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Energía Solar

Se ha sugerido que la economía podría ser operada con luz solar. A pesar de que la cantidad de joules de luz solar, que llega diariamente al país, es bastante grande, la energía solar es muy diluida (baja calidad).

    Procesos naturales en la biosfera concentran energía solar en energías de alta calidad a costes considerables. Por ejemplo, para obtener combustible como la madera, la luz solar debe ser capturada por las hojas, transformada muchas veces, convertida y acumulada en la planta como madera (celulosa). La eficiencia de la conversión es la cantidad actual de energía resultante de la transformación de un tipo a otro. La eficiencia de conversión de luz solar en madera es de aproximadamente 0.1%. Esta eficiencia puede ser la más alta, que somos capaces de obtener, para convertir energía solar en materia orgánica sin usar bienes y servicios basados en otras fuentes de energía.

    Como muestra la Tabla 27.1, se requieren aproximadamente 40000 joules de energía solar para producir 1 joule de carbón vegetal. Esta es otra manera de decir que, toma aproximadamente 40000 joules de luz solar el hacer el mismo trabajo que un joule de carbón vegetal. El carbón vegetal es más concentrado que la energía solar y puede realizar mucho más trabajo. La economía es mantenida por energías similares en concentración al carbón vegetal, como el gas y el petróleo. En suma, la economía utiliza mucha energía en forma de electricidad, que es más concentrada que el carbón vegetal.

Tabla 27.1 Transformidades Solares

* Incluye la eMergía solar indirecta de la lluvia

    El carbón vegetal es una energía solar concentrada; sus costes de concentración se pagaron a lo largo del tiempo, es así que los únicos costes actuales asociados con su uso son extracción y transporte. Por tanto, la proporción neta de eMergía es alta. Por otro lado, para que la luz solar sustente la economía debe ser concentrada y mucha de su energía es usada en el proceso. Los valores netos de eMergía son bajos.

    La energía solar ayuda a la economía de muchos países y les es esencial para mantener producción vegetal, calentadores y ventiladores, evaporadores de agua y dirigir el ciclo hidrológico. Pero la capacidad de operar directamente la economía con tecnología solar es muy limitada.

Calentadores de agua con energía solar

    La energía solar es ampliamente utilizada en climas soleados para calentar paneles con tubos, en los cuales el agua se calienta porque su superficie negra absorbe energía solar. Esta agua caliente se almacena en tanques y es usada directamente como agua caliente o bombeada para ayudar en el calentamiento de la casa. Estos calentadores solares de agua son caros porque son hechos de costosos vidrios, plásticos y metales.

    Los calentadores solares de agua no son fuentes de energía, son dispositivos consumidores; todos ellos utilizan más energía de la que producen. Sin embargo, los calentadores solares usan menos energía que calentadores eléctricos o a gas, siendo una alternativa para economizar energía. La Figura 27.2 compara dos calentadores de agua (Miami Florida), uno solar y otro a gas. Ambos sistemas usan indirectamente combustibles fósiles para abastecer y mantener el equipamento. El calentador solar requiere más inversión inicial en equipamento pero no usa combustible directamente. El calentador a gas requiere menos equipamento pero necesita una compra continua de combustible.

Figura 27.2 Comparación entre calentadores solares de agua (a) 
y calentadores de agua a combustible fósil - gas (b). (Zucchetto y Brown, 1977)

    El uso de fuentes como calentadores solares de agua que no rinden eMergía neta pero proporcionan energía y ayudan a economizar otros tipos de energía más valiosos, se dice que son medidas de conservación de energía. Si se pretende economizar energía, dependerá de tener en manos el capital para pagar el alto coste de equipamento, y se economizará más dinero que con cualquier otra inversión de su capital.

Células solares voltaicas (células fotovoltaicas).

    Las células fotovoltaicas generan electricidad a partir de luz solar. Los cloroplastos verdes en plantas son células fotovoltaicas que inician el proceso de fotosíntesis generando inicialmente electricidad en el sistema bioquímico. Gran parte del medio ambiente del mundo está cubierto por células fotovoltaicas verdes.

    Se están realizando varias investigaciones para aprovechar el proceso fotovoltaico usando células metálicas de silicona, que tienen casi la misma eficiencia y salida de poder que las células de vegetales verdes. Cuando consideramos toda la eMergía solar indirecta en bienes y servicios la producción es pequeña, comparada con cualquier eMergía neta de versiones hardware.

Energía solar a través de biomasa.

    La biomasa es una cantidad de materia orgánica viva o muerta. Las sociedades humanas han utilizado siempre varios tipos de biomasa para alimentación, combustible, vestuario y casa. La utilización de energía solar para crecimiento forestal y productos agrícolas (alimentos, maíz, heno, etc.) es la principal vía de entrada de la energía solar en la economía. Usar estos productos para generar combustibles líquidos, gas o electricidad es viable, pero como requiere mucha concentración, son necesarias grandes extensiones de tierra.

    La eMergía neta de producción de biomasa, depende de la intensidad con que es administrada. La eMergía neta diminuye cuando aumenta la intensidad de manipulación. Subproductos madereros, residuos de la agricultura e inclusive maíz y caña de azúcar son consideradas "cosechas energéticas". Residuos madereros y agrícolas, como los tallos del maíz, pueden ser quemados para generar electricidad. Maíz, caña de azúcar y cualquier otro material orgánico pueden ser procesados para producir metanol y etanol, utilizados como combustible de automóviles. Despues de añadir los requerimientos extra de bienes, servicios, equipamento, combustible y electricidad para este proceso, la relación de eMergía neta es menor que 1; esto significa que pueden producirse combustibles a partir de la producción agrícola y forestal, pero el proceso tendrá que ser subsidiado por el resto de la economía.

    Actualmente se puede obtener más combustible por unidad de energía, a partir de carbón vegetal, gas natural y petróleo. En el futuro, cuando estas fuentes se agoten, los combustibles de productos orgánicos quizás sean la única solución. Sin embargo, existirá una fuerte demanda competitiva por la misma tierra para producir alimentos, vestuario, residencias y combustible doméstico.

Turba (hulla).

    Reservas substanciales de turba se encuentran en muchas áreas del mundo. La turba es la descomposición parcial de materia vegetal en pantanos y fango. Su energía es de concentración intermedia entre las plantas verdes y la madera. Para rendir eMergía neta, debe secarse naturalmente con vientos áridos y energía solar. Algo de la energía obtenida debe retornar al medio para restaurar la tierra antes de minar la turba. Además, muchos depósitos son tierras encharcadas que actualmente proporcionan productos especiales y servicios de otras formas 

Hidroelectricidad

    En las áreas montañosas y con fuertes aguaceros, la relación de eMergía neta para la energía hidroeléctrica puede ser de 10 a 1. Una parte de esta energía proviene del trabajo geológico para producir el dique para que pueda ser represado, pero esto no es considerado en el cálculo del valor neto de la eMergía. El rendimiento es bajo si consideramos la eMergía solar del trabajo del río antes de ser desviado por el dique.

Viento.

    El viento es otra fuente de energía renovable que ha sido utilizada para varios propósitos en algunas partes del mundo. Con un viento fuerte y constante, los molinos de viento pueden moler granos, bombear agua y generar electricidad. En áreas con vientos menores a 15 km./hora (7 mph), existe un bajo rendimiento neto de eMergía. Se pueden utilizar pequeños molinos para bombear agua (para ser almacenada) o para irrigación de algunas áreas. Los molinos simples pueden rendir eMergía neta si se construyen a partir de materiales de baja energía. Los barcos veleros rinden eMergía neta si se utilizan enormes áreas de vela y materiales de baja eMergía.

Poder geotérmico y conversión termoeléctrica de océanos (OTEC)

    Donde quiera que exista una diferencia de temperatura, habrá una fuente de energía que puede ser convertida en trabajo o electricidad. Por ejemplo, trenes a vapor convierten diferencias de temperaturas en potencia para locomoción.

    El porcentaje de flujo de calor que puede convertirse en trabajo mecánico, es el porcentaje obtenido de la diferencia de temperaturas en relación a la temperatura de la fuente caliente. Para este propósito, las temperatura deben ser dadas en grados Kelvin.

    En la escala de temperatura Kelvin se tiene el valor cero cuando no existe calor alguno, y el valor 373° en el punto de ebullición del agua. La temperatura Kelvin es la temperatura Celsius más 273° .

    Por ejemplo, si la fuente caliente está a 127°C y el ambiente frío está a 27° C, es decir: 400 K y 300 K respectivamente. La diferencia es 100 K. El porcentaje de la diferencia en relación a la fuente caliente es (100/400)x100=25%. Esta es la energía mecánica disponible (1/4 del flujo de calor). Como estos sistemas son usualmente operados en una velocidad que maximiza la energía, se tiende a ajustar cerca de la mitad de la eficiencia teórica calculada (12,5 % en este caso). Este procedimiento para calcular el trabajo, que puede obtenerse de fuentes calientes aplicadas a la mayoría de los procesos industriales que convierten combustibles en trabajo.

    Las pequeñas diferencias naturales de temperaturas son utilizadas en varios procesos del globo terrestre, como producción de viento por diferencia de temperaturas entre la tierra y la atmósfera. Captar el calor de la tierra (o energía geotérmica) para procesos industriales humanos ha sido un éxito económico solamente en las zonas vecinas a volcanes (en California, Nueva Zelanda e Islandia) donde las temperaturas son altas cerca a la superficie.

    Una propuesta de fuente energética (llamada OTEC, Conversión Termoeléctrica de Océanos) es el gradiente entre la superficie tibia del agua (27° C) de la corriente del Golfo a lo largo de la costa este, y el fondo frío de agua a mil metros de profundidad (2° C). Debido al coste de anclaje y mantenimiento de embarcaciones, y canales causados por el paso de tempestades, este proyecto puede no rendir eMergía neta.

Olas y Mareas

    La energía de las olas que llegan a la tierra a lo largo de la costa de todo el mundo, es grande en cantidad total y hace mucho trabajo diario: formando olas en las playas y haciendo sedimentación de las rocas. Sin embargo, es de difícil uso para operaciones industriales por causa de su extensión a lo largo de la costa. Además, es variable, con enorme energía en un día y casi nada en el próximo.

    El ascenso y el descenso del nivel de agua debido a las mareas, ha sido utilizado para producir electricidad con eMergía neta en varias partes del mundo, donde las mareas son de 6 metros (20 pies) o más; existe un pequeño número de áreas con grandes mareas.

Mezcla de agua dulce y agua oceánica

    Existe una gran energía química potencial en el sistema alternado de agua de mar (salada) y agua dulce, cuando  ambas están presentes. El agua dulce  realiza trabajo geológico y biológico en las corrientes de agua del estuario. Los proyectos de utilización de esta energía (agua dulce) para otros fines pueden disminuir su participación en el mantenimiento de los sistemas de soporte vital de los estuarios fértiles.

Energía Nuclear

    Las plantas de energía nuclear, convierten combustibles de fisión nuclear (uranio enriquecido) en calor concentrado y después en electricidad. La relación de eMergía neta de estas plantas nucleares es aproximadamente 2,7 para 1, que es casi el mismo que el valor líquido de energía usado para producir electricidad a partir de carbón vegetal (Figura 27.3b). No obstante, la relación de eMergía neta de fisión nuclear no cubre la larga lista de costes para almacenamiento de residuos, de contaminación y accidentes (Figura 27.3a). Cuando esto se incluye, el rendimiento neto es menor que el obtenido a partir de biomasa.

    Así como que existe un límite para la cantidad de electricidad necesaria para la economía, existe un límite para la demanda de plantas de energía nuclear, aún cuando no se consideran los riesgos y peligros.

    Muchos proyectistas asumen el aumento de la energía disponible. Ellos esperan que la fusión nuclear y los reactores breeder abastezcan energía en abundancia. Sin embargo, la fusión tiene una temperatura de 50 millones de grados y puede requerir mucha energía para control y enfriamiento (Vea su posición en la Figura 27.1).

Figura 27.3 - Comparación de electricidad a partir del sistema de poder nuclear (arriba) 
con electricidad a partir del sistema de poder de carbón vegetal (abajo). 
Los números están en unidades de eMergía.

    En los reactores breeder, el procesamiento de uranio produce plutonio como subproducto. Como el plutonio es un combustible nuclear, su producción promueve el consumo de uranio original, pero es extremadamente peligroso: es tóxico y causador de cáncer en los huesos. El plutonio es fácilmente transformado en bombas atómicas, y puede haber una proliferación de usuarios potenciales, por ejemplo, grupos guerrilleros, países en guerra, etc. El gran coste del proceso  de desechos radiactivos del reactor breeder, así como la seguridad en la utilización de plutonio, hacen que el rendimiento de eMergía neta del reactor breeder sea cuestionable. La política pública en Francia está desarrollando un sistema breeder, se tendrá que esperar los resultados prácticos y los costes para determinar el valor líquido de eMergía, y saber si es competitivo. Los Estados Unidos detuvieron su programa breeder y después lo reasumieron. No obstante, pocos ven elbreeder como una importante fuente de energía en un futuro próximo.

Importancia de nuevas fuentes de energía.

    Como parte de la economía mundial, cualquier país puede prosperar cuando se descubren fuentes de energía en otros países. El hallazgo de nuevos campos de petróleo o vetas de carbón vegetal, tienen el efecto de disminuir los precios e incrementar la relación de eMergía neta de la energía extranjera importada. Sin embargo, el carbón vegetal no puede tener valores netos de eMergía próximos a 1 cuando es transportado a grandes distancias.

    Algunas propuestas de fuentes energéticas, discutidas con grandes esperanzas y subsidiadas por el gobierno, parecen no rendir eMergía neta. Una de estas, el petróleo de pizarra, fue pensado para tener el potencial de rendir grandes cantidades de petróleo. El petróleo está contenido en las rocas pizarra, y se intentaron muchas técnicas de extracción de este petróleo, pero todas utilizaron mas energía en el proceso de la que rindieron.

Conversión de un combustible en otro.

    Cuando un tipo de combustible, como la gasolina, es suministro reducido, puede ser producido a partir de otro, como carbón vegetal; pero cerca de la mitad de la energía se utiliza en el proceso de conversión. Si es posible, es menos caro y definitivamente más económico usar carbón vegetal en otra parte del sistema económico y comprar la gasolina.

    Se sostienen muchas discusiones sobre la economía del hidrógeno. Este es otro ejemplo de conversión de un tipo de energía en otro con una gran pérdida de energía. La electricidad a partir de plantas de energía nuclear pueden convertirse en gas hidrógeno, el cual es versátil y puede ser utilizado directamente para transporte. El hidrógeno, como gas natural, se transporta fácilmente pero es extremadamente explosivo. Como se utiliza mucha eMergía en su formación, es una fuente de alta calidad. La época de pequeña expansión económica, puede no demandar un gas de muy alta calidad que el gas natural no pueda abastecer