diciembre 4, 2008 de lfernandotolosa

¿Cómo funciona la energía solar?

Mucho hablamos en Erenovable sobre energía solar, paneles solares, avances en la ciencia y nuevos descubrimientos. Pero ¿cómo funciona exactamente la energía solar? ¿qué tipo de paneles solares existen y cómo se componen? Trataremos de realizar una breve introducción al mundo del sol como energía.

Existen dos formas principales de utilizar la energía solar, una como fuente de calor para sistemas solares térmicos, la otra como fuente de electricidad para sistemas solares fotovoltaicos. Nos centraremos en esta última aplicación.

En principio la forma en la que se captura la luz del sol para convertirla en electricidad se hace a través de paneles solares o fotovoltaicos. Estos paneles están formados por grupos de las llamadas células o celdas solares que son las responsables de transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones).

Estas células se conectan entre sí como un circuito en serie para así aumentar la tensión de salida de la electricidad, o sea si será de 12 volts o 24. Al mismo tiempo varias redes de circuito paralelo se conectan para aumentar la capacidad de producción eléctrica que podrá proporcionar el panel.

Como el tipo corriente eléctrica que proporcionan los paneles solares es corriente continua, muchas veces se usa un inversor y/o convertidor de potencia para transformar la corriente continua en corriente alterna, que es la que utilizamos habitualmente en nuestras casas, trabajos y comercios.

Cuando nosotros hablamos en Erenovable de nuevos descubrimientos o avances en la ciencia generalmente nos referimos al descubrimiento o desarrollo de nuevos y mejores materiales para fabricar una célula solar.

Una célula solar funciona básicamente de la siguiente forma: los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la superficie de la célula y allí son absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio. Los fotones golpean a los electrones liberándolos de los átomos a los que pertenecían. Así los electrones comienzan a circular por el material, y así producen electricidad.

Imagen por solarcellstringer.

Este funcionamiento básico se repite cualquier sea el material usado en la células solar, siempre y cuando por supuesto tenga propiedades conductoras y absorban la luz.

Las células solares que forman los paneles solares actualmente disponibles en el mercado están hechas a base de silicio, material semiconductor muy abundante en el planeta, pero también difícil de extraer y sintetizar, con lo cual los paneles solares resultantes suelen ser caros, pesados y difíciles de instalar.

Por esta razón científicos del mundo entero trabajan continuamente en la búsqueda de nuevos materiales que den como resultado paneles solares más baratos, eficientes, livianos, delgados y capaces de tener mayor cantidad de aplicaciones, como hasta ser capaces de envasarse en un spray.

Así podemos apreciar que se trabaja en la fabricación de células solares con materiales como el cobre, indio, galio y selenio y hasta germanio. Este último da los mejores resultados en eficiencia pero son carísimos de fabricar, con lo cual su uso queda restringido a entidades como la Nasa. También se realizan células llamadas de doble o triple unión, que usan varios elementos agregados , de capa delgada, con utilización de tecnología sensibilizada por colorante o celda solar Graetzel, materiales híbridos, y nanotecnología.

La gran apuesta del futuro esta en las células solares orgánicas, que son células que están hechas en base polímeros orgánicos, como puede ser ciertos tipos de plástico, que tiene las mismas propiedades de conducción que el silicio pero que pueden ser “impresos” o “pagados” sobre casi cualquier tipo de material. Los paneles solares compuestos por células orgánicas son más baratos de fabricar, más livianos y más fáciles de instalar. El gran inconveniente que presentan es que aún no logran alcanzar el nivel de eficiencia de conversión que tiene los paneles de silicio. Aunque continuamente vemos que los científicos logran aumentar este nivel de eficiencia, esto ocurre por el momento en ámbitos controlados de laboratorio y aún falta bastante para que lleguen a destino comercial.

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diciembre 4, 2008 de lfernandotolosa

Un planeta recién descubierto puede arrojar luz sobre el futuro de la Tierra

El Sol no va a estar ahí para siempre. De eso estamos seguros. ¿Qué le pasará a nuestro planeta cuando comience a apagarse? Astrónomos han descubierto un planeta orbitando alrededor de la estrella HD 102272, una estrella que ya está al final de su vida.

Este recién descubierto planeta es unas seis veces más pesado que Júpiter y orbita a la estrella HD 102272, que está a unos 1200 años luz de la Tierra, en la constelación Leo. Los investigadores sospechan que pueda haber más planetas orbitando alrededor de esta estrella, lo que la convertiría en la única hasta ahora descubierta que alberga a más de un planeta (entre las rojas gigantes).

Las rojas gigantes son estrellas pequeñas o medianas que se acercan al final de su vida, cuando han desgastado todo el hidrógeno. El núcleo se contrae y comienza a quemar helio, lo que produce que su escudo exterior crezca hasta 100 veces su tamaño original. Nuestro Sol hará eso, y la Tierra, entre otros planetas, serán vaporizados.

Este nuevo planeta orbita más cerca que ningún otro descubierto alrededor de una estrella roja gigante (a unas 0.6 veces la distancia de la Tierra al Sol). Los astrónomos sugieren que esta es la distancia límite para que el planeta pueda orbitar.

En nuestro Sistema Solar, cuando esto pase, la Tierra será destruida, pero otros planetas o satélites, como Europa, de Júpiter, que es helado, podría ser un placentero y bonito mundo oceánico, dice uno de los astrónomos, Alexander Wolszczan.

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diciembre 4, 2008 de lfernandotolosa

El Cedazo : Radioactividad (IV): El átomo al servicio de la sociedad.

En entradas anteriores abordamos distintos aspectos de la radioactividad, generalidades, radioactividad natural y el fall out de las detonaciones atmosféricas durante el pasado siglo. Esta entrada nos introducirá en el funcionamiento de una central nuclear y en aspectos relacionados con ella.

Antes sin embargo, una advertencia, en esta entrada no hallarás propaganda ni pronuclear, ni antinuclear, sino simplemente una explicación objetiva sobre cómo funciona una central nuclear, qué tipos hay, y otros aspectos, ciñéndose lo más posible a la realidad. También has de saber que trataré el tema del ciclo del combustible nuclear en la gestión de residuos. Es decir, dónde se localizan las minas de Uranio, qué productos aparecen como residuos de la fisión, tratamientos, etc. Aquí nos limitaremos básicamente a analizar el funcionamiento de una central nuclear.

Vamos a analizar la situación de las centrales nucleares en España y el resto del mundo. Y también el por qué del uso de la energía nuclear.

En España existen 9 reactores nucleares en funcionamiento, con una potencia nominal de 7886 megavatios eléctricos (MWe). Representan el 23% de toda la electricidad generada en España, y los tres de Catalunya producen el 85% de toda la electricidad consumida en Catalunya. En 1975 el gobierno español planifica una generación de 35.000 MWe para 1992. Sin embargo, en 1984 existe un fuerte sentimiento antinuclear en la sociedad española, debida principalmente al accidente del 1966 en Palomares (tema aún tabú y que trataré extensamente en la próxima entrada) y del movimiento mundial debido al accidente de 1979 en Three Mile Island (Pennsylvania, también será tratado en la próxima entrada) que desencadena que el Gobierno de entonces imponga lo que se llama “moratoria nuclear”. Mediante esta moratoria nuclear se decide no sobrepasar el limite de 10 reactores funcionando simultáneamente, y no construir ninguna central nuclear nueva más. Quedaron en España tres reactores cuya construcción estaba completamente terminada que nunca se encendieron, que son: Lemonitz (Bilbao), Valdecaballeros (Badajoz) y Trillo II (Guadalajara). Además, se detuvo la construcción de otros 4 reactores. Ciertamente, da un poco de miedo acercarse a cualquiera de éstas, porque uno ve en medio de una zona nada poblada, una central nuclear completamente vacía.

Otro cosa que se decidió en la moratoria nuclear fue detener las centrales nucleares cuando terminaran su vida útil. Sin embargo, esto no se ha cumplido, principalmente por dos razones. La primera y más importante es que con la tecnología que existe hoy en día es ciertamente posible alargarles la vida sin aumentar el riesgo intrínseco de la central (no me atrevo a poner “sin riesgo”). La otra razón es que no tenemos hoy por hoy medios para cubrir la demanda de electricidad sin estas centrales.

En Europa hay 155 reactores nucleares en funcionamiento y en el mundo unos 440 (aunque probablemente mientras escribo estas líneas se termina alguno). Suponen el 16% de la electricidad generada a nivel mundial. En el 2005 había en el mundo 24 nuevos reactores en construcción y 40 planificándose, la mayoría de ellos en Asia.

Y ahora un poquitito de historia. La industria nuclear tiene en los países de Occidente muchos años de historia. Esto es por muchas razones. Tratemos de analizar algunas (esta parte de la entrada puede parecer poco objetiva o falta de información, pero trato de limitarme sólo a las ideas y hechos mas contrastadas).

Situémonos: 1945, término de la Segunda Guerra Mundial, con Europa completamente devastada. Los americanos zanjan la guerra con Japón mediante el uso expeditivo de la energía atómica, y ningún país que quiera tener peso en el nuevo mundo puede prescindir de poseer armamento nuclear. Los primeros son los rusos (entonces, soviéticos), que usan los primeros reactores nucleares para fisionar uranio y obtener plutonio, proceso MUCHO más barato que enriquecer uranio. Sin embargo, otro residuo del proceso es agua muy, muy caliente, usada para refrigerar el núcleo del reactor, y a alguien se le ocurre usar este agua caliente para generar electricidad. Esto plantea a los lideres políticos europeos la posibilidad de utilizar esta energía para reconstruir Europa y obtener simultáneamente armamento nuclear. La cuadratura del círculo, vamos.

Debemos pensar que un solo gramo de uranio produce 1.66·10¹² Julios, algo así como 77.000 Kg de carbón, 41.000 Kg de gas natural o 45.000 Kg de petróleo. De hecho, en la detonación de Hiroshima sólo se fisionó un gramo de Uranio-235. De ahí frases que se acuñaron entonces, como “la energía nuclear es barata” (en un contexto donde los residuos nucleares eran tranquilamente arrojados a los ríos o los mares). Esto produjo que otros paises, principalmente Francia y el Reino Unido, y más tarde Alemania e Italia, construyeran también centrales nucleares en sus territorios (Alemania e Italia lo hicieron más tarde porque no se les permitió hasta que tuvieron programas nucleares de los que no pudieran obtener armamento). En España, por ejemplo, la central de Vandellós fue financiada casi completamente por los franceses, para obtener todo el plutonio resultante, asi como electricidad (el 33% de la producida).

Centrémonos ahora en cómo funciona una central nuclear. Como vosotros sabéis (o deberíais saber, si no, éste es el momento de leer las anteriores entradas), es teóricamente posible (y en la practica también) crear una reacción en cadena que libera mucha energía usando material fisionable. A partir de ahí, todo sigue el mismo principio: Usamos esa energía para calentar agua, que mueve unas turbinas (gigantes), que generan electricidad. Es siempre el mismo principio.

Sin embargo, igual que en la industria térmica, hace falta un horno. Pues aquí al horno lo llamamos reactor, debido a que es ahí donde se produce la reacción. El reactor es un sarcófago (suele tener un espesor de 6 a 8 m de hormigón armado), donde se introducen las barras de uranio (hablaremos de cómo son estas barras cuando tratemos el tema de los residuos). Las barras no están en contacto directo con el agua, sino que estan cubiertas por una capa de algún metal que confina el combustible quemado. Estas barras liberan muchos neutrones y gran cantidad de energía, que calienta el agua. Esta agua forma parte del circuito primario, que a su vez calienta el circuito secundario, donde el agua caliente hace mover las turbinas. Este circuito secundario se refrigera con un tercer circuito no confinado, es decir, agua del mar o de un río. Este es el esquema básico de toda central nuclear, y entre ellas sólo cambian ciertos aspectos técnicos que veremos a continuación.

Esquema de una central nuclear. Crédito: Wikipedia.

Bloque del reactor
Torre de refrigeración
Reactor
Barras de control
Soporte de presión
Generador de vapor
Fuel
Turbina
Generador
Transformador
Condensador
Partículas de gas
Líquido
Aire
Aire (húmedo)
Río
Circuito de refrigeración
Circuito primario
Circuito secundario
Bomba de vapor de agua

Como podéis ver el sistema es francamente sencillo. Es como quemar carbón para calentar agua y mover unas turbinas. El circuito primario esta aislado, porque queda contaminado. Los neutrones liberados colisionan con el hidrógeno del agua formando tritio (H-3) y deuterio (H-2). El secundario también está confinado, por si hubiera una fuga del primario, y el tercero está abierto. Encima del reactor existen unas barras de grafito cuya función es absorber los neutrones y detener la reacción en caso de accidente. Información gratuita: En Chernobyl tardaron tanto en dejarlas caer que el calor del núcleo fundió los orificios del metal por donde tenían que pasar las barras impidiendo que éstas aislaran el combustible y produciendo que se derritieran los seis metros de hormigón armado del sarcófago.

El numero de barras de combustible cambia dependiendo de la central pero, para haceros una idea, en Vandellós I había más de 74.000 barras. El desgaste no se produce en todas las barras por igual, sino que las barras del medio se consumen más rápido y las exteriores menos, por eso cada 18 meses se detienen las centrales nucleares para reordenar las barras de combustible y cambiar las gastadas, poniendo las nuevas en el centro y las viejas en los extremos.

Pastillas de Uranio-235 y barra donde se insertan. Crédito: Wikipedia.

Aunque no quiero entretenerme en el tema del combustible, quiero que os hagáis una idea real con esta fotografía. Sorprenden tres cosas: en primer lugar, ¡el “loco” que lo sostiene sólo usa un guante! Pues sí, el Uranio-235 emite radiación alfa (de la que hablamos con anterioridad en la serie, con lo que conoces su limitadísimo poder de penetración; probablemente usa el guante por higiene, pero no creo ni que lo necesite. En segundo lugar, sorprende el tamaño de las pastillas y las barras, pues sí, tienen este tamaño, si veis las barras más grandes en algún otro lugar es porque se rodean de acero para transmitir mejor el calor. Finalmente, sorprende que el combustible no sea verde, pues no lo es. Antes de convertirlo en una pastilla es de color amarillento (cuando es yellow coke), pero nunca verde, luego de este color oscuro. Muy probablemente la leyenda de que es verde provenga del resplandor azulado (azulado, que no verdoso, pero en fin) que se puede observar en las piscinas donde se almacenan las barras gastadas, como en la foto del principio^[1].

Ahora vamos a ver los tipos de centrales nucleares y qué los diferencia entre ellos. Las centrales nucleares se diferencian entre ellas por el moderador, por el combustible y por el tipo de refrigeración. El moderador es una sustancia con mucha capacidad para absorber neutrones, que retrasa o frena la reacción en cadena, así nos permite controlarla en función de la demanda de electricidad. El boro, por ejemplo, o la propia agua del circuito primario, pueden ser moderadores. La idea es básicamente evitar que los neutrones sean absorbidos por el combustible y detener así la reacción en cadena, o controlarla.

También puede depender del tipo de combustibles, que hay muchos: uranio empobrecido, plutonio, uranio enriquecido… El más común es el uranio enriquecido. Finalmente se diferencian (y ésta es la clasificación más típica) en función de cómo es el refrigerador. A continuación podemos ver una clasificación general y una tabla resumen.

LWR – Light Water Reactors (Reactores de agua ligera): utilizan como refrigerante y moderador agua. Como combustible, uranio enriquecido. Los más utilizados son los PWR (Pressure Water Reactor o reactores de agua a presión) y los BWR (Boiling Water Reactor o reactores de agua en ebullición): 264 PWR y 94 BWR en funcionamiento en el mundo en 2007.
CANDU – Canada Deuterium Uranium (Canadá deuterio uranio): Utilizan como moderador y refrigerante agua pesada (compuesta por dos átomos de deuterio y uno de oxígeno). Como combustible utilizan uranio natural: 43 en funcionamiento en 2007.
FBR – Fast Breeder Reactors (reactores rápidos realimentados): utilizan neutrones rápidos en lugar de térmicos para la consecución de la fisión (Que los neutrones sean rápidos o térmicos depende de la energía que tengan). Como combustible utiliza plutonio y como refrigerante sodio líquido. Este reactor no necesita moderador: 4 operativos en 2007.
AGR – Advanced Gas-cooled Reactor (reactor avanzado refrigerado por gas): usa uranio como combustible. Como refrigerante utiliza CO₂ y como moderador, grafito: 18 en funcionamiento en 2007.
RBMK – Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (reactor de canales de alta potencia): su principal función es la producción de plutonio, y como subproducto genera energía eléctrica. Utiliza grafito como moderador y agua como refrigerante. Uranio enriquecido como combustible. Puede recargarse en marcha. Tiene un coeficiente de reactividad positivo. El reactor de Chernóbil era de este tipo. Existían 12 en funcionamiento en 2007.

Tipo de reactor	Tipo de combustible	Material fisionable	Moderador	Refrigerante
Refrigeradas por gas	Uranio metálico	Uranio natural	Grafito	CO2
Agua pesada	Oxido de uranio (UO2)	Uranio natural	Agua pesada (D2O)	Agua pesada (D2O)
Agua a presión	Oxido de uranio (UO2)	Uranio enriquecido al 3,3%	Agua ligera (H2O)	Agua ligera (H2O)
Agua en ebullición	Oxido de Uranio (UO2)	Uranio enriquecido al 2,6%	Agua ligera (H2O)	Agua ligera (H2O)
Generador rápido	Óxidos mezclados de uranio y plutonio	Uranio empobrecido y plutonio	ninguno	Sodio fundido

En esta tabla sólo están las principales centrales nucleares. Hay muchas muchas posibilidades, y cuál elegir depende de dos factores: de la tecnología disponible y de la eficiencia que se requiera, pues no es igual de eficiente una central con uranio empobrecido y plutonio que una de uranio enriquecido. ¿Por qué se construyen las menos eficientes? Bien, veréis, al terminar la guerra fría había un stock de 65.000 armas atómicas. Una central que use uranio empobrecido y Plutonio es un buen método para desmantelar un armamento que sólo está llenándose de polvo en los almacenes (actualmente quedan unas 20.000).

Centrales nucleares en España. Crédito: Wikipedia.

Vamos a ver las centrales nucleares que hay en España.

Primera Generacion:

– Zorita PWR / W – 160 MWe (07/1968)
– Garoña BWR / GE – 460 MWe (03/1971)
– Vandellós 1 GCR / Francia – 500 MWe (05/1972)

Segunda Generacion:

Almaraz 1 PWR / W 930 MWe (07/1981)
Ascó 1 PWR / W 930 MWe (12/1983)
Almaraz 2 PWR / W 930 MWe (01/1984)
Cofrentes BWR / GE 975 MWe (12/1984)
Ascó 2 PWR / W 930 MWe (10/1985)
Lemóniz 1 PWR / W 930 MWe (moratoria)
Lemóniz 2 PWR / W 930 MWe (moratoria)

Tercera generación:

Vandellós 2 PWR / W 982 MWe (01/1988)
Trillo 1 PWR / KWU 1.041 MWe (05/1988)
Valdecaballeros 1 BWR / GE 975 MWe (moratoria)
Valdecaballeros 2 BWR / GE 975 MWe (moratoria)
Trillo 2 PWR / KWU 1.041 MWe (moratoria)

Es importante tratar de ser críticos. Como hemos visto, la energía nuclear sale francamente rentable, obviando los accidentes nucleares y la gestión de los residuos. En España, quien gestiona las centrales nucleares es el CSN (Consejo de Seguridad Nuclear). En principio, son propiedad del estado, aunque en la practica no lo son. La gestión de los residuos no corresponde a los propietarios sino a una empresa pública, ENRESA, que se encarga de TODOS los residuos nucleares (no solo de centrales, sino de hospitales, industria, investigación, etc.). Esto es así porque como las centrales no son de las empresas privadas, sino del estado (que cede derechos de explotación a ciertas empresas), los residuos no pertenecen a la empresa privada. Con esto se consiguen dos cosas: primero, que las empresas no hagan lo que quieran con los residuos, y luego que una empresa ejecute una tarea con una fuerte oposición pública. A ver qué empresa explotaría una central nuclear sabiendo que será propietario de unos residuos que NO se pueden eliminar y que son para siempre.

Por si fui poco claro:

Espero que no hayan sido demasiados datos para una sola entrada, quedáos con los que os gusten. Y sobre todo evitad entrar en el debate de la energía nuclear hasta entender los otros dos factores condicionantes, a saber, accidentes y residuos.

Finalmente os invito a visitar páginas al respecto para tener vuestra propia opinión, sin embargo evitad paginas que no se basen en hechos corroborados, o bien de empresas o instituciones que tengan intereses en la energía nuclear en uno u otro sentido. No os puedo recomendar ninguna, pero si buscáis bien, las encontrareis fiables. Una pista, una página que ponga cosas como “envenenamiento radioactivo”, “100% fiable”, “más barato que cualquier otra energía” o “invierno nuclear”, son de esas páginas que NO has de creer. En la próxima entrada hablaremos sobre los siguientes accidentes nucleares, Mayak, Satelite SNAP-9A, Palomares, Three Mile Island, Goiania y Chernobyl.

Quiero agradecer especialmente esta entrada a Macluskey, por sus sugerencias y su labor como corrector ortográfico. También a Pedro por crear el Tamiz y ser el editor de todos los artículos.