Lectura de introducción a las fuentes alternas de energía y su aplicación en la explotación agropecuaria
Autor: González Salcedo, Luis Octavio
Asesor: Ospina Bozzi, Ana Mar (Thesis advisor)
Fecha: 2012
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Módulo para las asignaturas: Construcciones Agrícolas.  Las energías alternativas, denominadas también como renovables o blandas, son consideradas fuentes energéticas limpias y alternas a las derivadas de los hidrocarburos, y a la electricidad producida en las centrales hidroeléctricas, térmicas y nucleares. Colombia es aun un país con vocación agropecuaria, con un área amplia de territorio rural, donde la utilización de estas fuentes energéticas tienen una amplio potencial de desarrollo, incluso sin la necesidad de una tecnología de avanzada para satisfacer las demandas energéticas allí presentes.

LECTURA DE INTRODUCCIÓN A
LAS FUENTES ALTERNAS DE
ENERGÍA Y SU APLICACIÓN EN LA
EXPLOTACIÓN AGROPECUARIA
Módulo para las asignaturas: Construcciones Agrícolas.
Luis Octavio González Salcedo
Profesor Asociado
Universidad Nacional de Colombia
Sede Palmira
Palmira, 2010CONTENIDO
Página
Presentación 3
1. La energía solar 5
1.1. La conversión fotovoltaica 7
1.2. La conversión fototérmica 9
1.3. La climatización y la calefacción de ambientes 12
2. La energía eólica 13
3. La energía hidráulica 17
4. La biomasa 19
5. La energia geotérmica 22
Referencias 24
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
1. Panel fotovoltaico 7
2. Radiación solar disponible en Colombia 8
3. Colector solar de placa plana, para la producción de agua caliente 9
4. Esquema de funcionamiento de un destilador solar, para la producción de agua
potable 10
5. Secador solar para frutos y semillas 11
6. Secador solar para madera 11
7. Esquema del muro solar o muro trombe 12
8. Tipos básicos de rotores de eje vertical 14
9. Aerogeneradores 14
10. Variedades de molinos para aprovechamiento de la energía eólica 15
11. Velocidad promedia anual del viento en Colombia 16
12. Rueda hidráulica impulsada por la parte superior 18
13. Biodigestor de balón 21
ÍNDICE DE TABLAS
Página
1. Guía para la selección de máquinas eólicas 15
2. Uso de la energía eólica según la velocidad del viento 17
3. Guía de selección de proyectos de energía hidráulica alternativa 19
4. Energía obtenida a partir de la producción estimada de biogás, obtenido de fuentes
animales 22
5. Energía obtenida a partir de la producción estimada de biogás, obtenido de fuentes
residuales 22
6. Guía de selección del biodigestor 22
2LECTURA DE INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES
ALTERNAS DE ENERGÍA Y SU APLICACIÓN EN LA
EXPLOTACIÓN AGROPECUARIA
PRESENTACIÓN
Las energías alternativas, denominadas también como renovables o blandas, son
consideradas fuentes energéticas limpias y alternas a las derivadas de los
hidrocarburos, y a la electricidad producida en las centrales hidroeléctricas,
térmicas y nucleares. Colombia es aun un país con vocación agropecuaria, con un
área amplia de territorio rural, donde la utilización de estas fuentes energéticas
tienen una amplio potencial de desarrollo, incluso sin la necesidad de una
tecnología de avanzada para satisfacer las demandas energéticas allí presentes.
Producción de agua caliente y de agua potable, secado de madera y otros
productos agrícolas como semillas y frutas, producción de electricidad para puntos
de luz, cercas, y bombeo de agua, y producción de biogás, son algunas de las
aplicaciones más comunes en el sector rural, a partir del uso de la energía solar,
eólica y por biomasa. A partir de la recopilación de los resultados en diversos
trabajos de grado que el Autor ha dirigido en la temática, se ha procedido a la
elaboración de este documento. Como lo indica su título, es una lectura de
introducción de las fuentes mencionadas, donde además se ha incluido las
apreciaciones generales de la energía hidráulica de micro centrales, y la novedosa
en nuestro medio, energía por geotermia, aun por explorar y desarrollar.
Este documento se ha preparado como inducción en la temática correspondiente
del curso de Construcciones Agrícolas, y como lectura de motivación para
aquellos estudiantes que buscan elaborar su trabajo de grado en el tema.
3LECTURA DE INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES
ALTERNAS DE ENERGÍA Y SU APLICACIÓN EN LA
EXPLOTACIÓN AGROPECUARIA
La energía renovable, que también es llamada energía alternativa o blanda,
engloba una serie de fuentes energéticas [Barriga 1999], que en teoría no se
agotarán con el paso del tiempo, alternas a otras tradicionales (principalmente, las
obtenidas de los hidrocarburos) [Carrillo 2009], y que producen un impacto
ambiental mínimo [Cabello 2006; Cruz et al. 2006]; sin embargo, en el sentido
estricto, algunas ni son renovables, ni se utilizan en forma blanda [Cabello 2006;
Carpintero 2006; Osorio 2008; Cabrera 2009; Duarte & Fernández 2009]. Las
fuentes alternas de energía comprenden la solar, la hidroeléctrica, la eólica, la
geotérmica, la hidráulica, y la procedente de la biomasa [Cabello 2006; Cruz et al.
2006]. Hoy en día, grandes desarrollos se han experimentado y aplicado en las
fuentes alternativas [US Department of Energy 2003; Izquierdo 2004; ANR 2006;
Osorio 2008; Nandwani 2009; Van Der Laat 2009], como por ejemplo, el desarrollo
de receptores de alta eficiencia para recolectar la luz del sol concentrada, la
producción de una turbina de viento con rotor flexible inflable, avances en
tecnologías que utilizan estanques de agua con cierto grado de salinidad y
composición mineral para absorber y almacenar energía solar, y pruebas en
estaciones de energía termales capaces de extraer calor del suelo y convertirlo en
vapor para activar turbinas.
En su tecnología más simple, las fuentes alternas son suficientes para pequeñas
aplicaciones y proyectos puntuales, que pueden abarcar un importante sector de
la producción agropecuaria en los países latinoamericanos, y en particular en
Colombia [Murcia 1995; Icontec 2004], sin dejar de ser aplicable y viable en otras
latitudes del globo terráqueo. Innumerables utilidades, pueden ser aprovechadas a
partir del uso de estas fuentes energéticas, contribuyendo a la conservación del
ambiente, y en la generación de ahorro; es así, como desarrollos han sido
aplicados en la producción de agua caliente para procesos posteriores al sacrificio
de especies productoras de carne [Pino 2005], en sistemas de calefacción para
preservar la vida de las especies pecuarias en sus primeras vidas [Lucumí &
González 2006; Arango & González 2006; Beltrán 2006], en el aprovechamiento
de residuos para la producción de gas útil en la cocción de alimentos y calefacción
[Molina & Gutiérrez 2006; Olaya 2006; Gaviria & López 2009], en el
aprovechamiento del viento para la generación de electricidad en pequeñas
cantidades pero suficiente para activar una cerca eléctrica o una bomba de agua
[Varela 2007], en el calentamiento de masas de agua almacenada para permitir el
desarrollo de la piscicultura en climas fríos con especies nativas de clima calido
4[Borja et al. 2006], en la potabilización del agua y cocción de alimentos con el calor
del sol [González & Lozano 2007], entre otros. Resalta, también, la aplicación de
los conceptos propios de la arquitectura que ha sido utilizado en los espacios
reservados para el ser humano, para desarrollar diseño bioclimático en los
alojamientos de explotación pecuaria, de tal forma que sean construidos como
sistemas pasivos para el aprovechamiento de la radiación solar, de la luz solar, y
de la ventilación natural, con una posterior incorporación de sistemas activos,
como colectares solares, turbinas eólicas, depósitos digestores de residuos, pisos
generadores de calor, entre otros [De Schiller et al. 2003; Saltarén et al. 2006;
Macias 2009]. A manera de introducción, se presentan a continuación las
definiciones de las energías alternativas, en la cual se incluye una pequeña
discusión en cada una, de su impacto ambiental.
1. LA ENERGÍA SOLAR
Es la energía radiante producida por el Sol como resultado en su interior de
reacciones nucleares de fusión y que llega a la Tierra en cuantos de energía
llamados fotones; la intensidad de la radiación solar en el borde externo de la
atmósfera se denomina constante solar con un valor promedio de 2 cal/min/cm2,
sin embargo, este valor no es constante variando en un 0.2% durante un periodo
de 30 años, y como valor disponible en la superficie es menor debido a la
interacción con la misma atmósfera, donde se presentan fenómenos de absorción
y dispersión de la radiación [Rodríguez & González 1992]. Adicionalmente,
factores como el día del año, la hora, la latitud, la altitud, las características de la
ubicación del sitio, y la orientación del dispositivo receptor, condicionan la
intensidad de la energía solar aprovechable en un punto determinado de la Tierra,
y aunque esto conlleva a que sea de una manera compleja, es predecible [BUN-
CA 2002; López & Fentanes 2003].
El Sol proporciona energía en forma directa o indirecta, es así como la existencia
de los fósiles es debida a la fotosíntesis que convirtió la radiación solar en plantas
y animales de las que se formaron carbón, gas y petróleo; ha movido el ciclo del
agua para permitir su evaporación, formar nubes y llevarla nuevamente a la tierra
en forma de lluvia o nieve, dando sustento a la obtención de la energía
hidroeléctrica; el calentamiento en mayor medida de algunas zonas atmosféricas
ha formado el viento, permitiendo obtenerse la energía eólica [López & Fentanes
2003]. El aprovechamiento energético directo de la energía del Sol se hace de las
siguientes formas:
a. Calentamiento directo de locales por el Sol [De Schiller et al. 2003; Saltarén
et al. 2006; Macias 2009]: En invernaderos, viviendas y otros espacios, se
5aprovecha el sol para calentar el ambiente; es así como algunos diseños
arquitectónicos buscan aprovechar al máximo este efecto y controlarlo para
poder restringir el uso de calefacción artificial o del acondicionador de aire.
b. Acumulación de calor solar [Sanchez 2009; Guerrero & Baona 2009]: Se
hace con paneles o estructuras especiales colocadas en lugares expuestos
al Sol, como los tejados de las viviendas, en los que se calienta algún
fluido; se usa, fundamentalmente para calentar agua, pero existen
aplicaciones para obtención de aire caliente. Una aplicación también
conocida, es la climatización de piscinas o estanques de agua.
c. Generación de electricidad [BUN-CA 2002; Cabello 2006]: Se puede
generar electricidad a partir de la energía solar por varios procedimientos.
Una forma, es a través de sistemas térmicos, en los cuales el agua es
calentada hasta el estado de vapor, generando electricidad mediante el
paso de éste por turbinas clásicas, llegándose a rendimientos de
conversión en energía eléctrica del orden del 20% de la energía calorífica
que llega a los colectores. Una segunda vía, es la conversión directa de la
luz solar en electricidad, usando el efecto fotoeléctrico, a partir del efecto
fotovoltaico producido en las células solares, generalmente de silicio, y
donde es posible obtener rendimientos entre el 10 – 15%.
En resumen entonces, tres modalidades de aprovechamiento existen: la
arquitectura solar pasiva para el aprovechamiento al máximo de la luz natural que
en asocio con la estructura y los materiales utilizados en la construcción del
espacio captura, almacena y distribuye el calor y la luz; los sistemas solares
activos, que transportan el calor (en un fluido, agua, otro líquido, o aire) desde el
punto de captación hasta el lugar donde se precisa calor o agua caliente; y las
células fotovoltaicas que aprovechan la inestabilidad electrónica de elementos
como el silicio, para provocar con el aporte de la luz solar, una corriente eléctrica
capaz de ser almacenada.
El aprovechamiento de la energía solar plantea como problemas, en absoluto
insalvables, el impacto visual de las pantallas de captación solar y el precio que
alcanzan los dispositivos tanto fototérmicos (colectores solares para obtención de
agua caliente) como fotovoltaicos (paneles solares); aun queda por investigar las
repercusiones ambientales que pueden surgir en la fabricación de los elementos
de captación solar [Osorio 2008], y puede sugerirse entonces, que su impacto
sobre el medio, evidentemente es positivo.
61.1. LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
La conversión fotovoltaica es el aprovechamiento de la energía solar para la
producción directa de energía eléctrica; es el resultado de la interacción de la
radiación solar con un material apropiado que produce únicamente corriente
eléctrica, siendo algunos materiales el silicio, el selenio, el sulfuro de cadmio, entre
otros [BUN-CA 2002; Cabello 2006]. La fotogeneración corresponde entonces, a la
acción en la cual los electrones pueden abandonar el núcleo, y esta es
aprovechada en la construcción de obleas de materiales sensibles a la radiación
solar, conformando las llamadas celdas fotovoltaicas, de aproximadamente un
vatio de potencia cada una [BUN-CA 2002; Cabello 2006]. El dispositivo para el
aprovechamiento de la conversión fotovoltaica es el panel fotovoltaico, el cual es
un tablero que posee un número de celdas ensambladas, figura 1, que permiten
potencias comercialmente disponibles de 20, 30, 40 o 50 vatios, y su eficiencia
comúnmente varía entre el 10 – 15% [BUN-CA 2002; SEI 2006].
a. b.
Figura 1. Panel fotovoltaico: a. Conjunto de células solares de un panel fotovoltaico [SEI
2006]; b. Conjunto de paneles fotovoltaicos típico [BUN-CA 2002].
Colombia posee zonas con cielos despejados, donde es posible contar con una
radiación superior a 500 vatios/m2, lo que permite una producción de 450 KV/día
usando un panel fotovoltaico de 47 vatios, con 0.38 m2 de área colectora, y una
eficiencia del 10% [Marín 2005; Tabares 2008]. Se plantea que el área de la
superficie colectora, puede ser estimada aproximadamente como [Marín 2005;
Tabares 2008]:
D
A = (1)
C O η
S
7Donde, A es el área de la superficie colectora (a sustituir con paneles
C
fotovoltaicos), D es la demanda de energía, O es la oferta de energía solar (la
S
radiación solar disponible geográficamente, para Colombia es mostrada en la
figura 2 [Flórez & Costa 2005]), y η es la eficiencia del equipo.
Figura 2. Radiación solar disponible en Colombia, en cal/cm2/día [Flórez & Costa 2005]].
81.2. LA CONVERSIÓN FOTOTÉRMICA
La conversión fototérmica es el aprovechamiento de la energía solar para la
producción de calor; es el resultado de la absorción por una superficie de la
radiación solar, y transformada en calor, el cual es transferido a un fluido, como el
agua, el aire, un aceite, o cualquier otro líquido, para su uso posterior [Lucumí
2004; Beltrán]. Sus principales aplicaciones son la obtención de agua caliente, la
obtención de aire caliente, la obtención de agua desalinizada, la calefacción de
ambientes, y la calefacción de estanques.
Un calentador solar es un dispositivo que se emplea en el calentamiento de agua
para uso doméstico, en el cual el agua fría entra al colector y se calienta [Lucumí
2004; Beltrán 2006]. Los calentadores solares incluyen los colectores, siendo una
variante el colector de placa plana, y corresponde a un tablero conformado por un
vidrio que cubre una placa, y en el medio una tubería por donde circula el agua
que entra fría y es calentada; el vidrio permite la entrada de un alto porcentaje de
rayos solares que calientan la placa por absorción, ésta emite rayos infrarrojos que
quedan atrapados en el interior del colector, calentando el agua [Seymour 1979;
Nandwani 2006]. A manera de ejemplo, se puede mencionar que un calentador de
agua de 2 m2, usado en una zona con nubosidad mínima y radiación solar
disponible entre 400 y 500 vatios/día, permite producir 150 l/día de agua caliente
[Seymour 1979; Nandwani 2006]. En la figura 3, se muestra un colector solar de
placa plana sin y con termosifón para el almacenamiento de agua caliente [Erbe
Ecotecnología 2009].
a. b.
Figura 3. Colector solar de placa plana, para la producción de agua caliente [Erbe
Ecotecnología 2009]: a. Sin termosifón; b. Con termosifón.
9Un desalinizador solar es un dispositivo en el cual se realiza una de las
aplicaciones más sencillas y benéficas de la energía solar, que permite potabilizar
el agua salada, a través de dos acciones, como la desalinización y la purificación;
su funcionamiento es muy similar al de un colector de un calentador solar, sin
embargo, en éste no se utiliza la tubería de recorrido del agua, y se llega a la
evaporación de la misma, la cual se condensa sobre el vidrio, y es recogida libre
de sal, en un depósito [Seymour 1979; Chinappi et al. 2007]. Se estima, que en
Colombia, es posible destilar entre 3 y 5 litros de agua, en los litorales, mientras
que en el interior, se puede producir alrededor de 2 a 3 litros de agua. Los
principios de funcionamiento de un desalinizador solar, son aplicados también en
la elaboración de destiladores solares, permitiendo entonces la obtención de agua
potable [Fuentes & Roth 1997], como se muestra en la figura 4 [Gudemos 2006;
Chinappi et al. 2007].
Figura 4. Esquema de funcionamiento de un destilador solar, para la producción de agua
potable [Gudemos 2006; Chinappi et al. 2007]: 1. Cubierta transparente; 2. Bandeja pintada
de negro, donde se deposita el agua contaminada para ser evaporada; 3. Bandeja para
recoger el vapor de agua condensada que cae de la cubierta inclinada; 4. Salida de agua
potable.
Los secadores solares son dispositivos empleados para el secado de granos,
frutas [Seymour 1979] y otros productos como madera y cuero [Martínez-Pinillos
1997; González & Cruz 2007], y corresponde a un colector de aire caliente, figuras
5-6 [Seymour 1979; Viehbeck 1999]. Su construcción física puede variar, pero
fundamentalmente corresponde a un colector de aire, que permite la entrada de
éste, en estado frío, y a través de un recorrido expuesto a la radiación, se va
calentando, permitiendo que el aire caliente seque los productos de interés,
retirándoles parte de la humedad [Echeverría 1985; Martínez-Pinillos 1997].
10Figura 5. Secador solar para frutos y semillas [Seymour 1979]: 1. Abertura graduable para la
entrada de aire; 2. Superficie de color negro; 3. Cubierta de cristal; 4. Capa de piedras; 5.
Visera para dosificación o corte de aire.
Figura 6. Secador solar para madera [VIEHBECK 1999].
La climatización de estanques, es una aplicación especial de la obtención de agua
caliente, en la cual el espejo de agua del estanque, funciona como un gran
colector [Borja et al. 2006]. Algunas aplicaciones, incluyen colectores de agua
caliente externos para apoyar su funcionamiento, pero de igual manera, muchos
estanques logran la temperatura deseada, con la única exposición solar,
conservando dicha temperatura mediante el uso de mantas térmicas aislantes que
cubren la superficie del estanque durante la noche [Borja et al. 2006].
111.3. LA CLIMATIZACIÓN Y LA CALEFACCIÓN DE AMBIENTES
Pilar de la arquitectura solar pasiva y de la arquitectura bioclimática, la
climatización y calefacción de ambientes es obtenida mediante el
aprovechamiento de la energía solar para calentar espacios interiores en las
construcciones o edificaciones [Saltarén et al. 2006; González 2009]. Este
calentamiento, es realizado mediante la disposición de elementos constructivos
que funcionan como sistemas de captación, de almacenamiento y de distribución
de calor [González 2009].
Un ejemplo de estos elementos es el muro solar o de trombe, el cual permite
aprovechar la energía solar en épocas de invierno, o en clima de piso térmico frío;
el muro solar capta y retiene el calor del sol, de tal forma que al permitir el paso
del aire a través del muro, éste será calentado, proporcionando calefacción a un
recinto cerrado [Seymour 1979; González 2009]. Arango & González 2006,
diseñaron un sistema de calefacción para porcinos, basado en el funcionamiento
del muro solar; en la figura 7, se muestra un esquema del muro solar o muro
trombe [Seymour 1979]
Figura 7. Esquema del muro solar o muro trombe [Seymour 1979]: 1. Panel vertical de cristal
doble orientado correctamente hacia el sol; 2. Muro de color negro para captación y
retención del calor del sol; 3.-4. Ventilación; 5. Protección contra el sol cenital.
122. LA ENERGÍA EÓLICA
Es la energía producida por el viento, la cual se deriva del calentamiento
diferencial de la atmósfera por el Sol, y las irregularidades de la superficie
terrestre, y a pesar que sólo una parte de la energía solar que llega a la tierra se
convierte en energía cinética, la cantidad total es enorme; el recurso energético
eólico es muy variable tanto en el tiempo como en su localización, y la variación
con el tiempo ocurre en intervalos de segundos y minutos (rachas), horas (ciclos
diarios) y meses (variaciones estacionales) [Cabello 2006]. La potencia de los
sistemas conversores de energía eólica es proporcional a cubo de la velocidad del
viento, por lo que la velocidad promedio del viento y su distribución en un sitio
dado, con factores muy importantes en la economía de los sistemas [Varela 2007].
El viento es un recurso con una naturaleza intermitente y variable, siendo
necesario entonces, que para su aprovechamiento sea óptimo la instalación de
dispositivos de tamaño considerable y emplazados en lugares muy expuestos al
viento, lo que trae consigo algunas contrapartidas ambientales: interrupción de la
armonía paisajística, repercusión negativa para las aves que incluso pueden sufrir
accidentes fatales en pleno vuelo, producción de ruidos, interferencias e
interrupciones en emisiones radiofónicas y de televisión, y el riesgo de accidentes
por desintegración del rotor en zonas urbanas o faunísticas activas cerca de los
dispositivos [López & Fentanes 2003]. Como efecto positivo [Espejo 2004], esta
generación de electricidad no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto
invernadero, ni a la lluvia ácida, no origina productos secundarios peligrosos ni
residuos contaminantes; a manera de ejemplo, se puede mencionar que cada Kwh
de electricidad generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de
un kilogramo de CO , entonces, generar eólicamente 20 Kw de energía limpia
2
tiene el mismo efecto desde el punto de vista de contaminación atmosférica, que
plantar un árbol, si se considera que éste es capaz de absorber 20 kg de CO
2
[Varela et al. 2009].
La energía eólica es aprovechada a través de la energía cinética proveniente del
viento, la cual es transformada en energía mecánica, para finalmente convertirse
en energía eléctrica por la producción de electricidad [Bastianón 1994]. Los
dispositivos para realizar dichas conversiones son los molinos, clasificados en
molinos de eje vertical y de eje horizontal, de acuerdo con la disposición del eje
principal, figuras 8-9; los molinos de eje vertical son maquinas sencillas
compuestas de dos o tres aspas que se desplazan en planos paralelos a la
dirección del viento, siendo conocidos los de rotor Savonius y de rotor Darrieus;
los molinos de eje horizontal son máquinas conformadas de una a 18 aspas que
reciben perpendicularmente el viento y requieren una orientación generalmente
13proporcionada por una veleta, siendo conocidos los molinos lentos multipala y los
aerogeneradores [Varela 2007]. La tabla 1, muestra una guía para la selección del
convertidor más adecuado [Varela 2007]. La figura 10, muestra diferentes molinos
de viento [Seymour 1977].
Figura 8. Tipos básicos de rotores de eje vertical [Varela 2007].
Figura 9. Aerogeneradores [Varela 2007].
14Tabla 1. Guía para la selección de máquinas eólicas.
Velocidad del viento Tipo Eficiencia Energía Potencia
[m/s] [%] producida [W]
0-2 Rotor 15 Mecánica 2-100
2-4 Molino 20 Mecánica 100-500
multipala
4-12 Eje 30 Mecánica 500-5000
horizontal Eléctrica
12-18 Aerogene- 35 Eléctrica >5000
rador
Figura 10. Variedades de molinos para aprovechamiento de la energía eólica [Seymour
1977].
El principal inconveniente de aprovechar el viento es que su potencia está
relacionada con la velocidad [Seymour 1977], siendo en algunas ocasiones poca
(cuando la velocidad del viento es muy baja) y en otras demasiada (cuando el
viento sopla muy fuerte, con fuerza vendaval). Colombia posee un régimen de
vientos considerado entre los mejores de Suramérica (figura 11 [Flórez & Costa
2006]), donde sus regiones costeras en el norte han sido clasificadas con vientos
de clase 7 que alcanzan los 10 m/s, lo que la coloca con un potencial estimado de
energía eólica de 21000 MW en el Departamento de La Guajira, suficiente para
abastecer la demanda nacional de energía [Flórez & Costa 2006]; sin embargo,
existe interés en la exploración del aprovechamiento eólico en otras regiones
diferentes al Litoral Atlántico, donde se presentan velocidades bajas,
principalmente en aquellas regiones donde existen vientos con velocidades
mayores de 3 m/s, las cuales son aptas para desarrollar proyectos individuales
para bombeo de agua y funcionamiento de cercas eléctricas [Varela 2007]. La
tabla 2, muestra el uso de la energía eólica según la velocidad del viento [Varela et
al. 2009].
15Figura 11. Velocidad promedia anual del viento en Colombia [Flórez & Costa 2006].
16Tabla 2. Uso de la energía eólica según la velocidad del viento [Varela et al 2009].
Promedio anual de la velocidad del Identificación de la posibilidad de uso
viento (m/s), medida a 10 metros de de la energía eólica.
altura.
<3 Tipo I: no es viable.
3-4 Tipo II: bombeo de agua, poco viable
para generación de electricidad.
4-5 Tipo III: bombeo de agua y generación
de electricidad.
>5 Tipo IV: bombeo de agua y generación
de electricidad con sistemas autónomos.
>6 Tipo V: bombeo de agua, generación de
electricidad con sistemas autónomos y
sistemas conectados a la red eléctrica.
Se plantea que el área necesaria de barrido por el sistema de energía eólica, es
[Varela 2007]:
D
A = (2)
E O η
E
Donde, A es el área necesaria de barrido por el sistema de energía eólica, D es la
E
demanda de energía, O es la oferta de energía eólica, y η es la eficiencia de la
E
máquina eólica.
3. LA ENERGÍA HIDRÁULICA
La energía hidráulica constituye un sistema energético de los denominados
renovables, pero merece estar en un grupo intermedio, entre las energías limpias
y las contaminantes, debido a que algunas características y circunstancias
específicas, como la construcción de presas y embalses poseen un elevado
impacto ambiental y humano [López & Fentanes 2003]. Desde el punto de vista
ecológico, esta modalidad energética es aceptable siempre y cuando se apueste
por la construcción de microcentrales, cuyo principio funcional es idéntico al de los
grandes embalses y, sin embargo, su impacto ambiental es reducido y su
rendimiento aunque menor, puede ser perfectamente almacenado y válido para el
consumo doméstico [Seymour 1977].
La energía hidráulica se fundamenta en la energía cinética contenida en el
movimiento del agua, debida a la circulación constante a través del ciclo
hidrológico, y a la energía potencial asociada a los saltos de agua; esta
combinación proporciona una fuente de energía renovable de un enorme potencial
que desde hace cientos de años el hombre utiliza para mover molinos, que hoy endía pueden ser utilizados para la generación de electricidad, dando origen
entonces, a pequeñas instalaciones hidroeléctricas que no requieren grandes
embalses reguladores [Seymour 1977]. La rueda hidráulica impulsada por la parte
superior, como se muestra en la figura 12, constituye uno de los medios más
antiguo de aprovechar la energía del agua, con un rendimiento de hasta el 70%, y
aunque su giro es muy despacio, desarrollan bastante fuerza, lo que las hace
ideales para mover ruedas de molino o de cualquier otro mecanismo [Seymour
1977].
Figura 12. Rueda hidráulica impulsada por la parte superior [Seymour 1977].
Para transformar la energía hidráulica en energía útil, se usan dos clases de
dispositivos: las ruedas y las microturbinas [Seymour 1977]. Las ruedas son
empleadas para convertir la energía cinética del agua en energía mecánica, y
posteriormente en energía eléctrica; éstas son máquinas simples que se impulsan
con bajas presiones de agua, girando de una manera lenta, generando así energía
mecánica, para posteriormente unido a un generador, se realiza la conversión
eléctrica; pueden distinguirse las ruedas de alimentación inferior, la de Poncelot, la
de alimentación superior, y la de alimentación intermedia [Seymour 1977]. Las
microturbinas, se utilizan para producir directamente energía eléctrica, las cuales
giran a gran velocidad por el impulso de un fuerte chorro de agua, razón por la
cual en su instalación necesitan de una obra civil para el correcto manejo del
caudal y de la cabeza hidráulica; son conocidas las microturbinas Pelton, Michel-
Banki, y de hélice [Seymour 1977].
18La tabla 3 es una guía para el desarrollo de un proyecto de energía hidráulica
alternativo, donde se muestra la combinación de dos variables importantes, la
cabeza hidráulica (debida a la topografía, es decir la diferencia de niveles), y el
caudal.
Tabla 3. Guía de selección de proyectos de energía hidráulica alternativa [Seymour 1977].
Cabeza Caudal Dispositivo Energía Potencia Eficiencia
[m] [l/s] producida [kV] [%]
< 0.5 10 – 25 Rueda alimentación Mecánica, 0.2 25
inferior eléctrica
< 0.5 10 – 25 Rueda Poncelot Mecánica, 0.2 50
eléctrica
2 – 5 10 – 25 Rueda alimentación Mecánica, 0.5 60
superior eléctrica
0.5 – 2 10 – 25 Rueda alimentación Mecánica, 0.2 40
intermedia eléctrica
40 – 100 10 – 25 Microturbina Pelton Eléctrica > 10 80
4 – 10 25 – 100 Microturbina Michel – Eléctrica > 10 80
Banki
< 0.5 > 100 Microturbina de hélice Eléctrica > 10 80
D
Se plantea que si <1, entonces, hay suficiente energía hidráulica, y el
O η
H
proyecto es viable; donde, D es la demanda de energía, O es la oferta de energía
H
hidráulica, y η es la eficiencia de la máquina hidráulica [Seymour 1977].
4. LA BIOMASA
Biomasa significa masa biológica, y corresponde a la cantidad de materia viva
producida en un área determinada de la superficie terrestre, o por organismos de
un tipo específico, sin embargo, el término es utilizado con mayor frecuencia en
las discusiones relativas a la energía a la energía de biomasa, es decir al
combustible energético que se obtiene en forma directa o indirecta de los recursos
biológicos [López & Fentanes 2003].
La biomasa se define como la energía solar convertida por la vegetación en
materia orgánica, que puede ser recuperada por combustión directa o
transformando la materia orgánica en otros combustibles [Cabello 2006]. Hay
variados combustibles de biomasa, iniciando por la leña tradicional utilizada para
cocinar, pasando por los desechos agrícolas y residuos de origen animal, hasta
llegar a los complejos combustibles biológicos producidos a partir de biomasa
19cultivada para este fin [Bonafont 2006]; y también, hay diferentes formas de
elaborar los combustibles de biomasa: combustión, destilación, gasificación,
fermentación y pirólisis, así como diferentes formas de utilizarlos: gas, líquidos o
sólidos [Molina & Gutiérrez 2006].
Dentro de los métodos de conversión de la biomasa en energía [Molina &
Gutiérrez 2006], se distinguen los termoquímicos y los biológicos; los métodos
termoquímicos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación
de la biomasa y están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y entre ellos se
distinguen la combustión y la pirólisis; entre los métodos biológicos se distinguen
la fermentación alcohólica y la fermentación metánica.
La biomasa agrícola y forestal supone un potencial económico importante
especialmente en las zonas tropicales y subtropicales, dado que en ellas se dan
las condiciones más idóneas para el desarrollo de los vegetales [Gaviria & López
2009].
El interés ambiental de la biomasa reside en que siempre que se obtenga de una
forma renovable y sostenible, es decir que el consumo no vaya a mayor velocidad
que la capacidad del bosque o de la tierra para regenerarse, es la única fuente de
energía que aporta un balance de CO favorable, de manera que la materia
2
orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO del que se libera
2
por combustión [Olaya & González 2009]. Se adiciona a este interés, la
preocupación con los cultivos energéticos, donde es discutida su competencia con
la producción de alimentos y otros productos necesarios [Olaya & González 2009].
Un combustible tradicional obtenido de la biomasa, es el biogás, figura 13,
correspondiente a una mezcla de metano y otros gases que se desprenden
durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción de
microorganismos, y es obtenido mediante un digestor o bien canalizándolo
directamente en un vertedero controlado [Olaya 2006]. En el primer caso,
denominado biodigestor, la temperatura es mantenido alrededor de unos 50 °C, un
pH entre 6.2-8.0, favoreciendo la actividades de los microorganismos y la
degradación bioquímica entre 10-25 días, para que en tres fases se realice la
producción del biogás [Olaya 2006].
20Figura 13. Biodigestor de balón, ubicado en el SENA, Tulúa – Colombia [Foto cortesía de
Ricardo Malagón Manrique, Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira].
Las fases corresponden a la hidrólisis y acidogénesis como una primera etapa,
posteriormente se desarrolla la fase de acetogénesis, y finalmente la fase de
producción del biogás, denominada metanogénesis [Olaya 2006]. El tipo de
sustrato orgánico, las condiciones del proceso, y el grado que este alcanza hacen
que las proporciones de los componentes del biogás varíen mucho, obteniéndose
una mezcla conformada por metano (54-70%), CO (27-45%), y otros
2
componentes en menor proporción [Olaya 2006]. El uso del biogás corresponde
fundamentalmente a la generación de calor por combustión directa, finalmente
aplicada en la calefacción de recintos o en la cocción de alimento, pero también es
usado para la generación de energía mecánica o eléctrica, principalmente en
elementos que se tienen a mano en el mismo sitio donde es producido [Olaya
2006]. Un uso potencial en el biogás, será la utilización, aun por desarrollar más,
como fuente de combustible en iluminación [Rentería 2007].
D
Se plantea que si <1, entonces, hay suficiente producción de biogás, y el
O η
BIOGAS
proyecto es viable; donde, D es la demanda de energía, O es la oferta o
BIOGAS
producción de biogás, y η es la eficiencia del biodigestor [Olaya 2006]. De una
manera aproximada, la oferta energética puede ser estimada con ayuda de las
tablas 4-5, donde ha sido usada la equivalencia de que un m3 de biogás es igual a
2.2 Kvh; la tabla 6, puede ser usada como guía de selección del tipo de
biodigestor [Olaya 2006].
21Tabla 4. Energía obtenida a partir de la producción estimada de biogás, obtenido de fuentes
animales [Olaya 2006].
Fuente Estiércol Volumen Volumen de Metano Biogás Equivalencia
[Kg/día] de biogás biogás en el combustible [Kvh/día]
[m3/Kg de [m3/animal/día] biogás [m3/día]
estiércol] [%]
Bovinos 10.00 0.0371 0.3679 65 0.2391 0.8093
Porcinos 0.25 0.0636 0.1782 65-70 0.1212 0.3920
Gallinas 0.18 0.0050 0.0113 60 0.0068 0.0248
Humanos 0.40 0.0707 0.0283 0.0623
Tabla 5. Energía obtenida a partir de la producción estimada de biogás, obtenido de fuentes
residuales [Olaya 2006].
Fuente Peso del Volumen de Metano Biogás Equivalencia
desecho biogás [m3/kg en el combustible [Kvh/día]
[Kg] de desecho] biogás [m3]
[%]
Desechos de 1 0.2116 62 0.1312 0.2886
cocina
Desechos de 1 0.2170 67 0.1459 0.3209
papel
Desechos del 1 0.2999 60 0.1799 0.3950
campo
Tabla 6. Guía de selección del biodigestor [Olaya 2006].
Tipo Eficiencia Producción de Almacenamiento del
[%] biogás biogás
De cúpula fija (tipo 83 Continua Fuera del biodigestor
chino)
De cúpula móvil (tipo 100 Continua Dentro del biodigestor
indio)
De balón (tipo 33 Discontinua Fuera del biodigestor
plástico)
5. LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
La geotermia es define como la ciencia relacionada con el calor interior de la tierra,
y su aplicación práctica principal es la localización de yacimientos naturales de
agua caliente, para su uso en generación de energía eléctrica, en calefacción o en
procesos de secado industrial [Lahsen 2000]. Sus manifestaciones hidrotérmicas
superficiales son entre otras los manantiales calientes, los géiseres y las
fumarolas, cuyo calor se produce entre la corteza y el manto superior de la tierra, y
es transferido a la superficie, por difusión, por movimientos de convección en el
magma (roca fundida) y por circulación de agua en las profundidades [OEDPK
1998].
22La energía geotérmica se desarrolló para su aprovechamiento como energía
eléctrica en 1904, en Toscaza (Italia), donde la producción continúa en la
actualidad; proyectos importantes funcionan en Budapest (Hungría), en algunas
zonas de París, en Reykiavik y otras ciudades de Islandia, y en varias zonas de
Estados Unidos [Freeston 1995; Huttrer 1995].
No es común una aplicación de la energía geotérmica en la explotación
agropecuaria, y para su utilización se requiere la conjunción de una serie de
factores geológicos, tecnológicos, económicos, y sociales, además de una
estrecha relación existente a nivel mundial entre áreas geotermales y magmatismo
con la actividad volcánica; sin embargo, prospectivas en áreas con recursos
geotermales y con vocación agropecuaria, potencializan su uso hacia desarrollos
de sistemas de calefacción, invernaderos para el cultivo de flores y hortalizas,
acuicultura en zonas frías para el cultivo de peces nativos de las zonas cálidas y
crustáceos, y secado de productos agrícolas como granos y frutas [Lahsen 2000].
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