La disponibilidad de recursos energéticos es uno de los factores más importantes en el desarrollo tecnológico de las naciones. A su vez, el desarrollo tecnológico determina la utilización de ciertos tipos de energía y, por tanto, la disponibilidad de ese recurso.

Los recursos energéticos son usados por el hombre para satisfacer algunas de sus necesidades básicas en forma de calor y trabajo.

El calor es necesario para un sinnúmero de aplicaciones, como la climatización del espacio, la cocción de alimentos, o la producción o transformación de algunos compuestos químicos. La utilización doméstica del calor, con el dominio del fuego en las épocas prehistóricas y la invención de las máquinas térmicas a partir del siglo XVII, constituyen algunos de los logros tecnológicos más grandes en la historia de la humanidad.

El trabajo, por otro lado, se utiliza para una variedad de procesos en los que hay que vencer fuerzas de oposición: para levantar una masa en un campo gravitacional; para deformar un cuerpo, estirar una liga o un resorte o hacer fluir un líquido o gas; p ara la mayoría de los procesos industriales, al transformar materia prima en producto terminado; para el transporte de personas y de mercancías y hasta para tocar cualquier instrumento musical.

Calor y trabajo, en el sentido aquí expuesto, son dos necesidades básicas en cualquier grupo humano, del nivel social, económico o tecnológico que se quiera. Para producirlos, el hombre ha utilizado, a lo largo de su historia, una gran variedad de recursos energéticos. Al principio de nuestra era, por ejemplo, el calor para calefacción, cocina, etc.- era producido en gran medida por medio de la combustión de leña, mientras que el trabajo en pequeña escala era producido por la fuerza humana, a mediana escala se obtenía de ciertos animales domesticables - caballos, burros, bueyes, etc.- y a gran escala podía extraerse, por ejemplo, del viento que se utilizaba para mover los grandes veleros mercantes y de guerra.

Las primeras máquinas térmicas de uso práctico aparecieron hacia finales del siglo XVII. En la segunda mitad del siglo XVIII, el escocés James Watt perfeccionó la máquina de vapor y con ello se facilitó la producción industrial de cantidades relativamente grandes de trabajo a partir de la combustión, primero de leña y después de carbón mineral. A principios del siglo XIX ya existían en Inglaterra y en Estados

Unidos algunos barcos de vapor que efectuaban viajes comercialmente. Antes del segundo tercio de l mismo siglo, entró en servicio en Inglaterra un ferrocarril propulsado por una máquina de vapor.

Las máquinas de vapor eran de "combustión externa". Este concepto implica que la fuente de calor que se utilice no es muy importante, siempre que cumpla con ciertos requisitos. Así, una máquina de vapor que puede funcionar con leña, también puede hacerlo con carbón, con petróleo o con ciertos residuos de basura. Hace más de cien años, se construyó en Francia una máquina de vapor cuya fuente de energía era el Sol.

Hacia mediados del siglo XIX se inventaron los primeros motores de combustión interna. Estos requieren un combustible muy específico para funcionar. Con el tiempo, debido a razones técnicas y económicas, los motores de combustión interna, principalmente los de gasolina y diesel, se hicieron cada vez más seguros, confiables, económicos y, por tanto, abundantes. Aparecieron también otras máquinas térmicas, como las turbinas y los motores a reacción, que también consumen combustibles muy específicos. Fue as í como nuestra sociedad se fue haciendo extraordinariamente dependiente de los combustibles fósiles.

Los combustibles fósiles comprenden principalmente el petróleo y sus derivados (gasolinas, diesel, etc.), el gas natural y el carbón mineral. Al principio de la explotación de estos recursos, se consideraban ilimitados y su impacto ambiental era despreciable. Sin embargo, debido al extraordinario crecimiento de la población mundial (y nacional), junto con el aumento en el consumo per capita de estos recursos, sólo queda petróleo disponible para su explotación económica durante la primera mitad del siglo XXI.

Por otro lado, el consumo masivo de hidrocarburos está produciendo ya alteraciones de la atmósfera a nivel mundial. Los niveles de bióxido de carbono que se detectan actualmente son significativamente mayores que los que existían en 1950. Esto produce el conocido efecto invernadero, que está produciendo ya un incremento en las temperaturas promedio mundiales. No es objeto de este curso discutir las implicaciones geográficas, biológicas, agrícolas, económicas y sociales de este calentamiento atmosférico, pero es obvio que una alteración artificial no controlada y con consecuencias que no conocemos, no puede ser deseable. Los combustibles fósiles también son causantes de la llamada lluvia ácida, que en los bosques cercanos a las áreas altamente industrializa das está causando grandes daños al suelo, y por tanto a la flora y la fauna. En las grandes ciudades, la combinación de las emisiones de gases de combustión, con algunos otros fenómenos naturales, como las inversiones térmicas, la humedad y la radiación solar produce algunos efectos indeseables para la salud humana, como el humo - niebla (smog), las altas concentraciones de ozono y, en general, la concentración de componentes indeseables en la atmósfera.

Tanto por razones económicas (próxima escasez de hidrocarburos) como ecológicas (alteración de la atmósfera y el suelo), es imperativo el desarrollo de nuevas alternativas energéticas, que sean menos agresivas contra el ambiente. El actual esquema de con sumo energético, tanto en México como a nivel global, simplemente no es sustentable, es decir, no puede mantenerse indefinidamente sin amenazar su propia existencia. Algunos modelos que consideran los efectos que está teniendo actualmente el uso y abuso de los combustibles fósiles, considerando las posibles tendencias futuras, amenazan con producir una catástrofe en contra de la humanidad, antes de que termine el siglo XXI.

Se considera no renovable la energía que está almacenada en cantidades inicialmente fijas, comúnmente en el subsuelo. A medida que se consume un recurso no renovable, se va agotando. Las reservas disponibles están sujetas a la factibilidad técnica y económica de su explotación, al descubrimiento de nuevos yacimientos y al ritmo de extracción y consumo.

Fuentes de Energía Fósil.

Se llama energía fósil la que se obtiene de la combustión (oxidación) de ciertas substancias que, según la geología, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de años.

Petróleo y sus Derivados. El petróleo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) en fase líquida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilación y otros procesos, se obtienen las diversas gasolinas, el diesel, etc. A nivel mundial ya no es un recurso abundante.

Gas Natural. El gas natural está compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracción más ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa.

Carbón Mineral. El carbón mineral es principalmente carbono, también de origen fósil, que se encuentra en

grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial, el carbón mineral es abundante. Los problemas ecológicos que causa son aún mayores que los inherentes al petróleo y sus derivados.

La energía geotérmica consiste en extraer calor del magma incandescente de la Tierra, por medio de vapor.

Mediante procesos térmicos, es posible generar electricidad, en las plantas llamadas "geotermoeléctricas". El magma se encuentra cerca de la superficie terrestre en las zonas con gran actividad volcánica, y es donde es más explotable. En algunos casos el vapor o el agua caliente brotan espontáneamente. En otros, es necesario inyectar agua en pozos y extraerla como vapor.

La energía nuclear se obtiene de la modificación de los núcleos de algunos átomos, muy pesados o muy ligeros.

En esta modificación, cierta fracción de su masa se transforma en energía. La liberación de energía nuclear, por tanto, tampoco involucra combustiones, pero sí produce otros subproductos agresivos al ambiente.

Fisión. La fisión nuclear consiste en la desintegración de átomos pesados, como ciertos isótopos del uranio y el plutonio, para obtener átomos más pequeños. Dentro de la fisión existen diversas variantes. Esta es la forma con que operan los reactores nucleares comerciales.

Fusión. La fusión nuclear consiste en obtener átomos de mayor tamaño, a partir de ciertos isótopos de átomos pequeños, como el tritio. Teóricamente ésta sería una fuente de energía abundante, debido a que existe una cierta fracción de tritio en el agua d e los océanos. No se ha logrado desarrollar una técnica para aprovechar la fusión nuclear en la Tierra con fines pacíficos (como veremos, el Sol, como cualquier estrella, es un reactor nuclear de fusión).

FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLE

Se llama energía renovable la que, administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible (en la Tierra) no disminuye a medida que se aprovecha. Para tener un esquema de desarrollo sustentable es indispensable qu e la mayoría de los recursos, y particularmente la energía, sean del tipo renovable.

La principal fuente de energía renovable es el Sol. Como se explicará más adelante, el Sol envía a la Tierra únicamente energía radiante, es decir, luz visible, radiación infrarroja y algo de ultravioleta. Sin embargo, en la atmósfera se convierte en una variedad de efectos, algunos de los cuales tienen importancia como recurso energético, tal es el caso de la energía eólica, la energía de la biomasa, la diferencia de temperaturas oceánicas y la energía de las olas, que a continuación se describirán en forma breve.

La energía solar, como recurso energético terrestre, está constituida simplemente por la porción de la luz que emite el Sol y que es interceptada por la Tierra. México es un país con alta incidencia de energía solar en la gran mayoría de su territorio; la zona norte es de las más soleadas del mundo.

Directa. Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de recintos. En este sentido, cualquier ventana es un colector solar. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.

Térmica. Se denomina "térmica" la energía solar cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc., son aplicaciones térmicas.

La mayoría de este curso se centra en este tipo de aprovechamiento de la energía solar.

Fotovoltaica. Se llama "fotovoltaica" la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin pasar por un efecto térmico.

La energía eólica es la energía que se extrae del viento. Las aplicaciones más comunes son: transporte (veleros), generación eléctrica y bombeo de agua. La energía eólica es derivada de la energía solar, porque una

parte de los movimientos del aire atmosférico se debe al calentamiento causado por el Sol (también existe un efecto de la rotación de la Tierra y otro de la atracción gravitacional de la Luna y el Sol).

La forma más antigua de aprovechamiento de la energía solar, inventada por la Naturaleza misma, es la fotosíntesis. Mediante este mecanismo las plantas elaboran su propio alimento (su fuente de energía) y el de otros seres vivientes en las cadenas alimenticias. Pero también mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, además de su valor energético. A partir de la fotosíntesis puede utilizarse la energía solar para producir substancias con alto contenido energético (liberable mediante una combustión) como el alcohol y el metano.

 Diferencia de Temperatura Oceánica (OTEC)

Se ha propuesto utilizar la diferencia de temperatura que existe entre la superficie del océano (unos 20°C o más en zonas tropicales) y la correspondiente a unas decenas de metros abajo de la superficie (cercana a 4°C), para proporcionar los flujos de cal or para impulsar un ciclo termodinámico y producir otras formas de energía.

También se ha propuesto aprovechar, en ciertos lugares privilegiados, el vaivén de las olas del mar para generar energía eléctrica. Las olas son, a su vez, producidas por el efecto del viento sobre el agua. Por tanto, también es una forma derivada de la energía solar.

La energía hidráulica es la que se obtiene a partir de caídas de agua, artificiales o naturales. Típicamente se construyen presas en los lugares con una combinación de gasto anual de agua y condiciones orográficas adecuadas. Estrictamente, también esta es una forma derivada de la energía solar, porque el Sol provee la fuerza impulsora del ciclo hidrológico. Sin embargo, tradicionalmente se ha considerado como una forma de energía aparte.

En algunas regiones costeras se dan unas mareas especialmente altas y bajas. En estos lugares se ha propuesto construir grandes represas costeras que permitirían generar energía eléctrica con grandes volúmenes de agua aunque con pequeñas diferencias de altura. Es como la energía hidráulica, pero su origen es la atracción gravitacional del Sol y principalmente de la Luna, en vez del ciclo hidrológico.

Como puede verificarse, en realidad no existe un problema de falta de recursos energéticos. Una parte del problema energético actual consiste en que nuestra sociedad se ha hecho muy dependiente de un sólo recurso: los hidrocarburos. En otras palabras, se ha rezagado el desarrollo tecnológico y, por tanto, la viabilidad económica de algunas otras alternativas energéticas.

El contenido de este curso está orientado hacia una introducción a la naturaleza y aplicaciones de la energía solar, sus posibles alcances y sus limitaciones. No es la única alternativa; y en muchos casos no es la mejor, o no es la más económica, pero existen ciertas aplicaciones actuales y otras potenciales, que vale la pena estudiar para ponerlas en funcionamiento siempre que sea posible. De esta forma se ahorran energéticos convencionales, se alarga su duración y se disminuye el impacto ambiental que implica su utilización.