CENTRALES FOTOVOLTAICAS

El efecto fotoeléctrico consiste en la generación de corriente eléctrica al incidir luz sobre la superficie de ciertos materiales. Este efecto intrigaba a los físicos del siglo XIX. Fue Albert Einstein quien dio con la clave de su explicación, por lo que le otorgaron el premio Nobel, aunque sus grandes descubrimientos fueron otros, sobre todo las dos teorías de la relatividad, la especial y la  general. Así es la vida.

La luz está formada por una lluvia de partículas llamadas fotones; algunos de ellos, al chocar con los electrones de los átomos de ciertos materiales, pueden arrancarlos y en otros los hacen fluir generando en ambos casos corriente eléctrica.

Un panel fotovoltaico es una disposición de células llamadas fotovoltaicas hechas de un material básicamente derivado del  silicio, que al incidir sobre el los rayos del Sol convierten la luz así recibida en electricidad. Más limpio no puede ser el proceso. El problema principal es que si el aprovechamiento de la energía solar térmica cuesta una fortuna, la generación de electricidad mediante paneles fotovoltaicos cuesta muchísimo más. En días nublados y horas de ausencia de luz solar, estamos ante una fuente de energía casi tan poco gestionable como la eólica, por más que las horas de iluminación a lo largo del día y del año sean mucho más previsibles que el viento.

Sin embargo, a pesar de las desventajas tan evidentes  de la energía fotovoltaica respecto a la eólica, hay que considerar que la generación de electricidad mediante aerogeneradores difícilmente se puede mejorar: los diseños aerodinámicos y estructurales de los molinos están ya cerca del límite de lo tecnológicamente alcanzable. Sin embargo, la energía fotovoltaica aún puede dar mucho de sí. Lo primero que se puede mejorar mediante avances en la investigación, es que se aproveche más ampliamente el espectro de la radiación. La luz no es más que la parte de la radiación electromagnética a la que es sensible el ojo humano. Esto es una franja bastante estrecha de frecuencias de toda la radiación que llega a la Tierra emitida por el Sol. Es como si escuchamos una gran sinfonía con un equipo defectuoso que no transmite los sonidos emitidos por encima y por debajo de ciertas frecuencias: nos estaríamos perdiendo quizás lo mejor de la composición o al menos partes muy importantes.

Por ello, si se lograran materiales que aprovecharan más ampliamente esa radiación, el rendimiento de los paneles fotovoltaicos aumentaría mucho. La situación de la tecnología fotovoltaica actual está en un estado en que  potencialmente puede dar muchísimo más de sí.

Por tanto, mientras que en otras fuentes de energía como las térmicas de combustibles fósiles, las hidroeléctricas o las eólicas (cada una de ellas por diferentes motivos), el resultado de las nuevas investigaciones es poco prometedor, en la fotovoltaica podemos tener muchas esperanzas de mejorar. O sea, que hay que invertir en investigación en lugar de subvencionar la instalación de paneles que pueden estar inundando los campos de futura chatarra.

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Presa de las Tres Gargantas

Los pueblos de la antigüedad ya aprovechaban la energía del agua utilizando ruedas hidráulicas para moler cereales, para las herrerías (forjas) y para los batanes (máquinas destinadas a transformar unos tejidos abiertos en otros más tupidos). Todas estas máquinas, que se empleaban mucho en España, estuvieron en funcionamiento hasta finales del siglo XIX. Al principio se utilizaban ruedas horizontales que generaban poca potencia, pero durante la Edad Media se hicieron enormes ruedas hidráulicas verticales, que desarrollaban una potencia máxima de hasta 50 HP.

La energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero británico J. Smeaton, que construyó por primera vez grandes ruedas hidráulicas de hierro. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial; impulsó a las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor ya estaban perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. Las presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor de cinco metros, pero la construcción de grandes presas de contención todavía no era posible. El bajo caudal de agua durante el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón. Lo que sucedió cuando se generalizo la construcción de canales navegables para el transporte de mercancías en cantidades masivas, entre ellas el carbón.

El principio de funcionamiento de una central hidroeléctrica es sumamente sencillo. Al caer el agua desde cierta altura, la energía potencial que acumula se transforma en energía cinética que le permite mover una turbina conectada a un generador, que la transforma en electricidad. Las turbinas pueden ser de diversos tipos dependiendo de la altura de caída del agua, del caudal, etc. Los problemas básicos para la construcción de centrales hidroeléctricas son, las limitaciones de la orografía, en primer lugar y en segundo la construcción de la presa. Hay que contar también con la garantía de un suministro de caudal de agua apropiado en cualesquiera condiciones climatológicas o estaciones del año.

Para mantener el agua de lluvia a cierta altura, lo apropiado es contenerla en el cauce de un río. Para ello, se ha de construir una presa, portento de la ingeniería civil. Muchos hectómetros cúbicos de hormigón se han de disponer de modo adaptado al terreno y al desnivel buscado. Quien no conozca a fondo una presa, se sorprendería al ver la sección que tienen, la manera de construirlas y la maquinaria que albergan en su interior. Como en muchos otros campos de la ingeniería pública, los romanos fueron infatigables constructores de embalses y acueductos para la conducción a las ciudades del agua embalsada. En Extremadura, cerca de Mérida se puede contemplar todavía el embalse de Proserpina, que se empezó a construir en el S.I a.C. para suministrar agua a la ciudad a través del Acueducto de los Milagros. Y es difícil que alguien no conozca el Acueducto de Segovia, construido a principios del S.II d.C. durante la época del emperador Trajano, obra que maravilla a todo el que la contempla.

Volviendo a las modernas presas, en su interior se establece un canal que dirige el caudal de agua hacia la sala de turbinas y el generador. El impacto ambiental de estas centrales en su funcionamiento, es mínimo. Sin embargo en su construcción se consumen enormes cantidades de energía y en muchas ocasiones han modificado el paisaje y el uso de las tierras. Incluso han desaparecido pueblos y ciudades completos, como menciono más abajo al hablar de la Presa de las tres Gargantas.

Hay un tipo muy interesante de centrales hidráulicas: las de regulación o reversibles. Constan de dos embalses situados a distinta altura. Para satisfacer la demanda energética en horas de gran consumo, se mueve el agua del nivel superior al inferior produciendo electricidad; en momentos de baja demanda (generalmente por las noches) se bombea del embalse inferior al depósito superior, constituyendo una reserva de energía. En la Muela de Cortes en el municipio de Cortes de Pallás (Valencia), hay una de este tipo propiedad de Iberdrola.

El problema para la construcción de nuevas centrales hidráulicas, reside en que la orografía de cada país y la disponibilidad de agua es la que es y no se puede ampliar. Prácticamente todos los países han llegado a su límite de producción hidroeléctrica. En España hace mucho que se llegó al límite y la producción total es de 35.860 GWh, el 15,5% (2014) de las necesidades totales. La hidráulica, fue la cuarta tecnología en producción, por detrás de la nuclear (22%), la eólica (20,3%9 y el carbón (16,5%).

La mayor central de presa del mundo está en China: la Presa de las Tres Gargantas, que con una capacidad instalada de 24.500 MW iguala a la de una treintena de centrales térmicas normales. La presa o dique tiene 2.335 metros de largo, 185 de alto y 110 de grosor en la base. Es la pieza clave de esta Gran Muralla erigida como símbolo del poder chino del siglo XXI en medio del río Yangtsé. La inmensa presa configura un gran embalse de 1.045 kilómetros cuadrados con capacidad para 39.300 hectómetros  cúbicos de agua. Esta monumental obra dejó bajo el nivel de las aguas 19 ciudades y 322 pueblos, afectando a casi 2 millones de personas y sumergiendo unos 630 km2 de superficie del territorio chino.

Cuenta con 32 turbinas de 700 MW cada una, 14 instaladas en el lado norte de la presa, 12 en el lado sur y seis más subterráneas, totalizando una potencia instalada de 24 500 MW. El año 2010 con las Tres Gargantas casi a pleno rendimiento, la producción fue de casi 190 millones de kwh, y el objetivo es que en 2020 alcance los 300 millones. Como es natural en todas las obras humanas, no faltan los problemas. Durante el terremoto de Sichuan (2008) se abrieron grietas en la presa con cierto riesgo de que pudiera producirse algún derrumbe parcial de consecuencias catastróficas. No tengo información al respecto, pero creo que el problema estará  ya solucionado. Un problema estacional es la congelación invernal de gran parte de su embalse, lo que reduce los caudales y limita su capacidad de producción.

Como anécdota diré que en mi visita a China en al año 2000, el simpático y culto guía, Kao, que hablaba español con un gracioso acento cubano, me facilitó diversas informaciones acerca de esta obra. Cuando le mostré un ejemplar del dominical del periódico “El Mundo” que trataba el tema en tono apocalíptico: “…el mayor desplazamiento de población de la historia de la humanidad, de más de dos millones de personas”, me replicó que desde el punto de vista chino, con una población de 1.350 millones de habitantes, esos dos millones, no era una cifra  relevante (era, más o menos, la población de su barrio de Pekín) y estaban siendo realojados en modernas ciudades próximas a las de origen de nueva construcción. Parece ser, que desde tiempos inmemoriales, el río sufría periódicamente inundaciones masivas en sus orillas (más o menos cada ocho o diez años), y solo en el siglo XX, habían muerto por esa causa más de 300.000 personas.

 

 

 

Las impresionantes esclusas de las Tres Gargantas que salvan los 180 metros de desnivel

La presa está también diseñada para mejorar el control del cauce del río y evitar estos sucesos, protegiendo a los más de 15 millones de personas que viven en sus márgenes. Parece ser que la superficie agrícola que se iba a poner en regadío tras la obra, era similar a la de toda España, dato este último que no he podido contrastar. El rio es plenamente navegable en casi todo su curso, pues por sus cinco esclusas pueden salvar el desnivel hasta ocho buques simultáneamente de un máximo de 4.000 TRB, continuando el viaje río arriba.

Presa de Itaipú

La presa de hidroeléctrica de Itaipú (del guaraní, ‘piedra que suena’), es una presa binacional entre Paraguay y Brasil, en su frontera sobre el río Paraná. Su dique, se emplaza a 14 km al norte del Puente de la Amistad lindando con la ciudad paraguaya de Hernandarias, en el Departamento Alto Paraná en su margen occidental, y con Foz do Iguazú, en el estado de Paraná, Brasil, por su margen oriental. Asimismo, está 16,2 km al norte del puente que une esta ciudad brasileña con la ciudad argentina de Puerto Iguazú. Es la central hidroeléctrica más grande de los hemisferios Sur y Occidental.

El lago artificial de la represa contiene 29.000 hm³ de agua, con unos 200 km de extensión en línea recta, y un área aproximada de 1.400 km². Posee una potencia de generación instalada de 14.000 MW, con 20 turbinas generadoras de 700 MW. En el año 2013 tuvo su récord de producción con 98.630 GWh. A diferencia de la gran central china, no tiene problemas de congelación de sus aguas por lo que puede generar energía a su máxima capacidad todo el año. Por otra parte, el rio que la alimenta, el Paraná, es el séptimo río más caudaloso del mundo, y estos dos factores hacen que Itaipú siga ostentando el título de la «mayor productora de energía del planeta».

España tiene un elevado potencial hidroeléctrico, desarrollado a lo largo de más de un siglo. Como consecuencia, en la actualidad cuenta con un importante y consolidado sistema de generación hidroeléctrica altamente eficiente. Dentro de las energías renovables que se explotan en nuestro país, la energía hidroeléctrica es la tecnología más consolidada y de mayor grado de madurez, gracias al aprovechamiento de la orografía y a la existencia de un gran número de presas.

En España existe una capacidad total de embalses de 55.000 hm3, de los cuales el 40% de esa capacidad corresponde a embalses hidroeléctricos, una de las proporciones más altas de Europa y del mundo. La energía hidroeléctrica cuenta con una capacidad instalada de nuestro país de 17.792 MW, que suponen el 19,5% del total.  Las centrales más grandes son las de Aldeadávila (1243 MW), la de Alcántara (957 MW) y la Villarino (857 MW).

Presa y Central de Aldeadávila

Otros tipos de centrales hidroeléctricas, que están todavía en fase de diseño y experimentación, son las mareomotrices y las undimotrices.

Las primeras, que aprovechan el flujo y el reflujo de las mareas, han de situarse en zonas costeras donde los desniveles entre la pleamar y la bajamar sean máximos. En Gran Bretaña en 2002 se puso en funcionamiento en plan experimental la primera de tipo sumergido. Consiste en grandes hélices sumergidas que giran debido al movimiento de la corriente del agua utilizando el flujo y reflujo de las mareas. La morfología del fondo ha de ser apropiada porque no es fácil construir grandes estructuras de hormigón con ingeniería de partes móviles en el fondo del mar.

Las más prometedoras dentro de este tipo parecen ser  las que se puedan construir en zonas costeras donde las diferencias entre las mareas son amplias y las condiciones morfológicas de la costa permiten la construcción de una presa que corta la entrada y salida de la marea en una ría o bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía. Hay que salvar las mismas dificultadas expuestas en las anteriores

Las que aprovechan el oleaje, las undimotrices, tienen problemas parecidos. No está claro que en el futuro resulte rentable la construcción de un número significativo de centrales de este tipo, porque las que hay como prototipos no han dado la rentabilidad adecuada ni su funcionamiento puede considerarse óptimo. Hasta el momento, aunque este tipo de central es objeto de investigación desde la década de los 80, los resultados no son muy prometedores. A inicios de agosto de 1995, el Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY) construyó la primera central que utiliza la energía de las olas en el norte de Escocia. La potencia de esta central era de 2 MW, pero fue destruida un mes más tarde por un temporal.