Fundamentos de la Energía Solar

El desarrollo de la civilización ha ido en paralelo con una creciente demanda de energía, la que fue satisfecha en diferentes épocas con diferentes fuentes de energía. La principal fuente de energía en los últimos dos siglos fueron los combustibles fósiles, primeramente el carbón, y después el petróleo. Como consecuencia del repentino aumento del precio del petróleo en la década del 70 del siglo pasado, por un acuerdo entre los países con las mayores reservas de petróleo, todo el mundo ha tomado consciencia que esta fuente de energía no es ilimitada y más temprano o tarde, definitivamente va agotarse. 

Se despertó así un gran interés por las energías renovables, en particular la energía solar. (Entendemos aquí como “energía solar” también sus formas indirectas, como la energía eólica, la hidroenergía o la biomasa.). Como consecuencia de este interés, en muchos países se han iniciado trabajos de investigación y desarrollo tecnológico para aprovechar la energía solar, con miras a reemplazar paulatinamente los combustibles fósiles como fuente de energía.

Este interés en las energías renovables está creciendo estos últimos años, pues las reservas mundiales de petróleo y gas natural están cayendo y los precios esta al alza.

Sin embargo,  es bueno recordar que durante décadas sobre todo en el siglo pasado, se descubrieron grandes reservas de petróleo y gas que se han consumido, que postergaron el desarrollo de las energías alternativas renovables.

En los últimos años se ha despertado principalmente en los países industrializados nuevamente un enorme interés en la energía solar, esta vez motivado fuertemente por motivos ecológicos: El mundo se ha dado cuenta (lamentablemente con algunas excepciones importantes) que no puede quemar en pocas décadas todas las fuentes energéticas fósiles sin producir desastrosos cambios climáticos, debido al efecto invernadero que produce el incremento del dióxido de carbono en la atmósfera, inevitable consecuencia de la combustión de carbón, petróleo o gas natural. Así, en muchos países, en particular España, Alemania, Holanda y Japón, se ha implementada una agresiva política de fomento del uso de energías renovables, con muchos megavatios de energía solar fotovoltaica y energía eólica instalados hoy, y cuyo resultado se observa ya en los balances energéticos de estos países.

Diferentes países usan más o menos racionalmente la energía (algunas la despilfarran), pero también se puede ver la correlación entre ingreso y uso de energía: los países industrializadas, con un ingreso superior a US$ 20000 per cápita, usan típicamente 4000 – 6000 kgoe per cápita, y los países pobres, con un ingreso inferior a US$ 1000 per cápita, usan menos de 100 kgoe per cápita. También se puede observar que, en general, los países en vías de desarrollo usan menos eficientemente la energía.

De lo anterior se puede deducir que los países en desarrollo requieren aumentar el uso eficiente de la energía, pero requieren también aumentar fuertemente su consumo de energía para salir de su subdesarrollo. Y este argumento es también valido dentro de un mismo país: en el Perú, con un ingreso per cápita algo encima de US$ 5250 (en el año 2010), se consume alrededor de 6500 kWh per cápita (en el año 2010). Estos son valores promedio nacionales, que no reflejan la situación en las diferentes partes del país: la mayor parte de este ingreso, como del consumo de energía, está concentrado en Lima. En regiones rurales estas cifras están una orden de magnitud inferior. En estas regiones se requiere energía.

La situación actual de infraestructura, en particular vial y de redes eléctricas, las posibilidades económicas y la disponibilidad de fuentes de energías renovables en los diferentes partes del país, las energías renovables locales, en particular la energía solar, son en muchas regiones rurales la fuente energética más promisoria para satisfacer la demanda energética, contribuyendo así al desarrollo de estas regiones, y contrarrestando la migración a las ciudades, con todos sus efectos negativos.

¿Qué es energía?

Durante siglos las diferentes culturas humanas han usado diversas tecnologías para producir calefacción, luz, calor para procesos industriales, y locomoción. En paralelo a este desarrollo tecnológico se desarrolló la idea que estos conceptos aparentemente diferentes tienen una característica común y el concepto teórico de “energía” fue cristalizándose como la idea unificadora. El Concepto de “energía” resulto la característica común de conceptos aparentemente tan diferentes como la combustión de madera, máquinas de propulsión o cargando baterías.

Diversos procesos pueden ser descritos en términos de diferentes “formas de energía”, tal como la energía térmica, la energía química, la energía cinética, la energía eléctrica, la energía gravitacional, y varias otras formas de energía.

Energía es hoy definido técnicamente como la capacidad de realizar trabajo. Realizar trabajo, en un sentido técnico, significa mover algo contra una fuerza. Trabajo es entonces definido como:

Trabajo = fuerza x camino

Si se mide la fuerza en Newton (N), y el camino en metros (m), la unidad para medir el trabajo, y ente la energía, es 1 Nm, a la cuál se da un nuevo nombre: 1 Joule (J).

1Newton es la fuerza que acelera una masa de 1 kg con la razón de 1 metro por segundo por segundo (1 m s-2).

La idea básica es que la energía puede expresarse en diferentes formas y los diferentes procesos físicos transforman la energía de una forma en energía de otra forma. Al quemar madera, se transforma la energía química en la madera en energía térmica (calor = energía térmica), y la energía química de la madera a su vez es el resultado de la transformación de la energía solar en energía química durante el proceso de fotosíntesis.

Todos nuestros conocimientos sobre energía se pueden consolidar en algunos principios básicos, conocidos como las leyes de la termodinámica:

Primara ley de la termodinámica: La cantidad total de energía es conservada en todos procesos. Solamente se puede transformar energía de una forma en energía de otra forma, pero no se puede ni crear ni destruir energía.

Así, cuando uno coloquialmente habla de la generación o del consumo de energía, esto se debe entender como transformación de energía. Así, por ejemplo, generar energía eléctrica significa transformar energía térmica, nuclear, o hidráulica en energía eléctrica, y consumar energía eléctrica significa transformar energía eléctrica con un motor en energía cinética , o en luz (en una lámpara fluorescente), o en otra forma de energía.

En muchos de estos procesos de transformación de energía se observa que una parte de la energía primaria es transformada en calor. Por ejemplo, la energía química en el petróleo usamos, con el uso de una máquina de combustión interna, para obtener energía cinética. Sin embargo, no toda esta energía química puede transformarse en energía cinética, sino una parte es transformada inevitablemente en calor. Esto es la Segunda ley de la termodinámica.

La Segunda ley de la termodinámica puede expresarse en diferentes formas, en particular:

- el calor (energía térmica o energía calorífica) espontáneamente fluye solamente de un cuerpo de mayor temperatura a un cuerpo de menor temperatura (la temperatura es una medida de la energía cinética promedia aleatoria de los átomos o moléculas de un cuerpo).

- la eficiencia η de una máquina térmica, que transforma calor Q1, de una temperatura T1, en energía mecánica E, es limitada a la “eficiencia de Carnot”. El resto de la energía calorífica, Q2, es rechazado a una temperatura T2, menor que T1 (generalmente la temperatura ambiente), con η = E / Q1 =(T1 – T2) / T1

La Primera ley de la termodinámica nos indica que Q1 = E + Q2

En el Anexo 1, se indica varias unidades de energía y sus equivalencias, como también los prefijos usados en el sistema internacional de unidades para indicador los múltiples decimales.

Anexo 1: Unidades de energía y sus equivalencias

I Joule = 1 Ws (watt-segundo) = 1 Nm (Newton-metro)

1 kWh (kilowatt-hora) = 3,6 MJ (megajoules)

1 cal (caloría) = 4,18 J

1 m3 de gas natural equivalente = 38 MJ (*)

1 Mtpe (megatonelada de petróleo equivalente) = 42 PJ = 7,5 TWh (*)

1 Mtce (megatonelada de carbón equivalente) = 28 PJ = 38 TWh (*)

Equivalencias de contenido de calor:

1 t petróleo (7, 3 barriles) ≈ 1,5 t carbón ≈ 3 t madera (4,2 m3) ≈ 12 MWh (*)

1 kg madera ≈ 4 kWh 1 kg gasolina/petróleo ≈ 12 kWh

1 kg carbón ≈ 8 kWh 1 kg gas ≈ 14 kWh

(*) asumiendo 100% de eficiencia de conversión