lunes, marzo 04, 2013

Por qué decir SI a la Energía Nuclear (Parte 0): "Energía Renovable"

    Hace unos meses me dispuse a hablar de la energía nuclear, ya que muchas personas tienen una opinión, pero no todos parecen estar bien informados del tema, hay un sector que dice que es energía barata y libre de emisiones de carbono, y otros dicen que es demasiado peligrosa para ser utilizada por el hombre; habrá notado, por el título de esta publicación, que mi conclusión sobre el uso de la energía nuclear es una clara luz verde, pero quiero mostrar los números que me llevaron a tal conclusión y a explicar por qué la energía nuclear, que aunque tiene sus riesgos, es una energía segura.

             

Sin embargo antes de poder hablar de la energía energía nuclear tengo que explicar las alternativas, así que en este artículo no encontrarás mucho sobre la energía nuclear, sino que estará dedicado a estudiar los otros medios que tenemos para obtener electricidad, poniendo atención especial en las energías renovables tanto sus ventajas como sus limitaciones, así que si piensas que ya sabes suficiente sobre energías renovables pasa a la parte 1 (que estará lista próximamente) de esta serie de publicaciones.

Así que comencemos hablando de los tipos de energía, o mejor dicho nuestras posibles fuentes de electricidad.



 Tipos de energía:


Energía fósil: (carbón, petróleo o gas natural) Es la energía obtenida del material orgánico depositado hace millones de años a partir de los restos de plantas y animales, que han pasado por un proceso largo donde la energía se ha concentrado, para extraer la energía se quema el material y se utiliza el calor para mover un motor termoeléctrico.


Energía de biomasa: (madera, aceites, alcoholes, azúcares, biocombustibles) Funcionan igual que las energías fósiles, sólo que con material producido recientemente, para convertirlo en energía eléctrica se queman produciendo calor que se usa para mover un generador eléctrico, también emiten CO2.
                                
Nucleares: Es la energía obtenida a base de la fisión o fusión de átomos de distintos elementos, aunque la fusión se ha logrado en laboratorio y se ha medido la energía liberada por esta, todavía no se ha desarrollado un método para generar más energía que la invertida, en las plantas de fisión el material radioactivo se utiliza de distintas maneras para aprovechar la energía que emite, convertirla en calor que se aprovecha para mover un motor termoeléctrico.

                             

Geotérmicas: En la energía aprovechada del calor producido por los movimientos geológicos de las placas tectónicas, el calor se utiliza para mover un motor termoeléctrico.
                    
Solares: Engloba todas las energías que aprovechan la energía producida cada día por el sol, engloba a los generadores eólicos, los hidroeléctricos y los paneles solares; el viento porque su movimiento es causado por la diferencia de temperaturas en distintas zonas de la tierra (y en parte por la rotación de la tierra) y la hidroeléctrica porque la energía que sube el agua a la parte de arriba del generador es el calor producido por el sol.

                 

Ventajas y limitaciones

                El problema es el siguiente, la emisión de CO2 en el aire ha producido un aumento en la temperatura del planeta lo que empieza a cambiar el clima, el CO2 no es el único gas invernadero que existe, así que reducirse nuestras emisiones de CO2 no necesariamente detiene el incremento del efecto invernadero, todavía tenemos el metano producido por nuestro ganado que es un mucho peor que el dióxido de carbono, tanto que cuando es posible se procura quemar para que se convierta en CO2, incluso si nuestra producción total de energía eléctrica estuviera libre de emisiones de carbono aún tendríamos que lidiar con el problema del calentamiento global, pero por lo menos nos daría más tiempo para solucionar el problema.


                Por el otro lado a las personas les gusta usar energía y entre mejor le va económicamente a la gente tiende a consumir más y hasta la fecha todas las formas que ha encontrado el hombre para tomar energía de la naturaleza y convertirla en trabajo a servicio del hombre impactan de una forma u otra al medio ambiente.


                Impacto de las energías solares

            Energía Hidroeléctrica: Las plantas hidroeléctricas son generadores de electricidad movidos por la caída del agua, se clasifica dentro de las solares puesto que es el calor del sol el que evapora el agua y hace que suba, convirtiendo la energía térmica en energía cinética potencial, habitualmente se crean presas para contener el agua y luego se deja caer para convertir la energía cinética en electricidad igual que en un molino, su principal limitante es que  hay una cantidad finita de ríos con suficiente agua como para producir la energía mínima para que valga la pena la inversión, no se encuentran en cualquier región y las presas que se requieren impactan la fauna silvestre y las poblaciones que viven cerca, ya que tiene que seccionar los ríos para funcionar, además tiene un altísimo costo de inversión ya que debe ser una construcción grande y duradera, lo que requiere un gran consumo de energía en su construcción  sin embargo una vez construida es muy eficiente y no genera emisiones de carbono, el mantenimiento es relativamente bajo y al no requerir de muchos insumos para funcionar no es caro producir energía una vez construida la presa, por lo que la tasa de retorno de la inversión es de entre 2% y 4% anual*1; es decir una presa hidroeléctrica, dependiendo de su eficiencia puede tardar entre 25 y 50 años en generar suficiente energía como para pagar lo que se invirtió en ella, sigue siendo de mis energías preferidas y afortunadamente en México aprovecha ampliamente este recurso desde hace muchos años, la planta más antigua que continúa en operación es la planta de Colotlipa en Guerrero, la cual fue construida en 1910 y México continúa invirtiendo en nuevas plantas hidroeléctricas fundando en el 2009 la presa hidroeléctrica del cajón, actualmente más de 50 plantas hidroeléctricas operan en México*2 y hay al menos dos más en proyecto de construcción.
                              
                Energía Eólica: (generada por el viento) Se calcula que la atmósfera captura cerca del 2% de la energía solar que cae sobre la tierra, un 2% que puede causar huracanes, así que no es poca cosa, pero nuestra capacidad para recolectarla es muy limitada, hay límites en la altura del viento que podemos recolectar, los generadores tienen un límite mínimo y máximo de velocidad del viento para funcionar, si el viento es menor a 10 km/h no logra hacer girar las aspas y si es superior a 90 km/h puede dañarlas así que se paran mecánicamente*3, los sitios donde pueden ser colocadas no son arbitrarios, hay una relación entre la distancia de la población y la velocidad del viento, y no se puede confiar completamente en ella por su intermitencia; además requieren de mucho terreno, las normas de seguridad requieren mínimos de espaciamiento  dependiendo de la altura y tamaño del generador, algunos requieren de 90 m de distancia mínima para para colocarse, cada generador requiere de un acceso rodado para poder darle mantenimiento y líneas de alta tensión que conduzcan lo más eficientemente posible la energía generada, un generador más grande es más eficiente, pero requiere cables más gruesos, de manera que la huella ambiental de un campo de generadores eólicos es mayor que la de los tubos sobre los que están colocados, producen ruido, por lo que ninguna casa puede estar a una distancia menor a 200 metros y altera el modo de vida silvestre de la zona (pajaritos mueren golpeados por las aspas), es difícil calcular el costo beneficio de los generadores eólicos, puesto que varía mucho. Traté de buscar el costo de mantenimiento, pero hay tal variedad que es impreciso, pero en promedio cuesta 9 dólares por cada Megawatt de energía obtenida*4, tienen una duración de 25 años aproximadamente y su coste de mantenimiento es de entre 1 y 3% el costo de la inversión. Conforme suban los precios de los combustibles fósiles se hará más competitiva, pero por ahora es relativamente cara.

           


                Paneles solares: La energía solar es abundante y maravillosa, sin embargo nuestra forma de recolectarla no es muy buena todavía, mucha investigación se continúa haciendo para encontrar alguna forma de hacer más eficientes los paneles solares, por desgracia hay muchas limitantes que siempre nos impedirán llegar al 100% de eficiencia de un panel solar, en condiciones óptimas en la superficie terrestre actualmente podemos convertir el 20% de la energía solar en eléctrica, en condiciones promedio solamente se aprovecha un 10%*5, y en el espacio sin atmósfera y con una temperatura mucho más cercana al cero absoluto lo que cambia las propiedades de los conductores haciéndolos mucho más eficientes se puede convertir hasta el 40% de la energía solar que choca contra la superficie de los paneles; para comprender qué significa esto necesitamos saber un poco sobre cómo funcionan actualmente los paneles solares:
                  
                Aunque existen ya tres generaciones de paneles solares se continúa empleando la segunda por su costo de fabricación, así que primero hablare de esta que es la más común y que la mayoría conocemos; los paneles solares comunes usan placas de silicio purificado acomodadas a manera de sándwich; el silicio es un elemento muy abundante en la superficie terrestre, es un material semiconductor que se emplea en forma de láminas para fabricar microchips y componentes electrónicos ¿qué tan abundante es? Wikipedia afirma que conforma cerca del 30% de la corteza terrestre*6, así que podemos decir que es bastante común, aunque encontrarlo en su forma pura es muy raro, pero se están desarrollando métodos para extraerlo de la arena y cuarzo; volviendo a los paneles solares; se empalman dos láminas de silicio purificado divididas por una pequeña capa conductora, ambas placas u obleas como los llama la industria, son “contaminadas” con químicos como el boro, el cual tiene una tendencia a tomar electrones de otros elementos (carga negativa) y la otra oblea con fósforo o arsénico que tienen electrones adicionales y tienden a cederlos*7 (carga positiva), convirtiendo a una de las obleas en polar negativa y la otra en polar positiva, sólo se conectan a través de un cable y este se conecta a un condensador, cuando los fotones del sol golpean la placa negativa y estimulan a los electrones a desplazarse a la placa positiva temporalmente y este flujo de electrones es lo que produce la corriente eléctrica (a groso modo).*8

Esquema funcional de una celda solar:
                            
1- Electrodo negativo
2- Electrodo positivo
3- Silicio tipo negativo
4- Silicio tipo positivo
5- Capa

                Entendiendo su funcionamiento comparemos ahora sus ventajas contra sus limitaciones; dehecho las ventajas son muy bien conocidas, la energía solar es gratuita (aunque convertirla a eléctrica no lo sea), y puede ser generada en el lugar donde se utilice permitiendo que no se desperdicie energía en la conducción, esto es de gran importancia, actualmente se pierde hasta un 30% de la energía generada en la distribución de la energía debido a la resistencia de los cables, las impurezas que contienen hacen que se desperdicie en calor la energía eléctrica.
Ahora veamos los precios; fue un poco complicado sacar el precio, ya que hay muchas variables, pero creo que llegué a un buen estimado del costo de vivir “solarmente” repasemos la aritmética, según la página del Banco Mundial, en México se consumen cerca de 2000 Kwatts/hora por habitante, lo que es un consumo razonable, en el mundo se consume en promedio 3000 kw/h per cápita, y como un dato interesante para mis amigos del blog de raguniano en Venezuela se consume en promedio 3200 kwh, en Estados Unidos es alrededor de los 13000 kwh por habitante*9; regresando al cálculo, 2000 kwh per cápita, supongamos que una casa normal con 4 miembros consumirá 8000 kwh, un panel de 76 en su diagonal o como unos 1.5 metros cuadrados (167.5 cm x 91.7 cm) produce un promedio diario de 300 kwh*10 (busqué el más eficiente del mercado).
8000kwh / 300kwh = 26.66 veces
Kilowatts per cápita
Así que una familia promedio necesitaría 27 paneles solares (poco menos de 7 por habitante) para producir suficiente energía para su consumo diario, cada panel de estos cuesta $343.46 dólares (creo que incluye precio de instalación).
27 x $343.46 = $9273.42 dólares (si el dólar está a 12.70 pesos mexicanos es igual a $117,772.43)
Esto explica por qué la gente no se ha apresurado a vivir de pura energía solar todavía, su duración promedio es de hasta 25 años, la cual la hace que ya sea competitiva con los combustibles fósiles si no piensas mudarte de casa en 25 años; ahora veamos la superficie que requeriría.
1.5 m^2 * 27 paneles = 41.85 m^2 
                    
45 metros cuadrados están tan mal (para los mexicanos), la mayoría de los hogares cuentan con esa superficie en sus azoteas, pero para abastecer a una familia estadounidense se requeriría 6 veces más, también habría que solucionar el problema del almacenamiento de esta energía en baterías para su uso durante la noche, desafortunadamente las baterías comunes no son una buena opción, son demasiado pesadas, su vida es muy corta y los ácidos que requieren son altamente contaminantes, aunque sé que existen algunos modelos de baterías mucho mejores con un diseño más moderno, que harían esto posible.
                      
¿Las granjas solares son una buena inversión? Veamos, como mencioné anteriormente se pierde hasta un 30% de la energía en su distribución, lo que haría que las granjas solares tuvieran que ser mucho más grandes del área que ocuparían si se encuentran sobre las azoteas, incluso si el coste de mantenimiento se reduce de esta manera no compensa el desperdicio de energía perdida; para abastecer una ciudad como la de Guanajuato con 150 mil habitantes se requerirían aproximadamente 7.2 kilómetros cuadrados de superficie (un 0.0002% de la superficie del municipio), no suena mal, especialmente porque el clima aquí es semi-desértico y hay un sol muy intenso todo el día, sin embargo es mucho mejor que se utilice superficie ya urbanizada para no destruir terreno silvestre; el coste de su construcción sería de $2,103,067,422.00 de pesos mexicanos, el PIB anual del municipio es de $1,192,234,081.00*11, es decir, el costo de la granja sería 1.76 veces la producción completa del municipio, esto si suena mal, los precios de las celdas disminuyen año con año, por lo que probablemente convenga esperar hasta que tengan un precio razonable, pero por ahora económicamente no tiene sentido invertir en las granjas solares de láminas de Silicio.



           
 Bueno, pero aún no hemos hablado de la tercera generación de paneles fotovoltaicos, los nuevos y mejorados, rompedores de records, celdas solares de multi uniones, o multi-junction solar cells, que actualmente sostienen el record de mayor eficiencia en la conversión de energía solar a la eléctrica transformando hasta un 43% del espectro solar ¿cómo lograron esto? De la misma forma, pero con otros materiales; Las celdas solares de multiuniones en principio funcionan igual, son capas de distintos materiales, el Indio Galio de Fosforo, el Indio Galio de Arsénico y el Germanio, las tres capas, que en realidad son 6 cuando se dividen en tipo P y tipo N*13. Estas capas adicionales permiten absorber una gama más amplia del espectro solar aumentando la eficiencia de las celdas. Esta tecnología continúa en desarrollo y aún hay un precio al público, sin embargo encontré su costo de producción actual en $50,000 por metro cuadrado, pero como sabemos los prototipos siempre son excesivamente caros y el costo de los prototipos disminuye considerablemente una vez masificada la producción. Tal vez algún día nuestras ciudades estén iluminadas con una combinación de energía solar y nuclear.
              


Para terminar con las energías alternativas falta hablar de la geológica,
                              
que en realidad es una cuestión muy simple, las placas tectónicas al moverse generan fricción lo que forma bolsas de magma en algunas regiones, estas bolsas generan calor y cuando hay agua en la zona evaporan la misma permitiendo que sea aprovechada para mover un motor térmico. Estoy a favor de que se aproveche esta energía, aunque yo en lo personal no me sentiría muy seguro trabajando en una zona volcánicamente activa, por otro lado estos generadores sólo pueden ser colocado en zonas muy específicas, en México nos encontramos entre 5 placas tectónicas, por lo que podemos aprovechar este recurso ya que contamos con una zona muy grande de actividad volcánica.

Conclusiones sobre las energías renovables.

Todas estas formas de obtener energía sin duda formarán parte del futuro de todas las naciones, es necesario que se continúe invirtiendo en el desarrollo y construcción las fuentes de energía renovables, sin embargo debemos de estar conscientes de las limitaciones reales que tiene cada una de ellas; todas ellas están muy diluidas en la naturaleza y nuestros ingenieros y científicos tienen que ser muy ingeniosos para recolectar y transformarlas en energía útil para nosotros, son además un tipo de energía fluctuante, es decir con picos y depresiones, por lo que siempre será necesario de generadores independientes que puedan compensar constantemente esas caídas en la producción de electricidad, y yo pienso que nuestra mejor opción es la energía nuclear.


Gracias por leer.




En la siguiente serie de artículos hablaré de la energía nuclear con mucha más profundidad, les explicaré el ciclo del combustible nuclear, qué es la radiación, cuáles son los tipos de radiación que hay y cuáles son sus efectos en el humano; he investigado también sobre los tipos de reactores que existen y un poco sobre los reactores que podrían existir en el futuro, las medidas de seguridad, las causas de los accidentes nucleares que ha habido y las consecuencias de ello, así que hay mucho por abarcar.



Referencias 

*4 Costos de aerogeneradores http://www.mgar.net/soc/eolica.htm
*5 eficiencia de paneles solares http://deltavolt.pe/solar/pvpaneles
*13 Funcionamiento de las celdas solares multi junction  http://en.wikipedia.org/wiki/Multijunction_photovoltaic_cell


2 comentarios:

Anónimo dijo...

muy buena investigación. gracias

Rafael Cuen dijo...

Muchas gracias
Anónimo, siempre es un placer tenerte por acá.