ud6. energías renovables
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Energas renovables6
Unidad
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La energa hidrulica es la que tiene el agua cuando se mueve a travs de un cauce(energa cintica) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (energa potencial).
Cuando se deja caer el agua, la energa potencial se transforma en energa cintica
(velocidad), que puede ser aprovechada para diversos fines. e trata de una energa
renovable(no alternativa).
!a desde la antig"edad, el ser humano aprendi# a utili$ar este tipo de energa. %ara ello
emple# diferentes ingenios (ruedas hidr&ulicas), que fueron evolucionando con objeto deobtener el m&'imo rendimiento posible.
a dos aplicaciones fundamentales de la energa hidr&ulica*
+ esde, apro'imadamente, el a-o // a.C. hasta casi finales del siglo 010, toda la
energa hidr&ulica se transformaba en mec&nica, que tena sus aplicaciones ennorias, molinos de grano, etc.
+ 2 partir de principios del siglo 00 se emple# tambin para obtener electricidad. La
primera central hidr&ulica para esta aplicaci#n se constru# en .334 en E.E.5.5.,
para alimentar 46/ l&mparas elctricas (inventadas por 7homas 2. Edison).
En la actualidad, pr&cticamente toda la energa hidr&ulica se emplea para la obtenci#n deelectricidad.
2
8.. Energa hidr&ulica
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q
Evoluci#n de las ruedas hidr&ulicas1. Molino griego de eje vertical paramoler cereal.
2. Ruedas hidrulicas de eje horizontal.
Solan tener rendimiento del 20 %.
Para corrientes de agua de
gran velocidad.
Para corrientes lentas de
agua. Si hay desniveles de
agua.
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3. ur!ina "ourne#ron $12&'. (. ur!ina )elton $1*0'. +. ur!ina ,aplan $1-10'.
Rendimiento: 80 al 85 %. Rendimiento: 90 %. Rendimiento: 93 al 95 %.
2 Componentes de un centro hidroelctrico
Energa
!otencial
Energa
cin"tica
del agua
Energa
cin"tica
de rotaci#n
Energa
el"ctrica
Em$alse
de aguau$eras ur$ina <ernador
7oda central hidroelctrica transforma la energa potencial del agua acumulada en elembalse en energa elctrica a travs del alternador. Las diferentes transformaciones de
energa se llevan a cabo en el orden que se indica en el siguiente esquema.
9:72* ;er vdeos sobre turbinas* tipo %elton, tipo
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q Embalse>epresenta la totalidad del agua acumulada. %ara ello
dispone de un muro grueso de hormig#n, denominado
presa, cua funci#n es la de retener el agua. E'isten
b&sicamente dos tipos*
%resa de gravedad. Con su peso contrarresta elempuje del agua. uele ser recta o un poco
c#ncava (por el lado del agua). u secci#n
transversal es triangular, formado un &ngulo recto
entre la base el lado del embalse. u construcci#n
resulta cara.
%resa de b#veda. 7rabaja de manera que elempuje del agua lo transmite a las laderas de lamonta-a. uele ser conve'a, de tal manera que,
cuanto m&s empuja el agua del embalse, m&s se
?clavan@ los lados de la presa en las laderas de la
monta-a. Esta caracterstica reduce el tama-o de
la presa, por lo que su construcci#n es m&s barata
para la misma solide$ que en la presa de gravedad.
)resa de gravedad.
)resa de !veda.
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q Conductos de agua. E'isten dos tipos de conductos* Compuertas. 7ienen como misi#n evacuar el agua que ha en el embalse sin que
pase por la sala de m&quinas (turbinas). e utili$an cuando es necesario soltar agua
por ra$ones de riego o seguridad (lluvias e'cesivas).
7uberas de conducci#n. %ermiten transportar el agua desde el embalse hasta lasturbinas. a dos partes importantes*
. La toma de agua, que suele estar colocada a AB de la altura de la presa con objeto de que los
fangos, queden depositados en el fondo no se arrastren a las turbinas, que se podran romper.2dem&s, dispone de una rejilla para filtrar el agua.
4. La chimenea de equilibrio, que consiste en un peque-o dep#sito, conectado a las tuberas de
conducci#n, en el que ha agua acumulada. Con ello se evitan las variaciones de presi#n en el
agua, cuando se regula el caudal a la salida.
. Embalse superior
4. %resa
B. alera de conducci#n
D. Chimenea de equilibrio
6. 7ubera for$ada
8. Central
. 7urbinas generadores
3. esagues
F. Lneas de 7ransporte de energa elctrica
/. Embalse inferior o ro
/ompuertas de una central hidroelctrica. /entral hidrolctrica de !om!eo.
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q ala de m&quinas. En la sala de m&quinas se encuentran dos elementos muimportantes*
Las turbinas. Cua funci#n es la de transformar la energa cintica del agua en energa mec&nica derotaci#n. En la actualidad las m&s usadas son la Gaplan la %elton.
q 7ransformadores lneas de transporte.
'aractersticas de la tur$ina (a!lan 'aractersticas de la tur$ina Pelton
+ e trata de una turbina de eje vertical un rotor en forma de hlice, con
aspas (generalmente D o 6) de inclinaci#n variable, que va encerrada en
una c&mara cilndrica por cua parte superior llega el agua.
+ e trata de una rueda hidr&ulica mu perfeccionada, en la que en la periferia de
una circunferencia se han colocado una serie de HcucharasI que pueden soportar
el choque de un potentsimo chorro de agua.
+ e emplea para saltos de agua inferiores a 46 m mucho caudal.+ Las cucharas reciben el agua en un sentido la e'pulsan casi en sentido contrario(6/J). En instalaciones mu grandes alcan$an empujes de hasta 6/ toneladas.
+ u rendimiento suele estar entre el FBK el F6 K.+ e usa cuando se dispone de un gran salto de agua, pero no de mucho caudal. u
rendimiento puede llegar hasta el F/ K.
+ Es una de las turbinas que m&s se emplea en la actualidad. + ira m&s lentamente que la Gaplan (entre B// a 3// rpm). %ara aumentar la
potencia basta aumentar el nmero de chorros.
Sala de muinas.
Alternador. En las turbinas %elton, el alternador suele estar solidario aleje de la turbina, a que la velocidad de giro se puede regular colocando m&s
o menos chorros. Las Gaplan suelen girar mu r&pidamente, por lo que es
necesario intercalar un reductor de velocidad entre la turbina el alternador.
Los transformadores se encargan de elevar la tensi#n de salida de los
alternadores (de 4/.///; a D//.///;), que suele ser la que se transporta por las
lneas de 27. El voltaje se eleva para contrarrestar las prdidas que se producen
al recorrer tanta distancia. 2segurando de esta forma el suministro en todos los
puntos de consumo.
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M %otencia energa obtenida en una central
hidroelctrica
P N potencia de la central en OP.) N caudal de agua en mBAs.
h N altura en metros (desde la superficie del
embalse hasta el punto donde est& la turbina).
t N tiempo en horas.
E N energa obtenida en OPh.
P N F,3 Q ) * h
E N P * t N F,3 * ) * h * t
La potencia te#rica de una central hidroelctrica depende, fundamentalmente, de dos par&metros* la
altura del salto del agua el caudal que incide sobre las turbinas. Las f#rmulas que permiten calcular
la potencia la energa son*
:R:* 2qu debemos tener cuidado con las unidadesS===
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C 7ipos de centralesq Tinicentrales (U/TP). %otencia menor de /TP.
q randes centrales o centrales hidroelctricas (V/TP).%r#'imas aros con grandes caudales. E'isten dos tipos de centrales* de bombeo puro de bombeo
mi'to. Centrales de bombeo puro. Centrales de bombeo mi'to
/entral de !om!eo puro. /entral de !om!eo mita.
7iene 4 embalses (el inferior es natural mu peque-o).
urante las m&'imas horas de demanda funciona comouna central normal. %ero cuando la demanda de energa
es baja, se aprovecha la energa sobrante, para
bombear agua del embalse inferior al superior. e esta
forma, el embalse superior acta de dep#sito.
%ueden producir energa con o sin bombeo
previo. 9o es necesario bombear agua paraproducir energa, pues el embalse es
alimentado por el cauce de un ro. i el
embalse superior tiene poco agua, se puede
bombear del embalse inferior.
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!"
Energa hidr&ulica medio ambiente
q 1mpacto medioambiental tratamiento de residuos Los embalses permiten regular el caudal de los ros, evitando inundaciones.
Contribuen a almacenar agua, que puede ser utili$ada posteriormente para
uso humano o riego.
e anegan grandes e'tensiones frtiles de terreno, incluso pueblos enteros.
e trastoca la fauna flora aut#ctona.
#$e%plos&
!'. Calcula la potencia real de una central hidroelctrica, en OP C;, sabiendo que el salto de
agua es de 6m el caudal de 3 mBAs. La turbina empleada es Gaplan. (ol.* B.B3D C;.)
2'. etermina la energa producida (en TPh) en una central hidroelctrica que emplea turbina%elton (h N F/K) en el mes de noviembre, sabiendo que sobra la turbina acta un caudal de
BmBAs la altura del salto de agua es de //m. (ol.* .F/6,4 TPh).
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!!
8.4. Energa solar
La f#rmula que nos indica la cantidad de calor que llega a un punto de la superficie de la 7ierra viene
dada por la e'presi#n*
( , 4 t 4 S
donde*
) N cantidad de calor e'presado en caloras.
( N coeficiente de radiaci#n solar, e'presado en* calAminQcm4. %uede valer desde / hasta ,B.
La media apro'imada en un da de verano ser&* ( N /,F.
N tiempo en minutos.
S N secci#n o &rea en cm4.
El ol es la principal fuente de energa de la 7ierra. 2 travs de las reacciones nucleares que se
originan en su interior, gran parte de la energa liberada llega a la 7ierra en forma de ondaselectromagnticas.
La intensidad media de radiaci#n solar, si la medimos fuera de la atm#sfera, es G N ,FD
calAminQcm4. 2 esta constante se le llama constante solar , te#ricamente se la suele considerar
invariable a lo largo del tiempo. %ero la intensidad solar que llega a la superficie de la 7ierra se
reduce considerablemente. 2dem&s, la intensidad de radiaci#n tampoco es igual en todas las $onas
del planeta. epender& de su latitud geogr&fica, hora del da, estaci#n del a-o situaci#n
atmosfrica.
El valor del coeficiente de radiaci#n solar en un punto de la superficie es, como m&'imo, G N ,B
calAminQcm4.
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2 2provechamiento de la energa solar
5provechamiento de la energa solar.
La energa solar tiene dos campos de aplicaci#n fundamentales* conversi#n en energa
elctrica transformaci#n en energa trmica o calorfica. En el cuadro adjunto se muestran las
m&quinas m&s empleadas para llevar a cabo esta tarea.
#$e%plo&
3'. etermina la cantidad de calor que habr& entrado en una casa durante un da del mes de
julio, suponiendo que dispone de una cristalera de B ' 4 m, no se han producido prdidas ni
refle'iones en el vidrio. (atos* / horas con /,F calAminQcm4) (ol.* B4.D// Gcal.)
(;er vdeo de algunas aplicaciones en la vida cotidiana de la Energa olar).
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q Conversi#n en energa calorfica* colectores planos.La conversi#n de energa solar en energa calorfica se basa en el hecho de que todo cuerpo e'puesto al ol
absorbe parte de los raos solares que inciden sobre l. ependiendo de su color, absorber& m&s o menos
radiaciones.
7e#ricamente, un cuerpo de color negro mate absorbera todas las radiaciones, mientras que uno blanco brillante
las reflejara todas.
Los dispositivos empleados para la obtenci#n de energa trmica o energa calorfica a partir de los raos solares
se denominan colectoreso captadores. 5n colector solar es una caja, normalmente met&lica, en cuo interiorse ha dispuesto una serie de tubos, pintados de color negro, por los que circula agua. El interior del colector est&
pintado, igualmente, de color negro mate para absorber los raos solares. En la parte superior dispone de un
cristal, que permite el paso de los raos hace de aislante con el e'terior. El colector se orienta hacia el ol para
captar la m&'ima radiaci#n solar. (;er vdeo de colector solar).
e fabrican tres tipos de colectores*
)artes de un colector./olectores solares planos.
)asta te%peraturas de 35'*. %ara
climati$aci#n de piscinas,
invernaderos, secaderos, duchas al
aire libre, etc.
)asta te%peraturas de 6"'*. %ara
calentar agua caliente sanitaria,
calefacci#n en viviendas, industria, etc.
)asta te%peraturas de !2"'*. %ara
uso industrial con agua a alta
temperatura.
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q *onversi+n en energa calor,ica& aprovecha%iento pasivo
6esalinizadora.
7nvernadero.
a muchsimas aplicaciones en las que se emplea este sistema.
e hecho, el hombre los seres vivos la llevan aprovechando
desde siempre para calentarse. os aplicaciones de este tipo son*
-nvernaderos. Los pl&sticos permiten la entrada de radiaciones
electromagnticas. 2l incidir sobre el suelo, su longitud de onda
vara , al intentar salir del pl&stico, debido a la refle'i#n, quedan
retenidas. El resultado es el aumento de la temperatura.
esalini/adoras de agua %arina. Consta de dos recipientes
separados aislados e'teriormente. %or un lado lleva un cristal
que tendr& una orientaci#n de unos D6W con respecto a la
hori$ontal. 2l fondo, un material que refleje los raos sobre elagua salada. 2l evaporarse el agua del mar, queda en el fondo
la sal. Las gotas de agua se condensan caen al otro
recipiente.
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q Campo de heli#statos
/ampo de helistatos.
Est& formado por una serie de heli#statos o espejos direccionales, que reflejan la lu$ solarhacia una torre, concentrando los raos solares sobre la caldera (). El aporte calorfico es
absorbido por el fluido de la caldera conducido hacia el generador de vapor (6). Luego la
energa se transmite a un segundo circuito, donde el agua que tiene se evapora llega al
grupo turbinaXalternador (8), que produce la electricidad.
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q Colectores cilndricoXparab#licos
8suema de central solar con
colectores cilndrico9para!licos.
Concentran los raos solares en una
tubera que contiene un lquido (aceite).
Con este sistema se pueden conseguir
temperaturas de hasta B//WC.
El fluido (aceite) transmite el calor desde
los colectores hasta un intercambiador de
calor que ha en la caldera. Con ese calor
se consigue evaporar agua, que pasa a
travs de la turbina la hace girar. El
alternador, solidario a la turbina, se
encarga de generar la corriente elctrica.(;er vdeo colectores de concentraci#n).
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!7
q orno solar
:orno solar de ;deillo.
Consiste en concentrar en una peque-a
$ona o punto los raos solares que inciden
en una superficie mu grande en
comparaci#n con la $ona anterior. %ara ello
se utili$a un espejo de forma parab#lica.
Las temperaturas que se pueden obtener
son mu elevadas (llegando incluso a los
D.///WC) principalmente se utili$an en
investigaci#n, como el estudio del punto de
fusi#n de materiales. u e'plotaci#n
comercial no es viable en la actualidad
debido a su alto coste.
El horno solar m&s grande del mundo se
encuentra en :deillo (
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!8
q %lacas fotovoltaicas
6etalle de una placa
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!
#$ercicios&
4'. 5n colector solar plano que tiene una superficie de D m4 debe calentar agua para uso
domstico. abiendo que el coeficiente de radiaci#n solar es G N /,F calAminQcm4 que el
consumo de agua es constante, a ra$#n de 8 litrosAminuto, determina el aumento de
temperatura del agua si est& funcionando durante 4 horas. e supone que inicialmente el agua
est& a 3WC que no ha prdidas de calor. (ato* Ce agua N calAgQWC) (ol.* 4DWC.)
5'. etermina las dimensiones de una placa solar, suponiendo que con ella se alimente un
frigorfico (de potencia 6/ P) durante D horas. El coeficiente de radiaci#n solar es G N /,
calAminQcm4 el rendimiento energtico de la placa el 46K. (ol.* ,4B m4.)
6'. En una casa de campo se quiere instalar una placa fotovoltaica que alimente dos l&mparas
de bajo consumo (FP cada una) un televisor de 4F P. etermina la superficie que tiene la
placa, si hN B/K G N /,3 calAminQcm4. (ol.* /,43 m4).
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8.B. Energa e#lica
Molino americano.
7iene como fuente al viento, es decir, al aire en
movimiento. Lo que se aprovecha es su energa
cintica.
El viento se origina como consecuencia de*+ La cantidad de ol que incide sobre el aire,
calent&ndolo, lo que produce que ste se eleve
origine que otras masas de aire ocupan su
lugar, dando como resultado el viento.
+La rotaci#n de la 7ierra.+ Las condiciones atmosfricas de un lugar
concreto.
e calcula que el 4K de la energa solar que
recibe la 7ierra se transforma en energa cintica
de los vientos, aunque en la pr&ctica solamente se
puede aprovechar la que circula cerca del suelo.
Las modernas m&quinas e#licas transforman la
energa cintica del aire en la energa cintica que
surge de la rotaci#n de un eje, el cual arrastra un
alternador que es el que genera electricidad.
a referencias hist#ricas de que el ser humano
a utili$aba la energa e#lica all& por el a-o D.6//
a.C. en las velas de barcos.
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2!
2 Clasificaci#n de las m&quinas e#licas
q 2eroturbinas de eje hori$ontal
)arue elico.
Las m&quinas e#licas que transforman la energa cintica del viento en energa elctrica seconocen como aerogeneradores, aeroturbinas o turbinas e#licas se clasifican en dos grandes
grupos* de eje hori$ontal de eje vertical.
on las m&s utili$adas debido a su desarrollo tecnol#gico
comercial avan$ado. %ara su funcionamiento necesitan mantener su
eje paralelo a la direcci#n del viento, a fin de que ste incida sobre
las palas haga girar el eje. ependiendo de la potencia, seclasifican en*+ e potencias ba$as o %edias 0hasta 5"1. El nmero
de aspas suele ser alto (pueden llegar a tener 4D). e usan en el
medio rural para bombear agua como suministro
complementario de electricidad para viviendas.
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q 2eroturbinas de eje vertical. u desarrollo tecnol#gico est& menos avan$adoque las de eje hori$ontal su uso es bastante escaso, pero su futuro es bastanteprometedor, debido a que no necesitan dispositivos de orientaci#n, a que por cuestiones
de simetra siempre est&n orientadas, ofrecen menos problemas de resistencia
vibraciones estructurales. e amarran con cables. En la actualidad, las m&s usadas son*
5erotur!inas 6arrieus # Savonius.
Aeroturbina arrieus. Est&
constituida por dos palas de perfil
biconve'o unidas la una con la otraproduciendo el giro del eje al que
est&n unidas.
Aeroturbina avonius..e
compone b&sicamente de dos
semicilindros iguales colocadoscomo se observa en la figura. El
viento, al actuar sobre la superficie
del cilindro, produce el giro del eje.
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q C&lculo de la energa generada en unaaeroturbina.
En esta f#rmula se supone que la velocidad de salida del viento, una ve$ que ha
atravesado las palas, es AB de la velocidad inicial. i se consigue esa velocidad de salida,
se genera la potencia m&'ima en la aeroturbina. %ero no toda la energa que tiene este
viento puede ser captada por las hlices de la aeroturbina, a que depende mucho de su
dise-o, nmero de palas, etc.
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#$ercicios&
7'. etermina la potencia de una aeroturbina sobre la que acta un viento de 6/ OmAh.
El radio de cada pala es de D m. El nmero de palas es de tres. El rendimiento es del
F/K. (ol.* DD,63OP.)
8'. etermina la energa generada por la aeroturbina del ejercicio anterior en / horas.(ol.* DD3,D6 OPh.)
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8.D. Miomasa
8suema de los procesos de trans
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;!tencin de aguardiente por
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8.6. Energa geotrmica
)roceso de o!tencin de energa geotrmica.
e sabe que el ncleo de la 7ierra tiene una temperatura que puede llegar hasta los
D.///WC. Esta temperatura va disminuendo a medida que nos apro'imamos a la superficie
del planeta. %or trmino medio, a medida que se profundi$a, la temperatura se va elevandoa ra$#n de BWC por cada // metros.
%arece que una soluci#n sencilla para obtener energa calorfica
barata podra ser la reali$aci#n de dos agujeros profundos, que
estuviesen mu pr#'imos entre s. %or uno de ellos se
introducira agua fra por el otro se obtendra agua caliente.
Esta soluci#n no es v&lida en todos los lugares, a que, debido a
la baja conductividad trmica de los materiales que constituen
la 7ierra, no ha suficiente flujo trmico , una ve$ enfriado, al
introducir el agua fra, se requerira cierto tiempo para adquirir de
nuevo la temperatura inicial.2fortunadamente, e'isten $onas en las que se dan anomalas
geotrmicas, producindose transferencias de calor desde el
interior mucho maores en las que la escala de temperaturas
en funci#n de la profundidad es incluso mucho m&s elevada.
%ueden encontrarse $onas en las que, por cada // m de
profundidad, se eleve la temperatura entre / 4/WC.
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2 7ipos de acimientos
q !acimientos hidrotrmicos.El propio fluido (agua) se encuentra en el interior de la 7ierra, enforma lquida o vapor (entre D/WC 4//WC).
q !acimientos geopresuri$ados. 1gual que los anteriores pero a m&s profundidad grandespresiones.
q !acimientos de roca caliente.
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8.8. Energa maremotri$
/entral maremotriz #
detalle de un grupotur!ina9alternador
$Aa Rance'.
Las %areastienen su origen en la atracci#n del ol
de la Luna. Este fen#meno ejerce una gran influenciasobre las masas de agua, que en algunos lugares
provoca subidas de la marea de hasta / metros.
En $onas donde se producen grandes mareas se
puede locali$ar un estuario o baha adecuado
cerrarlo mediante una gran presa. Esta presa dispone
de uno o varios agujeros, donde se coloca una turbina
reversible.
Cuando sube la marea, se cierra la compuerta paraque no entre agua. Cuando la marea est& pr#'ima a
su punto m&s alto (pleamar) se abre la compuerta la
turbina como si se tratase de un embalse (el agua
entra hacia el estuario). El estuario estar& lleno en el
momento en que empiece a bajar la marea. Entonces
se cierra de nuevo la compuerta hasta que la marea
est en su punto m&s bajo (bajamar), momento en el
cual se abre comien$a a funcionar de nuevo la
turbina.
En la actualidad, la nica central maremotri$ que se
emplea comercialmente en el mundo para producir
electricidad est& en La >ance (
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8.. >esiduos #lidos 5rbanos (>5)
Los residuos s#lidos urbanos son aquellos desperdicios restos (que no son lquidos ni
gaseosos) de naturale$a inerte, generados por la actividad domstica en los ncleos de
poblaci#n o $onas de influencia. e ellos se puede obtener gran cantidad de energa.
La forma m&s usual de obtener energa de los >5 es a travs de dos mtodos*
q -ncineraci+n. %ara ello se queman los residuos combustibles, obteniendo calor, que
se puede usar para producir electricidad (a travs de una central trmica), paracalefacci#n, para usos industriales, etc.
q
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8.3. Energa de las olas
2 %roectos en funcionamiento
2 lo largo de la historia se han dise-ado construido diferentes dispositivos para transformar la energa de lasolas en energa til, generalmente electricidad. El aprovechamiento de este tipo de energa suele resultar difcil
complicado, a que requiere grandes estructuras que soporten los temporales sin romperse. 2dem&s, por sus
dimensiones por hallarse mu pr#'imas a la costa, estas construcciones tienen el inconveniente de producir
un grave impacto medioambiental.
esde .F4/ se han construido muchas m&quinas en diferentes pases para aprovechar la energa de las olas.
En Espa-a, la empresa 5ni#n
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M7cnicas en las que se basa sufuncionamiento
cnicas de aprovechamiento de la energa de las olas.
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8.F. Energas alternativas medio
ambiente2 1mpactomedioambiental.
En la tabla podemos observar los posiblesimpactos ambientales de las energasalternativas.
M 7ratamiento de residuos.
Las nicas energas que originan residuos
son la biomasa los >5.
i los residuos son org&nicos, procedentes de
materia vegetal, se reciclan colaborando con
el medio ambiente, a que en muchos casos
se pueden emplear como fertili$antes o
abonos.
i los residuos son de materia no vegetal, sedeber&n depositar en lugares preparados para
tal fin, denominados vertederos controlados.
%eri#dicamente se recubren de tierra u otros
materiales, para evitar la contaminaci#n
ambiental.