se pretendió revisar alcances y objetivos, de dicho protocolo, ya que los países participantes se dieron cuenta de que cumplir lo estipulado era muy difícil.
En estos momentos no se sabe qué va a pasar en el 2012, pues no se sabe a ciencia cierta si los países se volverán a comprometer con el bienestar ambiental firmando nuevamente el protocolo de Kioto.
La causa por la cual cumplir con esa reducción es tan difícil es que establecer el uso de energías renovables en un país, y con ello reducir el uso de combustibles fósiles, implica una inversión bastante fuerte, mientras que los combustibles derivados de petróleo, además de ser baratos están a disposición y son relativamente fáciles de obtener.
China no quiso comprometerse en Copenhague ya que, al ser un país en vías de desarrollo, está emergiendo, en parte gracias al empleo de combustibles fósiles.

Actualmente se dispone de varias alternativas energéticas. Las más importantes son:
Energía eólica
Energía solar térmica
Energía solar fotovoltaica
Bioetanol
Biodiesel
Biomasa
Hidroelectricidad
Energía Geotérmica
Energía Mareomotriz

El objetivo de la materia en este tema es proporcionar conocimientos generales sobre la energía eólica y sobre el dimensionamiento básico de aerogeneradores, así como sus aplicaciones principales.
La energía eólica ha sido empleada desde hace siglos, aproximadamente desde el años 4500 a.C., en transporte marítimo. Claro ejemplo de ello son los veleros, que originan su movimiento a partir de la energía de eólica, aprovechando la fuerza del viento.
Luego se la comenzó a utilizar en el bombeo de agua, aprovechando la transferencia de momentum en el sistema. Después, aproximadamente por el año 660 a.C, apareció el conocido Molino Persa, que se utilizaba para la molienda de granos y así producir harina. En este caso, el viento se utilizaba para mover las aspas.
Para el siglo XI ya se tenían, en Europa, molinos grandes con los que se podía bombear grandes cantidades de agua o moler granos. De hecho, los molinos que Don Quijote de la Mancha solía confundir con gigantes corresponden a los molinos mencionados.
En Estados Unidos, aproximadamente a inicios del año 1800, se hicieron muy populares los molinos para el bombeo de agua.
En 1888, gracias al ingenio de Charles Brush, aparece el primer aerogenerador, con el que se logró crear 12kW de potencia. El funcionamiento de este equipo consistía en la formación de un campo eléctrico a partir de un campo magnético generado por el movimiento de imanes. Luego aparece el Rotor Sarbonius, que consiste de un eje vertical. Se lo puede construir a partir de latas metálicas, partiéndolas por la mitad. Posteriormente se crea el Rotor Darrieus, que también tiene un eje vertical pero presenta una disposición diferente en lo que se refiere a las palas.
Actualmente, se dispone de aerogeneradores que producen entre 750 kW y 7 MW de potencia, ésta última se logra generalmente con torres de hasta 90 m.
En Ecuador se tiene un proyecto de generación eléctrica, denominado "Proyecto eólico San Cristóbal", que dispone de tres aerogeneradores Madre de 800 kW cada uno, obteniéndose un total de 2,4 MW de energía eólica. Estos aerogeneradores tienen una altura aproximada de 51,5 m y 59 m de diámetro, lo que implica que las palas tienen un radio de 30 m más o menos. El costo de este proyecto osciló entre los 20 y 25 millones de dólares, lo que es irónico ya que se le calculó un precio de máximo 5 millones de dólares. La causa por la cual el proyecto empleó tanto capital es que en el país no se tenía nada, ni siquiera grúas y demás tecnología necesaria para el montaje.
Obviamente el Proyecto Eólico San Cristóbal no es rentable, principalmente debido al gigantesco costo que implica. Aunque tampoco hacía falta que lo sea, ya que fue pensado para que sirviera como demostración de que en un paraíso natural como las Islas Galápagos se puede generar energía eólica. Además, se debe considerar que si se tiene un parque eólico, el precio de la energía que se ofrece tendrá un precio especial, probablemente mayor al que se ofrece una hidroeléctrica, por ejemplo.
A propósito de esto, desde que existe la energía eólica se han desarrollado bastante las industrias del transporte y de la construcción, ésta última sobre todo en el campo del manejo de grúas. De hecho, existen grúas gigantescas que se dedican exclusivamente al montaje de planta eólicas.
Actualmente la producción de los parques eólicos no puede superar los 50 MW, debido a normativas europeas que no permiten que un proyecto genere una cantidad de energía mayor a la mencionada. Pese a eso, para el 2008 ya se tenía una potencia instalada de 94,124 GW (100 GW aproximadamente) de energía eólica en el mundo.

Figura 7. Potencia eólica Instalada por años
FUENTE: GWEC, WWEA y AEE
Como se observa en la figura que se muestra a continuación, Alemania, Estados Unidos y España muestran los valores más altos de potencia eólica instalada.

Figura 8. Potencia eólica instalada por países
FUENTE: EWEA, GWEC y AEE
La potencia instalada de Ecuador está alrededor de 5 GW. De esta cantidad, 2,5 GW se obtienen a partir de la energía hidroeléctrica, mientras que los 2,5 GW restantes son resultado del uso de productos derivados del petróleo y de energía importada. Específicamente, las fuentes de energía en el país están distribuidas de la siguiente manera:
Hidroeléctrica:
42%
Productos derivados del petróleo (búnker)/Plantas térmicas:
32%
Gas natural:
16%
Interconexión de la red (energía importada desde Perú y Colombia):
8%
Otras (fuentes renovables de energía como caña de azúcar, energía solar, energía eólica, entre otras):
2%
Es impresionante notar que apenas el 2% de la potencia instalada del país provenga de fuentes de energía renovables. A propósito de esto, en el Ingenio San Carlos se quema la caña de azúcar para obtener energía eléctrica que se comercializa a otras industrias.
En el año 2007 se produjeron 18200 GW, de los cuales el 50% se generó por la industria hidroeléctrica. Por lo tanto, se evidencia que en Ecuador se tiene una matriz energética que depende de la energía hidroeléctrica y lo que ello implica, ya que si baja la frecuencia de las lluvias, la cota de agua disminuye, provocando una disminución de la energía potencial y, consecuentemente, una disminución en la potencia.
Normalmente, alrededor del 45% de la energía eléctrica en Ecuador se produce por la quema de combustibles fósiles, combustibles que por cierto deben ser importados y que hacen que el negocio no sea rentable. Hoy, alrededor del 45% de la energía eléctrica se obtiene a partir de energía renovable (hidráulica básicamente), 5% corresponde a energía importada, y el 50% restante es producida a partir de energía no renovable. Se dispone de energía solar en el oriente, pero debido a su pequeña cantidad no resulta un negocio rentable.
Ecuador tiene algunos proyectos en marcha. Sin embargo, sus esfuerzos aún se centran en el desarrollo de la energía hidroeléctrica, pues su objetivo es que para el 2020 la hidroeléctrica genere un valor aproximado de 5 GW, que corresponde al 86% de la energía eléctrica total. Es decir, si esto se cumple, la generación eléctrica del Ecuador se distribuirá de la siguiente forma: 80% a partir de fuentes renovables, agua básicamente, y 20% a partir de fuentes no renovables.
Si bien ahora se satisfacen las necesidades energéticas del país, el consumo de energía crece de manera exponencial con el crecimiento de la población.
Aerogeneradores
Son sistemas que convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica. Básicamente están formados por un rotor, una góndola, una torre y una cimentación.
CimentaciónCimentaciónGóndolaGóndolaTorreTorreRotorRotor
Cimentación
Cimentación
Góndola
Góndola
Torre
Torre
Rotor
Rotor
La góndola es la carcasa donde se encuentran las máquinas y donde generalmente se tiene un sistema multiplicador. Constituye el alojamiento que contiene la transmisión y otros elementos. La torre, que alcanza alturas de hasta 160 m, permite que la góndola tenga una elevación determinada.
El rotor, por su parte, está constituido por las palas y el buje. Se presenta en dos variedades: de eje horizontal y de eje vertical.
El sistema de transmisión consiste básicamente del sistema multiplicador de engranajes, que se encarga de adaptar la velocidad lenta del rotor y llevarla hasta un valor alto, con una relación de 50 a 1, para ponerla en el generador.
Mediante el sistema multiplicador la velocidad del giro del generador alcanza valores de 1500 rpm y, aunque parezca que el rotor gira lento, la velocidad lineal (v=ωR) es bastante alta (siempre y cuando el radio de la pala sea alto). Así es como el generador transforma energía mecánica en energía eléctrica.
El buje es el sistema de unión entre las palas y la góndola. Es un sistema de conexión con engranajes.
Las palas, que en una aerogenerador cumplen con un perfil aerodinámico, normalmente son de fibra de carbono o de kevlar. Están acopladas a sistemas que les permiten girar hasta quedar perpendiculares al flujo de viento. Mientras mayor sea la perpendicularidad del aerogenerador al flujo del viento más alta es su eficiencia, pues se genera un mejor ángulo de ataque.
Hay camiones gigantescos para llevar palas. Como se mencionó anteriormente, el montaje de una planta eólica necesita de transporte, de modo que con el desarrollo de la industria eólica se desarrolla también la industria del transporte.
Para la cimentación, el procedimiento que se sigue es el siguiente:
1. Se hace un agujero en la tierra

2. Se hace un mallado

3. Se cubre el agujero mallado con hormigón

4. Se procede con el montaje

Existen varios tipos de aerogeneradores, como por ejemplo:
Aerogenerador de una pala
Aerogenerador de dos palas
Aerogenerador de tres palas (el más usado)
Aerogenerador multipala (molino de viento que estamos acostumbrados a ver)
Aerogenerador de orientación pasiva a contraviento con cola de veleta
Aerogenerador de orientación pasiva a contraviento con cola de ventilador
Aerogenerador de orientación relativa a contracorriente
Aerogenerador de orientación pasiva de espalda al viento a contracorriente
Una pala


Orientación pasiva a contraviento con cola de veleta


Dos palas


Orientación pasiva a contraviento con cola de ventilador


Tres palas


Orientación relativa a contracorriente


Multipala

Orientación pasiva de espalda al viento a contracorriente

En los aerogeneradores con orientación hay sistemas que detectan el viento, de modo que el aerogenerador gira hasta quedar perpendicularmente con el flujo de viento. La orientación es necesaria para que haya un buen rendimiento en el sistema.
Los aerogeneradores comerciales normalmente tienen tres palas pues, después de los estudios pertinentes, se ha demostrado que éstos presentan el mejor rendimiento.
Viento
El viento es el movimiento de las masas de aire que resulta de las diferentes capas de densidades que se producen debido a la variación de temperatura entre éstas, Así, se genera una gradiente de concentraciones que obliga a los solutos a migrar de un sistema a otro. Además de las diferentes densidades y el diferente calentamiento terrestre, el movimiento terrestre (rotación de la tierra) contribuye al movimiento de dichas masas.
Lo que se mide del viento es el recurso eólico, con anemómetros normalmente. También se emplean veletas, que muestran la dirección del viento, un dato que debe ser registrado constantemente. De hecho todos los datos deben estar registrados, ya que cuando se calcula la potencia que se puede obtener de una central eólica hay que saber cuál es la velocidad media de ese lugar, y para ello se debe conocer el historial del flujo del viento en ese sitio.
Luego viene un tratamiento estadístico de los datos, denominado rosa de los vientos, que permite determinar en qué dirección está el viento predominante. Con esta técnica se puede saber, analizando los 360° de transferencia de un lugar, en qué dirección está la mayor velocidad.
Para llevar a cabo estos análisis se dispone de programas, el WASP por ejemplo.
Si se divide el número de horas que el viento sopla en una dirección y a una velocidad determinada para el número de horas del año se tiene la probabilidad de que la velocidad del viento sea la mencionada. Así, se construyen curvas, conocidas como Distribución Weilbull, en las que se indica la probabilidad que hay para que el viento presente cierta velocidad en el año.

Figura 9. Distribución Weilbull
FUENTE: Salgado Francisco, 2010
Luego viene un tratamiento estadístico, en el que normalmente el factor de forma es igual a 2. Si el factor de forma toma el valor de 2, la distribución de Weilbull se reduce a la distribución de un solo parámetro de Rayleigh.

Figura 10. Distribución Rayleigh
FUENTE: Salgado Francisco, 2010
El potencial eólico de un sitio corresponde a un flujo másico que indica la masa de aire que pasa por unidad de tiempo.
m=ρAv kgs
Velocidad media del vientoVelocidad media del vientoÁrea del aerogeneradorÁrea del aerogenerador
Velocidad media del viento
Velocidad media del viento
Área del aerogenerador
Área del aerogenerador
Matemáticamente la potencia corresponde a la energía cinética por unidad de tiempo.
P=ECt
P=12mv2t
P=12mtv2
P=12mv2
P=12ρAvv2
P=12ρAv3 W
Por lo tanto, la potencia es función de la densidad. De ahí que mientras más denso es el aire de la región donde se va a instalar la central eólica, mayor es la potencia generada. De ahí que conviene más un aire frío que un aire caliente.
Por otro lado, también la ecuación planteada indica que mientras mayor es la velocidad del viento en un sitio, mayor es el valor de la potencia generada.
Nótese la presencia del área del aerogenerador en la ecuación de la potencia. De hecho, éste es el motivo por el cual estas ecuaciones permiten dimensionar el equipo.
A=πD24
Diámetro de la palaDiámetro de la palaEs evidente que mientras mayor es el tamaño del aerogenerador, mayor es la potencia que puede entregar.
Diámetro de la pala
Diámetro de la pala
Potencia disponiblePotencia disponibleLa potencia disponible (Pd) por unidad de área viene dada por la siguiente ecuación:
Potencia disponible
Potencia disponible
PdA=12ρv3 Wm2
Esta información puede ser determinada para un sitio específico sin la necesidad de conocer con qué tipo de aerogenerador se está trabajando o alguna de sus características dimensionales. Generalmente se habla de potencia por unidad de área cuando recién se hacen los estudios para instalar el aerogenerador.
Se puede determinar el valor de la potencia aprovechable a partir de la siguiente ecuación:
Potencia aprovechablePotencia aprovechablePa=PdCP
Potencia aprovechable
Potencia aprovechable
Luego de haberse realizado las pruebas de laboratorio pertinentes, se ha logrado determinar que máxima el 59% de la energía cinética se transforman en energía mecánica. Por lo tanto:
Potencia aprovechable máximoPotencia aprovechable máximoLa máxima energía que se puede aprovechar del viento es el 59%La máxima energía que se puede aprovechar del viento es el 59%CPmax=0,59
Potencia aprovechable máximo
Potencia aprovechable máximo
La máxima energía que se puede aprovechar del viento es el 59%
La máxima energía que se puede aprovechar del viento es el 59%
Pamax=0,59Pd
Por otro lado, la variación de la velocidad del viento está en función de la altura, y se relacionan mediante la siguiente expresión:
v'v=z'zα
Donde α es una constante que depende del terreno. Su valor oscila entre 0,1 y 0,3, aunque normalmente se trabaja con 0,2.
Si se grafica la potencia teórica en función de la velocidad del viento, se obtiene la Curva de Potencia del Aerogenerador. Éste permite tener una idea de cuánto potencia se va a generar en un lugar con una velocidad media determinada.

Figura 11. Curva de potencia del aerogenerador
FUENTE: Salgado Francisco, 2010

Figura 12. Curva de potencia
FUENTE: Salgado Francisco, 2010
Ejercicios
A partir de los datos del viento de un sitio específico, presentados en la tabla que se muestra a continuación, determinar lo siguiente:
vms
Número de días
2
55
4
86
6
85
8
66
10
41
12
21
14
8
16
3
Construir el histograma de la velocidad del viento en función del número de días.

Construir un histograma de la potencia disponible por unidad de área en función del número de días.
P=12ρAv3 W PA=12ρv3 Wm2
Generalmente se trabaja con una densidad promedio del aire de 1,25kgm3.
PA=121,25kgm3v3 Wm2
Como ejemplo de cálculo, se tomará el primer valor de la tabla.
PA=121,25kgm32ms3
PA=5kgm3m3s3×1 N1kg ms2×1 J1 N m×1 W1Js
PA=5Wm2
vms
Número de días
PAWm2
2
55
5
4
86
40
6
85
135
8
66
320
10
41
625
12
21
1080
14
8
1715
16
3
2560

Calcular la velocidad media del lugar.
v=viNi365
v=2ms55365+4ms86365+6ms85365+8ms66365+10ms41365+12ms21365+14ms8365+16ms3365
v=6,34ms
El promedio en el año es de 6,34 m/s, lo que demuestra que siempre se debe trabajar con los datos históricos, pues si bien hubo días con una velocidad impresionante de 16 m/s, otros días la velocidad del viento no pasó de los 2 m/s.
Calcular la potencia media por unidad de área del lugar.
PA=PAiNi365
PA=5Wm255365+40Wm286365+135Wm285365+320Wm266365+625Wm241365+1080Wm221365+1715Wm28365+2560Wm23365
PA=290,45Wm2
Realizar un histograma de la cantidad de energía por unidad de área que se genera en función del número de días.
E=P t EA=PA t
EA=5Wm2×1 kW1000 W 24 h1 día×55 días1 año
EA=6,6kWhm2año
vms
Número de días
PAWm2
EAkWhm2año
2
55
5
6,6
4
86
40
82,56
6
85
135
275,4
8
66
320
506,88
10
41
625
615
12
21
1080
544,32
14
8
1715
329,28
16
3
2560
184,32

Calcular la energía por unidad de área total generada en el año.
ETA=EiA
ETA=6,6 kWhm2año+82,56 kWhm2año+275,4 kWhm2año+506,88 kWhm2año+615 kWhm2año+544,32 kWhm2año+329,28 kWhm2año+184,32 kWhm2año
ETA=2544,36 kWhm2año
Calcular la potencia media por unidad de área del lugar a partir de la energía por unidad de área total generada en el año.
EA=PA t ETA=PA t
PA=ETAt
PA=2544,36 kWhm2año×1 año365 días×1 día24 h×1000 W1 kW
PA=290,45 Wm2
Así, se puede obtener la potencia media de un lugar ya sea con el ponderado de las potencias o con el sumatorio de la energía.
Calcular la potencia máxima aprovechable de ese lugar.
Pamax=0,59Pd
PamaxA=0,59PA
PamaxA=0,59290,45 Wm2
PamaxA=171,37 Wm2
Suponiendo que en ese lugar se desea instalar un aerogenerador de 40 m de alto, estimar cuál será la velocidad del viento a esta altura para cada número de días correspondiente.
Los datos de velocidad media, con el número de días que le corresponden, se suelen tomar en torres de medición, que normalmente están a 10 m de altura.
Para corregir el valor de la velocidad del viento respecto a la altura, se debe aplicar la siguiente ecuación:
v'v=z'zα
El valor de α normalmente es 0,2, así que se trabajará con ese valor.
v'v=z'z0,2
v'v=40 m10 m0,2
v'=v40100,2
v'=1,3195v
vms
Número de días
v'ms
2
55
2,64
4
86
5,28
6
85
7,92
8
66
10,56
10
41
13,20
12
21
15,83
14
8
18,47
16
3
21,11
Construir el histograma de la velocidad del viento a 40 m de altura en función del número de días.

Construir un histograma de la potencia disponible a 40 m por unidad de área en función del número de días.
Aunque la densidad del aire es diferente a esa altura respecto a la altura de 10 m, se continuará trabajando con la densidad promedio de 1,25kgm3.
P'A=121,25kgm3v'3 Wm2
vms
Número de días
v'ms
P'AWm2
2
55
2,64
11,49
4
86
5,28
91,90
6
85
7,92
310,15
8
66
10,56
735,17
10
41
13,20
1435,87
12
21
15,83
2481,19
14
8
18,47
3940,04
16
3
21,11
5881,34

Calcular la velocidad media del lugar a 40 m de altura.
v'=vi'Ni365
v'=2,64ms55365+5,28ms86365+7,92ms85365+10,56ms66365+13,20ms41365+15,83ms21365+18,47ms8365+21,11ms3365
v'=8,37ms
Calcular la potencia media a 40 m por unidad de área del lugar.
P'A=P'AiNi365
P'A=11,49Wm255365+91,90Wm286365+310,15Wm285365+735,17Wm266365+1435,87Wm241365+2481,19Wm221365+3940,04Wm28365+5881,34Wm23365
P'A=667,28Wm2
Realizar un histograma de la cantidad de energía por unidad de área que se genera a 40 m en función del número de días.
E'=P' t E'A=P'A t
E'A=11,49Wm2×1 kW1000 W 24 h1 día×55 días1 año E'A=15,16kWhm2año
vms
Número de días
v'ms
P'AWm2
E'AkWhm2año
2
55
2,64
11,49
15,16
4
86
5,28
91,90
189,67
6
85
7,92
310,15
632,70
8
66
10,56
735,17
1164,50
10
41
13,20
1435,87
1412,90
12
21
15,83
2481,19
1250,52
14
8
18,47
3940,04
756,49
16
3
21,11
5881,34
423,46

Calcular la energía por unidad de área total generada en el año por el aerogenerador a 40 m.
ET'A=Ei'A
ET'A=15,16 kWhm2año+189,67 kWhm2año+632,70 kWhm2año+1164,5 kWhm2año+1412,95 kWhm2año+1250,52 kWhm2año+756,49 kWhm2año+423,46 kWhm2año
ET'A=5845,40 kWhm2año
Calcular la potencia media por unidad de área del lugar a partir de la energía por unidad de área total generada en el año por el aerogenerador a 40 m.
E'A=P'A t ET'A=P'A t
P'A=ET'At
P'A=5845,40 kWhm2año×1 año365 días×1 día24 h×1000 W1 kW
P'A=667,28 Wm2
Demostrándose nuevamente que se puede obtener la potencia media de un lugar ya sea con el ponderado de las potencias o con el sumatorio de la energía.
Calcular la potencia máxima aprovechable de ese lugar para un aerogenerador de 40 m de altura.
Pamax'=0,59Pd'
Pamax'A=0,59P'A
Pamax'A=0,59667,28 Wm2
Pamax'A=393,70 Wm2
Así, midiendo la velocidad del viento de un lugar todos los días se pueden obtener datos suficientes con los que se puede determinar una potencia disponible más real. Estos datos permiten además construir la que se conoce como Distribución de Weilbull, que sigue la siguiente ecuación:
Pv=kCvCk-1e-vCk
Donde Pv es la probabilidad de que la velocidad del viento sea v, C es el factor de escala y k es el factor de forma.

Figura 13. Distribución de Weilbull
FUENTE: Salgado Francisco, 2010
Como la velocidad media es un promedio, integrando el área bajo la curva que se forma se puede obtener su valor. Sin embargo, la potencia disponible no se puede calcular a partir de este valor, sino con una velocidad denominada velocidad eficaz, que es la velocidad de viento que se debe tener permanentemente para que el aerogenerador entregue esa potencia.
Número total de horas al año
(8760 h)Número total de horas al año
(8760 h)Número de horas al año que el viento presenta esa velocidadNúmero de horas al año que el viento presenta esa velocidadPara el análisis estadístico de los datos estadísticos se trabaja con la frecuencia normalizada (fi), que es igual a la probabilidad.
Número total de horas al año
(8760 h)
Número total de horas al año
(8760 h)
Número de horas al año que el viento presenta esa velocidad
Número de horas al año que el viento presenta esa velocidad
fi=niN

Función Gamma
En Excel, se puede calcular: GAMMA LN(), es decir el logaritmo natural de la función GAMMA. Pero eso no es lo que interesa, por lo que lo que se deberá introducir en la celda es: EXP(GAMMA LN())Función Gamma
En Excel, se puede calcular: GAMMA LN(), es decir el logaritmo natural de la función GAMMA. Pero eso no es lo que interesa, por lo que lo que se deberá introducir en la celda es: EXP(GAMMA LN())k y C, que permiten estimar la potencia disponible, son valores que se pueden determinar. Si el factor de forma es igual a 2, la curva recibe el nombre de distribución de Rayleigh, para la cual:
Función Gamma
En Excel, se puede calcular: GAMMA LN(), es decir el logaritmo natural de la función GAMMA. Pero eso no es lo que interesa, por lo que lo que se deberá introducir en la celda es: EXP(GAMMA LN())
Función Gamma
En Excel, se puede calcular: GAMMA LN(), es decir el logaritmo natural de la función GAMMA. Pero eso no es lo que interesa, por lo que lo que se deberá introducir en la celda es: EXP(GAMMA LN())
Velocidad media del vientoVelocidad media del vientova=C Γ
Velocidad media del viento
Velocidad media del viento

Entonces, una vez que se han entendido estos conceptos, se procede con un ejemplo de tratamiento estadístico de los datos de velocidad del viento en un lugar determinado.
Los primero que se hace es dividir los resultados obtenidos en clases, a fin de organizar mejor la información. Así, los datos para el ejemplo son:
Intervalos de clase (m/s)
Números de horas al año (h)
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