Trabajo Ventiladores Final

Universidad de Santiago de Chile Facultad tecnológica Departamento de tecnologías industriales

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD TECNOLOGICA DEPTO. TECNOLOGIAS INDUSTRIALES

“VENTILADORES Y ENERGÍAS RENOVABLES”



Carrera: Tecnología en Mantenimiento Industrial.

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Profesor: Hernán Carrasco.

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Integrantes: Mario Cabezas. Alexis Herrera. Hans Kliebs. Carlos Ortiz. Melissa Painemilla.

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Universidad de Santiago de Chile 

Fecha: 19 de julio de 2010.

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Índice ¿Qué es un Ventilador? ........................................................................................................................ 4 La ventilación ................................................................................................................................. 4 Funciones de la ventilación ............................................................................................................ 5 Elementos y clasificación de los ventiladores ................................................................................ 5 Clasificación de los ventiladores según la trayectoria del aire ..................................................... 5 Clasificación de los ventiladores según la presión de trabajo....................................................... 7 Clasificación de los ventiladores según las condiciones de trabajo .............................................. 8 Tipos de ventilación........................................................................................................................ 8 Aparatos para la medida de presiones .........................................................................................14 Curva característica de un ventilador ..........................................................................................18 Leyes de ventiladores ....................................................................................................................22 Aplicaciones según tipo de ventiladores .......................................................................................24 Operación y mantenimiento de ventiladores................................................................................29 Operación del ventilador...............................................................................................................33 Mantenimiento ..............................................................................................................................35 Mantenimiento general del motor ................................................................................................35 Mantenimiento del rodete y la flecha ...........................................................................................36 Energías renovables ............................................................................................................................45 Funcionamiento:............................................................................................................................45 Energía eólica: ...............................................................................................................................45 Energía solar: ................................................................................................................................46 Suministro eléctrico de instalaciones técnicas:.............................................................................49 Campos de aplicación....................................................................................................................51 Refrigeración solar:.......................................................................................................................55 Generación de electricidad con energía solar térmica:................................................................58 Clasificación del aprovechamiento de la bioenergía ....................................................................60 Energía hidroeléctrica: .................................................................................................................66 Energía geotérmica: ......................................................................................................................69 2 Universidad de Santiago de Chile

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Tipos de Energías Renovables.............................................................................................................73 Biomasa .........................................................................................................................................73 Eólica..................................................................................................................................................80 Aspectos Técnicos..........................................................................................................................84 Impacto ambiental ........................................................................................................................86 Planificación de un proyecto.........................................................................................................86 Elección del lugar de emplazamiento y potencia a instalar .........................................................87 Puesta en servicio y operación ......................................................................................................88 Geotérmica ....................................................................................................................................88 Mecanismos de propagación del calor..........................................................................................91 Propagación del calor por conducción .........................................................................................91 Ecuación de conducción del calor.................................................................................................93 La utilización del recurso..............................................................................................................95 Hidráulica ...........................................................................................................................................98 Potencial ........................................................................................................................................99 Tecnología....................................................................................................................................100 Costos...........................................................................................................................................104 Situación actual ...........................................................................................................................106 Solar .................................................................................................................................................106

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¿Qué es un Ventilador? Un ventilador es una máquina rotativa que pone el aire, o un gas, en movimiento. Podemos definirlo como una turbomáquina que transmite energía para generar la presión necesaria con la que mantener un flujo continuo de aire. Dentro de una clasificación general de máquinas, encontramos a los ventiladores como turbomáquinas hidráulicas, tipo generador, para gases. Un ventilador consta en esencia de un motor de accionamiento, generalmente eléctrico, con los dispositivos de control propios de los mismos: arranque, regulación de velocidad, conmutación de polaridad, etc. y un propulsor giratorio en contacto con el aire, al que le transmite energía. Este propulsor adopta la forma de rodete con álabes, en el caso del tipo centrífugo, o de una hélice con palas de silueta y en número diverso, en el caso de los axiales. El conjunto, o por lo menos el rodete o la hélice, van envueltos por una caja con paredes de cierre en forma de espiral para los centrífugos y por un marco plano o una envoltura tubular en los axiales. La envolvente tubular puede llevar una reja radial de álabes fijos a la entrada o salida de la hélice, llamada directriz, que guía el aire, para aumentar la presión y el rendimiento del aparato. En el tipo helicocentrífugo y en el transversal, el elemento impulsor del aire adopta una forma cercana al de los rodetes centrífugos.

La ventilación Puede definirse la Ventilación como: “aquella técnica que permite sustituir el aire ambiente interior de un local, considerado inconveniente por su falta de pureza, temperatura inadecuada o humedad excesiva, por otro exterior de mejores características”. Según Código Técnico de Edificación se define como ventilación “el proceso de renovación del aire de los locales para limitar el deterioro de su calidad, desde el punto de vista de su composición, que se realiza mediante entrada de aire exterior y evacuación de aire viciado.” Según la norma UNE 13779. “El aire de un ambiente interior no debe contener sustancias contaminantes en cantidades tales que puedan dañar la salud de las personas o, simplemente, causar molestias. Estas sustancias pueden producirse en el interior de los locales, por la presencia y actividad de las personas o por desprenderse de enseres, materiales de construcción y acabados. Para reducir su concentración en el interior de los locales por debajo de valores aceptables, estas sustancias deben diluirse con la introducción de aire del ambiente exterior y, eventualmente, aire de retorno, ambos oportunamente tratados. Para este fin, la introducción del aire de ventilación en los locales podrá efectuarse por medios mecánicos o naturales”.

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Funciones de la ventilación La cantidad de aire estimada para una persona en condiciones normales es de unos 500 l/h, esta cantidad es imprescindible para resolver sus funciones vitales. Pero además ese aire ha de estar en las mejores condiciones. La ventilación tiene por objeto:  Mantener una renovación de aire que asegure una atmósfera no enrarecida y evite la falta de oxígeno en los locales.  Mantener los locales sin humos.  Eliminar olores en los locales ocupados.  Controlar la toxicidad en los ambientes industriales.  Mantener los locales libres de polvo, vapores, etc.

Elementos y clasificación de los ventiladores Los principales elementos de un ventilador son los siguientes; observa en las figuras su aspecto físico. Motor de accionamiento. - Elemento rotativo, puede ser de hélice o rodete. - Soporte: que sirve de anclaje al motor y al elemento rotativo, además de canalizar la circulación del aire.

Clasificación de los ventiladores según la trayectoria del aire Ventiladores Axiales. La entrada y salida de aire tiene una dirección axial al eje del motor. Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales. Se emplean para mover aire con poca pérdida de carga, y su aplicación más común es la ventilación general.

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Tubulares. Pueden mover aire venciendo resistencias moderadas. Disponen de una hélice de álabes estrechos de sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica. Generalmente no disponen de ningún mecanismo para enderezar el flujo de aire. Turbo axiales. En comparación con los otros tipos de ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones superiores. Son de construcción similar a los anteriores con unas aletas enderezadoras del flujo.

Ventiladores centrífugos. La trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Este tipo de ventiladores se fabrican con tres tipos de rodetes según su aplicación: álabes curvados hacia delante, álabes rectos o radiales, álabes curvados hacia atrás. Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con los álabes curvados en el mismo sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestos en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcanzan velocidades altas de aire para el transporte de materiales. La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Ideal para la ventilación localizada con transporte de materiales.

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Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con los álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo.

Clasificación de los ventiladores según la presión de trabajo Los ventiladores se pueden clasificar según la presión de trabajo de en ventiladores de baja, media y alta presión.  Ventiladores de baja presión: Se llaman así a los que no alcanzan los 70 mm.c.d.a.  Ventiladores de media presión: Se llaman así a los que trabajan entre los 70 a  3.000 mm.c.d.a.  Ventiladores de alta presión: Se llaman así a los que superan los 3.000 mm.c.d.a.

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Clasificación de los ventiladores según las condiciones de trabajo o Ventiladores estándar. Son aquéllos cuyas condiciones de trabajo son normales, es decir ventiladores que no tienen que soportar temperaturas elevadas, gases corrosivos, partículas agresivas, humos, humedad, etc. • Ventiladores corrientes: efectúan el movimiento de aire no tóxico, sin gases corrosivos, si partículas y cuya temperatura no sobrepasa los 80ºC o Ventiladores especiales. Son los ventiladores diseñados específicamente para trabajar en aquellas atmósferas contaminadas con los elementos anteriormente mencionados. • Ventiladores centrífugos, para trasegar aire hasta 150ºC en continuo fabricados en chapa de acero protegida con la corrosión. • Ventiladores centrífugos, fabricados en polipropileno para trasegar gases corrosivos.

Tipos de ventilación Según los distintos criterios utilizados para catalogar los tipos de ventilación surgen distintas clasificaciones.

A. Clasificación según la manera de ventilar Ventilación por sobrepresión. La ventilación por sobrepresión se establece cuando por medio de un ventilador insuflamos aire al local aumentando la presión existente en éste respecto a la presión atmosférica. En esta situación el aire 8

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tenderá a fluir hacia el exterior por las aberturas dispuestas. De esta forma arrastramos el aire viciado y/o contaminado hacia el exterior.

Ventilación por depresión. La ventilación por depresión se logra al extraer el aire del interior del local mediante un ventilador; de esta forma el local queda a una presión inferior a la atmosférica. Por lo tanto el aire del exterior tendera a fluir al interior del local por las aberturas.

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B. Clasificación según el espacio a ventilar Ventilación ambiental. En este caso el aire entra en el local y se difunde por todo el espacio interior antes de alcanzar la salida. Se utiliza este sistema en ventilación de espacios ocupados por personas, animales o plantas. La misión de la ventilación general es proporcionar un ambiente agradable libre de olores, humos, gases, etc.

Ventilación localizada: Con la ventilación localizada el aire contaminado es captado en el mismo lugar que se produce y expulsado al exterior evitando que se difunda por el local. Se utiliza sobre todo en procesos industriales, campanas de cocina etc. En estos casos, una vez localizados los puntos de emisión, se capta el aire viciado y se expulsa al exterior, previo filtrado. En un sistema localizado podemos distinguir varios elementos o zonas: • Captación. • Filtrado. • Extractor. • Conducto.

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C. Clasificación según el sistema de ventilación Ventilación natural. La ventilación natural se define como “aquélla en la que la renovación del aire se produce por la acción del viento o por la existencia de un gradiente de temperaturas entre el punto de entrada y el de salida.” Tenemos ventilación natural cuando la renovación del aire de los locales, se realiza a través de las diversas aberturas que poseen: puertas, ventanas, chimeneas, juntas de los cerramientos, fisuras, etc. La circulación del aire se produce por diferencias térmicas y de presión, que pueden ser de origen natural, tales como las debidas a la diferente insolación de las paredes o a la acción del viento, o bien consecuencia de los procesos industriales (por transferencia de calor o por efecto mecánico). El caso más común de ventilación natural es la evacuación de aire caliente y su sustitución por aire fresco en naves industriales. Un aspecto a tener en cuenta es que la ventilación natural es en parte incontrolable, por estar sujeta a variaciones imprevisibles de presión atmosférica, velocidades del aire etc.

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Ventilación mecánica. Se define como ventilación mecánica “aquélla en la que la renovación del aire se produce por el funcionamiento de aparatos electromecánicos dispuestos al efecto. Puede ser con admisión mecánica, con extracción mecánica o equilibrada”. El movimiento de aire se produce por medio de ventiladores extractores, garantizando en cualquier circunstancia la entrada y/o salida del aire del local a tratar. El objetivo de la V.M.C es mantener una calidad de aire aceptable en el interior de cada vivienda, y para ello se vale de una serie de elementos.

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Ventilación Híbrida o mixta. Con este tipo de ventilación cuando las condiciones de presión y temperatura ambientales son favorables, la renovación del aire se produce como en la ventilación natural y, cuando son desfavorables, como en la ventilación con extracción mecánica. La ventilación híbrida es un sistema que se basa en el efecto Venturi, (consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor). Diríamos que es una mezcla de la ventilación natural y de la ventilación mecánica. La ventilación híbrida es un concepto nuevo que consiste en utilizar unos componentes de la ventilación natural acoplados a un sistema mecánico de ventilación no permanente. Su puesta en marcha es automática; y puede ser accionada por una sonda de temperatura o un presostato, anemómetro, detector concentración de gases, etc.

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Aparatos para la medida de presiones Sonda de presión estática. Este tipo de sonda es muy utilizada para la medida de la presión estática Pe en los conductos de ventilación. El manómetro se conecta al conducto perpendicularmente al flujo de aire, o por medio de un tubo ciego dirigido contra la dirección del aire que circula por el conducto y con unos orificios perpendiculares a la misma A continuación vemos las dos formas básicas así como su conexión al conducto.

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Tubo de Pitot. Este aparato se utiliza para medir la presión total, Pt, dentro de un conducto. Su construcción se basa en un tubo abierto por su extremo que se introduce en el conducto de ventilación, de forma que la corriente de aire choque contra el tubo.

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Tubo de Prandtl. Este aparato se utiliza para medir presión dinámica Pd.

Presión Total La presión total será la suma de las presiones Estática y Dinámica. Pt=Pe +Pd Anemómetros de hilo caliente. Los anemómetros de hilo caliente, o termoanemómetros, son dispositivos para medir la velocidad, en este caso de aire. Utilizan una sonda en la cual va instalado un hilo metálico que se calienta por efecto Joule y se enfría por el flujo de aire.

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Los sensores de un anemómetro de hilo caliente son hilos con un diámetro de unos 0,5 mm fabricados con tungsteno, platino o aleaciones de éste con otros materiales conductores como el iridio o el rodio. Su funcionamiento se basa en lo siguiente: La velocidad del aire produce un enfriamiento del hilo: sube v => baja T La resistencia eléctrica del hilo va a depender de la temperatura - El circuito electrónico que alimenta al hilo va a intentar mantener la temperatura del hilo, aumentando la intensidad de alimentación, por lo tanto a mayor intensidad mayor velocidad del aire. Anemómetros de hélice ó molinete. Este tipo de anemómetro dispone de una hélice con un diminuto generador de impulsos eléctricos acoplado al eje. Los impulsos se registran por unidad de tiempo y se muestran en pantalla ya calibrados a velocidad del viento.

Anemómetros de tubo de Prandtl. Como su propio nombre hace suponer, son aparatos de medida constituidos por un tubo de Prandtl, que conectado a un equipo de medida adecuado proporciona directamente la velocidad del aire que circula por un conducto, sin falta de convertir medidas de presión dinámica, Pd, en datos de velocidad, v.

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Curva característica de un ventilador La curva característica de un ventilador es un gráfico en el que se muestran los valores de presión que el ventilador es capaz de generar en función del caudal que se requiera. Esta curva característica del ventilador depende fundamentalmente del tipo de máquina y del diseño de la hélice o rodete. A continuación vamos a comprobar que los distintos tipos de ventiladores que hemos estudiado tienen curvas características y que éstas son fundamentales para su selección.

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Consideraciones a tener en cuenta La curva característica de un ventilador no representa únicamente la relación presión­ caudal, además pueden aparecer datos como rendimiento del motor, presión total, potencia absorbida, presión dinámica.

El punto ideal de funcionamiento será aquél donde el rendimiento del ventilador sea mayor.

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Las gráficas de los ventiladores vienen dadas para una presión atmosférica de 760 mm Hg y con una temperatura de aire de 20 ºC.

Punto de trabajo de un ventilador El punto de trabajo es aquél situado en la curva característica de un ventilador y que representa su funcionamiento en un momento dado. Según esto el ventilador de la gráfica está moviendo un caudal de 1.800 m3/h con una pérdida de carga de 2,9 mm.c.d.a.

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ZONA DE FUNCIONAMIENTO Según sea el ventilador, tipo y tamaño, existe una zona de su curva característica en la que es recomendable su uso. Fuera de élla pueden producirse fenómenos que hacen aumentar desproporcionadamente el consumo hundiendo el rendimiento, provocando un aumento intolerable del ruido e incluso produciendo flujos intermitentes de aire en sentido inverso. En los catálogos de ventiladores vienen indicadas las zonas de la curva característica Recomendadas de uso o, simplemente, solo se publica el tramo de curva en el que es aceptable su funcionamiento. En general la mencionada zona abarca la superficie sombreada que se indica en la siguiente figura, para una familia de curvas de un aparato a varias velocidades.

Leyes de ventiladores Mediante el uso de un conjunto de ecuaciones conocidas como Leyes de los ventiladores es posible determinar, con buena precisión, los nuevos parámetros de funcionamiento. Estas leyes están relacionadas con el diámetro de la hélice, la variación de densidad de aire y la variación de la velocidad de la hélice. Nosotros a continuación vamos a desarrollar las leyes relacionadas con la velocidad del ventilador. Según las Leyes de los ventiladores podemos decir que cuando modificamos la velocidad de giro de éstos se modifica el caudal que proporciona el ventilador, la presión que proporciona y la potencia que absorbe. Las ecuaciones que relacionan estos parámetros son las siguientes: Siendo: Q = Caudal proporcionado por el ventilador. P = Presión proporcionada por el ventilador. N = Revoluciones a las que gira el ventilador. W = Potencia absorbida por el motor. 1ª ley: El caudal que proporciona un ventilador es directamente proporcional a la relación de velocidades. 22

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Donde: Q1 y N1 = Datos iníciales de ventilador Q2 = Caudal a calcular N2 = Velocidad que vamos a proporcionar al ventilador 2ª ley: La presión que proporciona un ventilador es proporcional al cuadrado de la relación de velocidades.

Donde: P2 = Presión a calcular P1 = Presión del ventilador en ese punto de trabajo

3ª ley: La potencia absorbida por el ventilador es proporcional al cubo de la relación de velocidades.

Donde: W2 = Potencia a calcular W1 = Potencia del motor en ese punto de trabajo.

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Aplicaciones según tipo de ventiladores

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Operación y mantenimiento de ventiladores

El presente capitulo tiene por finalidad entregar prácticas y intrucciones básicas y fundamentales para la buena operación y el buen mantenimiento de los ventiladores. La información que se entregará a continuación es general, por lo tanto es posible aplicarlas en una variedad de modelos de ventiladores. La mayoría de los ventiladores podrán ser instalados y conservados de manera óptima siguiendo las instrucciones entregadas.

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Envío y recepción Todos los ventiladores y productos anexos, se deberán examinar cuidadosamente antes del envío  para asegurar las más altas normas de calidad y funcionamiento. Cuando son recibidos, todos los componentes se deben comparar con la lista de embarque ara  verificar que la unidad recibida es la correcta y no presenta daños que puedan haber ocurrido durante el transporte.  Cualquier daño debe informarse inmediatamente al transportista y emitirse un informe de daños. Manejo  El manejo del ventilador debe ser supervisado por personal especializado y procurar que las normas de seguridad para el manejo se cumplan. Verificar la capacidad de carga y condiciones de  operación del equipo utilizado para el manejo.  Mantener en buenas condiciones el equipo de manejo para evitar daños serios al personal.  Las unidades enviadas totalmente armadas se pueden levantar con cadenas sólidas, cables de acero o correas de nylon.  La mayoría de las unidades están provistas de orejas de elevación para facilitar su manejo y evitar daños (véase imagen adjunta). La elevación del ventilador se debe hacer siempre de tal  manera que proteja al ventilador y su recubrimiento contra daño.  Nunca se debe levantar un ventilador por la brida de entrada o de descarga, de la flecha o la transmisión, el rotor, el motor o base del motor, o de cualquier otra manera que pueda doblar o torcer las piezas.

Almacenamiento 

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 

Si la instalación del ventilador no se realizará en el instante de recibo, se debe almacenar la unidad en un área ambientalmente estable y protegida. La vibración del sitio de almacenaje no debe exceder de 2 mils. 1 a menos que el ventilador se aísle correctamente de la vibración. La unidad debe ser protegida contra cualquier impacto accidental. Se debe cubrir el ventilador para proteger el recubrimiento.

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El milses la abreviación inglesa de un milésimo de pulgada. El desplazamiento de vibración por lo general se mide en mils en el sistema inglés. "Introducción al análisis de vibraciones", Azima DLI

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Se deberá tener el cuidado de proteger el motor, la transmisión y las chumaceras. El almacenamiento prolongado requiere inspecciones mensuales. Revisar si hay corrosión o daño a la unidad y escombros dentro del ventilador. Girar el rodete el ventilador algunas pocas revoluciones. Detener el rodete en una posición diferente a la posición inicial, para evitar que la flecha sufra deformación. Engrasar las chumaceras cada mes con una grasa compatible con la provista en las chumaceras.

Cimentaciones a) Sobre concreto La base de los ventiladores debe ser instalada de preferencia sobre una cimentación de concreto armado plana, nivelada y rígida con una masa por lo menos tres veces mayor que el ensamble soportado para que actué como una base de inercia. La parte superior de la cimentación debe ser un poco más grande que el contorno del equipo y debe tener aristas en bisel para prevenir despostilladuras. Los tornillos de anclaje para equipo pesado deben ser con forma de "L" o "T" con la suficiente longitud para las tuercas, las rondanas, las calzas y mínimo cinco hilos de rosca adicionales. Cada tornillo debe ser colocado en un agujero o tubo con el diámetro más grande que el tornillo para permitir el ajuste.Para ventiladores ligeros se recomienda usar taquetes para facilitar el deslizamiento del equipo sobre la base si es necesario. b) Sobre plataformas estructurales Los ventiladores montados sobre o dentro de una estructura se deben colocar lo más cerca, como sea posible, a un miembro rígido, tal como una pared o una columna. La estructura se debe diseñar para el equipo en operación o en movimiento, el diseño estático no es suficiente para asegurar la correcta operación. Los soportes para ventiladores suspendidos deben tener la rigidez suficiente, estar a nivel y tener contraventeo en todas direcciones. Usar aisladores donde sea aplicable.

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IMPORTANTE: La frecuencia natural de la cimentación deberá ser lo suficientemente apartada de la frecuencia de rotación del ventilador y motor para evitar condiciones de resonancia.

c) Ductería Cualquier ductería debe tener soporte independiente, no se debe utilizar el ventilador para apoyar la ductería. Aíslar el ventilador de la ductería de trabajo con juntas flexibles que eliminen la transmisión de vibración. Los ventiladores que manejan gases calientes requieren juntas de dilatación en la entrada y la descarga para prevenir las cargas excesivas causadas por crecimiento térmico. Instalacion del ventilador Siga apropiadamente las instrucciones de manejo dadas anteriormente. 1. Mover el ventilador a la posición final de montaje. 2. Quitar las tarimas, los cajones y los materiales de embalaje cuidadosamente. 3. Colocar los tacones de vibración o bases de aislamiento en los tornillos de montaje. Alinee los agujeros de la base del ventilador con los agujeros del tacón. 4. Coloque el ventilador en la estructura de montaje. Nivele cuidadosamente la unidad usando calzas, según lo requieran, donde estén localizados los agujeros de montaje. Atornille la unidad. 5. Aplicación de la lechada de anclaje. El ventilador ya debe estar atornillado en la posición deseada antes de que se aplique la lechada. No dependa solamente de la lechada para apoyar el equipo rotatorio. 6. Continúe con la sección de operación del equipo.

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Operación del ventilador Seguridad Los dispositivos de seguridad comprenden guardas para la transmisión, protectores de la flecha, rejas de protección para la entrada y la descarga. Si se requieren protecciones adicionales, deben solicitarse directamente al proveedor especificándolas claramente. El uso, el abuso, o el no uso de los dispositivos de seguridad es la responsabilidad del usuario. Una ventaja extra relacionada con las condiciones de seguridad incluye la accesibilidad a los ventiladores y su localización. Todos los ventiladores se deben accionar a través de interruptores que sean fácilmente accesibles al personal de servicio del ventilador. Cada interruptor debe tener la capacidad de ser “apagado y asegurado” por la persona de servicio y la llave será conservada por esta persona para prevenir el encendido accidental del ventilador mientras el servicio está en proceso.

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Puesta en marcha Antes de hacer funcionar el ventilador se debe comprobar: 1. Que las medidas de seguridad se han seguido correctamente y que el personal técnico cuenta con la ropa y el equipo de seguridad adecuado. 2. Que el motor del ventilador así como sus accesorios estén des­energizados y los interruptores asegurados. 3. Que los componentes mecánicos del ventilador estén listos. a. Que las tuercas, los tornillos y los opresores están apretados. b. Que las conexiones del sistema estén hechas y apretadas correctamente. c. Que los rodamientos estén lubricados correctamente. d. Que el rodete gire libremente y la transmisión y el interior del ventilador estén limpios y libres de objetos extraños e. Que las poleas estén colocadas en los ejes correctos. f. Que el rotor, motor y transmisión estén correctamente alineados.. g. Que las bandas tengan la tensión adecuada. h. Que las protecciones especificadas estén colocadas y bien soportadas. i. Que las juntas flexibles estén correctamente instaladas. 4. Que los componentes eléctricos del ventilador estén listos. a. El motor esté alambrado a un voltaje de alimentación apropiado. b. El motor esté puesto a tierra correctamente. c. Todos los cables conductores estén aislados correctamente y sean del calibre adecuado. d. El interruptor termomagnético es adecuado para la capacidad del motor. 5. Arranque de prueba a. Encienda el ventilador solo el tiempo necesario para que el ensamble comience a girar. b. Compruebe que el rodete gire en la dirección correcta (ver dirección de flecha indicada en la carcaza) (ver imagen). c. Revise que no haya vibraciones o ruidos anormales. d. Rectifique cualquier problema que pudiera haber sido encontrado (siga las instrucciones de seguridad, mencionadas con anterioridad). Revise la lista de comprobación otra vez hasta que la unidad está funcionando correctamente. e. Ponga en operación el ventilador. f. Compruebe amperajes

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6. Después de una semana de operación: a. Verifique todas las tuercas, tornillos y opresores, apriételos de ser necesario. b. Verifique la tensión de las bandas. Recuerde que es necesario volver a ajustar la tensión de las bandas después de haber trabajado durante algún tiempo, lo cuál se hace de la siguiente forma: ­ Afloje los tornillos del motor. ­ Asegúrese que las poleas estén fijas sobre las flechas del ventilador y el motor. ­ Mediante los tensores aumente la tensión de las bandas hasta lograr la tensión requerida. ­ Vuelva a apretar los tornillos del motor. ­ Compruebe que las poleas estén correctamente alineadas. Controle la tensión de las bandas a intervalos regulares, ya que si las bandas tienen deslizamiento, están expuestas a un desgaste anormal. Mantenimiento Tipos  



Correctivo: Es el mantenimiento que se aplica para corregir una falla imprevista o prevista. Preventivo: Es el tipo de mantenimiento que se aplica de acuerdo a las recomendaciones de los fabricantes o a la experiencia del personal de mantenimiento. Predictivo: Este tipo de mantenimiento se aplica para detectar las fallas desde sus inicios y vigilar su desarrollo.

Programas Se recomienda la aplicación de un programa de mantenimiento predictivo basado en vibraciones, ya que es la forma más efectiva para determinar las condiciones en que una máquina se encuentra trabajando, sin necesidad de pararla. Los programas de mantenimiento predictivo basado en vibración permiten detectar e identificar cualquier problema en su primera etapa de formación y vigilar su desarrollo antes que ocurra una avería. Esto nos permite programar su reparación evitando paros imprevistos o de emergencia y evita reparaciones innecesarias, que consecuentemente redundan en costos de producción.

Mantenimiento general del motor Las tres reglas básicas para el mantenimiento del motor son: Mantenerlo limpio, seco y lubricado. 1. Mantener los motores y las bobinas limpios es importante porque la suciedad y el polvo sirven como aisladores térmicos. El calor normalmente disipado por el motor es retenido causando el sobrecalentamiento y/o una falla prematura. Quitar el polvo y la suciedad sopleteando el motor periódicamente. Mantener el área que rodea el motor abierta de modo que el aire pueda circular a través del ventilador del motor. 35

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2. Los motores se deben mantener secos para evitar los cortocircuitos eléctricos. Los motores almacenados por períodos de tiempo largos pueden presentar condensación de humedad en las bobinas. Asegurarse que el motor esté seco antes de usar. Algunos motores son lubricados de por vida. La lubricación de los rodamientos del motor, si es requerida, debe seguir el programa de mantenimiento normal recomendado por el fabricante. Los requisitos de lubricación normalmente son adjuntos al motor. No se debe lubricar en exceso. En motores nuevos se recomienda que por ningún motivo abran la carcaza, ya que la póliza de garantía no será valida. Asegurarse que el motor no está sobrecargado comparando lecturas reales de amperaje contra las establecidas en la placa del motor. Mantenimiento del rodete y la flecha Examinar periódicamente la flecha y la hélice para saber si hay acumulación de suciedad, corrosión, y muestras de exceso de tensión o de fatiga. Limpiar los componentes y, cuando sea apropiado, aplicar recubrimiento nuevo (cualquier aplicación de recubrimiento o soldadura puede crear un desbalance). Comprobar el balanceo del ensamble. El siguiente gráfico puede ser usado como una guía para determinar cuando un ventilador está operando o no, dentro de los limites de vibración aceptables.

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Tabla de Tolerancias de vibración para maquinaria en unidades de desplazamiento (mils) y frecuencias de vibración (CPM)

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Uso de la tabla del gráfico Paso 1. Entrar con el valor máximo de la vibración en mils. (milésimas de pulgada) sobre la línea horizontal correspondiente a ese valor. Paso 2. Seguir la línea horizontal hacia la derecha hasta encontrar la línea vertical que corresponde a las rpm del equipo y el punto de cruce de las dos línea indicará el nivel de vibración existente. Mantenimiento de la carcaza y estructura en general Todos los componentes o dispositivos estructurales usados para soportar o unir el ventilador a una estructura se deben revisar en intervalos regulares. Los aisladores de vibración, tornillos, cimentaciones, etc., están expuestos a fallas por la corrosión, la erosión y otras causas. El montaje incorrecto puede conducir a malas características de funcionamiento o fatiga y falla del ventilador. Comprobar los componentes metálicos para saber si presentan corrosión, grietas u otras muestras de tensión. El concreto se debe revisar para asegurar la integridad estructural de la cimentación. Mantenimiento de las chumaceras Las chumaceras de ventiladores de alta velocidad, frecuentemente son diseñadas para operar calientes, hasta una temperatura de 93º C (200 °F). Chumaceras con rodamientos de bolas pueden operar hasta una temperatura de 93º C (200 ºF) sin que se requiera una investigación de la causa del sobrecalentamiento, de cualquier manera no cambiar una chumacera solo porque ésta se “sienta caliente”. Comprobar la temperatura de la chumacera con un termómetro de contacto.

Mantenimiento de la transmisión Las bandas tipo A,B necesitan inspección periódica y reemplazo ocasional. Cuando se inspecciona la transmisión, se debe buscar acumulación de suciedad, rebabas u obstrucciones que pueden causar el prematuro reemplazo de la banda o de la transmisión. Si se encuentran rebabas, utilizar lija fina o una piedra de esmeril fina para quitar las rebabas. Tenga cuidado de que el polvo no entre a los baleros. Revisasr las poleas para saber si hay desgaste. El deslizamiento excesivo de bandas en poleas puede causar desgaste y vibración. Substituir las poleas gastadas por nuevas. Alinear cuidadosamente las poleas para evitar una falla prematura de la transmisión. Se debe observar si las bandas tienen desgaste. Si existe desgaste u otro deterioro sobre todo en un lado de las bandas, las poleas pueden estar mal alineadas. Reinstalar las poleas de acuerdo a las instrucciones siguientes: a. De requerirse un cambio de bandas, reemplazar estas con un juego completo de bandas igualado. Las bandas nuevas no trabajarán bien con bandas usadas, debido a su diferencia en longitud. 38

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b. Limpiar las flechas del motor y del ventilador asegurándose de eliminar marcas, golpes, oxido, etc., en las áreas donde irán montadas las poleas. Limpiar el barreno de las poleas y aceitarlas para facilitar el deslizamiento sobre las flechas, si éstas son del tipo de montaje con buje cónico. Colocar los tornillos sin apretarlos. Quitar el aceite, grasa, oxido y rebabas existentes en las poleas. c. En caso de retirar las poleas de los ejes, asegurarse de colocar cada polea en su flecha correspondiente y no tratar de montarlas por medio de golpes, ya que esto puede dañar los baleros. Apretar las poleas en su lugar, asegurándose de que estas queden tan cerca de los baleros como sea posible, siempre que no rocen contra cualquier parte del equipo. d. Mover el motor con los tornillos de tuerca y contratuerca de la base, de tal manera que las bandas puedan ser colocadas en las poleas sin forzarlas, no se debe girar las bandas ni forzarlas con alguna herramienta sobre las ranuras. e. Alinear el eje del motor y el eje del ventilador, de tal manera que queden paralelos. Las bandas deben de quedar perpendiculares a los ejes. Una regla o un trozo de cáñamo pueden ser utilizados sobre la cara de las poleas para facilitar la alineación. Si la transmisión no está alineada correctamente, ocurrirá un desgaste excesivo en las bandas.

Alineación de la transmisión f. Tense las bandas, deslizando el motor en su base, una tensión correcta es la que produce la mayor eficiencia en la transmisión. Una tensión excesiva produce una carga anormal en los baleros. Utilice tensómetro en conjunto con las recomendaciones del fabricante para obtener la tensión apropiada. Compruebe nuevamente el alineamiento.

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Medición de la tensión por deflexión.

Paso 1. Determinar la fuerza necesaria para flexionar una banda en 1/64” por pulgada de la longitud del tramo. La fuerza debe ser aplicada en la parte media del tramo. Paso 2. Comparar esta fuerza de deflexión con la fuerza recomendada en tablas para el tipo y marca de banda utilizada. g. Permita que las bandas trabajen unos cuantos días para asentarse en las ranuras, después ajuste de nuevo la tensión. Recomendaciones generales No aplicar ningún cosmético a las bandas a menos que éste sea recomendado por el fabricante de ellas. Las bandas “A,B y V”, están diseñadas para mantenerse en contacto entre la ranura y los lados de la banda, cualquier cosmético reducirá el coeficiente de fricción entre ambas superficies. Las bandas deben estar libres de grasa. En poleas de paso ajustable, la tensión de las bandas se obtiene moviendo el motor y no cambiando el paso de las poleas. Importante: Se debe asegurar que el cubrebandas esté instalado mientras este trabajando el equipo (este es un accesorio opcional), esto hará la operación del equipo más segura, evitando riesgos de accidente al personal. Lubricación La relubricación apropiada de las chumaceras ayuda a asegurar una vida máxima del rodamiento, previniendo la corrosión y ayudando a eliminar contaminantes. Es difícil establecer una regla para la frecuencia de relubricación puesto que las necesidades pueden variar considerablemente según las distintas condiciones de trabajo y aplicaciones. El mejor 40

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procedimiento para establecer esta frecuencia, es aquel que se basa en la experiencia del usuario contando para ello con la ayuda de un historial de cada uno de los equipos. En la fase experimental se fijará arbitrariamente un periodo de relubricación observando y anotando las condiciones que se encuentra la grasa purgada. Para un tipo de aplicación promedio en donde las chumaceras trabajan en un ambiente limpio y a una temperatura normal de hasta 71º C (160 °F) los intervalos de relubricación están indicados en el gráfico de acontinuación. Intervalo de relubricación tf en horas de funcionamiento.

Ejemplo Un rodamiento rígido de bolas cuyo diámetro interior d es 120 mm, gira a 2000 r/min. Su temperatura de funcionamiento varía entre 60 y 70°C. ¿Cuál será el intervalo de relubricación? 41

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Trace la vertical desde el valor de 2000 r/min en el eje horizontal hasta cortar a la curva de d= 120 mm. Siga entonces desde ese punto de corte la línea horizontal hasta llegar a la escala del eje vertical (columna a para rodamientos radiales de bolas) y encontrará el valor de 4000 horas de intervalo de relubricación. a. Rodamientos radiales de bolas. b. rodamientos de rodillos cilíndricos, rodamientos de agujas. c. Rodamientos de rodillos a rótula, de rodillos cónicos, axiales de bolas, de rodillos cilíndricos sin jaula llenos de rodillos (0,2 t ), axiales de rodillos cilíndricos, axiales de agujas, axiales de rodillos a rótula (0,5 t ). Al inicio de operación de los ventiladores, los baleros pueden descargar el exceso de grasa a través de los sellos por un período de tiempo corto. No substituir la descarga inicial porque el goteo cesará cuando el exceso de grasa se haya agotado, el balero tiene a veces una tendencia a funcionar más caliente durante este período y uno no debe alarmarse a menos que dure más de 48 horas o exceda los 104º C (220 °F) Al relubricar, utilizar la suficiente cantidad de grasa para purgar los sellos. Girar con la mano el eje durante la relubricación respetando las buenas prácticas de seguridad. Importante Las chumaceras están lubricadas de fábrica, pero deberán revisarse antes del arranque del equipo. Cuando se efectúe la relubricación, se deberá tener cuidado de que no penetre suciedad al interior de la chumacera. Evitar mezclar las grasas con diversas bases. Podrían ser incompatibles y resultaría en un rápido deterioro o fallo de la grasa. Tabla de averías más comunes y sus posibles causas Problema Flujo de aire bajo

Flujo de aire alto

Causa A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. A. B. C. D.

La presión estática del sistema es mayor que la calculada. La velocidad del ventilador es menor que la calculada Las compuertas no están adecuadamente ajustadas Conexiones deficientes o abruptas en los ductos de succión o descarga Fugas de aire en el sistema Rotor dañado Rotación equivocada Filtros sucios Ajuste incorrecto de los conos de succión. Obstrucción de la succión. La presión estática del sistema es menor que la de diseño. La velocidad del ventilador es mayor a la de diseño. Filtros o rejillas sin colocar en su lugar. Las compuertas no están adecuadamente ajustadas. 42

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Vibración y ruido

Calentamiento excesivo en rodamientos

Calentamiento de la transmisión

A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. K. L. M. N. A. B. C. D. E. F. G. H. A. B. C. D.

Potencia excesiva

A. B. C. D. E.

El ventilador no opera

A. B. C. D. E. A. B. C. D.

Sobrecarga del Motor (Calentamiento y/o alto

Desalineamiento en chumaceras, coples o transmisión. Cuerpos extraños causando desbalance al rotor. Cimentación deficiente. Rodamientos gastados. Rotor o motor dañado. Opresores y tornillos rotos o flojos. Flecha de la hélice o del motor vencida. Rotor o motor desbalanceado. Velocidad demasiado alta o sentido de giro equivocado. Componentes o partes sueltas o flojas. Vibración transmitida al ventilador procedente de otro equipo. Rotor rozando con alguna pieza. Bandas demasiado flojas o demasiado tensas. Instalación forzada o estructura torcida. Excesivo o escaso lubricante en los rodamientos. Alineación defectuosa. Flecha vencida. Empuje axial anormal. Suciedad en rodamientos. Tensión excesiva en las bandas. Vibración excesiva. Temperatura del aire mayor a la de diseño. Tensión incorrecta en las bandas Incorrecta alineación de la transmisión. Mal diseño de la transmisión. Transferencia de calor de los rodamientos a la transmisión. Velocidad del ventilador más alta que la del diseño. La densidad del aire es más alta que la del diseño. Rotación del rotor equivocada. Presión estática menor a la considerada. Tamaño o tipo de ventilador no apropiado para la aplicación deseada. Fusibles fundidos. Bandas rotas. Polea suelta. Motor demasiado pequeño. Voltaje incorrecto. Velocidad del motor muy alta. La resistencia del sistema es menor que la calculada. Mala conexión del motor. Voltaje incorrecto. 43

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consumo de corriente)

E. F. G. H. I.

Rotación incorrecta del ventilador. Ventilador de enfriamiento desviado o bloqueado. Espacio libre alrededor del motor inapropiado. RPM del ventilador incorrecto. Suciedad en los devanados.

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Energías renovables Funcionamiento: Energía eólica: Este tipo de energía utiliza los denominados aerogeneradores, el cual hace posible la conversión de la energía cinética a la energía eléctrica. Esto es posible ya que las palas del rotor toman la energía cinética y la convierten en energía mecánica, que luego de pasar por el generador la transforma en energía eléctrica. Como primera instancia se aprovecha la fuerza ascensional del viento. Este tipo de generador puede operar óptimamente en condiciones de velocidades del viento de 11­15 m/s, al igual que a velocidades menores. Cuando el viento sopla demasiado fuerte, los aerogeneradores reducen su salida de potencia para inyectar un nivel constante de electricidad a la red. Los aerogeneradores modernos giran a baja velocidad y producen electricidad muy eficiente y silenciosa. Un generador de 1.5MW produce de 2.5 – 5 millones de Kwh. anuales de electricidad, lo cual es bastante. El rendimiento de un aerogenerador aumenta con el área de barrido de las palas del rotor y con la velocidad del viento a la tercera potencia. Por lo tanto, un incremento de la velocidad del viento de 10 % aumenta el rendimiento en un tercio. La velocidad media del viento en el lugar de emplazamiento es determinante para el rendimiento energético de un aerogenerador. Las torres altas están expuestas a mucho mayores velocidades del viento y las palas grandes captan mucha mayor cantidad de esta energía. Los aerogeneradores pueden estar emplazados solos o grupos llamados “parques eólicos”. Generalmente las unidades aisladas inyectan electricidad directamente a la red existente. Los parques eólicos tienen costos de conexión a la red normalmente más altos (líneas hacia la red de transmisión, unidades de control y estaciones en transformadoras). Actualmente los parques eólicos representan la mayoría de las nuevas instalaciones en Europa. En el mar el viento es más fuerte y constante, de ahí que el rendimiento sea alrededor de 40 % mayor que en tierra. Por eso, la mayoría de los aerogeneradores están instalados mar adentro y son prácticamente invisibles desde la costa. Los aerogeneradores offshore tienen un enorme potencial. Según los planes del gobierno alemán, a largo plazo (para 2030) los parques eólicos marítimos cubrirán hasta el 15 % de la demanda eléctrica del país con una capacidad de 25.000 MW. Actualmente la mayoría de los fabricantes está desarrollando y construyendo una nueva generación de aerogeneradores offshore más grandes y por lo tanto más económicos, con capacidades de hasta 5 MW. Los parques eólicos marítimos se construyen en profundidades del mar de hasta 30 metros o más, lo que requiere de nuevos diseños para las bases. Para conectarlos a la red, muchos parques eólicos offshore necesitan no sólo tender cables eléctricos por el fondo, del mar, sino también a lo largo de la costa para poder transportar la electricidad generada. Los parques eólicos offshore están creando nuevos incentivos para la industria y el mercado laboral, especialmente para las empresas de servicios y de suministro público que facilitan un buen funcionamiento en alta mar. Las zonas costeras económicamente débiles, donde la pesca y la construcción naval están en deterioro, serán las principales beneficiarias de este desarrollo. 45

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Hasta ahora se han construido sólo pocos parques eólicos offshore a nivel mundial, la mayoría en Dinamarca, el Reino Unido, Irlanda, Suecia y los Países Bajos, con una capacidad total de más de 1.460 MW. Numerosos proyectos en Alemania y otros países se encuentran en fase de planificación o a punto de empezar con las obras.

Energía solar: Aprovechamiento directo de la potencia del sol El aprovechamiento directo de la energía solar se divide en dos tipos: energía solar térmica (generación de calor) y solar fotovoltaica (generación de electricidad). El siguiente grupo de gráficos muestra la conversión directa de la luz solar en energía eléctrica. Células y módulos solares Las células solares convierten la luz solar en electricidad valiéndose del llamado “efecto fotovoltaico” (“foto” = luz). Hoy en día las células de silicio monocristalino o policristalino son las más usadas. En los últimos años también ha aumentado la proporción de células de capa fina en el mercado. Las células individuales se conectan eléctricamente entre sí y se encapsulan tras una cubierta de vidrio para formar un módulo solar. Sistemas fotovoltaicos En dependencia de la aplicación particular los módulos se configuran y se conectan para formar sistemas fotovoltaicos completos con inversores, reguladores de carga, baterías y otros componentes. Las instalaciones fotovoltaicas pueden ser autónomas o estar conectadas a la red. Los sistemas autónomos están concebidos para satisfacer la demanda energética de la aplicación concreta; de ser necesario almacenan la energía en baterías o la complementan con fuentes de energía adicionales (sistema híbridos). Los sistemas conectados a la red eléctrica pública inyectan la energía excedente a la red.

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Ventajas de la electricidad fotovoltaica • Generación de electricidad sin ruido ni emisiones • Amplio rango de aplicaciones, desde miniaplicaciones como calculadoras solares, pasando por hogares, hasta centrales eléctricas grandes de varios megavatios • Sin partes móviles: larga vida útil • Alta sostenibilidad ambiental: el uso y la eliminación del silicio no representan peligros para el medio ambiente

El principio de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red • Generación de electricidad: Las células solares generan energía eléctrica directamente a partir de la luz solar. • Esta energía es electricidad de corriente continua. • Conversión de la electricidad: El sistema convierte la corriente continua en corriente alterna. De esto se encarga el inversor, que también regula el modo operativo óptimo acorde con las condiciones de radiación y cuenta con dispositivos de monitoreo y protección. • Utilización de la energía: En dependencia del tipo de conexión la electricidad generada se inyecta por completo a la red pública o se usa en primer lugar para satisfacer la demanda del hogar y sólo la electricidad excedente se inyecta a la red. Comparado con los sistemas autónomos estos sistemas implican costos menores, pues generalmente no requieren almacenamiento de energía. Éste es un factor que también aumenta la eficiencia del sistema y disminuye su impacto ambiental. Las dimensiones de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son más flexibles que los de otras fuentes de energía. Ellos permiten implementar instalaciones desde 100 vatios hasta varios megavatios. 47 Universidad de Santiago de Chile

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Por ejemplo, si un sistema debe cubrir la demanda anual de una familia de cuatro personas a 5 personas, el sistema fotovoltaico deberá tener una capacidad de 3,5 a 4 kWp. Esto implica una superficie de generador solar de alrededor de 35 a 40 m2. Sin embargo, un hogar que cuente con equipos de bajo consumo, necesitará un sistema de aprox. sólo 2 kWp (20 m2). Opciones de montaje Una instalación fotovoltaica ofrece numerosas opciones de montaje: en tejados, integrada en techos o fachadas de edificios, sobre tejados planos, como cubierta semitransparente, como combinación de sistema de protección solar y generación de electricidad fotovoltaica, montaje libre sobre soporte o en pantallas acústicas y techos de andenes en estaciones de ferrocarril. Las empresas alemanas suministran sistemas robustos, fiables y probados para una amplia gama de aplicaciones que también se destacan desde el punto de vista arquitectónico.

Suministro fiable con la fotovoltaica Por razones de seguridad y para evitar una operación aislada incontrolada, actualmente los sistemas fotovoltaicos conectados a la red tienen que desconectarse de ella en caso de corte de corriente. Sin embargo, un sistema conectado a la red también puede ser modificado para funcionar como suministro de emergencia en caso de corte de corriente (p.ej. por tormentas o inestabilidad en la red).

Lo más común de las energías renovables es su afán de convertirlas en energía eléctrica, lo cual proporciona varias facilidades a la vida humana. En una central solar, la luz del sol incide sobre varios espejos orientables (helióstatos) y se refleja, de manera que converge hacia la caldera (utilización de vapor para accionamiento de turbinas para la 48

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generación de electricidad) en la que el agua se caliente y se transforma en vapor, utilizado para mover una turbina y mediante un generador se produce la energía eléctrica que un transformador se encarga de hacer llegar a las respectivas redes eléctricas domiciliarias o donde se quisiese llevar esta energía. En su retroalimentación, el vapor luego de pasar por la turbina se convierte en agua liquida, donde una bomba impulsa el agua de nuevo hasta la caldera.

Suministro eléctrico de instalaciones técnicas: Muchas instalaciones técnicas se encuentran en zonas alejadas de las redes eléctricas y requieren un suministro eléctrico autónomo. En estas áreas remotas los sistemas fotovoltaicos suministran electricidad a las instalaciones técnicas de manera fiable. Una gran variedad de sistemas pueden ser alimentados por módulos solares con baterías recargables y reguladores de carga, por ejemplo: • Transmisores o amplificadores de señal (radio, TV) • Redes de telefonía celular, comunicaciones • Señalización (ferrocarriles) • Estaciones de medición • Sistemas de monitoreo (conductos) • Balizas de navegación para barcos Para todas estas aplicaciones existen sistemas de alta fiabilidad y bajo mantenimiento.

Cabina telefónica

Estación

Paso a nivel

Faro

Teléfono de emergencia

Monitoreo 49

Señalización Universidad de Santiago de Chile

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De medición

Control de tráfico

de conductos

Transmisor

Control del nivel Del agua

ferroviaria

Estación de tele_ comunicaciones

Farola solar

Calor solar: Solar Millenium AG Grammer Solar + Bau GmbH Wagner & Co, Cölbe RWE Schott Solar Sunset Energietechnik GmbH El sol es una fuente inagotable de energía que suministra en sólo 15 minutos tanta energía como la que actualmente consume toda la humanidad en un año. Los colectores solares convierten los rayos del sol eficientemente en energía térmica aprovechable. Dado que la radiación solar y las necesidades de calor raramente coinciden en el tiempo, las instalaciones solares térmicas almacenan la energía hasta que se necesite. Colectores y absorbedores El absorbedor es el elemento clave en todo colector. Su tarea es absorber tanta radiación solar incidente como sea posible y convertirla en calor, reflejando la menor cantidad posible de radiación. Colectores para todas las aplicaciones 50

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Para calentar piscinas se usan placas negras de plástico como colector. Para el agua caliente sanitaria y la calefacción de espacios se requieren temperaturas más altas, que se logran con colectores planos vidriados y colectores de tubos de vacío con capas de absorción selectivas. Estos colectores pueden utilizar hasta el 90 % de la luz solar disponible y sus pérdidas térmicas son inferiores a 10 %. Una cubierta de vidrio y una carcasa (por Ej. de aluminio) con aislamiento térmico reducen las pérdidas térmicas del colector plano y contribuyen a una alta eficiencia. Los colectores de tubos de vacío reducen las pérdidas aún más gracias al vacío creado en los tubos de vidrio. Esto los hace aptos tanto para calefacción como para generar calor de procesos. Campos de aplicación Las instalaciones solares térmicas pueden emplearse en cualquier parte del mundo, incluso en zonas de bajos niveles de radiación y pocas horas de sol. Estos sistemas son robustos y pueden adaptarse a las necesidades individuales del usuario. Los sistemas con circulación por gravedad, por ejemplo, no necesitan bombas y, por lo tanto, pueden emplearse también en regiones remotas, alejadas de la red eléctrica pública. Las instalaciones solares térmicas reguladas con circulación forzada, en cambio, se emplean generalmente cuando se integra la tecnología solar en los sistemas de servicios de edificaciones más complejas para agua caliente sanitaria y apoyo de la calefacción de espacios. Las instalaciones solares térmicas de gran capacidad se emplean para alimentar sistemas de aire acondicionado. Las dimensiones de las instalaciones varían de acuerdo con la aplicación, desde un par de metros cuadrados para agua caliente de viviendas unifamiliares, hasta miles de metros cuadrados para apoyar la calefacción de bloques de vivienda. Actualmente la tecnología ofrece soluciones para cualquier aplicación deseada del calor solar, desde cocinas solares hasta desalinización de agua de mar. Las ventajas del usuario: • Reducción del consumo de energía fósil • Considerable ahorro visible en las facturas de la calefacción convencional • Mayor predecibilidad de los costos de calefacción • Generación autónoma de energía: reduce la dependencia de energía importada • Contribución directa a la reducción de emisiones de CO2 • Tecnología probada y fiable con soluciones disponibles • Contribución al mercado laboral y desarrollo locales

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Agua caliente sanitaria y calefacción: Agua caliente sanitaria (ACS) Casa unifamiliar independiente Ésta es la aplicación de la energía solar térmica más difundida en todo el mundo. En Europa estos sistemas se diseñan normalmente para cubrir el 100 % de la demanda de agua caliente en verano y del 50 al 70 % de la demanda anual. Una instalación solar térmica típica consta de una superficie de colectores de 3 a 6 m2 y un acumulador de 200 a 400 litros. Sistemas con circulación forzada La energía térmica captada por el colector es transferida a un medio caloportador y bombeada hacia el acumulador. Gracias a esto se puede instalar el acumulador incluso en el sótano, lo que facilita la integración de la producción de calor solar y convencional. Un regulador monitorea y controla el sistema para garantizar que haya siempre suficiente agua caliente disponible. Sistemas termosifón Los sistemas termosifón tienen un diseño muy simple y se emplean preferentemente en regiones donde no hiele. 52

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Los líquidos calientes son menos densos que los fríos y, como consecuencia, el medio caloportador circula por gravedad del colector hacia el acumulador situado arriba de él. Al no tener bombas ni regulador los sistemas termosifón no necesitan energía eléctrica. Sistemas grandes para agua caliente sanitaria Los sistemas grandes para ACS de bloques de apartamentos, hoteles, hospitales y semejantes tienen generalmente superficies de colectores entre 10 y varios cientos de metros cuadrados. Normalmente están diseñados para una menor cobertura solar de la demanda de agua caliente y, por lo tanto, son muy eficientes. ACS y calefacción combinadas En los sistemas combinados la instalación solar apoya el suministro de agua caliente y la calefacción convencional. Esto hace posible ahorrar una mayor proporción de energía convencional. En Europa los sistemas para casas unifamiliares tienen generalmente superficies de colectores entre 7 y 20 m2, acorde con su demanda, y un acumulador de 300 a 2.000 litros. En los últimos años se ha incrementado el uso de acumuladores combinados (con depósito de ACS integrado), ya que son compactos y fáciles de instalar.

Energía solar para calefacción a distancia Las instalaciones solares grandes también pueden inyectar calor solar a las redes de calefacción a distancia. Los edificios conectados a la red almacenan el calor en acumuladores intermedios antes de transferirlo al ACS o a la calefacción. Los sistemas de calefacción a distancia con almacenamiento estacional logran incluso mayores rendimientos solares. Éstos usan el calor captado en verano para calentar grandes depósitos de agua y en invierno lo usan para calentar las viviendas conectadas a la red. El sistema más grande de este tipo que existe actualmente tiene una superficie de colectores mayor de 18.000 m2 y depósitos con una capacidad de hasta 20.000 metros cúbicos.

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Refrigeración solar:

Aire acondicionado solar La tecnología solar puede contribuir considerablemente al acondicionamiento del aire si el calor captado por el colector se usa como fuente de energía para la producción de aire frío. Una de las ventajas principales de esta tecnología es que la demanda de refrigeración coincide con la radiación solar, lo que evita tener que almacenar calor o frío. Además de un ahorro de combustible fósil, esto también significa que se puede reducir la demanda pico de electricidad durante el verano. Tecnología Para la refrigeración solar se usan principalmente dos sistemas. Sistemas abiertos Normalmente los sistemas abiertos emplean una combinación de deshumidificación del aire por absorción y refrigeración por evaporación, que se usa en los sistemas de ventilación para tratar el aire. El acondicionamiento del aire basado en la absorción es una tecnología ya madura. En los sistemas abiertos tanto el aire de salida humidificado como el de entrada actúan como refrigerantes. Un proceso de recuperación de calor sopla el aire acondicionado directamente a la habitación con una temperatura mínima entre 16 °C y 18 °C.

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Sistemas cerrados En comparación con los sistemas abiertos los enfriadores a base de calor (por absorción o adsorción) se parecen mucho a los sistemas de compresión de vapor en cuanto a su integración en edificios. Los enfriadores suministran agua fría a temperaturas entre 6°C y 20°C, por lo que pueden usarse tanto en sistemas centralizados de aire acondicionado como en sistemas con tratamiento de aire descentralizado (como fan coils y techos refrigerantes).

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Generación de electricidad con energía solar térmica: Las centrales termo solares aprovechan la radiación solar concentrándola en colectores. Las altas temperaturas así generadas se usan para accionar motores convencionales como turbinas de vapor o de gas y motores Stirling. Las centrales termo solares pueden estar destinadas a la generación pura de electricidad o a la generación combinada de electricidad y calor de procesos (temperaturas entre 400 y 1.000 °C). La combustión adicional de carburantes fósiles y/o el empleo de sistemas de almacenamiento térmico garantizan la disponibilidad constante de electricidad de estas centrales. De esta manera se puede garantizar el suministro de electricidad en todo momento. Los lugares idóneos para aplicar esta tecnología son las zonas desérticas del planeta entre los 40 grados de latitud y el Ecuador, ya que los espejos pueden concentrar sólo la radiación directa. Desde finales de los años 90 las leyes de inyección de energía de los países del sur de Europa y los EE.UU. así como los fondos de desarrollo del Banco Mundial han reabierto el mercado para la tecnología de centrales termo solares. Desde 1990, en el Desierto de Mojave, California, operan centrales de colectores cilindro­parabólicos con una capacidad total de 254 MW que hasta ahora han producido más de 12.000 millones de Kwh. Ahora, las empresas e institutos de investigación alemanes se han convertido en líder en planificación de proyectos y desarrollo de la tecnología de centrales eléctricas y colectores solares. Los próximos de 550.000 m2 de la central termo solar ANDASOL, en España, serán equipados con tecnología alemana de colectores.

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Bioenergía: La diversidad de la bioenergía

Ventajas de la bioenergía • La bioenergía es almacenable y de disponibilidad flexible, 59

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O sea, puede disponerse de ella en todo momento para satisfacer diferentes demandas, tanto las fuentes primarias, como la madera, como los productos intermedios o finales, como el biogás y el bioetanol. • Prácticamente todos los países disponen de biomasa utilizable. • El uso de biomasa alivia los problemas de eliminación de residuos municipales y al mismo tiempo suministra energía. • Las regiones agrarias se benefician doblemente de la bioenergía, ya que crea y asegura empleos en la agricultura y silvicultura y en todo el proceso de conversión de la bioenergía. Los cultivos energéticos también representan una nueva actividad comercial para los agricultores. • El uso de la bioenergía descentraliza la producción de energía y crea un ciclo de materiales y energía. • Gracias a su balance de CO2 neutral la bioenergía no contribuye al efecto invernadero, ya que emite la misma cantidad de dióxido de carbono que las plantas absorbieron previamente durante su crecimiento. ¡Para el balance de CO2 no hace ninguna diferencia si la madera se descompone en el bosque o si se aprovecha para producir energía! Clasificación del aprovechamiento de la bioenergía Para el aprovechamiento de la bioenergía se dispone de numerosas fuentes energéticas que difieren en cuanto a sus formas de suministro, sus características combustibles y sus posibilidades de uso. A partir de la biomasa se pueden producir combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

La madera es el combustible más importante para la calefacción. Gracias al desarrollo de sistemas de alta tecnología en los últimos 20 años la combustión de madera para producir calor se ha vuelto una opción ecológica, de poco olor y económica. Los fabricantes alemanes ofrecen una amplia gama de sistemas altamente desarrollados y probados: calderas de astillas y pellets de madera, calderas de gasificación de madera y estufas de leña. Tanto la madera forestal, como la residual de la conservación del paisaje e industrial se pueden usar como combustible. En dependencia del sistema de calefacción se pueden usar astillas, pellets o leña. Las astillas se pican con cortadoras móviles o estacionarias y tienen aproximadamente el tamaño de una caja de fósforos. Los pellets se producen en prensas industriales y son pequeños y cilíndricos 60

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Calderas de astillas de madera Las calderas de astillas disponibles actualmente en Alemania tienen potencias entre 10 Kw. y varios MW. Ellas transportan las astillas automáticamente desde el silo de combustible hasta la cámara de combustión por conductos especiales. Calderas de pellets de madera Las calderas modernas de pellets se usan para potencias menores de hasta 50 kw y tienen una eficiencia superior al 90 % y una capacidad de carga parcial de hasta 20 %, por lo que ofrecen un gran confort térmico. Las estufas de pellets se instalan en hogares y se alimentan manualmente. Los sistemas de calefacción central de pellets alimentados desde un almacén pueden suministrar calor de forma completamente automática incluso a edificios relativamente grandes.

Calderas de gasificación de madera Las calderas de gasificación de madera modernas alcanzan una eficiencia de combustión superior al 90 % gracias a su combinación de control electrónico y cámaras separadas de gasificación y combustión. Para almacenar la energía se usan acumuladores intermedios.

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Plantas de biomasa: Bioenergía para electricidad y calor Electricidad y calor a partir de biogás El biogás es un subproducto natural de bacterias que se alimentan de biomasa. El biogás se libera durante la fermentación anaeróbica (sin oxigeno) y puede almacenarse en tanques hasta ser necesitado. Las plantas de cogeneración usan biogás para producir electricidad y calor. Desde el principio de su desarrollo las empresas alemanas fueron pioneras en este campo e impusieron estándares tecnológicos. Para la generación de biogás se puede usar una amplia variedad de sustancias orgánicas como fuente primaria, como estiércol y otros residuos animales, cultivos energéticos, residuos orgánicos y naturales agrícolas y forestales y restos de comida y residuos orgánicos procedentes de la industria y el comercio. El estiércol fermentado: un mejor fertilizante Como fertilizante es mejor usar estiércol fermentado, porque se puede esparcir durante la fase de crecimiento de las plantas, ya que no tiene el efecto corrosivo del estiércol fresco, de manera que las plantas pueden absorber los nutrientes rápidamente y se minimiza el impacto de nitratos en las aguas subterráneas. Electricidad y calor a partir de biomasa sólida A través de la combustión de biomasa sólida se generan electricidad y calor. La industria alemana ofrece un gran número de opciones tecnológicas maduras y probadas para la generación de electricidad a partir de biomasa. Un método común es usar el calor resultante de la combustión de madera para generar vapor con el fin de accionar una turbina. De ser necesario, se puede condensar el vapor después de pasar por la turbina para extraer calor del él. Las empresas alemanas también ofrecen una amplia gama de tecnologías innovadoras como el ciclo orgánico de Rankine (ORC) y los motores Stirling. Gracias a la investigación y el desarrollo Alemania ha progresado durante muchos años en todas estas áreas, lo que actualmente le permite exportar tecnología probada.

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Biocombustibles Actualmente los biocombustibles más importantes son el biodiesel y el bioetanol y se están desarrollando aplicaciones para biocombustibles sintéticos, aceites vegetales y biogás. Como fuente primaria para el biodiesel pueden usarse partes de plantas que contienen grandes cantidades de aceite, como semillas de colza, cáñamo o girasol, frutos de palma, soja y nueces. El 64

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bioetanol se produce a partir de biomasa rica en azúcares o almidón. Los biocombustibles se emplean principalmente para el transporte. En Alemania existen ya más de 1.900 gasolineras con biodiesel, o sea, una de cada ocho gasolineras es de biodiesel. En 2007 la producción de biodiesel en Alemania ascendió a alrededor de 3,3 millones de toneladas, la de bioetanol a 470.000 toneladas y la de aceite vegetal a 840.000 toneladas. En este año los biocombustibles cubrieron el 7,3 % del consumo total de combustible primario. Las ventajas de los biocombustibles: • Su almacenamiento y manipulación son menos peligrosos que los de los combustibles convencionales, tanto para personas como para el medio ambiente. Los accidentes o derrames mayores son casi inofensivos desde el punto de vista ecológico, ya que los biocombustibles se disuelven relativamente rápido en la biosfera. • Ahorran caras importaciones de petróleo crudo. • La combustión de biocombustibles, como la biomasa sólida y gaseosa, tiene un balance de CO2 casi neutral, por lo que no tienen un impacto adicional en la atmósfera. • Los biocombustibles producen pocas emisiones. Bioetanol Como fuente primaria para el bioetanol se usan cultivos ricos en azúcares, almidón y celulosa. Su proceso de producción consta de las siguientes etapas: extracción de azúcar, almidón o celulosa, fermentación, destilación, rectificación y deshidratación. En Alemania la remolacha azucarera es la fuente primaria de mayor productividad con más de 5.000 Kg. de etanol por hectárea. A finales de 2007 las plantas alemanas de bioetanol tenían una capacidad de producción de 0,6 millones de toneladas. Biodiesel Para producir biodiesel, el aceite extraído de partes de plantas oleaginosas se somete a un proceso químico de Transesterificación. En su estado puro el aceite vegetal no se puede usar como combustible para motores diesel de serie, pero actualmente existen varios proyectos de investigación sobre este tema. Alemania es el líder europeo en biodiesel con más de 40 plantas de producción y una capacidad de 5,0 millones de toneladas. Las empresas alemanas investigan y desarrollan constantemente nuevas tecnologías para cada segmento del mercado de biocombustibles, lo que les permite exportar soluciones maduras y probadas.

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Energía hidroeléctrica: Aprovechamiento energético del agua Energía hidroeléctrica: una historia de éxito Los seres humanos llevan milenios accionando máquinas con la energía cinética y potencial del agua en movimiento. Hoy en día las centrales hidráulicas están destinadas casi exclusivamente a la generación de electricidad. Las centrales hidroeléctricas tienen un amplio rango de aplicaciones. Las hidroeléctricas de agua fluyente se emplean en ríos y arroyos. En las regiones montañosas pueden emplearse, además, hidroeléctricas de embalse o de bombeo. Las hidroeléctricas pequeñas tienen un rango de potencia desde unos pocos kw hasta 1 MW; las grandes pueden alcanzar potencias de hasta 5.000 MW. Estas hidroeléctricas pueden estar conectadas a la red pública u operar de forma autónoma para un abastecimiento local o regional. Tanto la modernización de hidroeléctricas existentes como la construcción de nuevas ofrecen un amplio potencial de desarrollo. Importancia y valor de la energía hidroeléctrica • La energía hidroeléctrica cuenta con una tecnología fiable que viene demostrando su eficacia desde hace muchos años. • Con frecuencia las hidroeléctricas son centrales multipropósito que contribuyen también al suministro de agua, a la producción de alimentos y/o a la protección contra inundaciones. • La energía hidroeléctrica independiza de las importaciones de combustible. • La energía hidroeléctrica contribuye a mitigar el cambio climático.

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Energía hidroeléctrica: Electricidad a partir de la energía hidráulica La energía hidroeléctrica es una tecnología madura y fiable Las hidroeléctricas convierten la energía cinética y potencial del agua fluyente en energía mecánica mediante una turbina hidráulica y la usan para accionar generadores. De acuerdo con la altura y la descarga de agua se emplean diferentes tipos de turbinas (Kaplan, Francis, Pelton u otras).

Sostenibilidad para los seres humanos y el medio ambiente La construcción y operación de centrales hidroeléctricas significa una intrusión en el entorno local. Por esta razón hoy en día se presta especial atención en Alemania al diseño de hidroeléctricas compatibles con el medio ambiente. En la planificación de proyectos se tienen en cuenta medidas de mitigación para la gestión de aguas con el objetivo de preservar la biodiversidad, como pasos de peces, así como el impacto de un embalse sobre el agua subterránea de la región.

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Hidroeléctricas de agua fluyente Las hidroeléctricas de agua fluyente aprovechan la corriente de un río o canal para generar electricidad. Por lo general estas centrales son de alturas más bajas y descargas de agua relativamente grandes que fluctúan a menudo con las estaciones. Por razones económicas estas centrales cuentan frecuentemente con esclusas. Hidroeléctricas de embalse Las hidroeléctricas de embalse aprovechan los pronunciados gradientes y la capacidad de almacenamiento de embalses y lagos de montañas para generar electricidad. Estas centrales pueden operarse flexiblemente, por lo que igualmente pueden cubrir la carga eléctrica básica o ponerse en servicio durante los periodos de carga pico. Las centrales de bombeo se emplean para almacenar la electricidad generada en periodos de poca carga y durante los periodos de carga pico sus turbinas pueden inyectar esta electricidad almacenada a la red en cuestión de minutos.

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Energía geotérmica: Aprovechamiento del calor de la tierra Energía geotérmica Alrededor del 99 % de la Tierra tiene una temperatura superior a 1.000 °C y 99.9 % superior a 100 °C. Las temperaturas de la corteza terrestre externa aumentan en un promedio de tres grados cada 100 metros de profundidad. Entre el interior y la superficie de la Tierra existe un flujo constante de calor de un promedio global de 0,063 W/m2 que calienta las capas de roca y las reservas de agua subterránea. 69

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En algunas regiones el agua caliente y el vapor se encuentran justo bajo o en la superficie terrestre en forma de aguas termales o géiseres. Hasta la fecha la energía geotérmica se ha aprovechado principalmente en zonas volcánicas, ya que aquí es donde menos hay que perforar para alcanzar las capas de roca o las aguas termales. En dependencia de las temperaturas este calor se usa para calefacción o para generar electricidad. Las ventajas de la energía geotérmica • El calor está siempre disponible, independientemente de la estación o la hora del día. • Las centrales geotérmicas pueden contribuir considerablemente al suministro eléctrico básico (carga básica). • Los sistemas geotérmicos ocupan poco espacio, ya que sus componentes voluminosos se encuentran bajo tierra. • La energía geotérmica puede aprovecharse tanto para suministrar electricidad con centrales grandes o calor local.

Calor y electricidad geotérmicos Energía geotérmica cercana a la superficie El calor que se encuentra hasta aproximadamente 400 metros bajo la superficie terrestre se usa para la calefacción, generalmente mediante bombas de calor. Sin embargo, la subsuperficie también puede usarse como fuente de energía para aire acondicionado, lo que ahorra caros sistemas de refrigeración. Los sistemas más comunes son los colectores y sondas geotérmicas y, más recientemente, los elementos estructurales de hormigón bajo tierra (pilotes energéticos).

Aprovechamiento de la energía hidrotérmica En muchas zonas de la corteza terrestre se encuentran capas de roca que contienen agua caliente o templada (acuíferos). De ser posible técnicamente, se extrae el agua caliente de los acuíferos con caudales superiores a 50 m3 por hora y por perforación por medio de bombas de extracción y se aprovecha su calor por medio de intercambiadores de calor. Por lo general luego se inyecta el agua de vuelta a la subsuperficie para compensar nuevamente su volumen de agua. En dependencia de la temperatura del agua del acuífero se puede usar el calor directamente o aumentar su temperatura con una bomba de calor. Si la temperatura del acuífero es superior a 80 °C, el calor extraído puede convertirse en electricidad. 70

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Tecnología de roca caliente seca El mayor potencial de aprovechamiento de la energía geotérmica está en el calor que se encuentra en las capas más profundas de roca caliente y mayormente seca. La tecnología de roca caliente seca (Hot Dry Rock, HDR) consiste en inyectar agua a alta presión en estas capas. Este proceso se conoce como estimulación hidráulica. El agua inyectada crea o ensancha fisuras en la roca que luego se usan como sistemas de intercambio de calor. Entre el las perforaciones de inyección y producción se crea un sistema de circulación por donde se bombea agua para calentarla con el calor de la capa de roca. Centrales eléctricas geotérmicas Tanto el calor hidrotérmico como el obtenido con sistemas HDR pueden convertirse en electricidad. En dependencia de las características del campo geotérmico se usan varios tipos de centrales eléctricas geotérmicas. Las centrales de vapor directo y de expansión instantánea se usan cuando la temperatura del fluido geotérmico es superior a 150 °C. Las centrales de ciclo binario trabajan con un fluido secundario y requieren temperaturas del fluido geotérmico de mínimo 80 °C; a temperaturas superiores aumentan su eficiencia considerablemente. Las centrales de ciclo binario pueden usar fluidos geotérmicos con altas concentraciones de gases disueltos y un alto potencial de oxidación o corrosión.

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Tipos de Energías Renovables Las energías renovables las podemos clasificar de la siguiente manera:

Energía Biomasa Energía Eólica Energía Geotérmica Energía Hidráulica Energía Solar

Biomasa La biomasa, en sentido estricto, puede definirse como el conjunto de materiales con un origen biológico próximo que son susceptibles de ser utilizados para otros fines distintos a los alimentarios. En el sentido de esta definición, quedan excluidos del término "biomasa" todos los productos agrícolas que sirvan para alimentación del hombre o los animales domésticos, así como los combustibles fósiles, estos últimos por derivar de materiales biológicos pero a través de transformaciones que han alterado muy profundamente su naturaleza. Los materiales biomásicos y, por tanto los productos de ellos derivados son de carácter renovable ya que constituyen una fase del ciclo biológico de los elementos que los integran, fundamentalmente carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Bajo un punto de vista energético, la energía que puede obtenerse de la biomasa no es sino una forma de la energía solar que, mediante el proceso de la fotosíntesis desarrollado por las plantas verdes, ha sido captada y transformada en energía química de enlace y, posteriorrnente, pasa de animales a plantas a través de las cadenas tróficas de los ecosistemas acumulándose en los compuestos de reserva, poliazúcares y grasas, de los seres vivos.

La ecuación global del proceso de fotosíntesis es la siguiente:

La anterior ecuación indica que por cada mol de CO2 atmosférico fijado por las plantas verdes, 114 Kcal de energía solar contenida en las radiaciones fotosintéticamente activas (400­700nm) se transforma en energía de enlace químico de los productos de la fotosíntesis. Son fuentes de biomasa: 73

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    

Residuos agrarios y animales Residuos forestales Residuos industriales Cultivos vegetales concretos para este fin Residuos sólidos urbanos

La biomasa cubre aproximadamente el 14% de las necesidades energéticas mundiales. En los países industrializados, sin embargo, sólo cubre de media el 3% de la energía primaria, con la excepción de los países nórdicos europeos, donde su utilización para producción de calor en centrales avanzadas es bastante común. Los países en vías de desarrollo cubren con biomasa, en este caso con consumo tradicional de leña, un 38% de su demanda energética. En algunos países de África, por ejemplo, este porcentaje se eleva al 90% Respecto a su uso en el mundo, el 75% es doméstico tradicional y el 25% un uso industrial. Actualmente, el consumo de biomasa tiene un consumo creciente enfocado a una utilización con tecnologías eficientes.

Teniendo en cuenta la definición dada de biomasa, los materiales biomásicos pueden tener los siguientes orígenes: Natural: Es la biomasa que se produce en los bosques naturales y, en general, en los ecosistemas naturales. La explotación de este tipo de biomasa por el hombre no es interesante por razones de mantenimiento del equilibrio ecológico natural si bien, incluso hoy en día, constituye la principal fuente energética de pueblos y países en vías de desarrollo. Residual: Entre las biomasas de origen residual, resultantes de la actividad humana, se pueden sub­ clasificar:      

Residuos forestales y de industrias de la madera. Residuos agrícolas. Residuos sólidos urbanos (fracciones de papel, cartón y materia orgánica) . Aguas residuales urbanas y lodos de depuradoras. Residuos ganaderos. Residuos agroindustriales (industrias lácteas, papeleras, destilerías, almazaras, conserveras,etc.)

Cultivos energéticos: Son aquellos cultivos dedicados a la producción de biomasa con fines no alimentarios. A diferencia de los agrícolas, los cultivos agroenergéticos son seleccionados en base a la producción de cantidad y no de calidad de biomasa y suelen ser especies caracterizadas por su robustez a fin de abaratar los costos de cultivo y, por tanto, el precio de la biomasa final. Los cultivos energéticos constituyen el concepto más avanzado de la biomasa al ser formas especializadas de 74 Universidad de Santiago de Chile

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transformación de energía solar. Entre las características principales de un cultivo energético se pueden citar:     

    

Crecimiento rápido y mantenido durante el ciclo vegetativo y la eficiencia fotosintética elevada. La biomasa aprovechable debe estar situada en la parte aérea del vegetal. La eficiencia de asimilación de nutrientes y particularmente el nitrógeno debe ser alta. Deben ser especies perennes, con capacidad de rebrote a partir de rizomas, tubérculos o de pies después de una corta anterior. El ciclo vegetativo debe ser lo más largo posible y abarcar desde la primavera temprana hasta el final de otoño, retornando entonces los nutrientes del vegetal que entren en período de dormancia. Durante el invierno, las partes que permanecen en el suelo deben ser capaces de resistir las heladas y las bajas temperaturas. La biomasa debe perder la mayor parte de su humedad sobre el terreno, antes de su recolección, a fin de ahorrar su conservación durante el almacenamiento previo a su utilización. Debe presentar resistencia a las plagas. Las especies energéticas deben ser muy competitivas con las malas hierbas a fin de ahorrar costes en pesticidas y evitar la contaminación del suelo, agua y atmósfera. Debe poseer una alta eficiencia en la utilización del agua y ser resistente a la sequía.

Las especies consideradas hasta el momento de interés agroenergético son:  Especies agrícolas o forestales de alta producción, que son utilizadas simultáneamente para uso agrícolas y energéticos.  Especies agrícolas o forestales cuyas condiciones de cultivo normales se cambian al objeto de especializarlas en la producción de cantidad de biomasa aún en detrimento de su calidad como tales productos agrícolas o forestales.  Especies nuevas seleccionadas exclusivamente para su uso como biomasa.En estos casos se suele precisar de un importante trabajo de selección y mejora genética, estudio de las condiciones óptimas de cultivo, productividades, etc, antes de poder ser introducidas como de interés comercial Excedentes de cosechas agrícolas: Esta fuente de biomasa se sitúa a caballo entre la biomasa residual y la energética y está constituida por aquellos excedentes agrícolas que al no encontrar posibilidad de utilización comercial en el mercado alimentario son destinados a otros usos. Así ocurre, por ejemplo, con los excedentes de maíz en Estados Unidos que se emplean para la producción de etanol combustible. La obtención de energía sigue tres procedimientos: Procesos termoquímicos: Se trata de someter a la biomasa a temperaturas elevadas. Así se tiene

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•Combustión directa de la biomasa con aire: al quemar la biomasa, se obtiene calor para producir vapor que mueva una turbina que arrastra un alternador que produce electricidad. También se aprovecha para calefacción. La biomasa debe ser baja en humedad. •Pirolisis: La combustión se realiza sin la presencia de aire. La materia orgánica se descompone, obteni endo productos finales más energéticos. Procesos bioquímicos: Ciertos microorganismos actúan sobre la biomasa transformándolos •Fermentación alcohólica: Es el proceso de transformación de la glucosa en etanol por la acción de los microorganismos. El resultado es el bioalcohol, un combustible para vehículos. En Brasil, uno de cada t res vehículos funciona con etanol extraído de la caña de azúcar. •Fermentación anaerobia: Consiste en fermentar en ausencia de oxígeno y durante largo tiempo la biom asa. Origina productos gaseosos (biogas), que son principalmente metano y dióxido de carbono. Este bi ogas se suele emplear en granjas para activar motores de combustión o calefacción Procesos químicos: En este caso en el proceso de transformación no intervienen microorganismos •Transformación de ácidos grasos: Consiste en transformar aceites vegetales y grasas animales en una mezcla de hidrocarburos mediante procesos químicos no biológicos para crear un producto llamado Bio diesel, que sirve de combustible. Como materia prima se emplean, principalmente cereales, trigo, soja, maíz ,etc. Tanto el bioalcohol, como el biogas y el biodiesel se llaman biocombustibles.En definitiva, las tres gran des aplicaciones de la biomasa son:  Para calefacción.  Para mover turbinas­generadores, es decir, para obtener energía eléctrica  Como combustible de vehículos. Es destacable el segundo punto ya que estos elementos están relacionados de manera directa con nuestra especialidad, además con el curso de maquinas mecánicas. A continuación se mostrara un esquema que indicara el fin de usa que se puede dar a los tipos de biomasa para tener en cuenta a futuro.

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Como se puede ver la biomasa se puede integrar a la producción de energía mecánica lo que nos indica que podemos obtener directamente energía eléctrica. La mayor parte de los estudios realizados sobre el futuro de la biomasa coinciden en señalar unas perspectivas favorables a corto­medio plazo para este recurso y, así, en el horizonte del año 2000, la energía de la biomasa seguirá siendo una fuente de primer orden para los países en vías de desarrollo y su contribución al panorama energético de la mayor parte de los países industrializados tendrá una línea ascendente. Estas estimaciones se hacen en base a distintas consideraciones:  Las previsiones de incremento de precios de los productos fósiles que hará más competitivos a los derivados de la biomasa.  Las ventajas medioambientales y socioeconómicas de la producción y utilización de la biomasa que, valoradas adecuadamente, deberán traducirse en una mayor competitividad de los productos derivados de la misma.  La gran variedad de productos energéticos y no energéticos obtenidos, comparable a la producida del petróleo, lo que convierte a la biomasa en la fuente renovable más versátil. 77

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 La gran importancia de los sectores de mercado en los que incide la biomasa entre los que se incluyen el energético y el de productos químicos, capaces de absorber una gran cantidad de recursos.  La enorme potencialidad de la propia biomasa y la madurez de un gran número de tecnologías de conversión, lo que coloca a la misma en una posición favorable para cubrir a corto plazo y de una manera real una fracción significativa de estos mercados, incluso en los países más industrializados.

Las tecnologías que se identifican más prometedoras figuran los siguientes: Calor.- Es el sector de más importante aplicación de la biomasa hoy en día y continuará siéndolo a corto y medio plazo. Como principales desarrollos esperados en este campo figuran los sistemas de combustión avanzada creados para la generación eléctrica. Como combustibles se emplearán la biomasa por combustión directa o bien los líquidos obtenidos por pirólisis rápidas de la misma, de características similares al fuel­oil y que, como todos los biocombustibles, tienen la ventaja de estar prácticamente exentos de azufre en su composición. Como subproducto de las pirólisis rápidas de la biomasa se obtienen pequeñas cantidades de carbón vegetal que, una vez pelletizado, podrá ser usado por la industria siderúrgica en la fabricación de diversos aceros. Eléctrico.­ La producción de electricidad es ya hoy en día una de las alternativas más rentables de utilización de la biomasa y, posiblemente, la que experimente mayor desarrollo a corto plazo. La electricidad de la biomasa se produce actualmente tanto en instalaciones descentralizadas como centralizadas y de potencias que van de 0,2 a 100 MW. El mercado potencial a corto plazo de este sector en los países en vías de desarrollo se ha estimado en torno a 120.000 MW y, en la UE, el programa ALTENER propone como objetivo la generación de 80 TW.h/año para el año 2005. Como principales desarrollos en este campo ,que contribuirán a aumentar la eficacia de generación eléctrica y la competitividad de la tecnología, figuran los sistemas de combustión más limpios y eficaces de biomasa como la combustión en lecho fluido, tanto atmosférico como presurizado, el desarrollo de la gasificación a presión y de los ciclos de gasificación integrada en ciclo combinado (IGCC) y de inyección de vapor (STIG), el desarrollo de sistemas de gasificación con vapor de agua u oxígeno que den lugar a un gas de poder calorífico medio (3000­4000Kcal/Nm3) con el que puede sintetizarse biometanol para ser utilizado competitivamente con el gasoil en motogeneradores eléctricos, que son sistemas de generación eléctrica más eficaces que la turbina de vapor; y el empleo de los líquidos obtenidos en las pirólisis rápidas tipo "flash" y "fast" de la biomasa en centrales térmicas eléctricas, en sustitución de productos fósiles, como el fuel­oil. Para ello, deberán, asimismo, ser en primer lugar mejor estudiados los procesos de pirólisis rápida que aún están en fase de predemostración. Transporte.­ Al bioetanol, aceites vegetales y derivados, se podrán unir en un futuro los productos sintetizados por hidrogenación de los líquidos resultantes de las pirólisis rápida de la biomasa de características parecidas al gasoleo, pero exentos de azufre, así como el biometanol y los tercbutileteres 78

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(ETBE y MTBE) derivados de ambos alcoholes que pueden emplearse con ventajas sobre ellos como aditivos oxigenados a las gasolinas, para mejorar la calidad de las mismas. El Programa ALTENER marca como objetivo la sustitución en la UE de hasta un 5% de los combustibles fósiles de automoción por biocombustibles líquidos en los próximos diez años, mientras que el programa de bioetanol de Estados Unidos pretende duplicar y elevar hasta unos 60 millones de hectolitros anuales la cantidad de bioetanol utilizada como combustible en USA en los últimos años de esta década. Industria Química.­Como ya se ha comentado anteriormente, la biomasa constituye una excelente materia prima para la síntesis de una gran variedad de productos utilizados por la industria. Estos productos provienen en su mayor parte de los azúcares simples obtenibles de la biomasa y. mas concretamente de la glucosa que es el azúcar mayoritario, y los niveles de su producción están íntimamente ligados a los precios industriales del azúcar y del petróleo. Por lo demás, la aplicación de la Biotecnología a la transformación de la biomasa está ofreciendo día a día nuevas posibilidades de obtención de productos, por lo que es de prever una fuerte expansión de la biomasa en este campo. Madera y producción de papel.­Por último, el sector de la madera es otro en los que se espera que la biomasa aporte nuevas posibilidades en los próximos años a través, principalmente, de la sustitución de la madera como materia prima tradicional, por otros sustratos de más bajo coste, como la biomasa de residuos agrícolas y cultivos agroenergéticos herbáceos, lo cual puede contribuir no solo a abaratar el coste de los productos finales sino también a preservar los bosques de la sobreexplotación.

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Eólica La energía eólica se origina del movimiento de las masas de aire, es decir, el viento. Al igual que la mayoría de las fuentes de energía renovables, proviene del sol, ya que son las diferencias de temperatura entre las distintas zonas geográficas de la tierra las que producen la circulación de aire. Desde el punto de vista de la energía eólica, la característica más importante del viento es su variabilidad, tanto desde el punto de vista geográfico como temporal. A gran escala, la variabilidad espacial describe el hecho de que en el mundo existen diferentes zonas climáticas, algunas con mayor disponibilidad de recursos que otras, determinadas fundamentalmente por su latitud. Dentro de una región específica, existen variaciones en menor escala, dictadas fundamentalmente por las condiciones geográficas (cercanía al mar, extensión del terreno, presencia de montañas, etc.). El tipo de vegetación también es un factor determinante. Las características topográficas, sin duda, afectan la cantidad de viento en una escala más local. Para una zona determinada, la variación temporal de largo plazo significa que la intensidad de viento puede variar en una escala de años o décadas. En la actualidad, este tipo de variaciones no es bien entendido; por lo que es difícil predecir con gran precisión el desempeño económico a largo plazo de parques eólicos. Estudios realizados en Dinamarca revelan que este tipo de variación está en torno al 9 o 10% (1). En escalas de tiempo menores que un año, las variaciones estacionales son mucho más predecibles; y dependiendo de la localidad, es posible encontrar variaciones considerables, incluso, a lo largo del día. Estas últimas son extremadamente importantes desde el punto de vista de la integración de los sistemas eléctricos. En las Figura 1 y Figura 2 se muestra un ejemplo de la variabilidad estacional y diaria del viento para una localidad de la IV región con los datos adquiridos a una altura de 10 metros.

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Lo indicado anteriormente implica que será de vital importancia la caracterización detallada del recurso eólico, para lo cual existen una serie de instrumentos prácticos y teóricos. Generalmente se debe realizar un estudio de explotación del recurso eólico, el que involucra la instalación de una o más torres de medición, dependiendo del tamaño del proyecto. Cada torre debe tener una altura mínima de 40 metros, con sensores ubicados en diferentes niveles; tres idealmente. Los sensores utilizados corresponden a anemómetros, veletas y sensores de temperatura. Además, se deben considerar sistemas de adquisición y almacenamiento de datos, sistemas de alimentación y respaldo, enlaces de radio o 81

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celular, etc. La velocidad y dirección del viento debe ser medida en base a promedios horarios de modo de poder estimar los ciclos productivos de la planta. La duración del estudio corresponde generalmente a un año e idealmente un año y medio. Este parámetro se ve muy influenciado por el tamaño del parque a instalar. El resultado del estudio es esencialmente una serie de datos de los cuales es posible determinar la distribución de probabilidad de la intensidad de viento, es decir, la probabilidad de obtener una intensidad de viento determinada durante el año. Generalmente, se obtiene que la intensidad de viento se distribuye de modo similar a una distribución de probabilidad de Weibull (ver Figura 3).

Para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones de este, puede utilizarse una rosa de vientos. En la Figura 4 se presenta el esquema típico de una rosa de vientos utilizado para estos propósitos.

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Durante la última década la capacidad instalada de sistemas eólicos a nivel mundial ha aumentado considerablemente. A fines del 2008, las instalaciones habían alcanzado los 121 GW, con turbinas instaladas en más de 60 países y donde Europa concentra el 54% de las instalaciones (2).La Figura 5 ilustra la evolución de los sistemas de generación eólica durante la última década. La generación eólica a fines del año 2008 había alcanzado una penetración de mercado equivalente al 1,3%. Dinamarca es un caso especial, ya que actualmente estos sistemas cubren cerca del 20% de la demanda.

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La tecnología se ha desarrollado rápidamente y actualmente es posible encontrar turbinas de menor costo, más potentes y eficientes. La altura de las torres ha aumentado considerablemente, al igual que el largo de las aspas; logrando una mayor utilización viento y así producir más energía. La Figura 6 muestra la evolución de los generadores eólicos en los últimos 20 años; se puede ver que actualmente existen unidades de 5 MW con torres de altura superior a 120 metros.

Desde el punto de vista operacional, la mayoría de las turbinas comienzan a generar electricidad con vientos de intensidades entre 3 y 4 m/s, la capacidad nominal se alcanza a 15 m/s y son detenidos, por seguridad, cuando el viento alcanza 25 m/s. El esquema de funcionamiento de una planta eólica es el siguiente: el viento pasa sobre las aspas ejerciendo una fuerza sobre ellas. Esto produce un movimiento de rotación el cual es amplificado mediante una caja de cambios o engranaje multiplicador que aumenta la velocidad de rotación del eje del generador. El generador utiliza campos magnéticos para convertir la energía cinética (energía mecánica) en energía eléctrica. La energía producida pasa a través de un transformador eléctrico, que eleva la tensión desde nivel de generación (cercana a 700 V) a la tensión de transmisión o de distribución (en este último caso es típicamente de 23.000 Volts). La red de transmisión o de distribución transmite la energía generada a los consumidores. Desde el punto de vista operacional, la turbina eólica puede afectar la calidad de servicio en la red eléctrica. Muchas veces el término calidad de servicio no es bien definido, pero se refiere básicamente a la cantidad de reactivos, nivel de voltaje, flickers, armónicos y regulación de frecuencia. La preocupación se ha concentrado en el potencial impacto que producen los generadores eólicos en la calidad de servicio de los sistemas eléctricos; no encontrando, en la práctica, que las perturbaciones introducidas sean significativas, incluso en sistemas eléctricos en donde la energía eólica tiene una alta presencia.

Aspectos Técnicos Una vez caracterizado el viento, se debe obtener la energía y la potencia que el sistema será capaz de generar en las condiciones dadas. En esta etapa es necesaria la utilización de otros datos como: curva de generación de la máquina, temperatura y densidad media del aire en el lugar de emplazamiento, entre otros. La energía anual generada, para un viento caracterizado por una velocidad promedio y un factor de forma, dependerá de dos variables; la potencia generada por la turbina (3) cuando ésta es expuesta a una velocidad de viento dada y la probabilidad de que, durante el año, se obtenga dicha velocidad de viento. Luego, la energía anual generada será igual a la suma de las energías generadas esperadas, para todo el rango de velocidades de operación de la máquina. Para su determinación es 84

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necesario contar con la función de probabilidad ajustada que caracteriza al viento y la curva de generación de la máquina. Para determinar la energía real generada por la turbina en el lugar de emplazamiento se debe realizar un ajuste por la temperatura promedio ambiental, altura geográfica del emplazamiento (densidad de aire) y pérdidas misceláneas. Para ello se definen tres factores: coeficiente de ajuste por altura (Ch), coeficiente de temperatura (Ct) y coeficiente de ajuste por pérdidas misceláneas (Cp). La siguiente expresión muestra como se determina la energía final generada al aplicar estos coeficientes.

En donde el coeficiente de ajuste por altura queda determinado por la razón entre la presión atmosférica promedio en el lugar de emplazamiento y la presión atmosférica promedio estándar (101,3 kPA). Del mismo modo, el coeficiente de corrección por temperatura corresponde a la razón entre la temperatura promedio estándar (20º C) y la temperatura promedio en el lugar de proyección. Finalmente el coeficiente de pérdidas misceláneas está formado por un coeficiente de pérdidas eléctricas, mantención, disposición espacial (en caso de haber más de un generador), etc. La Figura 7 ilustra la generación anual esperada ante distintas condiciones de viento para un generador de 850 kW

En la Figura 8 se muestra el factor de capacidad que alcanzaría la unidad en función del viento al que está expuesta (velocidad del viento a altura del rotor). Se concluye que la instalación se hace técnicamente atractiva para velocidades medias anuales superiores a 7 m/s, en donde la unidad alcanza factores de utilización superiores a 30%.

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Impacto ambiental Las centrales eólicas poseen grandes ventajas desde la perspectiva medio ambiental que tienen que ser consideradas durante el proceso de evaluación. El beneficio principal es el desplazamiento de generación con centrales que utilizan combustibles fósiles, pues la generación eólica está libre de emisiones de gases. Si se considera el desplazamiento de generación por una central a carbón, la generación eólica estaría mitigando, por cada MWh producido, la emisión de 0,9 toneladas de CO y 0,045 toneladas de SO .4.3 Aspectos Medioambientales Por otra parte, la instalación de sistemas de generación eólica podrían producir una serie de impactos medioambientales los que, sin duda, son considerablemente menores a los producidos por de otros sistemas de generación, pero no por ello menos importantes. El impacto generado estará determinado principalmente por el número de unidades instaladas y el tamaño de cada una de ellas. Los impactos ambientales más comunes a los sistemas eólicos pueden resumirse en: extensa ocupación de terrenos, impacto sobre la flora, impacto sobre la fauna, impacto visual, y efecto sombra.

Planificación de un proyecto La instalación de un sistema de generación eólica involucra la realización de una gran cantidad de actividades: estudios de prefactibilidad y factibilidad; obtención de permisos legales y ambientales; y desarrollo del proyecto, que entre sus fases principales considera la selección de equipos mayores, ingeniería básica, ingeniería de detalles, licitación de contratos, construcción y puesta en servicio. A 86

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continuación se describe dos actividades centrales al desarrollo de un proyecto eólico, elección del lugar y puesta en servicio.

Elección del lugar de emplazamiento y potencia a instalar Una actividad inicial central del proyecto es la selección de las áreas geográficas de interés para la implantación de la central. Esta selección debe considerar el análisis de los siguientes aspectos: intensidad y estacionalidad del viento, orografía y topografía de las localidades, sismicidad y calidad de los suelos de fundación, disponibilidad de terrenos, plan regulador, restricciones municipales, factibilidad de cambio de uso de suelos, accesos, entorno local, conflicto con terceros (agricultores, comunidades, turismo, etc.), ubicación y distancia al sistema de distribución, subtransmisión o transmisión troncal, facilidades para la construcción (energía de faenas, agua potable e industrial), e impacto medio ambiental. Además, se debe generar información estadística de base para las áreas anteriores. Con este fin se deben instalar torres de medición para evaluar la real factibilidad. Los procesos de medición se deben realizar por un periodo mínimo de un año, dependiendo del tamaño de la central a proyectar. Para determinar la potencia a instalar, se deben evaluar las condiciones de producción de electricidad de la generadora, a través de un estudio de análisis de la energía generable por la central según las características del viento en la zona y la revisión de criterios de asignación de potencia firme para estimar el impacto que la central pueda tener en su inserción en el sistema eléctrico y en la demanda propia de la zona de concesión de la distribuidora. La elección de la tecnología a utilizar en el proyecto dependerá básicamente de las condiciones atmosféricas (intensidad y estacionalidad del viento) y topográficas del terreno. Por otra parte, es relevante tener presente que los costos incrementales de las instalaciones de transmisión son decrecientes al aumentar la energía, es decir, el pago por las instalaciones en pesos por kilowatt hora ($/kWh), en función de la energía que fluye por la línea, se reduce drásticamente al aumentar la energía generable de la central. La evolución de la tecnología para el aprovechamiento de la energía eólica ha llevado a la aparición de turbinas altamente eficientes, capaces de producir energía eléctrica incluso con velocidades modestas. Los procedimientos, metodologías y requisitos técnicos para la conexión y operación de los me­dios de generación menores a 9 MW, conectados a las redes de distribución, están establecidos en la Norma Técnica de Conexión y Operación. En esta fase se deben considerar también los siguientes puntos: estimación de costos de inversión; tamaño de planta y holguras del diseño; costo de operación y mantenimiento; costo de los recursos humanos de administración, operación y mantención; impacto ambiental; potenciales certificados de carbono por tratarse de proyectos de Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL).

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Puesta en servicio y operación Otra etapa central al desarrollo del proyecto es la de puesta en servicio, en la cual se deben realizar pruebas de puesta en marcha de los equipos: pruebas de carga de los generadores; pruebas de rechazo de carga; coordinación y verificación de protecciones; verificación de aislaciones; medición de resistencia de bobinas, resistencia a tierra; medición de parámetros de calidad de servicio: potencia máxima generada, potencia reactiva, flickers, medición de armónicos; medición del factor de capacidad de la planta; etc. Los generadores cuya capacidad de generación no excedan los 9 MW y que estén conectados a las redes de distribución operarán con autodespacho. Los generadores que estén conectados al sistema eléctrico a través de instalaciones pertenecientes a un sistema troncal, de subtransmisión o adicional; y cuyos excedentes de potencia suministrables al sistema sean menores o iguales a 9 MW, podrán optar operar con autodespacho. Lo anterior implica que el propietario u operador del sistema de generación será el responsable de determinar la potencia y energía a inyectar a la 4.4.2 Puesta en servicio y operación red de distribución en la cual está conectado. Sin perjuicio de lo anterior, el propietario u operador del generador deberá coordinar dicha operación tanto con la empresa distribuidora como con el CDEC respectivo, de acuerdo a las disposiciones señaladas en el Reglamento para medios de generación no convencionales y pequeños medios de generación establecidos en la ley general servicios eléctricos. Por otra parte, los propietarios u operadores de medios de generación, independiente de su tamaño, tendrán derecho a participar de las transferencias de energía y potencia entre las empresas eléctricas que se encuentren sujetas a la coordinación del CDEC. Para tal efecto, deberán solicitar a la Dirección de Operación del CDEC que corresponda, la inclusión en el respectivo balance de inyecciones y retiros. Para la determinación del balance de inyecciones y retiros señalado, el propietario u operador del medio de generación está obligado a informar al CDEC su inyección horaria en el punto de conexión.

Geotérmica Se entiende por energía geotérmica a aquella que, aprovechando el calor que se puede extraer de la corteza terrestre, se transforma en energía eléctrica o en calor para uso humano o procesos industriales o agrícolas. La Tierra almacena en forma de calor gran cantidad de energía. Diferentes hipótesis tratan de explicar a que se deben estas altas temperaturas existentes sobre el origen y posterior evolución del planeta. Las explicaciones más convincentes atribuyen a la acción combinada de varios fenómenos naturales, entre los que adquieren especial importancia los efectos residuales de la materia incandescente que constituyó las etapas iníciales y la contribución calórica proveniente de la desintegración de elementos radiactivos de vida prolongada. La energía que llega cada segundo a la superficie de la Tierra, desde su interior, en forma de calor es de 4.2 × 1013J. En la tabla siguiente se compara con algunas de las principales transacciones de energía: la energía que nos llega del Sol, la energía liberada por los terremotos y la energía perdida por la disminución de la velocidad de rotación de la Tierra. Aunque la energía que recibimos del Sol es cuatro ordenes de magnitud superior a la geotérmica, aquí ella solo penetra algunas decenas de centímetros 88

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bajo la superficie de la Tierra. Desde un punto de vista únicamente energético, el calor que nos llega del Sol sirve para mantener la superficie del planeta a una temperatura promedio (alrededor de 15 ◦C) y es irradiada de nuevo al espacio, de manera que no interviene en los procesos energéticos que afectan al interior de la Tierra. Todos los procesos geodinámicas que suceden en la Tierra son controlados por la transferencia y generación de calor en su interior. Desde los procesos mas superficiales, hasta los volcanes, intrusiones, terremotos, formación de cordilleras y metamorfismo. El calor es el motor de la tectónica de placas, que involucra a la litosfera ya la astenosfera, y otros procesos a mayor profundidad, como los movimientos de convección en el manto y en el núcleo externo. El campo magnético de la Tierra tiene su origen en los procesos de convección del núcleo externo.

Las fuentes de la energía geotérmica son las siguientes: • Desintegración de isotopos radiactivos. Se estima que cerca del 50% del flujo total de calor procede de la desintegración de isotopos radiactivos de vida larga presentes en la corteza y el manto. Estos son principalmente los isotopos 235U, 238U, 232Th y el 40K. En la tabla 2.3 se muestran las contribuciones de cada isotopo y su contenido en los tipos de roca que constituyen la corteza y el manto. Aunque la concentración de estos isotopos es muy superior en la corteza (principalmente en la continental), el manto aporta gran parte de la energía debido a su mayor volumen. • Calor inicial: Energía liberada durante la formación de la Tierra, hace 4500 millones de a˜ nos, y que todavía esta llegando a la superficie. • Movimientos diferenciales: Energía liberada por los movimientos diferenciales entre las distintas capas que constituyen la Tierra (principalmente entre manto y núcleo). Estas responden de distinta manera a las fuerzas de marea producidas por el Sol y la Luna. Una consecuencia de este fenómeno es la continua disminución de la velocidad de rotación del planeta.

Tabla correspondiente a los orígenes del calor dentro de la tierra

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Concentración de elementos radiactivos y producción de calor según los distintos tipos de rocas

• Calor latente de cristalización del núcleo externo: Energía liberada en la continua cristalización del núcleo externo fluido (calor latente de cristalización). Como ya se ha comentado, la discontinuidad entre el núcleo interno y el núcleo externo de la Tierra se encuentra a una temperatura y presión que corresponden a las de fusión del hierro. El núcleo interno se encuentra en estado solido y el núcleo externo, en estado líquido. En la zona de transición, el fluido del núcleo externo esta cristalizando continuamente y los elementos m´ as ligeros, con menor punto de fusión, migran liberando energía 90

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gravitatoria. En este proceso, el núcleo interno (solido) aumenta su tamaño a razón de 100 m3/s y se libera energía en forma de calor.

Mecanismos de propagación del calor Los mecanismos por los que el calor puede propagarse son: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de calor a través del medio por la interacción molecular o atómica dentro del mismo. Cuando, por ejemplo, el extremo de una barra se mantiene a una temperatura superior a la del otro extremo, las moléculas del extremo «caliente» vibran con mayor36 Origen de la energía geotérmica y mecanismos de propagación del calor energía, la cual van transmitiendo a las vecinas mas lentas y estas a su vez a las siguientes m´ as alejadas del extremo «caliente». La energía de la agitación térmica se transmite a través de la barra del extremo de temperatura elevada hacia el de menor temperatura. En la convección, las moléculas del medio son las que se mueven de un lugar a otro. Es el mecanismo m´ as importante en los gases y los fluidos. Por ejemplo, cuando hervimos agua en un recipiente metálico el calor se transfiere por conducción a través de la pared del recipiente, pero en el agua, dentro del recipiente, se transfiere por convección. En la parte inferior del recipiente el agua esta mas caliente, es por tanto menos densa y fluye hacia la superficie. Al llegar a la parte superior desaloja al agua más fría que, al tener mayor densidad, desciende. Este proceso se va manteniendo, originándose lo que se denomina una corriente de convección. As´ ı, el calor se propaga con el material que va desplazándose. La convección es un mecanismo de propagación del calor mucho más rápido que la conducción. La radiación es el mecanismo por el cual el calor se transmite por radiación electromagnética. La energía se transmite sin contacto entre los cuerpos, en ausencia de un medio. Es el caso de las ondas de radio, de la luz visible, rayos X y rayos cósmicos, todas ellas radiaciones electromagnéticas que corresponden a distintos intervalos de frecuencias. Se incluye la radiación térmica que emite todo cuerpo en función de su temperatura, emisión que se produce en la banda del infrarrojo y principio del visible. En la litosfera y en el núcleo interno de la Tierra, el mecanismo de propagación de calor m´ as importante es la conducción. En cambio, en el manto y en el núcleo externo el calor se transmite principalmente por convección. Parte de la energía generada en el interior de la Tierra se consume en los procesos que suceden en su interior, el resto, una vez añadida la energía procedente de la desintegración de los isotopos radiactivos en el manto y la corteza, es la que llega a la superficie y finalmente se pierde hacia el exterior. Lo que determina el régimen térmico de una zona, y por tanto la distribución de temperaturas, es el balance entre el calor que entra en la base de la litosfera, desde el interior de la Tierra, el calor generado y absorbido en la misma, y el que finalmente se irradia hacia el exterior. Hay que recordar que el espesor de la litosfera tiene gran importancia en la distribución de temperaturas puesto que la base de la misma es, como ya se ha indicado, una isoterma de temperatura elevada (1300 ◦C). Además, el adelgazamiento litosferico facilita la llegada de magma fundido cerca de la superficie, principalmente en zonas de tectónica extensiva a través de fallas normales (extensionales). A fin de que pueda entenderse mejor la propagación de calor en la litosfera, nos detendremos algo mas en exponer el mecanismo de propagación por conducción.

Propagación del calor por conducción 91

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El calor se propaga por conducción en un material desde una zona caliente (temperatura alta) a una zona fría (temperatura m´ as baja). La velocidad a la cual se propaga en un s´ olido es proporcional al gradiente de temperatura. Supongamos la siguiente figura que tenemos a una profundidad z2 una temperatura T2 y a una profundidad menor z1, una temperatura T1. Supongamos que T2 > T1. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo y unidad de superficie desde el nivel z2 al nivel z1 es:

Donde W es el calor por unidad de tiempo y unidad de superficie y donde k es la conductividad térmica del medio. El signo negativo en la formula sirve para indicar que el calor se propaga en la dirección del eje z negativo, es decir de z2 (que esta mas caliente) a z1 (que esta a una temperatura inferior). La unidad del flujo de calor en el sistema internacional es el W/m2 y la de conductividad térmica, el W m−1◦ C−1. En la tabla siguiente se presentan valores típicos de la conductividad térmica de algunos materiales; nótese que las rocas son malas conductoras del calor dada su baja conductividad térmica. Para obtener la expresión diferencial de la ecuación anterior, consideramos que z2 − z1 es muy peque˜ no, dz, entonces la diferencia de temperaturas será dT y la ecuación queda:

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El cociente (dT/dz) se conoce como gradiente geotérmico y es un parametro que podemos medir en un pozo, a partir de medidas de la temperatura en sucesivos puntos a lo largo del mismo; para ello hay que tomar especiales precauciones para evitar la influencia de corrientes de agua subterránea que pueden perturbar la temperatura de la roca. El gradiente geotérmico puede variar de un punto a otro de la superficie de la Tierra y, como ya hemos comentado, su valor medio es de 0.02 a 0.04 ◦C/m. A partir del gradiente geotérmico, multiplicandolo por la conductividad de la roca, se obtiene el flujo de calor W. Ecuación de conducción del calor En un medio por el que se propaga calor en una dirección z, consideremos un pequeño volumen de altura dz y sección a (figura a continuación), si en este elemento se produce un cambio de temperatura dT en un tiempo dt, este cambio de temperatura depender´ a de: • El balance del flujo de calor: el que entra W(z) menos el que sale W(z+dz) del elemento. • El calor generado dentro del elemento: Ga dz. Donde G representa el calor generado por segundo en cada m3 del medio. • El calor especıfico del material.

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De manera que la cantidad de calor, por segundo, invertida en incrementar la temperatura en dT es:

Los dos primeros sumandos pueden agruparse teniendo en cuenta que:

Por lo que la ganancia neta de calor, por segundo, en este elemento de volumen es:

Si se define el calor especıfico cp como el calor que se necesita para aumentar en 1 ◦C la temperatura de 1 kg del material, se tendra que el calor por unidad de tiempo que hace incrementar la temperatura un dT en un tiempo dt es cp ¢ a ¢ dz ¢ ρ ¢ ∂T/∂t, con lo que igualando con la ganancia neta de calor en cada segundo se llega a:

Esta es la ecuación de conducción de calor en regimen no estacionario y flujo unidimensional, es decir, cuando la temperatura es solo función de la profundidad y el tiempo. Cuando se alcanza el régimen estacionario, la temperatura en cada punto no varıa con el tiempo, el primer termino es cero y la ecuación se reduce a:

El perfil de temperatura T(z), solución de esta ecuación, se llama geoterma de equilibrio. Para conocer la distribución de temperatura en una zona particular hay que resolver esta ecuación. Como se trata de una ecuación diferencial de segundo orden, se necesitan dos condiciones de contorno, que normalmente serán la temperatura y el gradiente geotérmico en la superficie; ya que son los datos que podemos medir. Si integramos la ecuación anterior, para una capa uniforme, tenemos:

que aplicada a la superficie, z=0, resulta 94

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o sea que, C0 es el gradiente en la superficie de la capa. Integrando una vez mas se obtiene:

ecuacion que, para las condiciones de la superficie, z=0, resulta:

o sea, que C1 es igual a la temperatura superficial T0 de esta capa y finalmente la expresión que representa la variación de la temperatura con la profundida es:

La utilización del recurso El uso más antiguo de los recursos geotérmicos, más precisamente de las aguas termales, tiene que ver con sus propiedades curativas (griegos, romanos, babilonios, etc.) Son famosas las termas de Vichy en Francia, Carslbad en Checoslovaquia, Carcalla en Italia. En nuestro país existen muchas localidades con aguas termales y algunas de ellas son utilizadas desde el punto de vista turístico y curativo. Son famosas las de Copahue en Neuquén, Río Hondo en Santiago del Estero, Reyes en Jujuy, Villavicencio en Mendoza, Rosario de la Frontera en Salta, etc. También son aprovechables desde el punto de vista minero, recuperándose mediante diversos procesos las sales que contienen disueltas y que en algunos casos son de alto valor comercial, como por ejemplo sales de Boro, Litio, Cadmio. No obstante, el aprovechamiento más importante de los recursos hidrotermales consiste en su utilización con fines energéticos. Además de las perforaciones de exploración, la explotación de un yacimiento geotérmico, al igual que uno petrolero, requiere de un cierto número de pozos de producción que, llegando hasta el acuífero, también denominado “reservorio”, permitan que el agua caliente o vapor suban a la superficie. Es muy importante tener en cuenta que la explotación de un yacimiento geotérmico debe efectuarse de manera tal que el volumen de agua caliente o vapor que de él se extrae, no sea mayor que la recarga natural de agua que alimenta al acuífero. Sólo bajo estas condiciones, el recurso energético puede ser considerado como una fuente de carácter “renovable”.

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Uso directo del calor Se aplica para calefaccionar viviendas u otros tipos de edificios; para procesos industriales que utilizan calor, como por ejemplo las fábricas de celulosa, papel, conservas, harinas de pescado; para el secado de frutas y vegetales en general; para calefacción de invernaderos, establos y criaderos, para piscicultura, para calentamiento de suelos de cultivos en zonas frías, para derretir la nieve de los caminos. Para cada una de estas aplicaciones es necesaria que la temperatura del agua sea adecuada. La Figura N° 3 da una idea de posibles aplicaciones según la temperatura del agua o vapor disponibles. Entre los países que utilizan el calor geotérmico para procesos industriales, agrícolas y de ambientación se pueden mencionar Islandia, Rusia, Hungría, Nueva Zelanda y otros. Uso eléctrico del fluido Consiste en la generación de electricidad mediante instalaciones similares a las usinas térmicas convencionales. La diferencia radica en el origen del vapor que mueve las turbinas que alimentan el generador eléctrico. En una usina térmica convencional el vapor “se fabrica” quemando derivados de petróleo, gas o carbón, mientras que en la usina o planta geotérmica no es necesario gastar combustible pues es provisto directamente por la naturaleza. Naturalmente este proceso no es tan simple como se menciona. En general el vapor viene mezclado con agua y ésta, a su vez, tiene disueltas sales. Será entonces necesario separar el vapor del agua para que pueda ser derivado a las turbinas.

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Hidráulica La energía hidráulica es la energía cinética del movimiento de masas de agua, o la energía potencial del agua disponible a una cierta altura. Como la mayoría de las otras energías renovables, la energía hidráulica es una consecuencia de la radiación solar. El Sol inicia el ciclo hidrológico evaporando agua de la superficie de la Tierra (océanos, lagos, etc.) que, posteriormente, al precipitar y fluir por la superficie de los terrenos es capaz de proporcionar esta energía.

Si m kilogramos se elevan verticalmente una altura de H metros la energía potencial almacenada Ep viene dada por la siguiente expresión:

Donde g es la aceleración de la gravedad. A partir de esta formula puede calcularse el limite superior absoluto de capacidad hidroeléctrica. En el mundo la precipitación anual se estima alrededor de 1017 litros, y la altura media del terreno sobre el nivel del mar es algo menos de 800 metros. La suma anual de energía almacenada es por tanto algo menos de 200.000 TWh al año. Esta energía equivale aproximadamente al doble del consumo anual de energía primaria en el mundo. Sin embargo, no existe tecnología que pueda capturar toda la cantidad de agua de lluvia que cae. Una parte del agua será siempre inaccesible y otra se evaporará antes de que pueda usarse. Si se calcula el potencial hidráulico mundial a partir del caudal de agua de los ríos puede estimarse que el recurso total es del orden de 50.000 TWh anual. Es decir, una cuarta parte del estimado a partir de las precipitaciones; pero todavía representa cuatro veces la producción total anual de todas las actuales estaciones de potencia del mundo. Un cálculo más realista debería contemplar el uso de embalses y condiciones locales como topografía de los terrenos y pluviometrías. Estimaciones actuales del potencial hidroeléctrico técnicamente explotable en el mundo sugieren una capacidad del orden de 2­3 TW, con una producción anual de 10.000­20.000 TWh. En la actualidad la capacidad de generación hidroeléctrica instalada en el mundo, sin tener en cuenta los sistemas de pequeña escala y las instalaciones privadas, es 98

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aproximadamente de 630 GW, con una producción anual de 2.200 TWh, es decir un 10% del potencial técnico explotable.

Potencial Cerca de un cuarto de la energía solar que incide sobre la tierra se consume en la evaporación de agua. El vapor de agua en la atmósfera representa, por consiguiente, un enorme y continuo almacenamiento de energía renovable. Desafortunadamente la mayor parte de esta energía no está disponible para ser usada: es reciclada en la atmósfera cuando el vapor de agua condensa para formar la lluvia o la nieve, y finalmente reradiada en el espacio. Pero una pequeña fracción, menos de un diez por ciento del total de energía circulante, permanece potencialmente disponible cuando la lluvia cae en terrenos elevados, ya que el agua situada a una cierta altura contiene energía almacenada (energía potencial gravitacional). La potencia en vatios de este recurso se estima mediante la expresión siguiente:

Donde ρ es la densidad del agua en kg/m3, Q el caudal de agua en m3/s que circula por las tuberías que la conducen a las turbinas, g la aceleración de la gravedad en m/s2 , H el desnivel en metros y η es el rendimiento del sistema. De la anterior expresión se deduce que puede obtenerse la misma energía aprovechando grandes caudales con pequeños desniveles o pequeños caudales y grandes desniveles. El rendimiento recoge las pérdidas de energía debidas al rozamiento y turbulencias del flujo del agua en los canales y tuberías. Estas pérdidas varían mucho de un sistema a otro, alcanzándose rendimientos que oscilan entre un 75% y un 95%. A estas pérdidas hay que añadir el rendimiento de los sistemas de transformación de la energía hidráulica en energía eléctrica, que aunque actualmente son muy eficientes, inevitablemente, son menores del 100%.En la figura se muestra la potencia instalada frente a la potencia instalable, para las seis grandes áreas del mundo.

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Tecnología Actualmente la energía hidráulica se destina fundamentalmente a la generación de electricidad. Las plantas hidroeléctricas actuales son el resultado de 2.000 años de avances tecnológicos, desde la rueda de madera, que convertía un bajo porcentaje de energía hidráulica en energía mecánica útil, a los modernos turbogeneradores que giran a 1.500 revoluciones por minuto y producen energía eléctrica con muy altos rendimientos. A diferencia de las otras energías renovables, la energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy bien establecida. Para transformar la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación se utilizan dispositivos denominados turbinas hidráulicas, las cuales, acopladas al eje de un generador eléctrico, le imprimen el movimiento de giro necesario para que éste produzca energía eléctrica. La tipología de las centrales hidroeléctricas es muy variada. Estas dependen de:  • • •

La altura útil del salto. La capacidad de generación. El tipo de tecnología. La localización y tipo de presa, embalse, etc.

Según el tipo de central las instalaciones hidráulicas pueden clasificarse fundamentalmente en: • Centrales de agua fluyente. • Centrales con embalse.

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Las centrales de agua fluyente aprovechan desniveles naturales del cauce de un río. Mediante una presa o un azud desvían parte del caudal del río por un canal de derivación hasta la llamada cámara de carga, donde está conectada la tubería forzada que conduce el agua con la mayor pendiente posible hacia el edificio de la central, donde se encuentran las turbinas, los generadores eléctricos y demás aparatos de regulación y control. El agua, una vez cede su energía a la turbina, se evacua por un canal de descarga devolviéndola de nuevo al cauce del río.Estas centrales se caracterizan por disponer de un salto útil prácticamente constante, y un caudal utilizado por la turbina muy variable, dependiendo de la hidrología. Por tanto, en este tipo de aprovechamiento, la potencia instalada es función directa del caudal que pasa por el río. Las centrales con embalse son aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la posibilidad de almacenar las aportaciones de agua de un río. El almacenamiento del agua se lleva a cabo mediante la construcción de un embalse o utilizando embalses construidos para otros usos, como riego o abastecimiento de poblaciones. Estas centrales pueden regular el caudal de agua que se envía a las turbinas con el propósito de adaptar la energía eléctrica producida a la demanda. En función del volumen de agua almacenado en el embalse, la regulación de la energía generada puede ser horaria, diaria o semanal. Gracias a la capacidad de almacenamiento y regulación de este tipo de centrales algunas de ellas utilizan el exceso de energía producido por las centrales térmicas y nucleares (que funcionan a ritmo continuo, ya que no pueden fácilmente regular su generación), o la energía variable generada por parques eólicos, para bombear agua desde un depósito inferior al embalse situado aguas arriba y así almacenarla en forma de energía potencial. De forma general pueden señalarse los siguientes subsistemas componentes en una central hidroeléctrica:

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• Obra civil. • Turbinas hidráulicas y transmisiones mecánicas. • Generadores eléctricos. • Subsistema de regulación y control. La obra civil se compone de forma general de

Los elementos de retención (azudes y presas), destinados a retener el cauce de un río, y los elementos de seguridad para la evacuación de caudales, integrados por aliviaderos y compuertas. • Los canales de derivación, cuya función es conducir el caudal de agua derivado hasta una cámara de descarga, pueden ser a cielo abierto, enterrados o una conducción a presión. • La cámara de carga consiste en un depósito (mucho más pequeño que un embalse) ubicado en el otro extremo del canal. Estas cámaras alimentan a las tuberías forzadas. • Las tuberías forzadas son las encargadas de conducir el agua desde la cámara de carga o desde el embalse hasta la turbina. • La edición central en cuyo interior se encuentran las turbinas, los generadores eléctricos y demás aparatos de regulación y control. Su ubicación requiere adecuados estudios topográficos, geológicos­ geotécnicos y de accesibilidad. Un elemento esencial de una instalación hidroeléctrica es la turbina hidráulica. En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas se pueden clasificar en dos grupos: • Turbinas de acción. • Turbinas de reacción. Las turbinas de acción aprovechan la presión dinámica debida a la velocidad del agua en el momento de su acción en la turbina. Las turbinas de reacción aprovechan además la presión estática al trabajar en el interior de compartimentos cerrados a presión superior a la atmosférica. Dentro del primer grupo 102

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pueden señalarse las denominadas turbina Ossberger o Banki­Michell (también conocida como turbina de flujo cruzado o de doble impulsión), la turbina Turgo con inyección lateral y la turbina Pelton. La turbina Pelton constituye la turbina de acción más ampliamente utilizada. Consta de una rueda orodete, que dispone en su periferia una especie de cucharas o álabes. El chorro de agua, dirigido y regulado por uno o varios inyectores, choca contra las cucharas en dirección tangencial al rodete y perpendicular a su eje de giro, que puede ser horizontal o vertical) provocando el movimiento de giro de la turbina.

Este tipo de turbinas se suelen emplear en centrales hidroeléctricas que disponen de un gran salto (la altura mínima de agua debe ser de 25m.), independientemente de la variación de caudal. Estas turbinas suelen proporcionar rendimientos superiores al 90% en condiciones de diseño. Dentro del segundo grupo pueden mencionarse la turbina Francis y la turbina Kaplan. La turbina Francis es la turbina más comúnmente utilizada en las actuales centrales hidroeléctricas. En la turbina Francis, que actualmente puede presentar variedad de formas, el agua es impulsada a los álabes del rodete de manera perpendicular al eje de giro (que puede ser horizontal o vertical) y expulsada axialmente en dirección paralela a dicho eje gracias a la torsión que presentan los álabes Para orientar el agua hacia el rodete existe un distribuidor de álabes fijos o móviles, y para lograr la componente radial del flujo de agua a la entrada del rodete existe una cámara (que puede ser abierta o cerrada) con forma espiral. Para mantener la diferencia de presiones necesaria para la correcta operación de la turbina existe un tubo de salida o de aspiración. La turbina Francis se adapta muy bien para distintos saltos y caudales y presenta un rango de operación considerable. Estas 103 Universidad de Santiago de Chile

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turbinas se pueden encontrar en instalaciones con saltos de 2 metros o en instalaciones con saltos de 200 metros. El rendimiento de una turbina Francis depende del porcentaje de caudal de equipamiento, es decir del caudal máximo que puede enviarse a la turbina. En condiciones óptimas de operación este rendimiento puede ser superior al 90%. Asimismo, es necesario señalar el rendimiento de las turbinas de reacción aumenta con el tamaño de las mismas. Para transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica se utilizan generadores eléctricos. El generador puede ser de corriente continua (dinamo) o de corriente alterna (alternador). Estos últimos son los únicos que se utilizan. El alternador estácompuesto de dos partes fundamentales: el rotor o inductor móvil, encargado de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina y el estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de corriente alterna típicamente utilizadas se clasifican en máquinas síncronas y máquinas asíncronas o de inducción. La mayor desventaja de los generadores síncronos es que necesitan de una batería de condensadores conectada a la salida, la cual compense la energía reactiva generada. Para la creación del campo magnético el generador asíncrono debe estar conectado a la red y tomar de ella la corriente. Los generadores síncronos necesitan que se les excite con una corriente continua, que se puede generar internamente (autoexitación) o con una dinamo auxiliar.En la mayoría de los diseños de centrales hidroeléctricas la velocidad de giro de la turbina es menor que la velocidad a la que debe girar el generador eléctrico. Por este motivo es necesario instalar una caja multiplicadora de la velocidad entre la turbina y el generador. Las centrales hidroeléctricas disponen de diversos dispositivos de regulación, control y protección adecuados al tipo de tecnología empleada y del funcionamiento previsto. Fundamentalmente controlan la turbina (caudal utilizado por las turbinas, regulación de potencia de centrales aisladas, etc.) y el generador (regulación de la tensión de generadores síncronos, batería de condensadores de grupos asíncronos, etc.). Las protecciones, que pueden ser mecánicas y eléctricas) de los diferentes subsistemas actúan cuando existe una anomalía en su funcionamiento. Actualmente existen en el mundo instalaciones hidroeléctricas cuya capacidad instalada se encuentra en el rango de unos pocos cientos de vatios a más de 10.000 MW. En función de la potencia instalada las centrales hidroeléctricas se clasifican en centrales y minicentrales, asignándose a este segundo grupo aquellas centrales cuya potencia es igual o inferior a 10.000 KVA.

Costos La energía hidroeléctrica constituye una tecnología muy conocida. Los sistemas de control del agua y los turbogeneradores para extraer la potencia constituyen tecnologías estándar. Las instalaciones existentes cubren un rango de potencia que abarca desde cientos de vatios a miles de megavatios. Sin embargo, a pesar de los datos disponibles, es muy difícil si no imposible generalizar todos los costes de las centrales hidroeléctricas. El coste de cada kilovatio­hora obtenido mediante un sistema hidroeléctrico depende del coste de la instalación, la cual debe amortizarse a lo largo de la vida; del coste de explotación; y de la energía producida, que depende en gran medida del caudal de agua en el emplazamiento (para una altura dada)El coste de la instalación depende fundamentalmente del coste de los siguientes elementos: Maquinaria (turbinas, generadores, multiplicadores, etc.), obra civil (accesos, embalses, canales, tuberías, edificaciones, etc.), sistema eléctrico (líneas eléctricas, transformadores, sistema de control, regulación y protección), e ingeniería y dirección. El coste dominante lo constituye la instalación, y una gran parte de este coste lo genera los costes de la obra civil los cuales varían 104 Universidad de Santiago de Chile

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notablemente de un lugar a otro. De media, la obra civil puede significar quizás dos tercios del coste de la instalación. Pero podría alcanzar el 80%, o solo el 25%, si la central puede hacer uso de presas existentes y embalses.Si se consideran los costes de la maquinaria como una cantidad fija para una capacidad de central dada, el costo de la instalación puede variar entre menos de la mitad y más del doble de la media. Este margen puede establecer la diferencia entre viabilidad o no viabilidad del proyecto. Los costos específicos de la instalación dependen de la capacidad instalada de la central. En la figurase muestra una estimación de los costes específicos de la instalación para el caso de minicentrales hasta 8MW de potencia instalada.

Impacto ambiental La incidencia que las instalaciones de aprovechamiento hidroeléctrico pueden tener sobre el medio ambiente hay que analizarlos desde dos vertientes: Desde el punto de vista de los beneficios que supone producir energía eléctrica disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y, por tanto. Distribución de los costes de inversión reduciendo los efectos negativos de éstos sobre el medio ambiente (emisión de CO2 y NOx, lluvia ácida, residuos tóxicos, etc.). Desde el punto de vista de la afectación al medio ambiente. Entre las posibles alteraciones del medio físico que las instalaciones hidroeléctricas pueden generar durante la etapa de construcción y la etapa de explotación se encuentran: • La inundación de extensas zonas, con el consiguiente impacto ambiental. • Pérdidas de suelo agrícola, ganadero o/y forestal por erosión e inundación. 105

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• Cortes de vías de comunicación. • Reajustes de las corrientes de agua y los efectos asociados sobre la calidad y cantidad de agua y fauna acuática. • Reducción de la diversidad biológica. • Desaparición de especies animales por degradación o destrucción de su hábitat. • Alteraciones bioclimáticas locales. • El proceso de construcción en si mismo puede causar alteraciones generales, y aunque el periodo de edificación puede durar solo unos pocos años, el efecto sobre un ambiente frágil puede ser más prolongado. Incluso la presa en si misma puede ser objeto de preocupación, tanto por su impacto visual como por la posibilidad de su fallo catastrófico. Situación actual La capacidad hidroeléctrica total instalada en el mundo es de aproximadamente 630GW. En Europa el aprovechamiento de los recursos hidráulicos representó en el año 1994 aproximadamente 299.000GWh. Francia es el país que lidera en Europa la producción de energía hidráulica, mientras que España ocupa el quinto lugar. A finales de 2002, la potencia total de las centrales mini­hidráulicas en la Unión Europea era de 10.500MW, de los que el 87% provenía de cinco Estados Miembros (Italia, Francia, España, Alemania y Suecia). Estas instalaciones tienen más de 40 años, por tanto, si se llevase a cabo un programa de renovación de las mismas podría alcanzarse la cifra de 12.000MW en el año 2010.

Solar La energía solar se obtiene mediante la captación de la radiación emitida por el sol. La cantidad de radiación solar recibida depende de numerosos factores aunque nuestro país se encuentra en una situación ventajosa respecto a otros por su especial climatología, con un elevado número de horas de sol percibidas anualmente. Las condiciones climáticas son idóneas, 4kWh/m2 de energía solar de media por año. A pesar de ello, es necesario destacar que la emisión de radiaciones solares es un proceso con grandes variaciones, en muchas ocasiones no previsibles, que conllevan cambios bruscos. Además las necesidades de calor son inversamente proporcionales a la cantidad de radiación solar emitida, con exceso de radiación en verano y escasez en invierno, que es cuando la necesidad de calor es mayor. Para que el uso de la energía solar sea una alternativa energética viable es preciso garantizar el suministro necesario mediante una mejora de los sistemas de captación, acumulación y distribución. El nivel técnico actual de dichos sistemas es muy elevado habiéndose desarrollado grandes avances en todos los campos. Se puede afirmar que las posibilidades técnicas de la energía solar están en un orden muy superior al aprovechamiento actual que se está haciendo de este tipo de energía. Además, la

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energía solar puede perfectamente ser complementada con otras energías renovables o convencionales lo que haría que se redujesen las necesidades de acumulación en períodos de escasa radiación solar. La energía solar se puede aprovechar de dos formas diferentes, o bien de una manera directa, aprovechando la generación de calor mediante captadores o colectores térmicos , o bien transformándola en energía eléctrica gracias a los paneles fotovoltaicos. Estas dos formas de aprovechamiento determinan los dos tipos de energía solar : Energía Solar Térmica y Energía Solar fotovoltaica. Estos dos tipos de energía solar tienen procesos de desarrollo muy diferentes tanto en lo que se refiere a la tecnología empleada como en lo relativo a su aplicación posterior en los edificios. ENERGIA SOLAR TERMICA La energía solar térmica aprovecha directamente la energía emitida por el sol. Su calor es recogido en colectores líquidos o de gas que son expuestos a la radiación solar absorbiendo su calor y transmitiéndolo al fluido utilizado. Este calor acumulado se puede utilizar directamente o puede ser empleado para la generación de electricidad, esta diferencia en el proceso nos permite distinguir entre los dos tipos de Energía Solar Térmica, dependiendo de si utilizan o no elementos mecánicos para conseguir el efecto térmico. Energía solar térmica pasiva La energía solar térmica pasiva nos permite producir energía sin necesidad de utilizar ningún medio mecánico. El proceso térmico pasivo es un proceso totalmente natural en el que el sol se emplea para el calentamiento del agua circulante por conductos o placas que posteriormente es utilizada para la climatización de ambientes o el agua caliente sanitaria, tanto a nivel doméstico como industrial. El agua caliente se aprovecha directamente o se almacena en un depósito para su posterior uso.

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La energía solar térmica es uno de los pilares de la Arquitectura Bioclimática que utiliza los recursos solares combinados con parámetros de diseño y elección de materiales para conseguir el máximo confort ambiental con el menor consumo de energía. El coste de la instalación de este tipo de energía no resulta elevado (puede suponer un 10% de sobrecoste en la instalación) y se amortiza en poco tiempo debido al gran ahorro energético que supone (hasta un 70% durante su vida útil). Es la energía renovable con menor impacto en el medioambiente. En el horizonte del año 2010 se proyecta duplicar la utilización de la energía solar pasiva y se sigue investigando a todos los niveles para su futuro desarrollo y aplicación en los edificios. Aplicaciones: Calefacción Agua Caliente Sanitaria Refrigeración Climatización piscinas, etc. Energía solar térmica activa    

La energía solar térmica activa obtiene electricidad a partir de una serie de tecnologías que permiten la transformación del calor obtenido por la radiación solar. La radiación solar directa se concentra por diversos métodos en las centrales solares obteniéndose calor a media o alta temperatura.

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El funcionamiento consiste en concentrar la luz solar mediante espejos (helióstatos), cilindros o discos parabólicos para alcanzar altas temperaturas (más de 400 º C), que se utilizan para generar vapor y activar una turbina que produce electricidad por medio de un alternador. En este proceso no se producen las emisiones contaminantes de las centrales térmicas convencionales. Existe la posibilidad de almacenar el calor solar recogido durante el día para que durante la noche o cuando está nublado se pueda continuar generando electricidad. La inversión que hay que hacer en este tipo de instalaciones es elevada y la técnica se encuentra en experimentación aunque se trabaja en su aplicación y desarrollo y existen ejemplos notables en España como el de la Plataforma Solar de Almería. Aplicaciones: Obtención de agua caliente Combustible de calefacción ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA  

La energía solar fotovoltaica se basa en el efecto fotovoltaico que transforma la energía solar en energía eléctrica por medio de células solares, elemento base. Esta transformación se produce sin mecanismos móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas, se podría afirmar que es una de las energías renovables con más proyección de futuro por su sencillez técnica.

Las células solares están elaboradas a base de silicio puro, material cristalino semiconductor, con adición de impurezas de ciertos elementos químicos; dispositivos sólidos excitables al recibir la luz solar y que son capaces de generar pequeñas cantidades de electricidad debido al flujo de electrones del interior de los materiales y la diferencia de potencial. Las células reaccionan tanto con luz solar directa como con luz difusa por lo que pueden seguir produciendo electricidad en días nublados. 109

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Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles se orientan hacia el sur para un mayor aprovechamiento de la energía solar que, una vez captada, se transforma en energía eléctrica en forma de corriente continua con conexión a un sistema de almacenamiento (baterías). Actualmente existen dos formas de utilización de la energía fotovoltaica: 

Autoconsumo ­ La instalación es un elemento no conectado a la red pública y sirve para abastecer a una vivienda aislada utilizándose la producción eléctrica para el autoconsumo. El usuario accede a su propia energía de manera independiente con sus propias baterías acumuladoras para períodos de no radiación. Se pueden contemplar también en estos casos el uso de energías complementarias para garantizar el suministro energético.

Integración en la red eléctrica ­ La instalación solar se conecta a la red eléctrica pública permitiendo esta conexión el intercambio de energía con la red eléctrica con la aportación de excesos a la misma y su utilización en períodos de menor producción. Algunas ventajas de las instalaciones de energía solar fotovoltaica 

La tendencia actual es a una mejora de los rendimientos de las células energéticas con una creciente disminución de los costes por lo que resulta una alternativa viable a otras fuentes energéticas.

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Es previsible un aumento a nivel mundial de este tipo de energía por sus demostradas ventajas a todos los niveles. Pasamos a enumerar algunas de ellas: 

Gran durabilidad, resultan prácticamente inalterables al paso del tiempo.



No requieren mantenimiento.

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No producen contaminación atmosférica ni hacen ruido.



Son limpias.





No consumen combustible, se alimentan del sol. Funcionan con luz directa y difusa, por lo que siguen funcionando aunque exista nubosidad. Se pueden utilizar de forma independiente o integrada en la red eléctrica pública.



El silicio, base de las células solares, se encuentra en la arena por lo que hay abundancia del mismo.



Su facilidad de instalación permite su integración en zonas urbanas sobre edificios ya construidos.



Sus costes tienden a disminuir y lo harán más si su producción se incrementa.



Son menos antiestéticas que otras energías integrándose en los edificios de manera discreta.

A continuación se adjuntaran formulas relacionadas con celdas fotovoltaicas a modo de complementar la información además de adquirir el conocimiento en caso de enfrentarse a estos dispositivos. Ecuación característica de una célula fotovoltaica:

Tensión de circuito abierto:

Intensidad de cortocircuito: 111

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Intensidad y tensión en el punto de máxima potencia:

siendo Potencia de una célula fotovoltaica: Factor de forma de una célula fotovoltaica: Rendimiento de una célula fotovoltaica: Ecuación característica de un módulo o panel fotovoltaico:

Ecuación característica de un módulo o panel fotovoltaico: Siendo donde m es el coeficiente de recombinación de la célula (1 < m < 3); K es la constante de Boltzmann (1,38·10­23 J/K); q es la carga del electrón (1,6·10­19 C); T es la temperatura en K y Ns es el número de células del módulo.

Intensidad de corriente de polarización inversa:

Resistencia en serie: 112

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Ecuaciones de Townsend para tener en cuenta el efecto de la temperatura:

Coeficiente de variación de la intensidad de cortocircuito con la temperatura:

Coeficiente de variación de la tensión de circuito abierto con la temperatura

En esta fórmula la temperatura va en K Método simplificado para sistemas aislados:

Mínimo de los máximos de cada inclinación.

Cálculo del sistema de almacenamiento:

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