ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA
ALTERNATIVA
VIVIANA GARNICA QUIROGA
CRISTIAN DAVID RODRIGUEZ GARCIA
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.-2015
ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA
ALTERNATIVA
VIVIANA GARNICA QUIROGA
CRISTIAN DAVID RODRIGUEZ GARCIA
Trabajo de grado para obtener el título de
Ingeniero(a) Civil
Asesor: DANIELLA RODRIGUEZ URREGO
Ingeniera Civil
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.-2015
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .......................................................................................................................................... 7
ABSTRACT ........................................................................................................................................ 8
PALABRAS CLAVE .......................................................................................................................... 8
GLOSARIO ......................................................................................................................................... 9
1. INTRODUCCION .................................................................................................................. 11
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 13
3. JUSTIFICACION ................................................................................................................... 14
4. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 17
4.1. OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................... 17
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ....................................................................................... 17
5. MARCO REFERENCIAL ...................................................................................................... 18
5.1. MARCO TEORICO CONCEPTUAL........................................................................... 18
5.1.1. Pavimentos Asfalticos o flexibles ............................................................................. 18
5.2. MARCO CONTEXTUAL ............................................................................................ 26
6. DISEÑO METODOLÓGICO ................................................................................................. 31
7. ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE ENERGÍAS ALTERNATIVAS – RENOVABLES.................. 33
7.1. Energía solar .................................................................................................................. 37
7.2. Energía eólica ................................................................................................................ 41
7.3. Energía hidráulica ......................................................................................................... 43
7.4. Energía nuclear .............................................................................................................. 46
7.5. Energía por biomasa ...................................................................................................... 48
7.6. Energía geotérmica ........................................................................................................ 50
7.7. Energía oceánica ........................................................................................................... 52
8. ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE ENERGÍAS ALTERNATIVAS A PARTIR DE LAS
CARRETERAS ...................................................................................................................................... 55
8.1. Sistema de tuberías incrustadas con fluido gaseoso ...................................................... 57
8.2. Fluido transportado en capa porosa sin redes ................................................................ 58
8.3. Sistema Pavener ............................................................................................................ 61
8.3.1 Propuesta para mejorar el sistema .................................................................................. 65
8.4. Aguas residuales en conductos incrustados en la carpeta asfáltica ............................... 66
8.5. Instalación de piezoeléctricos en el pavimento ............................................................. 67
8.6. Sistema de generadores electrocinéticos ....................................................................... 69
8.7. Sistema de Generadores Hidráulicos ............................................................................. 69
8.8. Sistema de captación de energía eólica ......................................................................... 70
9. PROPUESTA INVESTIGATIVA .......................................................................................... 72
10. RESULTADOS....................................................................................................................... 74
11. DISCUSIÓN ........................................................................................................................... 76
12. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 79
13. BIBLIOGRAFÍA O REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................... 81
14. ANEXOS ................................................................................................................................ 86
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estructura común de los pavimentos asfalticos ................................ 18
Figura 2. Estructura de un pavimento flexible. ................................................ 21
Figura 3. Cemento asfáltico en mezclado. ....................................................... 23
Figura 4. Agregados Pétreos ............................................................................ 24
Figura 5. Proceso de la energía solar fotovoltaica ........................................... 38
Figura 6. Componentes de una turbina para generación de energía eólica. ..... 42
Figura 7. Proceso de obtención de energía hidráulica. .................................... 44
Figura 8. Proceso de obtención de energía nuclear. ......................................... 47
Figura 9. Esquema de prototipo para obtención de energía. ............................ 57
Figura 10. Balance de energía en un colector solar multicapa. ....................... 58
Figura 11. Posibilidades de funcionamiento del sistema. ................................ 60
Figura 12. Distribución de tuberías para proyecto Pavener. ............................ 62
Figura 13. Imagen térmica del agua luego de ingresa al sistema pavener ....... 63
Figura 14. Deformación asociada al movimiento de la rueda ......................... 67
Figura 15. Vista detallada del sistema de membrana piezoeléctrico .............. 68
Figura 16. Sistema de generadores electrocineticos ........................................ 69
Figura 17. Sistema de generador hidráulico. .................................................... 70
Figura 18. Sistema de energía eólica en carreteras. ......................................... 70
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Clasificación de los pavimentos. ..................................................... 20
Gráfica 2. Acceso a servicios públicos, privados o comunales a nivel nacional.
.......................................................................................................................... 28
Gráfica 3. Promedio de años de educación a nivel Nacional. .......................... 28
Gráfica 4. Consumo de Energía Eléctrica en Colombia. ................................. 30
Gráfica 5. Diseño metodológico del proyecto ................................................. 32
Gráfica 6. Clasificación de energías alternativas. ............................................ 35
Gráfica 7. Ventajas y dificultades de la energía solar. ..................................... 39
Gráfica 8. Distribución del potencial hidroeléctrico mundial. ......................... 44
Gráfica 9. Funciones de la energía geotérmica. ............................................... 52
Gráfica 10. Ventajas y desventajas de la energía oceánica. ............................. 54
Gráfica 112. Resultados del proyecto .............................................................. 75
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1. Potencial de la energía solar en Colombia, por regiones. ............... 40
Cuadro 2. Traducción de Thermal and hydraulic analysis of multilayered
asphalt pavements as active solar collectors ................................................... 59
Cuadro 3. Propuesta Investigativa .................................................................... 72
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RESUMEN
El presente trabajo de investigación, consiste en la documentación y elaboración de un
estado del arte acerca de las diferentes tecnologías que se han estudiado con el fin de
obtener energía en sus diferentes transformaciones como térmica, mecánica, eléctrica u
otras a partir de los pavimentos asfalticos o flexibles.
Con ello se pretende documentar las diversas investigaciones sobre energías alternativas o
renovables existentes estimulando el estudio del desarrollo de innovación en el campo de
la ingeniería de pavimentos, ya que como es bien sabido, esta es una estructura
multifuncional que se encuentra en la mayor parte del territorio y que por su composición
permite obtener diferentes beneficios como el que se menciona a lo largo de esta
investigación.
Así mismo se busca impulsar el estudio de la instauración de un sistema de obtención
energética a partir de la carpeta asfáltica de los pavimentos en territorio colombiano,
aprovechando las altas temperaturas que se presentan en diversas regiones por sus
condiciones geográficas y así de esta manera aportar al adelanto tecnológico en cuanto a
energías alternativas se refiere.
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ABSTRACT
The present research work consists of the documentation and development of a state of the
art about the different technologies that have been studied in order to obtain energy in its
different transformations as thermal, mechanical, electrical or other from asphalt
pavements or flexible.
With it is intended to document the various research on alternative energy or existing
renewable encouraging the study of the develop of innovation in the field of pavement
engineering, because as is well known, this is a multifunctional structure found in most of
the territory and its composition allows obtaining different benefits as mentioned
throughout this investigation.
It also seeks to promote the study of the implementation of a system of energy obtaining as
of the asphalt pavement in Colombia, taking advantage of the high temperatures that occur
in different regions by its geographical conditions and so in this way contribute to
technological advancement in terms of alternative energy is concerned.
PALABRAS CLAVE
Pavimento, energía alternativa, asfalto, radiación solar.
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GLOSARIO
Aerogenerador: Dispositivo mecánico de rotación, provisto de palas que aprovechan la
energía cinética del viento para proporcionar energía mecánica a un rotor que a través
alternador trifásico convierte la energía mecánica en eléctrica.
Asfalto: Material orgánico procedente de la destilación natural del petróleo que aflora en la
superficie de la tierra mezclado con minerales en proporciones variables.
Biomasa: Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado,
utilizable como fuente de energía.
Combustibles fósiles: Son mezclas de compuestos orgánicos que se extraen del subsuelo
con el objetivo de producir energía por combustión, no son considerados como una fuente
de energía limpia ya que son generados a partir de recursos naturales no renovables.
Cristal piezoeléctrico: Se conocen como cristales piezoeléctricos aquellos materiales que
al ser deformados a causa de tensiones mecánicas adquieren una carga eléctrica.
Energía limpia: Una energía se considera limpia cuando su utilización no tiene riesgos
potenciales añadidos, y suponen un nulo o escaso impacto ambiental. Prácticamente no
existe una energía limpia en un 100%. La alteraciones que pueda provocar una energía
limpia -considerando su ciclo de vida-, no son relevantes como para alterar ecosistemas,
ciclos hidrológicos, o generar residuos que la naturaleza no pueda asimilar previamente
tratados. Las energías limpias, son renovables y compatibles con sociedades sustentables.
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Energía eléctrica: Fuente de energía renovable que se obtiene mediante el movimiento de
cargas eléctricas (electrones positivos y negativos) que se produce en el interior de
materiales conductores (por ejemplo, cables metálicos como el cobre).
Energía Térmica: Energía liberada en forma de calor.
Fluido: Se dice de las sustancias en estado líquido o gaseoso.
Panel fotovoltaico: Dispositivo formado por un conjunto de celdas fotovoltaicas
encargadas de captar la radiación solar emitida para elaboración de sistemas de calefacción
o producción de energía eléctrica.
Pavimento: Capa superior del pavimento flexible; generalmente mezclas de áridos con
ligantes asfalticos o betún asfáltico.
Radiación solar: energía emitida por el sol, que se propaga en todas las direcciones a
través del espacio mediante radiaciones electromagnéticas, estas radiaciones pueden ser
cuantificadas y se expresa en unidades de irradiancia.
Tubería: Conducto formado por tubos que sirve para distribuir líquidos o gases.
Turbina: Máquina destinada a transformar en movimiento giratorio de una rueda de
paletas la fuerza viva o la presión de un fluido.
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1. INTRODUCCION
El trabajo en energías alternativas llevado a cabo en los últimos años a nivel mundial ha
empezado a abrir un panorama de tendencias investigativas desde las diferentes áreas del
conocimiento de la ingeniería, presentando un interés en la utilización de estructuras,
objetos u elementos existentes que permiten la innovación en el desarrollo de obtención de
energía a partir de los mismos.
Una de las estructuras en estudio desde hace varias décadas son los pavimentos. Es de
recordar que la superficie de esta estructura se encuentra expuesta a la intemperie climática
a lo largo de su vida de servicio, soportando altas y bajas temperaturas, además de cargas a
causa del tráfico en circulación; estas condiciones provocan diferentes tipos de patologías
en el sistema como: deformación permanente, roderas, exudación del asfalto, fisuras, entre
otros.
Las diferentes investigaciones que se han estudiado a partir de los pavimentos en conjunto
con otras estructuras o sistemas, han demostrado que no solo se disminuye las
problemáticas anteriormente mencionadas sino que además se aprovechan las condiciones
del entorno, con el fin de obtener un tipo de captación de energía sustentable. Como
ejemplo se reconoce que el pavimento asfáltico expuesto a temperaturas altas se comporta
como un panel solar, pudiendo captar la energía calórica que luego es transformada como
12 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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lo menciona Bobes y col (2012). Se identificará durante el documento la potencialidad de
utilizar estas estructuras en Colombia como productor energético para poblaciones
vulnerables. Así mismo, a lo largo de este documento se tratarán las energías alternativas
más representativas y su impacto generado en el ambiente, también se consolidarán
conceptos relevantes en la investigación y por último se hará énfasis en el desarrollo de
tecnologías de obtención energética en los pavimentos.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Debido a la baja producción de energía proveniente de fuentes renovables, a la inexistencia
de nuevas iniciativas de Investigación y Desarrollo I+D nacionales para la generación de
energía a través de pavimentos y de acuerdo a los antecedentes, la reflexión que se realiza
en torno al tema de las energías renovables y la posibilidades de innovación a desarrollar
desde la ingeniería civil, se establece como pregunta rectora de la investigación que se
formula de la siguiente manera:
¿Cómo se han desarrollado las energías alternativas en Colombia y cuál es la posibilidad
de implementar sistemas que generen energía térmica para ser transformada en energía
eléctrica a partir de los pavimentos flexibles?
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3. JUSTIFICACION
El clima en el territorio mundial está definido por su posición geográfica, dicha ubicación
permite determinar si se encuentra en un régimen estacional, es decir, que las condiciones
climáticas como la temperatura, la presión atmosférica, la humedad, entre otras, se
mantienen por periodos de aproximadamente tres meses; estas fases se denominan:
invierno, otoño, primera y verano. En cuanto a los países no estacionales conocidos
comúnmente como tropicales (Ecuador, Panamá, Surinam, Colombia,etc.), las condiciones
climáticas tienen un comportamiento diferente; en estas zonas los agentes meteorológicos
se encuentran en función de su altura respecto al nivel del mar, por ende, sus variaciones no
están definidas por ciclos temporales estándar, sino que se mantiene un régimen frio,
templado y cálido, presentando únicamente cambios abruptos en sus precipitaciones y
sequias. Colombia, es uno de los países que se encuentran en un régimen no estacional y en
los que claramente el comportamiento climático varía en cada región.
Teniendo en cuenta las condiciones climáticas y la situación de consumo energético actual
a nivel global, en la que los combustibles fósiles son el foco de generación de energía. Las
investigaciones en la última década se han enfocado en crear alternativas capaces de
sustituirlos y que sean sostenibles; siendo esto lo que ha incentivado a países desarrollados
a investigar en energías alternativas, tales como la eólica, la solar, la geotérmica, entre
otras; interactuando interdisciplinarmente para dar respuestas coherentes y eficientes a esta
problemática.
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Es por lo anterior, que la ingeniería civil, es uno de los campos que aplicados
adecuadamente puede dar opciones en la solución de esta situación. En el año 2004, la
empresa holandesa Ooms Avenhorn propone una técnica innovadora denominada Road
Energy System; en esta se busca emplear de forma productiva la capacidad térmica del
cemento asfáltico presente en las carreteras, obteniendo energía térmica a través de tuberías
con fluidos en movimiento, los cuales se encuentran debajo de la carpeta asfáltica, y que
son transportadas a acuíferos para su almacenamiento hasta su utilización. Otro centro
investigativo, el Centro Tecnológico Vasco Tecnalia da a conocer el Sistema Pavener,
ejecutado por el grupo Campezo en la ciudad de Bilbao, cuyo esquema es similar al Road
Energy System. Bobes y col (2012) describe detalladamente los factores que intervienen en
un modelo de colector solar asfáltico, tales como la conducción del fluido, la radiación
solar, los métodos para la predicción de la temperatura, la conductividad térmica, entre
otros. Así mismo García y Partl (2013), establecen una modelación donde implementa dos
tipos de fluidos (agua y aire), que al ser aplicados en el prototipo del laboratorio permite
afirmar que al adicionar aire al sistema, el incremento energético no es muy variable.
Estas investigaciones han dado respuesta a la problemática que en países estacionales se
presenta, cuando la temperatura en época de invierno es tan baja que provoca
congelamiento excesivo en sus carretas, minimizando la adherencia del neumático con la
capa asfáltica y aumentando las distancia de frenado. Debido a que en Colombia este
fenómeno no se presenta, esta alternativa daría solución a necesidades propias de la zona,
como lo es la inexistencia de energía eléctrica en regiones aisladas y vulnerables, ya que se
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adaptada de manera adecuada y cuenta con las condiciones idóneas para satisfacer este
requerimiento, y satisfacer sosteniblemente la iluminación propias de las carreteras.
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4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar un estado del arte acerca del uso de energías renovables, indicando sus ejes de
funcionamiento y su situación actual mundial y nacional como contexto e introducción a la
aplicación de energías renovables a partir de los pavimentos asfálticos.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Recopilar información pertinente acerca de las energías alternativas más utilizadas a
escala regional e internacional.
Realizar un estado del arte tipo artículo de publicación científica como resultado del
trabajo investigativo.
Generar una posible alternativa de implementación de un sistema de captación de
energía a partir de pavimentos en Colombia.
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5. MARCO REFERENCIAL
5.1. MARCO TEORICO CONCEPTUAL
5.1.1. Pavimentos Asfalticos o flexibles
Según Montejo A, (2002) un pavimento es un conjunto de capas horizontales colocadas
una sobre otra como se observa en la Figura 1., construidas cada una con materiales
idóneos y compactación adecuada, así mismo estos estratos deben estar sobre un suelo
denominado subrasante que ha de resistir los esfuerzos de las cargas trasmitidas por el
tránsito, igualmente debe soportar los efectos de la intemperie, además de cumplir con otros
requisitos que garanticen seguridad, funcionalidad y confort.
Figura 1. Estructura común de los pavimentos asfalticos
Fuente: Elaboración propia basado en Montejo A, (2002)
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Dependiendo de las características físicas y mecánicas de los pavimentos, estos se
clasifican en cuatro categorías como se muestra en la Gráfica 1.
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Gráfica 1. Clasificación de los pavimentos.
Fuente: Elaboración propia con base en el libro Ingeniería de Pavimentos, Montejo A, 2002.
Pavimentos Flexibles
Formado por una carpeta asfáltica, generalmente sobre una base y subbase
granular.
Pavimentos Rígidos
Constituidos por una losa de concreto hidraúlico sobre la subrasante o capa de
material seleccionado.
Pavimentos Semirígidos
Mantiene la estructura de los pavimentos flexibles solo que una de
sus capas granulares se encuentra estabilizada con algun componente como cal, cemento, asfalto u otros.
Pavimentos Articulados
Compuestos por una capa de rodadura conformada de adoquines , que van
sobre una capa delgada de arena apoyada directamente sobre la
subrasante o capa granular.
CLASIFICACIÓN DE LOS
PAVIMENTOS
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Los pavimentos aptos para el desarrollo de sistemas de captación de energía por las
características de sus componentes son los pavimentos flexibles.
En la Figura 2 se identifica visualmente la composición de un pavimento flexible, que
como bien se mencionó anteriormente está compuesta de un terreno natural o subrasante
que previamente debió ser compactada y mejorada si por las condiciones del suelo llegase
a ser necesario, por lo general y para protección de la misma se realiza la disposición de un
geosintético que es definido en el diseño de acuerdo a diversos factores influyentes como
los estructurales, económicos, entre otros; en este mismo orden encontramos la base y
subbase con material granular previamente identificado bajo estándares de calidad del
Invias y con espesores calculados dependiendo del método aplicado, por último, la
carpeta asfáltica está constituida por material pétreo (agregados) y un porcentaje de
material asfaltico, siendo este último el que favorece al incremento calórico idóneo para
los sistemas energéticos alternativos.
Figura 2. Estructura de un pavimento flexible.
Fuente: http://www7.uc.cl/sw_educ/construccion/urbanizacion/html/concepto.html
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A continuación se describen brevemente los componentes de la carpeta asfáltica:
Cemento Asfáltico: Los asfaltos se forman por compuestos químicos saturados,
aromáticos, resinas y asfaltenos en proporciones suficientes para crear material
bituminoso que funcione como ligante en las mezclas, lo cual es su razón principal.
Las características y el comportamiento del cemento asfáltico es uno de los factores
que más influye en la aparición del envejecimiento en las mezclas. Los maltenos del
asfalto reaccionan rápidamente al tener contacto con el oxígeno y la radiación solar
y se transforman en asfaltenos, hecho que causa un desequilibrio tanto en las
condiciones físicas y químicas iniciales como en las propiedades para las que se
dispuso este material. (Chávez & Hernández, 2008).
En condiciones reales, esto se traduce en contracciones de la capa asfáltica, que
generan grietas en la superficie del pavimento. De esta manera, el material
bituminoso que queda expuesto al ambiente después de presentarse las primeras
grietas, vuelve a contraerse generando grietas de mayor tamaño y por ende
causando fallas del nivel de los baches en carpeta asfáltica (Chávez & Hernández,
2008).
En la Figura 3. Se observa el aspecto de .un cemento asfáltico en etapa de mezclado
para ser empleado en la pavimentación de carreteras.
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Figura 3. Cemento asfáltico en mezclado.
Fuente: Propia.
Agregados: Los agregados son materiales con el mayor porcentaje en volumen y
masa presentes en la mezcla asfáltica. Su estudio es necesario, al reconocer que su
origen y naturaleza influye en su futuro comportamiento, ya que las acciones del
intemperismo y el desgaste no demuestran en su totalidad las características
verdaderas de la roca madre. (Delgado, 2006, citado por Londoño, 2012). Los
agregados son materiales inertes que no reaccionan químicamente, pero al estar en
contacto con el agua, presentan variaciones de PH que perjudican la adhesión con
el ligante, produciendo desprendimientos de la película asfáltica, que deja un
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contacto libre con el asfalto y hace que de esta manera y por estas dos causas
aparezca el envejecimiento. (Fernández et al, 2011). En la Figura 4., se muestra la
apariencia general de diferentes agregados pétreos empleados en la construcción de
carreteras.
Figura 4. Agregados Pétreos
Fuente: http://www.trazasa.com.ar/
Película de Asfalto: El espesor sobre los agregados de la mezcla, es el que asegura
una adecuada durabilidad de la mezcla y por ende es el que experimenta las
primeras etapas del envejecimiento al producir una de las características
fundamentales del mismo: el endurecimiento. El ambiente y el paso del tránsito,
reducen inevitablemente el espesor de la película que junto con el contenido de
vacíos, definen parte del fenómeno tratado (Campen et al., 1959; Goode & Lufsey,
1965; Kumar & Goetz, 1977, citado por Fernández et al, 2011) .Contenido de
Vacíos El contenido de vacíos depende directamente de la granulometría, de la
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adhesión de esta con el material bituminoso y del proceso de compactación que
estos tengan (Chen et al., 2004 citado por Fernández et al, 2011). Por estos vacíos,
pasan los filleres, el agua y el aire, pero también permiten que la mezcla se
reacomode cuando se contraiga y se expanda al recibir el peso del tránsito y captar
los cambios climáticos. Estos son los motivos por los cuales el contenido de vacíos
es sumamente importante en la mezcla, pues un exceso de ellos ocasiona
deformaciones permanentes, pero la escasez es sinónimo de agrietamiento cuando
la circulación de aire es alta. (Fernández et al, 2011).
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5.2. MARCO CONTEXTUAL
Según datos del banco mundial el crecimiento demográfico corresponde a la tasa
exponencial de aumento de la población a mediados de año, en este contexto se puede decir
que la demanda energética aumenta con el crecimiento poblacional. Es por ello que la
mayoría de países buscan fuentes que satisfagan esta necesidad, pero que a diferencia de la
proveniente de los combustibles fósiles - recursos naturales no renovables-, no generen la
misma intensidad de problemáticas ambientales y sus costos tanto de producción como de
comercialización sean menores. De este modo surgen las denominadas energías
alternativas, cuya base de funcionamiento es la utilización de diversas fuentes energéticas
que no provocan daños en el medio ya su vez, no representan un gasto económico
significativo.
El banco mundial muestra que el uso de estas energías en la mayoría del mundo se ha
incrementado, y que en Colombia hacia el año 2011, ya se empleaban en un 13,3% para
suplir el total de la demanda (The World Bank, 2015) por ello, este país viene
implementado estructuras energéticas en los últimos años, aprovechando que es uno de los
territorios que se encuentran en un régimen no estacional y en el que claramente el
comportamiento climático varía en cada región, presentando agentes meteorológicos que se
encuentran en función de la altura respecto al nivel del mar, por ende, sus variaciones no
están definidas por ciclos temporales estándar, sino que se mantiene en un régimen frio,
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templado y cálido, presentando únicamente cambios abruptos en sus precipitaciones y
sequias, lo cual provee de una forma óptima el poder trabajar en energías alternativas que
garanticen su captación y funcionamiento anual, técnicas que no se han usufructuado en su
totalidad.
Acudiendo a nuevas técnicas y desde el punto de vista de Ingeniería Civil e Ingeniería de
Carreteras, según el Ministerio de Transporte (2013), Colombia cuenta con una
infraestructura vial aproximada de 203.392 kilómetros, comprendidos entre pavimentos
flexibles y pavimentos rígidos, los cuales abarcan gran parte del territorio colombiano. Ante
una infraestructura de tan gran magnitud y en conjunto con condiciones climáticas idóneas,
se genera la posibilidad de desarrollar un sistema de captación de energía eléctrica y
térmica a través de su propia estructura desde diferentes perspectivas. En este contexto se
proponen el uso de sus vías como fuente alternativa de energía, debido a que su
aprovechamiento es posible a partir de pavimentos asfálticos que utilicen sistemas de
captación por medios mecánicos, o simplemente por la explotación del beneficio que se
tienen en las zonas de climas cálidos, al conocer que bajo esas condiciones se logran
gradientes de temperatura por encima de 70ºC (Bobes et al., 2012) Colombia cuenta con
condiciones idóneas para la obtención de energía.
Colombia tiene en la actualidad 47.661.790 habitantes (BR 2014), divididos principalmente
en 10.570.899 hogares, de los cuales el 36.21% (3.828.055) presentan alguna carencia, es
decir, requieren de una unidad habitacional o sus viviendas incumplen con los estándares
mínimos de habitabilidad, lo que implica la limitación en el acceso a servicios públicos,
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privados o comunales debido al bajo poder adquisitivo como se muestra en la Gráfica 2 y
así mismo al nivel de educación de cada individuo tal como se ve en la Gráfica 3, el cual no
alcanza a sobrepasar los 10.3 años de estudio, equivalentes a una educación básica primaria
completa y una secundaria sin concluir; la calidad de las edificaciones, la zona geográfica y
las características de los terrenos.
Gráfica 2. Acceso a servicios públicos, privados o comunales a nivel nacional.
Fuente: DANE 2013
Gráfica 3. Promedio de años de educación a nivel Nacional.
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Fuente: DANE 2013
A pesar de ello, el servicio de energía eléctrica tiene una cobertura casi total en Colombia,
pues es vital para la realización de actividades de cualquier índole, sin embargo, el mundo
enfrenta una crisis energética por el cambio climático y por la escasez de las reservas de
petróleo (Ramiro & González), lo que obliga el uso de alternativas que no utilicen los
combustibles fósiles, pero permitan suplir el requerimiento energético de la Nación,
teniendo en cuenta que el territorio colombiano se encuentra en una zona intertropical y
sobre el eje ecuatorial, que le otorga características climáticas esenciales como
temperaturas constantes en el año se desarrollan energías como la solar, eólica e hidráulica,
principalmente, aunque existen otros tipos de energías como la nuclear, por biomasa, la
geotérmica y la oceánica, sobre las cuales el país ha realizado estudios importantes que
exponen las ventajas y el potencial de su uso, pero no se han realizado grandes proyectos de
implementación debido a que el enfoque actual es investigativo con unidades prácticas
únicamente a pequeña escala. No obstante, estas investigaciones son determinantes para el
medio ambiente y el hombre, que en condiciones de vulnerabilidad se ve afectado por la
degradación de su entorno y la falta de acceso a los servicios de energía limpia y accesible,
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por lo que en su conjunto se debe considerar tan grave como el cambio climático o la
pérdida de biodiversidad, es decir, un problema que debe ser tratado por el país con ayuda
de organizaciones internacionales, a través de políticas innovadoras que vinculen a todos
los asociados a través de proyectos experimentales que mejoren la calidad de vida y
busquen un desarrollo sostenible en la Nación. (PNUD, 2008).
Como se observa en la Gráfica 4., Colombia consume un 3% del total de energía eléctrica
en para el funcionamiento de Alumbrado público, una demanda estimada de 1600GWh
para un total de 146 millones de euros al año, esto ligado a las estrategias y acciones que
tiene Colombia para fomentar el uso eficiente de la energía (URE). En Alemania, España y
otros países europeos han trabajado iluminarias Senso LED (Diodo Emisor de Luz),
indicando ahorros de energía importantes y reducciones de CO2. Así se observa en Iserlohn
al instalar 15 luminarias, demostrando reducciones de CO2 del 27% en el año y una
reducción del consumo de energía en 26%. La problemática de las iluminarias en cuanto a
su costo es inminente en el mundo. Este proyecto aporta a la cooperación internacional
mediante el apoyo a la aplicación de las decisiones y resoluciones de la CMNUCC y el
CDB, a partir de que la iluminación es la responsable de casi el 6% de las emisiones
mundiales de gases de efecto invernadero. 1.900 millones de CO2.
Gráfica 4. Consumo de Energía Eléctrica en Colombia.
31 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Fuente: Elaboración Propia basados en guía del buen uso de la energía, Ministerio de Minas y energía, 2007.
6. DISEÑO METODOLÓGICO
El diseño metodológico que se desarrolló se especifica en la Gráfica 5.
3% 1%
43%
18%
31%
4%
Consumo de Energia Eléctrica en Colombia
Alumbrado Público
Otros
Residencial
Comercial
Industrial
Oficial
32 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Gráfica 5. Diseño metodológico del proyecto
Fuente: Elaboración propia
REVISIÓN
DOCUMENTAL
PRIMARIA
• Documentación de información otras fuentes informativas de fácil acceso , acerca de la teoría de los pavimentos y las energias alternativas
• RECURSOS: SOFTWARE de procesador de datos, Computadores, Documentos de consulta, acceso a base de datos
REVISIÓN
DOCUMENTAL
ESPECíFICA
• Recolección y clasificación de información en bases de datos tales como scielo, scopus, science direct en temas Tema (1, Energías alternativas. (Mundial - Colombia) 2, Energías en carreteras (Mundial - Colombia) 3, temperaturas carreteras.
• RECURSOS: SOFTWARE de procesador de datos, Computadores, Documentos de consulta, acceso a base de datos
ESTRUCTURACIÓN DE CAPITULOS DEL ARTICULO
• Redacción de apartados del artículo de acuerdo a la información recolectada
• RECURSOS: Computadores, Documentos de consulta, Microsoft Word.
BUSQUEDA DE EVENTOS ACADEMICOS RELACIONADOS AL TEMA
• Consulta de eventos nacionales para participar con una ponencia con el tema desarrollado
• RECURSOS: Computadores, internet.
ELABORACIÓN DEL ARTICULO SEGÚN PARÁMETROS
• Realización del artículo en concordancia a parámetros y formatos establecidos por la organización del evento
• RECURSOS: Computadores, Documentos de consulta, Microsoft Word.
ELABORACIÓN DE PROPUESTA DE DISEÑO
• De acuerdo a la información obtenida en la documentación se realiza un a propuesta de diseño para la participación de un concurso de innovación desde el campo de la ingeniería
• RECURSOS: Computadores, Documentos de consulta, Microsoft Word.
ELABORACIÓN DE DOCUMENTO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO CIVIL
• Eloaboración del presente documento como requisito del programa para obtener el título de ingeniero civil , esto en base a la información obtenida a lo largo del desarrollo de la investigación.
• RECURSOS: Computadores, Documentos de consulta, Microsoft Word.
33 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
7. ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE ENERGÍAS
ALTERNATIVAS – RENOVABLES
Debido a que el consumo energético a nivel mundial se está incrementando en los últimos
años, así lo presenta Narváez (2010) indicando que se espera un incremento del 1,4%
anualmente hasta el año 2035, también lo referencia Rodríguez (2009) mencionando que el
consumo energético mundial en el 2006 ascendió a 462 1015 BTU/año indicando un
ascenso de 51015 J/año. Ante el incremento energético a nivel mundial, las investigaciones
en el último siglo se han enfocado en las energías alternativas, las cuales provienen en la
mayoría de los casos de la biomasa, el sol, el viento, las olas, el agua y el interior de la
tierra, explotadas con diversos tipos de tecnologías (Narváez, 2010).
Según Posso (2002), las energías alternativas (EA), son todas aquellas energías que
provienen de origen no fósil, e involucra tanto las consideradas renovables como las no
renovables como se observa en la Gráfica 6.
Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y se consideran
inagotables a escala humana (Merino L, 2012). De acuerdo al Grupo Intergubernamental de
Expertos sobre el Cambio Climático (2011) el concepto de energía renovable comprende un
grupo heterogéneo de tecnologías, debido a que algunos tipos de energía permiten
34 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
suministrar electricidad, energía térmica y energía mecánica, y otras permiten producir
combustibles capaces de cubrir la demanda de servicios energéticos.
35 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Gráfica 6. Clasificación de energías alternativas.
Fuente: ENERGÍA Y AMBIENTE: PASADO, PRESENTE Y FUTURO. PARTE DOS: SISTEMA
ENERGÉTICO BASADO EN ENERGÍAS ALTERNATIVAS, POSSO F, 2002
Energias Alternativas
No Renovables
Nuclear Geotérmica
Renovables
Solar
Directa
Térmica
Eléctrica
Indirecta
Hidraúlica
Eólica
Oceánica
Biomasa
Mareas Electromagnetica
36 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
A su vez, ciertas energías son adaptadas en el lugar de consumo a través de regímenes
descentralizados en áreas rurales y urbanas, mientras que otras son implantadas en
regímenes centralizados con redes de suministro de gran tamaño. A pesar que el uso de
estas tecnologías es cada vez mayor, existen otras con una evolución mucho menor o con
dedicaciones muy específicas. En contraparte las energías no renovables son aquellas que
su fuente de generación es limitada.
Este tipo de energías han llegado a cambiar la percepción de la obtención energética,
llegando a considerar que se debe llevar ímpetu en los diferentes estudios que conlleven al
aporte de adelantos tecnológicos con la finalidad de alcanzar en un futuro próximo a un
gran porcentaje de energías limpias, ya que actualmente las energías alternativas satisfacen
casi una quinta parte del consumo mundial de energía, así lo afirma el presidente de la REN
21 según el documento publicado por “Renewable Energy Policy Network for the 21st
Centrury” (REN 21).
Como ejemplo Narváez, 2010 menciona las cifras de producción de energía eólica en
diferentes países donde claramente se observa que España es líder en la obtención de
energía bajo esta modalidad con un 24%, seguida por Alemania 19 %, Italia 19 %, Francia
11 % y Reino Unido 10 %.
37 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
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Dando respuesta a la búsqueda de desarrollo constante en países emergentes, Colombia
cuenta con el Plan Energético Nacional (PEN) cuyo objetivo principal es...” Maximizar la
contribución del sector energético al desarrollo sostenible del País”... (PEN, 2006) en
consecuencia a esto se han aplicado diversos métodos de obtención de energías alternativas,
Ortiz y col (2012) afirma que existen seis sistemas alternativos de energía en el territorio
colombiano los cuales son: energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica, oceánica y
biomasa, cada uno de ellos condicionado su fuente principal de suministro.
A continuación se enuncian algunas de las energías alternativas desarrolladas a nivel
mundial:
7.1. Energía solar
Este tipo de energía se consigue directamente de la radiación solar que llega a la tierra en
donde se genera un proceso de fusión nuclear. (Ministerio de educación España, 2011).
Se conoce que la energía solar puede ser obtenida de tipo pasiva o activa, la primera de
ellas obtiene energía térmica sin la necesidad de sistemas mecánicos sino que apela a la
utilización de colectores que obtienen el calor del sol y transfieren este componente térmico
a fluidos ya que este método se emplea especialmente para calefacción y calentamiento de
aguas domésticas. (Calefacción solar y energías Renovables, 2014).
38 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Por el contrario, la energía solar activa si emplea dispositivos para la recolección del
componente energético proveniente del sol y transformarlo en energía eléctrica o mecánica.
Así mismo, este tipo de energía de acuerdo a su capacidad se puede clasificar energía
térmica y fotovoltaica, la primera solo genera fluido caliente sin producir electricidad, y la
segunda mediante paneles solares compuestos de silicio produce una corriente eléctrica.
(Calefacción solar y energías Renovables, 2014).
Figura 5. Proceso de la energía solar fotovoltaica
Fuente: Colombia Sostenible
En la Figura 5., se observa el proceso típico de obtención de energía solar fotovoltaica, pero
Posso 2002, afirma que existen cinco tipos de tecnologías fundamentales para el
aprovechamiento de este tipo de energía estas a saber son:
Calentamiento de agua doméstica.
Obtención de vapor.
Calentamiento espacial activo.
Calentamiento espacial pasivo.
39 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Conversión directa.
Donde las tres iniciales requieren el uso de colectores térmicos en distintas variedades,
mientras que el calentamiento pasivo y la conversión directa hacen uso de celdas
fotovoltaicas.
Rodríguez H, 2008, manifiesta que aunque esta tecnología tiene grandes ventajas también
presenta varias dificultades, estas se relacionan en la Grafica 7.
Gráfica 7. Ventajas y dificultades de la energía solar.
Fuente: Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus perspectivas, Rodríguez H, 2008
• Naturaleza Inagotable.
• Fuente Renovable.
• Utilización libre de polución. VENTAJAS
• Naturaleza intermitente.
• Variabilidad de intensidad.
• Baja densidad de potencia.
• Para potencia efectiva, mayor extension de equipos de captación-conversión
DIFICULTADES
40 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
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Colombia, por estar situado en el eje ecuatorial y tener características climáticas esenciales
como temperaturas constantes en el año, beneficia el método de energía solar, el Instituto
de Hidrología, Meteorología y Estudios ambientales (IDEAM) en compañía de la Unidad
de Planeación Minero Energética (UPME), desarrollaron un documento referencial
esquematizado detallando la radiación solar en el suelo en diferentes regiones del país,
documento denominado Atlas de Radiación solar, en él se encuentra el potencial de la
energía solar en el país que se muestra en el Cuadro 1.
Cuadro 1. Potencial de la energía solar en Colombia, por regiones.
Región del país Radiación Solar (kWh/m2/año)
Guajira 2000-2100
Costa Atlántica 1730-2000
Región Andina 1550-1750
Costa Pacífica 1450-1550
Orinoquía-Amazonía 1550-1900
Fuente: Desarrollo de la energía solar en Colombia y sus perspectivas, Rodríguez H, 2008, basado en el Atlas de
Radiación Solar de Colombia
La energía solar ya ha tenido aplicaciones en el país para energía térmica como para la
producción de energía eléctrica, siendo Santa Marta uno de los primeros ejemplos, a
mediados del siglo pasado ya contaba con instalaciones de calentadores solares; unos años
después se utilizó e impulsó nuevamente esta energía, en centros comunitarios y algunas
urbanizaciones de Bogotá y Medellín. (Ortiz, Sabogal & Hurtado, 2012), así mismo en la
41 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Guajira, la cual maneja temperaturas en los meses más calurosos temperaturas máximas
mayores a 34ºC, temperaturas medias de 29ºC y 30ºC y temperaturas mínimas por debajo
de los 25º.como lo indica el instituto de Meteorología del Caribe, a partir de esto se ha
desarrollado la implantación de un campo solar (paneles solares) en el municipio de
Nazaret corregimiento del municipio de Uribía, para obtención de energía eléctrica con el
fin de ayudar a poblaciones vulnerables propias de la región.
El aprovechamiento de la energía solar a partir de paneles es una de las opciones que se ha
instaurado con mayor fuerza en Colombia en la última década.
7.2. Energía eólica
Este tipo de energía utiliza la fuerza del viento para generar electricidad a través de
aerogeneradores que se encargan de mover una turbina, cuya función principal es
transformar la energía cinética del viento en energía mecánica. La cantidad de energía que
se obtiene varía de acuerdo al tamaño del aerogenerador pues con una mayor longitud de
aspas se genera más potencia y por ende más energía.
No obstante, el viento también debe cumplir una serie de condiciones como la velocidad, la
continuidad y la estabilidad los cuales permiten un nivel de eficiencia adecuado (Marín,
2004).
42 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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En la Figura 6., se observan los componentes de una turbina parte fundamental de un
aerogenerador.
Figura 6. Componentes de una turbina para generación de energía eólica.
Fuente: Diseño de aerogeneradores, Rubio et al., s.f.)
El desarrollo de esta energía renovable ha sido posible por la disponibilidad de zonas con
un importante potencial eólico, por diferentes políticas que fomentan su uso y por el
reciente interés de empresas privadas que trabajan en este sector. Lo anterior ha ocasionado
un aumento de instalaciones de dispositivos transformadores en casas para uso doméstico o
en empresas para fines comerciales (TWEnergy, 2012).
La energía eólica es una fuente limpia capaz de generar muy buenos resultados en
Colombia, ya que su posición geográfica (cordilleras y mares) favorece el uso de recursos
renovables de energía como la proporcionada por el viento; por ello, el IDEAM y la UPM
también realizan un Atlas de Viento y Energía Eólica en Colombia, determinando así las
43 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
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zonas más adecuadas para la implementación de esta fuente alternativa (Flórez y Costa,
2006). Como la Guajira es uno de los departamentos que ofrece muy buenas condiciones
que permiten implementar energías con recursos naturales, Colombia ya cuenta con el
parque Eólico de Jepírachi cuya capacidad es de 19,5 MW aprovechando las velocidades
alcanzadas por los vientos que oscilan entre los 4 y 5 m/s, está conformado por 15
aerogeneradores con capacidad de 1.300 kW cada uno (EPM, 2010) , estos resultados han
sido tan prometedores que ya está en proceso la construcción del Parque Eólico Jouktai en
el mismo departamento.
7.3. Energía hidráulica
Bortoleto 2001, citado por Queiroz y col. (2013), indica que la energía hidráulica es el
resultado de la condensación, precipitación y evaporación del agua, causadas especialmente
por la energía gravitacional, que es la que directamente genera la potencia hidráulica, es
decir para la obtención de este tipo de energía es necesaria la utilización de masas de agua
en movimiento, así como lo complementa Posso F. (2002), es la conversión de la energía
cinética y potencial como se muestra en la Figura 7.
44 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
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Figura 7. Proceso de obtención de energía hidráulica.
Fuente: Aps Maroc energies renouvelables, 2011.
Este método se encuentra distribuido en gran parte del mundo, como se puede observar en
la Grafica 8.
Gráfica 8. Distribución del potencial hidroeléctrico mundial.
Fuente: Elaboración propia, basados en ENERGÍA Y AMBIENTE: PASADO, PRESENTE Y FUTURO. PARTE DOS:
SISTEMA ENERGÉTICO BASADO EN ENERGÍAS ALTERNATIVA, Posso F, 2002.
Asia
28%
América
Latina
20% África
11%
Norteamérica
16%
Antigua URSS
16%
Europa
7%
Oceanía
2%
Distribución del potencial hidroeléctrico
mundial
45 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Posso F. 2002, también indica características relevantes que se enuncian a continuación
Al comparar costos de operación y ciclos de vida, esta tecnología presenta gran
ventaja puesto que los costos son más bajos y presenta ciclos de vida más largos,
además de emitir niveles mínimos de contaminación atmosférica.
La fuente de producción es renovable y no está sujeto a condiciones del mercado.
Así mismo Queiroz y col. (2013), realiza un recopilado de los impactos más representativos
que genera la explotación de este tipo de energía, entre ellos menciona:
Aumento inesperado de población flotante, debido a la construcción de la
estructura.
Cambio de flujo en las corrientes de agua y aumento del nivel de aguas
subterráneas.
Cambios de factores climáticos como la humedad, temperatura, viento y
precipitaciones.
Cambios en los suelos puesto que aumenta la erosión, y proporcionalmente se afecta
la flora disminuyendo la biodiversidad, en consecuencia reduciendo los contenidos
de oxígeno en el ambiente.
En Colombia, debido a la alta riqueza hídrica con la que cuenta el país, se desarrolla la
producción de energía hidráulica, según Ortiz y col (2012) el 75% de la electricidad se
suministra a partir de este método, pues existen centrales hidroeléctricas como Central
46 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Hidroeléctrica de Chivor en el departamento de Cundinamarca, Central Hidroeléctrica
Jaguas en el departamento de Antioquia, entre otras de gran importancia en todo el país.
Aunque es una alternativa importante, los efectos ambientales y sociales también son
significativos, puesto que al inundar grandes zonas para la construcción de hidroeléctricas,
se desplazan biodiversidad y asentamientos humanos aledaños a las zonas de intervención,
por ello, se han implementado centrales más pequeñas que disminuyen ese impacto
negativo (Ortiz, Sabogal & Hurtado, 2012).
7.4. Energía nuclear
Según la National Nuclear Regulator, esta tecnología proviene de liberar la energía interna
de los átomos ya sea por fusión o fisión nuclear, la primera se realiza combinando átomos
para generar uno de mayor tamaño mientras que la fisión es el procedimiento contrario, es
decir formando átomos de menor volumen, después de este proceso resulta gran cantidad de
energía calorífica y es a esta a la que se le realiza la conversión a energía eléctrica para su
respectivo aprovechamiento, como se muestra en la Figura 8.
47 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Cristian David Rodríguez García
Figura 8. Proceso de obtención de energía nuclear.
Fuente:
http://recursostic.educacion.es/eda/web/eda2010/newton/materiales/ruiz_perales_francisco_p3/fuentes_nuclear.html
Según la National Nuclear Regulator en la actualidad la energía nuclear genera
aproximadamente un tercio del total de la energía eléctrica del mundo, dentro de las
centrales con mayor producción se encuentran:
Central nuclear kashiwasaki-kariwa: Esta planta está localizada en Japón y es
operada por la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), es considerada como la
central nuclear más grande del mundo, cuenta con siete reactores de ebullición y
una capacidad neta de 7696 MW.
Central nuclear bruce: Situada en Bruce County (Ontario), considera como la
segunda planta más grande del mundo, cuenta con 8 reactores de agua pesada a
presión y una capacidad neta de 6234 MW.
48 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Central nuclear de Hanul: Localizada en corea del sur, considerada como la
tercera planta más grande del mundo y la mayor planta de energía nuclear de Corea,
cuenta con seis reactores de agua a presión y una capacidad neta de 6189 MW.
Posso F. 2002, afirma que aunque este tipo de energía no sea sustentable en el amplio
sentido de dicho concepto, si es una fuente abundante y metódicamente inagotable, pero
esta tecnología no se encuentra lo suficientemente estudiada para ser un método comercial,
es por ello que se considera que es una alternativa a largo plazo.
7.5. Energía por biomasa
Esta energía se obtiene mediante fuentes de biomasa como los residuos forestales, agrarios,
pecuarios, rotaciones de cultivos forestales, cultivos energéticos, componentes orgánicos de
residuos sólidos urbanos y diversas fuentes de desechos orgánicos. A través de una serie de
transformaciones, estos materiales se utilizan para producir directamente electricidad, calor
o combustibles de tipo líquido, gaseoso o sólido. Existen actualmente una serie de
tecnologías consolidadas como las calderas de pequeño y gran tamaño, los sistemas de
calefacción por gránulos y la producción de etanol a partir del azúcar y el almidón, sin
embargo, su producción es controlable y depende del combustible disponible a nivel local y
regional (IPCC, 2011). Por su carácter de energía renovable, los productos de la biomasa se
denominan biocombustibles y de acuerdo a su estado físico pueden ser sólidos, líquidos o
biocarburantes, gaseosos, naturales o residuales.
49 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Según Cabellos (2012), el número de personas ligadas al consumo de biomasa, como fuente
básica de energía, es actualmente de 2700 millones y se espera que para el 2030 la cifra
ascienda a 2800 millones.
En Europa el 54% de la energía primaria de origen renovable procede de la biomasa, sin
embargo solo supone el 4% sobre el total energético ya que la mayoría es destinada para la
calefacción en viviendas unifamiliares y redes de calefacción centralizada; es decir cerca
del 83% se destina para usos térmicos y 17% para la producción de electricidad, así lo
exponen Romani & Triguero (2013).
El proceso de transformación de biomasa a energía eléctrica se dan en plantas de energía
destinadas para tal fin, dentro de estas encontramos las siguientes:
Planta de IronBbridge: Se encuentra localizada en Severn Gorge (Reino Unido),
cuenta con una capacidad de 740 MW y utiliza pellets de madera para generar
energía por biomasa.
Planta de Alholmens Kraft: situada en Alholmens (Finlandia), está ubicada en las
instalaciones de la fábrica de papel UPM-Kymmene, cuenta con una capacidad de
265MW y utilizan un sistema de caldera de lecho fluidizado circulante para reducir
el consumo de combustibles y mejorar la transferencia de calor durante el proceso
de generación de energía.
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Planta Polaniec: Localizada en el condado de Staszów (Polonia), hace uso de
subproductos agrícolas y residuos de madera para su funcionamiento, cuentan con
un sistema de caldera de lecho fluidizado circulante y tiene capacidad de 205 MW.
Esta tecnología es el segundo suministro más importante de energía en Colombia, se da a
partir de desechos resultantes de actividades agrícolas y pecuarias además de los residuos
orgánicos urbanos (Ortiz et al, 2012), siendo este tipo de actividades de gran importancia a
nivel nacional.
7.6. Energía geotérmica
La energía geotérmica se produce a partir de la concentración del calor interno de la Tierra
en ciertos lugares del subsuelo conocidos como reservorios geotermales, los cuales al ser
correctamente tratados, puedes generar energía limpia y lo más importante de forma
indefinida (TWEnergy, 2012)
Las aplicaciones que se le pueden llegar a dar al fluido geotermal varían dependiendo de su
entalpia, característica que puede ser directamente relacionada con la temperatura ya que no
existe ningún dispositivo capaz de medir la entalpia de un fluido en el subsuelo, es por esto
que se emplean sondas térmicas capaces de determinar la temperatura del fluido, de
acuerdo a la temperatura la guía de energía geotérmica plantea 4 categorías para la
aplicación de esta energía estas son:
Muy baja temperatura: Menos de 30 °C.
51 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Puede ser utilizada para calefacción haciendo uso de bombas de calor
Baja temperatura: Entre 30 a 90 °C.
Generalmente es empleada para la calefacción de edificios y algunos procesos
agrícolas sin embargo su contenido de calor es suficiente para generar energía
eléctrica.
Media temperatura: Entre 90 a 150 °C
Por medio de un fluido de intercambio que alimenta centrales eléctricas es posible la
generación directa de electricidad.Alta temperatura: más de 150 °C.
Se emplea el vapor de agua para la generación directa de energía eléctrica.
En la Gráfica 9., se observa como es el aprovechamiento de la temperatura del fluido
geotermal desde la más baja (10 °C) para la calefacción generalmente de hogares o centros
de recreación, pasando por temperaturas medias empleadas generalmente en la fabricación
de conservas y secado de productos agrícolas llegando a la temperatura más alta (>150 °C)
utilizada generalmente para usos industriales como la generación de energía eléctrica y
recuperación de metales.
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Gráfica 9. Funciones de la energía geotérmica.
Fuente: Géothermie Perspectives
Se conoce que la explotación geotérmica se enmarca en el hecho de que Colombia es
privilegiada por encontrarse ubicada en el cinturón de fuego del pacifico, donde la
temperatura del subsuelo es naturalmente alta por la actividad volcánica existente,
característica necesaria para esta alternativa.
7.7. Energía oceánica
53 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Este tipo de energía aprovecha el movimiento (ascenso y descenso) del agua del mar
producido por la acción gravitacional del sol y la luna, con el fin de generar electricidad de
una manera sostenible, (TWEnergy, 2011).
Existen diversos dispositivos de conversión de energía dentro de los cuales encontramos:
- Dispositivos de conversión primaria: generalmente se utilizan en aguas de poca
profundidad y su aprovechamiento se realiza de manera horizontal mediante
flotadores o estructuras fijas, de esta manera se puede aprovechar el cambio de
presión generado por el oleaje.
- Dispositivos de conversión secundaria: estos dispositivos son generalmente
diseñados para realizar procesos de desalinización del agua, son principalmente
turbinas neumáticas e hidráulicas.
A pesar de ser generada a partir de un recurso inagotable tiene ciertas desventajas estas al
igual que las ventajas se pueden observar en la Gráfica 10.
Colombia por limitar con dos océanos el Atlántico y el Pacifico, amplía la posibilidad de
usufructuar la energía oceánica proveniente de estos. Polo y Sarmiento (2008) postulan La
Bahía Punta Catripe, Bahía Delta Chavica, Bahía Bocana Raposo, Bahía Boca Naya y
Bahía Bocana Armerías como bahías propicias para el desarrollo de esta tecnología.
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Gráfica 10. Ventajas y desventajas de la energía oceánica.
Fuente: Elaboración propia basados en :http://twenergy.com/a/desventajas-de-la-energia-mareomotriz-563
• Auto renovable
• No contaminante
• Bajo costo de materia prima
• Disponible en cualquier clima y epoca del año
Ventajas
• Localización puntual
• Dependiente de la amplitud de mareas
• Traslado de energia muy costoso
• Efecto negativo sobre la flora y fauna
• Limitada
Desventajas
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8. ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE ENERGÍAS ALTERNATIVAS A
PARTIR DE LAS CARRETERAS
La necesidad emergente de encontrar alternativas de abastecimiento para la demanda
energética global y la problemática de los combustibles fósiles en cuanto a su
disponibilidad, costo y afectación ambiental (Ferreira y col, 2012), ha conllevado a
diferentes investigaciones a postular estructuras existentes que además de brindar un
servicio social y económico, también puedan brindar un apoyo energético.
Las investigaciones se han basado en identificar energías alternativas con diferentes
elementos existentes de uso común o de fácil producción y adquisición, como se observa en
los estudios de: Sullivan y col, (2007) Cagua y Ojeda, (2012); Ferreira y Col, (2012);
Merino, (2013); estos autores nominan a las carreteras como fuentes alternativas de
producción energética al combinarlas con elementos como piezoeléctricos, pistones
hidráulicos, entre otros.
Lo más común e implementado en diversos lugares de mundo como Japón, Países Bajos,
Inglaterra, entre otros ha sido el transporte de fluidos líquidos en sistemas de tuberías
incrustados en la capa asfáltica, que a diferencia de los pavimentos rígidos, producen mayor
56 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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contenido calórico por su característico color negro cuyo coeficiente de absorción solar es
más alto (Bobes y col, 2013). D’ Antoni (2012) indica que el material absorbente empleado
en el colector debe cumplir con requisitos como el fácil moldeo, fuerte en términos de
presión, no corrosivo, ligero entre otros, mientras que Sullivan y col (2007) además de
tener en cuenta este material da importancia a las capas adhesivas, los tubos, las rejillas y el
asfalto empleado en la mezcla, pues deben funcionar sincronizadamente ya que por ejemplo
las tensiones producidas por las tuberías son contrarrestadas por asfalto blandos que en
conjunto con las rejillas evitan el agrietamiento excesivo.
La implementación de colectores asfálticos trae cierta trayectoria, aproximadamente, desde
los años 70 como lo referencia Muñoz y col (2013), cuando se obtuvo la primera patente al
respecto, cuyo método consistía en calentar agua y hacerla fluir en una red de tuberías
metálicas incrustadas en el pavimento flexible; años más tarde realizan una modificación en
los materiales al remplazar las tuberías metálicas por tubos de polímero; a final de los años
ochenta diversos autores plantearon distintas modelaciones numéricas que apuntaban a la
predicción de resultados arrojados por el sistema, Loomans y col (2003) modelan la
temperatura esperada involucrando variables como el tiempo y energía.
A continuación se enuncian algunas de las tecnologías estudiadas para la obtención
energética a partir de los pavimentos:
57 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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8.1. Sistema de tuberías incrustadas con fluido gaseoso
Garcia & Partl (2013) propone un método donde el fluido es aire que circula en conductos
paralelos dentro de la estructura del pavimento, así mismo incorpora chimeneas que hacen
que el aire llegue hasta turbinas de viento para la producción de ventaja de este sistema
radica en que si existiera alguna fuga de aire, esta no afectaría las capas estructurales del
pavimento, como si lo harían los fluidos líquidos, pero la desventaja que se proyecta es la
disminución significativa de la eficiencia del esquema de obtención de energía.
En la Figura 9., se muestra el diseño del prototipo empleado por Garcia & Partl (2013),
para estudiar la tecnología en cuestión.
Figura 9. Esquema de prototipo para obtención de energía.
Fuente: How to transform an asphalt concrete pavement into a solar turbine, Garcia & Partl (2013).
58 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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De esta investigación se obtuvo, que la eficiencia del sistema no superaba el 12%, debido a
la perdida de energía calórica en la chimenea, y que para optimizar esta tecnología era
necesario aumentar la superficie especifica de los elementos conductores dentro de la
carpeta asfáltica e incorporar un método que evite el desperdicio de energía a través de la
chimenea.
8.2. Fluido transportado en capa porosa sin redes
Muñoz y col. (2013) Estipula que el fluido se puede transportar dentro de la estructura sin
necesidad de redes, sino utilizando una capa intermedia con hasta 27% de porosidad,
garantizando así mayor área de contacto con la mezcla asfáltica, esta hipótesis apelando a la
posible corrosión y dificultad de colocación que presentan las tuberías metálicas, a la baja
eficiencia al emplear tubos de polímeros y a las posibles fugas que afecten el pavimento.
En la Figura 10., se pueden identificar cada una de las capas presentes en el montaje
experimental, mientras que en el Cuadro 2., se puede observar el porcentaje de vacíos de
cada una de las 4 capas.
Figura 10. Balance de energía en un colector solar multicapa.
59 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Fuente: Muñoz et al (2013)
Cuadro 2. Traducción de Thermal and hydraulic analysis of multilayered asphalt
pavements as active solar collectors
TIPO DE
CAPA
CONTENIDO
DE VACÍOS
(%)
GRADACIÓN
DE LA
MEZCLA
DENSIDAD
DE LA
MEZCLA
TIPO DE
BETÚN
CONTENIDO
DE BETÚN
Capa
superior
4.41 mezcla
drenante
2.37 convencional 5.30
Capa del
medio 1
23.57 mezcla abierta 1.91 modificado 4.33
Capa del
medio 2
27.53 mezcla abierta 1.79 modificado 4.10
Capa
inferior
4.43 mezcla densa 2.68 convencional 4.93
Fuente: Muñoz et al (2013)
Mientras que en la Figura 11., se muestran 2 posibilidades de funcionamiento del sistema,
la primera configuración muestra que el gradiente hidráulico esta fijo para asegurar que la
60 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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capa media del prototipo siempre este saturada, es decir el nivel del fluido siempre está por
encima del nivel de la capa intermedia, mientras que en la segunda configuración el
gradiente hidráulico permite que la capa intermedia este parcialmente saturada, esto ayuda
a que la presión sobre la capa superior sea mucho menor.
Figura 11. Posibilidades de funcionamiento del sistema.
61 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Fuente: Thermal and hydraulic analysis of multilayered asphalt pavements as active solar collectors, Muñoz et al (2013).
8.3. Sistema Pavener
La Revista Ecogaia, 2011, en su artículo Proyecto Pavener: energía térmica de pavimentos
asfálticos, relata como La corporación Tecnalia y el grupo Campezo, a través de su unidad
de Construcción desarrollaron el proyecto “Pavener” en la ciudad de Bilbao (España),
esta tecnología aprovecha la energía térmica que se guarda en la superficie de los
pavimentos asfalticos por radiación solar, a través de un sistema de tuberías con fluido
circundante incrustado en la carpeta asfáltica como se observa en la Figura12.
62 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Figura 12. Distribución de tuberías para proyecto Pavener.
Fuente: VIII. Congreso nacional de firmes. Proyecto fenix
En esta misma publicación, se afirma que este sistema funciona bajo la característica que
adquiere el asfalto de aumentar la temperatura cuando se expone a radiación solar, ya que
alcanza hasta los 70 grados; al ser utilizada esta potencia calórica se disminuye el efecto
isla calor urbana en los lugares donde se aplique.
En la Figura 13., se observar como circula el fluido dentro la red de tubería que se instala
bajo la carpeta asfáltica, se pueden identificar los cambios de temperatura; Donde el fluido
ingresa al sistema se registra una temperatura aproximada de 21.9 °C y a lo largo del
recorrido va aumentando su temperatura hasta llegar a su punto máximo 48.8 °C.
63 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Figura 13. Imagen térmica del agua luego de ingresa al sistema pavener
Fuente: Innovation in the production and comercial use of energy extracted form asphalt pavements. (Sullivan et al,
2007)
Los beneficios de este sistema se enmarcan en el hecho de reducir la cantidad de energía
empleada para actividades comunes como la climatización de los espacios ya sea
calefacción o enfriamiento, así como también en acciones de mantenimiento vial en épocas
de invierno al descongelar las carreteras sin la necesidad de la aplicación de sal.
Bobes y col. 2012, explica factores relevantes de esta tecnología e identifica la
intervención de dos solidos principales (pavimentos y tuberías) y dos fluidos (aire de la
atmosfera y el circundante en el sistema), de la misma manera intervienen mecanismos
que a saber son: conducción, convección y radiación.
Bobes y col. 2012, los enuncia así:
64 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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- Conducción: Proceso en el cual se intercambia el calor de un punto a otro a través
de un cuerpo debido al gradiente de temperatura cambiante, para el caso en estudio
es la transferencia del calor desde la superficie hacia la profundidad del pavimento.
- Convección: Es la fase en la que el calor se transfiere entre un fluido circundante y
la superficie sólida en contacto, para el colector asfaltico este proceso se realiza dos
veces, la primera entre el aire caliente del ambiente y la superficie asfáltica y el
segundo entre el fluido en transición y el material de la tubería, para el segundo
caso puede ser inducido variando las condiciones del movimiento de flujo (Numero
de Reynolds).
- Radiación: Proceso en el que se transfiere energía a través de ondas
electromagnéticas. Para los colectores asfalticos se presenta como radiación solar,
donde la mezcla asfáltica por su color negro y propiedades características absorbe
gran cantidad de energía a través de radiación incidente; y radiación térmica donde
se absorbe el potencial calórico de los cuerpos.
En el estudio que Bobes y col. 2012, realizaron determinaron que el sistema que captura
energía térmica puede ser empleado para reducir la temperatura del pavimento y ser
aplicada en diferentes propósitos, así mismo obtuvieron que la temperatura del asfalto es
muy sensible a la capacidad de absorción, la variación de la conductividad dentro de la
carpeta asfáltica es variable dependiendo de la profundidad, igualmente propone al cobre
como material idóneo para las tuberías para lograr la mayor eficiencia del sistema y que la
colocación de estas debe ser en serpentina , así mismo la eficiencia del colector también
depende de la velocidad del fluido y por ultimo proponen el estudio con mayor
65 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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profundidad de este sistema para estimar beneficio-costo , rendimientos y la posibilidad de
generar propuestas sobre la modificación de la mezcla asfáltica para aumentar la
conductividad térmica.
8.3.1 Propuesta para mejorar el sistema
Así mismo es relevante mencionar las modificaciones que se hacen a la mezcla asfáltica ya
sea por vía húmeda o vía seca, con el fin de alterar positivamente propiedades químicas o
mecánicas de la carpeta de rodadura o mezcla asfáltica. Diferentes investigaciones
presentan resultados en cuanto a la respuesta mecánica de mezclas asfálticas modificados
con grafito, sin presentar investigaciones como objetivo principal el de aumentar la
obtención de energía a partir de los asfaltos modificados. Así lo demuestran Zhou y col.
(2012) al adicionar polvo de grafito (9,0 vol.%) dispersándolo en la matriz del asfalto,
aumentando la temperatura de reblandecimiento en un 49% de 45 ◦ C a 82 ◦ C”, mientras
que Xiaoming & Shaopeng (2011) afirman que al adicionar un 22% de grafito la estabilidad
de Marshall disminuyo de 12.8 KN a 9.43KN, la estabilidad residual disminuyo de un
91.1% a un 87.2% y la estabilidad de ahuellamiento dinámico decreció de 3318 veces/mm a
2619 veces /mm. Sin embargo se demostró, que la adición de cargas minerales (tales como
polvo de piedra caliza) para asfalto podría mejorar el rendimiento de resistencia al
ahuellamiento. Así cuando se modifica a través de efecto de combinación de grafito y
Rellenos mixtos CF, el rendimiento mecánico y la conductividad eléctrica se mejoran
enormemente, su estabilidad Marshall aumento de 9,43kN a 12,1kN y la estabilidad
66 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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residual de 87,2-89,2. La estabilidad de ahuellamiento dinámico se incrementó de 2.619 a
3292. Estas investigaciones presentan una modificación sin objetivos secundarios, sino los
objetivos primarios de mezclas asfálticas modificadas. Mejorar las propiedades, mecánicas
y reológicas de las mezclas.
Para este caso de estudio y con el objetivo de aumentar la conductividad eléctrica de la
estructura en búsqueda de aumento de energía se realizan pruebas de asfaltos modificados
con grafito, cuyo material se caracteriza principalmente por su alta conductividad térmica,
al incluirlo en una mezcla asfáltica, provocando un aumento en la temperatura de
ablandamiento y disminuyendo su estabilidad Marshall, residual y de ahuellamiento
dinámico. Así con la inclusión de tuberías, y la mezcla asfáltica modificada aumentará la
energía térmica, con el fin de poder a partir de la termodinámica convertirla en energía
eléctrica. Siendo innovación, al identificar que este sistema es utilizado únicamente como
energía térmica para calefacción, no para generación de energía y sin modificaciones.
8.4. Aguas residuales en conductos incrustados en la carpeta asfáltica
Chaurasia (2000), parte del concepto tradicional de la utilización de fluidos en movimiento
en tuberías incrustadas en el pavimento para obtener energía, mas sin embargo esta técnica
innova en el hecho de emplear como fluido las aguas producto de actividades domésticas,
además de usar carpeta en concreto hidráulico en reemplazo de carpeta asfáltica y por
ultimo establece al aluminio como material de los conductos circundantes en la estructura.
67 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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En las pruebas de esta tecnología solo se empleó la energía térmica captada para el
calentamiento de agua en las edificaciones.
8.5. Instalación de piezoeléctricos en el pavimento
Ferreira y col (2012) mencionando a Katz (2009), afirma que al incrustar piezoeléctricos
en la capa asfáltica se aprovecha la energía mecánica emitida por el vehículo en
movimiento que genera cierto tipo de deformación superficial sobre la carretera que es
proporcional al peso del vehículo en cuestión como se muestra en la Figura 14.
Figura 14. Deformación asociada al movimiento de la rueda
Fuente: TECNOLOGIAS SUSTENTÁVEIS PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE ESTRADAS,
Ferreira y col, 2012
68 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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La presión vertical sobre la carpeta asfáltica como resultado del peso y la velocidad del
vehículo se transmite al piezoeléctrico y con su debida transformación pasa de ser una
energía mecánica a energía eléctrica (Ferreira y col, 2012).
En Colombia la empresa Treevolt incrustó una serie de membranas bajo la carpeta asfáltica
del barrio “el poblado” en la ciudad de Medellín, con el fin de elaborar un sistema
generador de datos que sea capaz de proveer a este sector de la ciudad de iluminación
pública y además sirva para la implementación de estaciones de recarga de vehículos
eléctricos.
En la Figura 15., se muestra una vista detallada del sistema de membrana piezoeléctrico
implementado en Medellín, al recibir una carga puntual el cristal piezoeléctrico se deforma
generando de este modo electricidad.
Figura 15. Vista detallada del sistema de membrana piezoeléctrico
Fuente: System for generating and distributing energy from piezoelectric materials
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8.6. Sistema de generadores electrocinéticos
Esta tecnología como la describe Ferreira y col, 2012, consiste en la instalación de
protuberancias sobre las vías y aprovecha las oscilaciones de los vehículos al paso sobre
estas estructuras como se puede observar en la Figura16.
Figura 16. Sistema de generadores electrocineticos
Fuente: Weisenthal, 2006, citado por Ferreira y col, 2012
8.7. Sistema de Generadores Hidráulicos
Consiste en la instalación de pistones hidráulicos en las carreteras que reciben la presión
ejercida por el movimiento de los vehículos, a su vez Ferreira y col, 2012 manifiesta que
este sistema puede ser dispuesto en lugares donde se pretenda reducir la velocidad.
La presión ejercida sobre los pistones instalados bajo el suelo permitirá que el fluido
hidráulico dentro de estos pase a través del sistema y de este modo se genere energía así lo
expone Ferreira y col, en la Figura 17., se observa como es la estructura planteada de los
70 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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generadores hidráulico, adicionalmente se puede observar la deformación que generan los
vehículos al pasar sobre el sistema, deformación que da paso a la generación de energía
eléctrica.
Figura 17. Sistema de generador hidráulico.
Fuente: Kinergy, 2010, citado por Ferreira y col, 2012
8.8. Sistema de captación de energía eólica
Figura 18. Sistema de energía eólica en carreteras.
Fuente: Turbinas eólicas en postes eléctricos y carreteras, Fernández A, 2009.
71 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Cavanaugh, 2007, citado por Ferreira y col, 2012, describe el sistema como la colocación
de turbinas sobre los pavimentos como se observa en la Figura 18., con el fin de aprovechar
el viento generado por los vehículos que circulan en la vía.
Fernández M, 2009, menciona algunas críticas a esta tecnología que a saber son:
- Se necesita desarrollar más la etapa de investigación para la comercialización de
esta tecnología, teniendo en cuenta factores como las turbulencias y técnicas de
mantenimiento.
- Es necesario tener en cuenta los tipos de turbinas idóneas para la aplicación de esta
tecnología en contraste con los recursos económicos disponibles puesto que las
turbinas de eje vertical son más costosas en comparación con las de hélice
convencional.
72 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
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9. PROPUESTA INVESTIGATIVA
En el Cuadro3. , se plantean diversas opciones de investigación para dar continuidad a este proyecto.
Cuadro 3. Propuesta Investigativa
TEMA OBJETIVO
Implementación de un sistema de obtención enérgica
aprovechando la radiación solar en Colombia.(Pavener).
Estudiar la posibilidad de implementar un sistema
energético alternativo a partir de los pavimentos y la
radiación energética en Colombia, teniendo en cuenta
factores como lugares idóneos de ejecución, temperaturas
alcanzadas, red vial presente, entre otros con la misma
relevancia.
Diseño óptimo de un pavimento para la producción de
energía, incluyendo materiales reciclables que aumenten
conductividad térmica en la carpeta asfáltica.
Desarrollar un diseño apto para llevar a cabo el objetivo
descrito, contemplando la posibilidad de modificar la
mezcla asfáltica con materiales que aumenten la
conductividad térmica, estudiando diferentes tipos de
73 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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tubería incrustada e idealizando el tipo de fluidos
indicado para el uso en el sistema, donde se respeten los
parámetros técnicos establecidos en la normatividad
vigente y garantizando cuidados a las diferentes capas.
Realizar el prototipo de experimentación para la medición
de magnitudes de aprovechamiento calórico.
Realizar pruebas de laboratorio a un espécimen
construido bajo el diseño del ítem anterior, para
cuantificar magnitudes calóricas generadas y realizar una
proyección para estudiar factores de costo-beneficio y
comparar respecto a otras fuentes alternativas.
Establecer un método efectivo para la transformación de la
energía calórica recolectada en energía eléctrica para su
respectiva utilización.
Introducir procedimientos de conversión energética para
pasar de energía térmica a energía eléctrica.
Fuente: Elaboración Propia
74 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
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10. RESULTADOS
En la Gráfica 12., se muestra de manera ilustrativa los resultados del presente trabajo de investigación.
75 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Gráfica 112. Resultados del proyecto
Fuente: Elaboración Propia
ARTICULO:
ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN.
PROPUESTA:
ENERGÍA ALTERNATIVA A PARTIR DE UN SISTEMA AUTOSOSTENIBLE IMPLEMENTADO EN UN PAVIMENTO ASFÁLTICO
RESULTADOS
EVENTO: XX SIMPOSIO COLOMBIANO SOBRE INGENIERIA DE PAVIMENTOS
DESCRIPCIÓN: XX Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, brindará el espacio adecuado para la difusión y discusión de estos temas, con la participación de expertos nacionales e internacionales, de tal forma que el evento tenga un aporte visible al cambio de la realidad nacional, especialmente en el fomento de la sinergia gobierno-industria-academia para la solución de las problemáticas de infraestructura vial, reflejado en el desarrollo económico y bienestar de las personas.
Fuente: http://www.simposiopavimentos.com.co/index.html#openModal EVENTO:Premio Odebrecht 2014
DESCRIPCION:El Premio Odebrecht para el Desarrollo Sostenible se realiza con el fin de incentivar a jóvenes universitarios a pensar y desarrollar soluciones de Ingeniería, Arquitectura y Agronomía desde una perspectiva de sostenibilidad, contribuyendo así a la generación y difusión del conocimiento en esta temática y al involucramiento de la comunidad académica en la dinámica empresarial responsable y sostenible.
Fuente: http://www.premioodebrecht.com/colombia/edicao/31/premio-odebrecht-2014
DESCRIPCIÓN
76 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
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11. DISCUSIÓN
La búsqueda de obtención de energía a partir de fuentes no fósiles ha conllevado a la
generación de distintas opciones que favorezcan a la sustentabilidad y el desarrollo propio
de las regiones, usufructuando las condiciones climáticas ofrecidas como el caso de la
energía solar y la energía eólica, y sacando provecho de los accidentes geográficos
presentes como sucede con la energía oceánica, volcánica e hidroeléctrica; cuando no se
pueden utilizar estas fuentes de producción, se apela a la utilización de residuos como el
caso de la biomasa.
En Colombia se observa que el tipo de energía más explotado de esta índole es la energía
hidroeléctrica ya que aporta el 75% de la energía nacional, así mismo se observa que cada
una de las alternativas mencionadas presentan dificultades en su explotación, pues algunas
dependen del factor climático que se presente, o se limitan por la necesidad de grandes
extensiones de terreno para la obtención de energía considerable. La energía hidráulica por
su parte, genera cambios de corriente en los flujos de agua, aumenta la erosión de los suelos
y disminuye la biodiversidad existente y la energía por biomasa ha provocado que gran
parte de los cultivos sean empleados para esta actividad y no para el consumo humano. Las
energías nuclear, oceánica y volcánica se encuentran en áreas investigativas pero se prevé
que generen gran potencial energético.
77 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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Sin embargo, las investigaciones en el área de energías renovables son tan amplias que ya
incluyen estructuras comunes como las carreteras, que en conjunto con otros factores se
proyectan como grandes generadores de energía.
En dichas investigaciones, la técnica más estudiada es la circulación de fluidos en tuberías
incrustadas dentro de la carpeta asfáltica, por lo que se han realizado pruebas con fluido
líquido y con fluido gaseoso. En el primer caso se ha utilizado agua por sus propiedades
conductivas y fácil consecución, pero se debe ser cuidadoso en la instalación ya que
cualquier tipo de fuga puede ocasionar un daño estructural considerable. Además, deben
considerarse las limitaciones en la etapa de diseño y de mantenimiento, puesto que grandes
cargas podrían ocasionar perjuicios al sistema y para su reparación es necesario retirar la
carpeta asfáltica en su totalidad. No obstante, esta técnica disminuye el efecto de isla calor,
se aprovecha un componente calórico significativo y se reduce la utilización de compuestos
fósiles. En el segundo caso, se ha utilizado aire como fluido en movimiento el cual
disminuye considerablemente la potencia del sistema y en el proceso de almacenamiento,
se pierde un componente calórico significativo, por lo que para próximas investigaciones al
respeto se sugiere aumentar la superficie especifica de contacto de los materiales
conductores y buscar la solución para disminuir la perdida energética al final del proceso,
ya que la técnica en general es viable aún si se considera la existencia de fugas en los
sistemas que utilicen fluidos líquidos.
78 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
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Otras investigaciones similares eliminan las tuberías para el movimiento del fluido y optan
por incluir una capa con hasta 27% de porosidad dentro de la estructura del pavimento,
para así aumentar la superficie de contacto asfalto-fluido y obtener mejores resultados.
Es relevante mencionar que el tipo de energía que se aprovecha con los sistemas
anteriormente descritos es de tipo calórica, y que sería interesante realizar investigaciones
donde se realice la conversión de esta a una de tipo eléctrica.
Adicionalmente, se han estudiado características propias de las carreteras y que parten del
aprovechamiento del movimiento de los vehículos, como por ejemplo la instalación de
piezoeléctricos y generadores hidráulicos que aprovechan la fuerza mecánica que ejerce la
pisada del neumático en una superficie. También se han ensayado turbinas para usufructuar
el aire generado por el tránsito de los vehículos.
En Colombia la utilización de pavimentos como generadores de energía se ha desarrollado
en la ciudad de Medellín, obteniendo energía mecánica a partir de piezoeléctricos. Sin
embargo, el potencial climático con el que cuenta el país, y ya que casi el 70% del
territorio presenta climas cálidos con radiaciones superiores a 1700 8kWh/m2/año, se
genera la posibilidad de recolectar esta capacidad calórica en las carreteras asfálticas.
79 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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12. CONCLUSIONES
A partir del trabajo realizado se puede concluir que:
En relación a las energías alternativas consultadas se tiene que la que mayor oferta
en Colombia es la energía hidráulica, debido a la gran cantidad de fuentes hídricas
con las que abastece cerca del 75% de la demanda de energética. Así mismo, se
observa que el desarrollo de este tipo de energías se ha impulsado en el territorio
colombiano con gran furor, lo que favorece la productividad y la reserva cuando los
combustibles fósiles disminuyan su existencia por ser una fuente no renovable.
Es importante mencionar que la innovación para la obtención de energías limpias ya
abarca todas las áreas de conocimiento y la ingeniería de carreteras hace su aporte
con la inclusión de mecanismos que aprovechen la energía que estos puedan
generar.
Se observa que la documentación respecto a los procesos constructivos y técnicas
detalladas de los diferentes sistemas de obtención de energía a partir de pavimentos
es amplia en España, no obstante el registro sigue siendo muy reducido.
De los sistemas mencionados en el documento, se sabe que solo pocos se han
instaurado en vías reales, los demás siguen siendo objeto de investigaciones.
Teniendo en cuenta los factores ambientales de Colombia se propone el desarrollo
del Sistema Pavener, ya que la radiación solar es representativa en gran parte del
territorio. Se sugiere además, realizar pruebas de modificación de asfaltos con la
introducción de grafito, que como bien se sabe, aumenta el componente calórico y
80 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
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la conductividad térmica, características necesarias para el buen funcionamiento del
sistema.
81 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
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86 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
14. ANEXOS
Anexo 1 : Articulo Santa Marta
Anexo 2: Propuesta Odebrech
Anexo 3: Carta de aceptación
87 ESTADO DEL ARTE: PAVIMENTOS COMO FUENTE DE ENERGIA ALTERNATIVA
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
ANEXO 3.
Santa Marta, 14 de julio de 2015
Estimados autores
Viviana Garnica
Cristian Rodríguez
Daniella Rodríguez
Reciban un cordial saludo de parte del Comité Organizador del XX Simposio Colombiano de
Ingeniería de Pavimentos, para nosotros es muy importante contar con su participación en este
importante evento. A la fecha registramos la recepción del artículo "Energía renovable a partir de
un pavimento flexible. Revisión."; así como los formatos de cesión de derechos del mismo.
Aprovechamos para comunicarle que nuestros ponentes cuentan con tarifas especiales de
inscripción, lo invitamos a inscribirse en la página web www.simposiopavimentos.com.co en la
pestaña "pagos e
inscripciones".
Estaremos atentos a resolver, cualquier inquietud al respecto
Cordialmente
Ing. Evelyn Ovalles Gómez
Esp. Vías y Transporte
Coordinadora General del Comité Organizador del XX Simposio Colombiano sobre Ingeniería de
Pavimentos
Universidad del Magdalena/University of Magdalena
88 ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE. REVISIÓN
Viviana Garnica Quiroga
Cristian David Rodríguez García
Carrera 32 No 22-08, Santa Marta D.T.C.H, Magdalena, Colombia
Teléfono: 4217940 Ext: 3915ta Marta, 14 de julio de 2015