text: Els enzims són substàncies orgàniques, gairebé sempre de natura proteica, que acceleren reaccions químiques. Els enzims interaccionen amb molècules de partida (substrats) i catalitzen la seva transformació en altres de diferents (productes). Intervenen amb un paper important en gairebé tots els processos cel·lulars. Com que tenen un alt grau de selectivitat respecte al seu substrat i cadascun d'ells catalitza unes reaccions molt concretes, el conjunt d'enzims que es produeixen en una cèl·lula determina les rutes metabòliques que s'hi poden dur a terme. Igual que tots els catalitzadors, els enzims redueixen l'energia d'activació (Ea o ΔG‡) d'una reacció i, d'aquesta manera, n'augmenten molt la velocitat. Els enzims no són consumits per les reaccions que catalitzen ni n'alteren l'equilibri químic. Tanmateix, es diferencien d'altres catalitzadors per la seva alta especificitat. Se sap que els enzims catalitzen unes 4.000 reaccions bioquímiques. Algunes molècules d'ARN anomenades ribozims també catalitzen reaccions; algunes parts del ribosoma en són un exemple important. Els enzims artificials són molècules sintètiques que també tenen propietats catalítiques semblants a les dels enzims. Hi ha altres molècules que poden afectar l'activitat dels enzims. Els inhibidors redueixen l'activitat enzimàtica, mentre que els activadors l'augmenten. Molts medicaments i verins són inhibidors enzimàtics. L'activitat dels enzims també varia segons la temperatura, el medi químic (p. ex., el pH) i la concentració del substrat. Alguns enzims tenen aplicacions comercials, com ara la síntesi d'antibiòtics. A més a més, alguns productes de neteja utilitzen enzims per a catalitzar reaccions bioquímiques. Per exemple, els enzims dels detergents desfan les taques de proteïnes o greix de la roba, mentre que els enzims dels entendridors de carn fragmenten les proteïnes i fan que la carn sigui més fàcil de mastegar. Etimologia i història A finals del i principis del XIX ja es coneixien la digestió de la carn per mitjà de secrecions estomacals i la conversió del midó en sucres mitjançant extractes vegetals i saliva, però no s'havia identificat el mecanisme pel qual es produïen aquests fenòmens. Al , Louis Pasteur estudià la fermentació de sucres en alcohol pel llevat i conclogué que era catalitzada per una força vital continguda a les cèl·lules del llevat, anomenada «ferment», que es creia que només funcionava en organismes vivents. Escrigué: «la fermentació de l'alcohol és un procés relacionat amb la vida i l'organització de les cèl·lules del llevat, no amb la mort o putrefacció de les cèl·lules». El 1878, el fisiòleg alemany Wilhelm Kühne encunyà el mot «enzim», que prové del grec ἔνζυμον ('en el llevat'), per a descriure aquest procés. Posteriorment, aquesta paraula fou utilitzada per a referir-se a substàncies no vivents com ara la pepsina, mentre que «ferment» es feu servir en referència a l'activitat química produïda pels organismes vivents. El 1897, Eduard Buchner començà a estudiar la capacitat per a fermentar sucre d'uns extractes de llevat sense cèl·lules vivents. En una sèrie d'experiments a la Universitat de Berlín, descobrí que el sucre es fermentava fins i tot quan no hi havia cèl·lules de llevat vivents a la mescla. Donà el nom de «zimasa» a l'enzim que havia causat la fermentació de la sucrosa. El 1907, rebé el Premi Nobel de Química «per la seva investigació en bioquímica i el seu descobriment de la fermentació acel·lular». Seguint l'exemple de Buchner, els enzims se solen anomenar segons la reacció que catalitzen. Generalment s'afegeix el sufix «-asa» al nom dels substrats (p. ex., la lactasa és l'enzim que descompon la lactosa) o el tipus de reacció (p. ex., l'ADN polimerasa forma polímers d'ADN). Havent quedat demostrat que els enzims podien funcionar a l'exterior d'una cèl·lula vivent, el pas següent era determinar-ne la naturalesa bioquímica. Molts dels primers investigadors remarcaren que l'activitat enzimàtica estava associada amb les proteïnes, però alguns científics (com ara el premi Nobel Richard Willstätter) argumentaven que les proteïnes eren simplement portadores dels enzims autèntics i que per elles soles no eren capaces de dur a terme la catàlisi. Tanmateix, el 1926, James B. Sumner demostrà que l'enzim ureasa era proteïna pura i el cristal·litzà; Summer feu el mateix amb l'enzim catalasa el 1937. La conclusió que les proteïnes poden ser enzims queda demostrada definitivament per Northrop i Stanley, que treballaren en els enzims digestius pepsina (1930), tripsina i quimotripsina. Aquests tres científics foren guardonats amb el Premi Nobel de Química del 1946. El descobriment que els enzims podien cristal·litzar-se finalment permeté determinar-ne l'estructura per mitjà de difracció de rajos X. Això es feu per primer cop amb el lisozim, un enzim que es troba en les llàgrimes, la saliva i la clara dels ous que digereix les parets cel·lulars d'alguns bacteris; la seva estructura fou determinada per un grup encapçalat per David Chilton Phillips i publicada el 1965. Aquesta determinació de l'estructura del lisozim a alta resolució marca el principi del camp de la biologia estructural i l'esforç per esbrinar com funcionen els enzims a nivell atòmic. Estructures i mecanismes En general, els enzims són proteïnes globulars. La seva mida va des de només 62 residus d'aminoàcids, en el cas del monòmer de 4-oxalocrotonat tautomerasa, fins a més de 2.500 residus en l'àcid gras sintasa. Existeix un nombre petit de catalitzadors de base ARN, i el més comú és el ribosoma; reben el nom d'«enzims ARN» o «ribozims». L'activitat dels enzims és determinada per la seva estructura tridimensional. Tanmateix, encara no s'ha aconseguit predir l'activitat de nous enzims a partir de la seva estructura. La majoria d'enzims són més grossos que els substrats sobre els quals actuen, i només una petita part de l'enzim (aproximadament 3-4 aminoàcids) participa directament en la catàlisi. La regió que conté aquests residus catalítics, s'adhereix al substrat, i després duu a terme la reacció és coneguda com a «zona activa». Els enzims també poden tenir zones que s'adhereixen a cofactors, que són necessaris per a la catàlisi. Alguns enzims també tenen zones d'adherència a petites molècules, que sovint són productes directes o indirectes, o substrats de la reacció catalitzada. Aquesta adherència pot servir per augmentar o reduir l'activitat de l'enzim, cosa que possibilita una regulació realimentada. Com totes les proteïnes, els enzims es formen com a llargues cadenes lineals d'aminoàcids que es pleguen per produir un producte tridimensional. Cada seqüència d'aminoàcid produeix una estructura específica, amb les seves propietats particulars. A vegades, poden agrupar-se cadenes proteíniques individuals per formar un complex proteic. La majoria d'enzims poden ser desnaturalitzats – és a dir, desplegats i desactivats – per mitjà de desnaturalitzants calorífics o químics, que destrueixen l'estructura tridimensional de la proteïna. Segons l'enzim de què es tracti, la desnaturalització pot ser reversible o irreversible. Especificitat Els enzims són generalment molt específics quant a les reaccions que catalitzen i els substrats que estan implicats en aquestes reaccions. La forma complementària, la càrrega i les característiques hidròfiles/hidròfobes dels enzims i els substrats són les responsables d'aquesta especificitat. Els enzims també poden presentar nivells importants d'estereoespecificitat, regioselectivitat i quimioselectivitat. Alguns dels enzims més específics i precisos són els que estan implicats en la còpia i expressió del genoma. Aquests enzims tenen mecanismes de «control de qualitat». Un enzim com ara l'ADN polimerasa catalitza una reacció en una primera fase, i després verifica que el producte sigui correcte en una segona fase. Aquest procés bifàsic resulta en una proporció mitjana d'error de menys d'un error per cada cent milions de reaccions, en el cas de polimerases mamiferoides d'alta fidelitat. També hi ha mecanismes de control similars a l'ARN polimerasa, les aminoacil ARNt sintetases i els ribosomes. Alguns enzims productors de metabòlits secundaris són descrits com a promiscus, car poden actuar sobre una varietat relativament àmplia de substrats diferents. S'ha suggerit que aquesta especificitat de substrat àmplia és important per l'evolució de noves rutes biosintètiques. Model pany i clau Els enzims són molt específics, i Emil Fischer suggerí el 1894 que això era perquè tant l'enzim com el substrat tenen formes geomètriques específiques complementàries que encaixen exactament l'una amb l'altra. Això és denominat sovint «model pany i clau». Tanmateix, mentre que aquest model explica l'especificitat dels enzims, no explica l'estabilització de l'estat de transició que assoleixen els enzims. S'ha demostrat que el model pany i clau és incorrecte. El model d'acoblament induït és la figura enzim-substrat-coenzim més acceptada actualment. Model d'acoblament induït El 1958, Daniel Koshland suggerí una modificació del model pany i clau; com que els enzims són estructures bastant flexibles, la zona activa canvia de forma constantment a causa de les interaccions amb el substrat, a mesura que el substrat interacciona amb l'enzim. Com a resultat, el substrat no s'uneix simplement a una zona activa rígida, sinó que les cadenes laterals d'aminoàcids que formen la zona activa són modelades en les posicions precises que permeten a l'enzim executar la seva funció catalítica. En alguns casos, com el de les glicosidases, la molècula del substrat també canvia lleugerament de forma quan entra a la zona activa. La zona activa continua canviant fins que el substrat està completament unit, moment en què queden determinades la forma i la càrrega finals. Mecanismes Els enzims poden actuar de diferents formes, totes les quals redueixen la ΔG‡: Reduint l'energia d'activació per mitjà de la creació d'un medi en què l'estat de transició és estabilitzat (ex., tensant la forma d'un substrat – unint la conformació de l'estat de transició de les molècules substrat/producte, l'enzim distorsiona els substrats unit en la seva forma d'estat de transició, reduint així la quantitat d'energia requerida per completar la transició). Reduint l'energia de l'estat de transició, però sense distorsionar el substrat, per mitjà de la creació d'un medi amb la distribució de càrrega contrària a la de l'estat de transició. Oferint una ruta alternativa. Per exemple, reaccionant temporalment amb el substrat per formar un complex ES intermedi, cosa que seria impossible sense l'enzim. Reduint el canvi d'entropia de la reacció, agrupant els substrats en l'orientació correcta per la reacció. Considerar ΔH‡ per si sola ignora aquest efecte. És interessant remarcar que aquest efecte entròpic implica una desestabilització de l'estat fonamental, i la seva contribució a la catàlisi és relativament minsa. Estabilització de l'estat de transició La comprensió de l'origen de la reducció de ΔG‡ exigeix que se sàpiga com estabilitzen els enzims el seu estat de transició més que l'estat de transició de la reacció no catalitzada. Aparentment, el mètode més eficient d'assolir una gran estabilització és l'ús d'efectes electroestàtics, en particular creant un medi polar relativament fix orientat vers la distribució de càrrega de l'estat de transició. No existeix un tal ambient a la reacció no catalitzada en aigua. Dinàmica i funció La dinàmica interna d'un enzim està relacionada amb el seu mecanisme de catalític. La dinàmica interna és el moviment de les parts internes d'un enzim, com ara residus d'aminoàcids, grups d'aminoàcids o fins i tot un domini proteic sencer. Aquests moviments es produeixen a diverses escales temporals que van de femtosegons a segons. Les xarxes de residus proteics dins l'estructura d'un enzim poden contribuir a la catàlisi per moviments dinàmics. Els moviments proteics són vitals per molts enzims, però la importància relativa de les vibracions petites i ràpides, o els moviments conformacionals més grans i lents, depèn del tipus de reacció. Tanmateix, tot i que aquests moviments són importants en la unió i l'alliberament de substrats i productes, no està clar si els moviments proteics contribueixen a accelerar els passos químics a les reaccions enzimàtiques. Aquests nous coneixements també tenen implicacions en la comprensió dels efectes al·lostèrics i el desenvolupament de nous medicaments. Modulació al·lostèrica Els enzims al·lostèrics canvien la seva estructura en resposta a la unió amb efectors. La modulació pot ser directa, quan l'efector s'uneix directament a punts d'unió de l'enzim, o indirecta, quan l'efector s'uneix a altres proteïnes o subunitats de proteïnes que interaccionen amb l'enzim al·lostèric i per tant influeixen l'activitat catalítica. Cofactors i coenzims Cofactors Alguns enzims no requereixen cap component addicional per executar plenament la seva activitat. En canvi, n'hi ha d'altres que per actuar requereixen la unió amb molècules no proteiques anomenades «cofactors». Els cofactors poden ser o bé compostos inorgànics (ex., ions de metalls o centres de ferro-sofre) o bé orgànics (ex., flavina i hemo). Els cofactors orgànics poden ser o bé grups prostètics, que són units fermament a un enzim, o coenzims, que són alliberats de la zona activa de l'enzim durant la reacció. Els coenzims inclouen NADH, NADPH i el trifosfat d'adenosina. Aquestes molècules actuen transferint grups químics entre els enzims. Un exemple d'enzim que conté un cofactor és l'anhidrasa carbònica, que es mostra al diagrama de cintes anterior amb un cofactor de zinc unit com a part de la zona activa. Aquestes molècules fermament unides solen trobar-se a la zona activa i participen en la catàlisi. Per exemple, els cofactors flavina i hemo solen participar en reaccions redox. Els enzims que requereixen un cofactor però que no el tenen unit reben el nom d'apoenzims o apoproteïnes. Un apoenzim junt amb el seu o els seus cofactors rep el nom d'holoenzim (la forma activa). La majoria de cofactors no estan enllaçats de manera covalent a un enzim, però estan units molt fermament. Tanmateix, els grups prostètics orgànics poden ser units de manera covalent (ex., el tiamina pirofosfat en l'enzim piruvat deshidrogenasa). El terme holoenzim també es pot aplicar a enzims que contenen múltiples subunitats proteiques, com ara les ADN polimerases; en aquest cas, l'holoenzim és el complex complet que conté totes les subunitats necessàries per a l'activitat. Coenzims Els coenzims són petites molècules orgàniques que transporten grups químics d'un enzim a un altre. Algunes d'aquestes substàncies químiques, com ara la riboflavina, la tiamina i l'àcid fòlic, són vitamines, o compostos que no es poden sintetitzar al cos i s'han d'obtenir amb els aliments. Els grups químics transportats inclouen l'ió d'hidrur (H-) transportat per NAD o NADP+, el grup acetil transportat pel coenzim A, els grups formil, metenil o metil transportats per l'àcid fòlic i el grup metil transportat per l'S-adenosilmetionina. Com que els coenzims canvien químicament a conseqüència de l'acció enzimàtica, és útil considerar que els coenzims són una classe especial de substrats, o segons substrats, que són comuns a molts enzims diferents. Per exemple, es coneixen uns 700 enzims que utilitzen el coenzim NADH. Els coenzims solen ser regenerats, i les seves concentracions mantingudes a un nivell estable dins la cèl·lula; per exemple, NADPH és regenerat per la ruta del pentosa-fosfat i l'S-adenosilmetionina és regenerada per la metionina adenosiltransferasa. Termodinàmica Com tots els catalitzadors, els enzims no alteren la posició de l'equilibri químic de la reacció. Habitualment, en presència d'un enzim, la reacció transcorre en la mateixa direcció que ho faria sense l'enzim, simplement més ràpid. Tanmateix, en absència de l'enzim, altres possibles reaccions «espontànies» no catalitzades poden crear productes diferents, car en aquestes condicions aquest producte diferent és format més ràpidament. A més, els enzims poden acoblar dues o més reaccions, de manera que una reacció termodinàmicament favorable pot ser utilitzada per a alimentar-ne una de termodinàmicament desfavorable. Per exemple, la hidròlisi de l'ATP és sovint utilitzada per alimentar altres reaccions químiques. Els enzims catalitzen de manera igual les reaccions normals i les inverses. No alteren l'equilibri en si, només la velocitat a la qual s'assoleix. Per exemple, l'anhidrasa carbònica catalitza la seva reacció en qualsevol de les dues direccions segons la concentració dels seus reactants. (en teixits; alta concentració de CO2) (en pulmons; baixa concentració de CO2) Tanmateix, si l'equilibri està molt desplaçat en una direcció, és a dir, en una reacció molt exergònica, la reacció és efectivament irreversible. En aquestes condicions, l'enzim només catalitzarà la reacció en la direcció permesa per la termodinàmica. Cinètica La cinètica enzimàtica és la investigació de com els enzims s'uneixen a substrats i els transformen en productes. Les dades de velocitat utilitzades en les anàlisis cinètiques són obtingudes d'assajos enzimàtics. El 1902, Victor Henri proposà una teoria quantitativa de la cinètica enzimàtica, però les seves dades experimentals no resultaren útils car la importància de la concentració d'ions d'hidrogen encara no era apreciada. Després que Peter Lauritz Sørensen definís l'escala logarítmica del pH i introduís el concepte d'emmagatzematge el 1909 el químic alemany Leonor Michaelis i la investigadora postdoctoral canadenca Maud Leonora Menten repetiren els experiments d'Henri i confirmaren la seva equació, que és denominada cinètica d'Henri-Michaelis-Menten (a voltes també cinètica de Michaelis-Menten). La seva obra fou continuada per George Edward Briggs i John Burdon Sanderson Haldane, que derivaren equacions cinètiques que encara són usades àmpliament avui en dia. La contribució principal d'Henri fou pensar en les reaccions enzimàtiques de dues etapes. A la primera, el substrat s'uneix reversiblement a l'enzim, formant el complex enzim-substrat. A vegades s'anomena això complex de Michaelis. Aleshores, l'enzim catalitza el pas químic de la reacció i allibera el producte. Els enzims poden catalitzar fins a diversos milions de reaccions per segon. Per exemple, la reacció catalitzada per l'orotidina 5'-fosfat descarboxilasa consumeix la meitat del substrat en 78 milions d'anys si no hi ha cap enzim present. Tanmateix, quan s'afegeix la descarboxilasa, el mateix procés només triga 25 mil·lisegons. La velocitat d'un enzim depèn de les condicions de la solució i de la concentració del substrat. Les condicions que desnaturalitzen la proteïna eliminen l'activitat enzimàtica, com ara temperatures elevades, un pH extrem o altes concentracions de sal, mentre que l'augmentació de la concentració del substrat tendeix a augmentar l'activitat. Per determinar la velocitat màxima d'una reacció enzimàtica, s'augmenta la concentració del substrat fins que s'observa una velocitat constant de formació del producte. La corba de saturació de la dreta mostra això. La saturació es produeix perquè, a mesura que augmenta la concentració del substrat, una part cada cop més important de l'enzim lliure és transformada en la forma ES unida al substrat. A la velocitat màxima (Vmax) de l'enzim, totes les zones actives de l'enzim estan unides al substrats, i la quantitat de complex ES és la mateixa que la quantitat total d'enzim. Tanmateix, Vmax només és una de les constants cinètiques dels enzims. La quantitat de substrat necessària per assolir una determinada velocitat de reacció també és important. Això és determinat per la constant de Michaelis-Menten (Km), que és la concentració del substrat necessària perquè un enzim assoleixi la meitat de la seva velocitat màxima. Cada enzimé una Km característica per un substrat donat, i això pot mostrar com és de ferma la unió del substrat a l'enzim. Una altra constant útil és kcat, que és el nombre de molècules de substrat que porta una zona activa per segon. L'eficiència d'un enzim es pot expressar en termes de kcat/Km. Això també rep el nom de constant d'especificitat i incorpora la constant de velocitat de cada pas de la reacció. Com que la constant d'especificitat reflecteix tant l'afinitat com la capacitat catalítica, és útil per comparar enzims diferents entre ells, o el mateix enzim amb diferents substrats. El màxim teòric de la constant d'especificitat rep el nom de límit de difusió i és d'aproximadament 108 to 109 (M−1 s−1). En aquest punt, cada col·lisió de l'enzim amb el seu substrat resultarà en catàlisi, i la velocitat de formació del producte no està limitada per la velocitat de reacció sinó per la velocitat de difusió. Els enzims amb aquestes propietats són considerats «catalíticament perfectes» o «cinèticament perfectes». En són exemples la triosa-fosfat isomerasa, l'anhidrasa carbònica, l'acetilcolinesterasa, la catalasa, la fumarasa, la β-lactamasa, i la superòxid dismutasa. La cinètica de Michaelis-Menten es basa en la llei de masses, que deriva de les assumpcions de difusió lliure i col·lisions aleatòries impulsades termodinàmicament. Tanmateix, molts processos bioquímics o cel·lulars es desvien significativament d'aquestes condicions, a causa d'apinyament molecular, separació en fases de l'enzim/substrat/producte, o moviment molecular mono o bidimensional. En aquestes situacions, es pot aplicar una cinètica de Michaelis-Menten fractal. Alguns enzims funcionen amb una cinètica més ràpida que la velocitat de difusió, cosa que semblaria impossible. S'han suggerit diversos mecanismes per explicar aquest fenomen. Es creu que algunes proteïnes acceleren la catàlisi agafant el seu substrat i preorientant-lo per mitjà de camps elèctrics dipolars. Altres models apel·len a una explicació basada en una tunelització mecanicoquàntica, segons la qual un protó o un electró pot travessar barreres d'activació, tot i que en el cas de la tunelització de protons el model roman bastant controvertit. S'ha observat tunelització de protons en la triptamina. Això suggereix que la catàlisi enzimàtica es podria descriure amb més precisió com «a través» de la barrera en lloc del model tradicional, que requereix que el substrat passi «per sobre» d'una barrera energètica abaixada. Inhibició La velocitat de reacció dels enzims pot ser reduïda per diversos tipus d'inhibidors enzimàtics. Inhibició competitiva En la inhibició competitiva, l'inhibidor i el substrat competeixen per l'enzim (és a dir, no poden unir-s'hi els dos alhora). Sovint, els inhibidors competitius s'assemblen molt al substrat autèntic de l'enzim. Per exemple, el metotrexat és un inhibidor competitiu de l'enzim dihidrofolat reductasa, que catalitza la reducció del dihidrofolat en tetrahidrofolat. La semblança entre l'estructura de l'àcid fòlic la d'aquest medicament és mostrada a la figura inferior de la dreta. Cal remarcar que no és necessari que la unió de l'inhibidor es produeixi al punt d'unió del substrat (com sovint s'afirma), si la unió de l'enzim canvia la conformació d'aquest per evitar la unió amb el substrat, i a l'inrevés. En la inhibició competitiva, la velocitat màxima de la reacció no canvia, però calen concentracions de substrat més altes per assolir una determinada velocitat, augmentant la Km aparent. Inhibició incompetitiva En la inhibició incompetitiva, l'inhibidor no pot unir-se a l'enzim lliure, sinó únicament al complex ES. El complex EIS format per aquest procés és enzimàticament inactiu. Aquest tipus d'inhibició és rar, però es pot produir en enzims multimèrics. Inhibició no competitiva Els inhibidors no competitius poden unir-se a l'enzim al mateix temps que el substrat, és a dir, mai no s'uneixen a la zona activa. Tant els complexos EI com els EIS són enzimàticament inactius. Com que l'inhibidor no pot ser expulsat de l'enzim per una concentració més alta de substrat (a diferència de la inhibició competitiva), la Vmax aparent canvia. Tanmateix, com que el substrat encara es pot unir a l'enzim, la Km roman igual. Inhibició mixta Aquest tipus d'inhibicó s'assembla a la no competitiva, excepte que el complex EIS té una activitat enzimàtica residual. En molts organismes, els inhibidors poden formar part d'un mecanisme de retroalimentació. Si un enzim produeix una quantitat excessiva d'una substància, aquesta substància pot actuar com a inhibidor de l'enzim al principi de la ruta que la produeix, causant l'alentiment o l'aturada de la producció de la substància quan n'hi ha una quantitat suficient. Es tracta d'una forma de retroalimentació negativa. Els enzims subjectes a aquesta forma de regulació sovint són multimèrics i tenen punts d'unió al·lostèrics per les substàncies reguladores. La seva funció substrat/velocitat no és hiperbòlica, sinó sigmoïdal (amb forma de S). Els inhibidors irreversibles reaccionen amb l'enzim i formen un adducte covalent amb la proteïna. La inactivació és irreversible. Aquests compostos inclouen l'eflornitina, un medicament utilitzat per tractar la malaltia del son, causada per paràsits. La penicil·lina i l'aspirina també actuen d'aquesta manera. En aquests medicaments, el compost s'uneix a la zona activa i l'enzim converteix l'inhibidor en una forma activada que reacciona irreversiblement amb un o diversos residus d'aminoàcids. Usos d'inactivadors Els inhibidors són utilitzats sovint com a medicaments, però també poden actuar com a verins. Tanmateix, la diferència entre medicament i verí sovint no és més que una qüestió de quantitat, car la majoria de medicaments són verinosos a un cert nivell, com ho escrigué Paracels: «totes les substàncies són verins; és la dosi correcta la que diferencia un verí d'un remei». D'igual manera, els antibiòtics i altres medicaments contra les infeccions només són verins específics que maten un patogen, però no el seu hoste. Un exemple d'inactivador utilitzat com a medicament és l'aspirina, que inhibeix els enzims COX-1 i COX-2, que produeixen el missatger d'inflamació prostaglandina, eliminant així el dolor i la inflamació. El cianur, un verí, és un inactivador enzimàtic irreversible que es combina amb el coure i el ferro de la zona activa de l'enzim citocrom c oxidasa i bloqueja la respiració cel·lular. Funció biològica Els enzims tenen una àmplia varietat de funcions a l'interior dels éssers vius. Són indispensables per la transducció de senyals i la regulació cel·lular, sovint per mitjà de cinases i fosfatases. També generen moviment, amb la miosina que hidrolitza ATP per generar contracció muscular i mou productes dins la cèl·lula com a part del citoesquelet. Altres ATPases de la membrana cel·lular són bombes iòniques implicades en el transport actiu. Els enzims també estan implicats en funcions més exòtiques, com ara la luciferasa, que genera llum en les cuques de llum. Els virus també poden contenir enzims per la infecció de cèl·lules, com ara la VIH integrasa i la transcriptasa inversa, o per l'alliberament del virus de les cèl·lules, com ara la neuraminidasa del virus de la grip. Una de les funcions més importants dels enzims és en l'aparell digestiu dels animals. Enzims com ara les amilases i proteases descomponen les molècules grans (midó o proteïnes, respectivament) en molècules més petites, de manera que els intestins les puguin absorbir. Les molècules de midó, per exemple, són massa grans per ser absorbides per l'intestí, però els enzims hidrolitzen les cadenes de midó en molècules més petites com ara maltosa i finalment glucosa, que poden ser absorbides. Enzims diferents digereixen aliments diferents. En els remugants, que tenen una dieta herbívora, uns microorganismes de l'estómac produeixen un altre enzim, la cel·lulasa, per descompondre les parets cel·lulars de cel·lulosa de les fibres vegetals. Diversos enzims poden treballar ensems en un ordre específic, creant rutes metabòliques. En una ruta metabòlica, cada enzim agafa el producte d'un altre enzim com a substrat. Després de la reacció catalítica, el producte és passat a un altre enzim. A vegades, la mateixa reacció pot ser catalitzada en paral·lel per més d'un enzim; això pot permetre una regulació més complexa. Per exemple, un enzim forneix una activitat baixa i constant, mentre que un altre forneix una activitat alta induïble. Els enzims determinen quins passos es produeixen en aquestes rutes. Sense els enzims, el metabolisme ni progressaria pels mateixos passos ni seria prou ràpid com per satisfer les necessitats de les cèl·lules. De fet, una ruta metabòlica com ara la glicòlisi no podria existir sense enzims. La glucosa, per exemple, pot reaccionar directament amb ATP per quedar fosforilada en un o més dels seus carbonis. En absència d'enzims, aquest procés és tan lent que és negligible. Tanmateix, si s'afegeix hexocinasa, aquestes reaccions lentes continuen produint-se, però la fosforilació al carboni 6 té lloc tan ràpidament que, si s'analitza la mescla una estona després, es troba glucosa 6-fosfat com a únic producte significatiu. Per consegüent, la xarxa de rutes metabòliques de cada cèl·lula depèn del conjunt d'enzims funcionals presents. Control de l'activitat Hi ha cinc mecanismes principals de control de l'activitat enzimàtica dins les cèl·lules. La producció d'enzims (transcripció i traducció de gens enzimàtica) pot ser augmentada o reduïda per una cèl·lula en resposta a canvis en el seu medi. Aquesta forma de regulació gènica rep el nom d'inducció i inhibició dels enzims. Per exemple, els bacteris poden esdevenir resistents a antibiòtics com ara la penicil·lina, car es produeixen enzims anomenats beta-lactamases que hidrolitzen l'anell de beta-lactam essencial de la molècula de penicil·lina. En són un altre exemple els enzims del fetge anomenats citocrom P450 oxidases, importants en el metabolisme dels medicaments. La inducció o inhibició d'aquests enzims pot causar interacció farmacològica. Els enzims poden ser compartimentalitzats, amb rutes metabòliques diferents a cada compartiment cel·lular. Per exemple, els àcids grassos són sintetitzats per un conjunt d'enzims del citosol, el reticle endoplasmàtic i l'aparell de Golgi, i utilitzats per un conjunt diferent d'enzims com a font d'energia als mitocondris, a través de l'oxidació β. Els enzims poden ser regulats per inhibidors i activadors. Per exemple, els productes finals d'una ruta metabòlica sovint són inhibidors d'algun dels primers enzims de la ruta (normalment el primer pas irreversible, anomenat "pas compromès"), regulant així la quantitat de producte final creada per les rutes. Aquest mecanisme regulador rep el nom de mecanisme de retroalimentació negativa, car la quantitat de producte final és regulada per la seva pròpia concentració. El mecanisme de retroalimentació negativa pot ajustar eficientment la velocitat de síntesi dels metabòlits intermedis segons les necessitats de les cèl·lules. Això ajuda a fornir materials i energia de manera econòmica, i evita una creació excessiva de productes finals. Com altres mecanismes homeostàtics, el control de les accions enzimàtiques ajuda a mantenir un medi intern estable en els organismes vivents. Els enzims poden ser regulats per modificació postraduccional. Això pot incloure fosforilació, miristoilació i glicosilació. Per exemple, en la resposta a la insulina, la fosforilació de múltiples enzims, incloent-hi la glicogen sintasa, contribueix a controlar la síntesi o degradació de glicogen i permet a la cèl·lula respondre a canvis en el sucre sanguini. Un altre exemple de modificació postraduccional és la fragmentació de la cadena polipeptídica. La quimotripsina, una proteasa digestiva, és produïda en una forma inactiva com a quimotripsinogen al pàncrees, i transportada en aquesta forma a l'estómac, on és activada. Això evita que l'enzim digereixi el pàncrees o altres teixits abans d'arribar a l'estómac. Aquest tipus de precursor inactiu d'un enzim rep el nom de zimogen. Alguns enzims poden ser activats quan són situats en un medi diferent (per exemple, d'un citoplasma reductor a un periplasma oxidant, pH alt a pH baix, etc.). Per exemple, l'hemaglutinina del virus de la grip és activat per un canvi conformacional causat per condicions àcides, que es produeixen quan ingressa a la cèl·lula hoste i entra al lisosoma. Rol en malalties Com que la regulació estricta de l'activitat enzimàtica és essencial per l'homeòstasi, qualsevol disfunció (mutació, sobreproducció, subproducció, o deleció) d'un únic enzim crític pot causar una malaltia genètica. La importància dels enzims és demostrada pel fet que una malaltia letal pot ser causada per la disfunció de només un tipus d'enzim dels milers que hi ha al cos humà. Un exemple és el tipus més habitual de fenilcetonúria. La mutació d'un únic aminoàcid de l'enzim fenilalanina hidroxilasa, que catalitza el primer pas de la degradació de la fenilalanina, resulta en l'acumulació de fenilalanina i productes relacionats. Això pot conduir a retard mental si no es tracta la malaltia. Un altre exemple és quan mutacions de la línia germinal de gens que codifiquen enzims de reparació de l'ADN causen síndromes hereditàries de càncer, com ara xerodèrmia pigmentada. Els defectes en aquests enzims causen càncer perquè el cos és menys capaç de reparar mutacions del genoma. Això causa una lenta acumulació de mutacions i resulta en el desenvolupament de molts tipus de càncer en el malalt. Convencions de nomenclatura El nom d'un enzim deriva sovint del seu substrat o de la reacció química que catalitza, amb el sufix -asa. En són exemples la lactasa, l'alcohol deshidrogenasa i l'ADN polimerasa. Això pot resultar en què diferents enzims, anomenats isozims, que tenen la mateixa funció tinguin el mateix nom bàsic. Els isoenzims tenen una seqüència d'aminoàcids diferent i se'ls pot distingir pel seu pH òptim, propietats cinètiques o immunològicament. A més, la reacció fisiològica normal que catalitza un enzim pot no ser la mateixa que en condicions artificials. Això pot fer que un mateix enzim sigui identificat amb dos noms diferents. Per exemple, la glucosa isomerasa, utilitzada a la indústria per convertir glucosa en l'edulcorant fructosa, és una xilosa isomerasa in vivo. La Unió Internacional de Bioquímica i Biologia Molecular ha desenvolupat una nomenclatura pels enzims, els números EC; cada enzim és descrit per una seqüència de quatre números precedida per EC. El primer número classifica de manera general l'enzim segons el seu mecanisme: El nivell de classificació més alt és el següent: EC 1 Oxidoreductases: catalitzen reaccions d'oxidació/reducció EC 2 Transferases: transfereixen un grup funcional (ex. un grup metil o fosfat) EC 3 Hidrolases: catalitzen la hidròlisi de diversos enllaços EC 4 Liases: fragmenten diversos enllaços per mitjans altres que la hidròlisi i l'oxidació EC 5 Isomerases: catalitzen canvis d'isomerització dins d'una única molècula EC 6 Ligases uneixen dues molècules amb enllaços covalents EC 7 Translocases: catalitzen el moviment d'ions o molècules a través de membranes Es pot navegar per la nomenclatura completa a http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/. Aplicacions industrials S'utilitzen enzims a la indústria química i altres sectors industrials quan calen catalitzadors extremament específics. Tanmateix, els enzims en general estan limitats a les reaccions que han evolucionat per a catalitzar i la seva manca d'estabilitat en dissolvents orgànics i a temperatures elevades. Així doncs, l'enginyeria proteica és un àmbit d'investigació actiu que intenta crear enzims amb propietats noves, ja sigui per disseny racional o per evolució in vitro. Aquests esforços han començat a donar fruit amb el disseny ex novo de diversos enzims per a catalitzar reaccions que no es donen a la natura. Referències Bibliografia | width="50%" align=left valign=top | Etimologia i història New Beer in an Old Bottle: Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge, editat per Athel Cornish-Bowden i publicat per la Universitat de València (1997): , Història de l'enzimologia primerenca. (en anglès) Williams, Henry Smith, 1863–1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences, Un llibre de text del . (en anglès) Kleyn, J. i Hough J. The Microbiology of Brewing. Annual Review of Microbiology (1971) Vol. 25: 583–608 (en anglès) Estructura i mecanismes dels enzims Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998. (en anglès) Walsh, C. (1979). Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company. (en anglès) Page, M. I.; Williams, A. (Eds.). Enzyme Mechanisms. Royal Society of Chemistry, 1987. (en anglès) Bugg, T. Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry, Blackwell Publishing Limited; 2a edició, 2004. (en anglès) Warshel, A. Computer Modeling of Chemical Reactions in enzymes and Solutions. John Wiley & Sons Inc., 1991. (en anglès) Termodinàmica Reactions and Enzymes Capítol 10 del Llibre de Biologia en línia de l'Estrella Mountain Community College. (en anglès) | width="50%" align=left valign=top | Cinètica i inhibició Athel Cornish-Bowden. Fundamentals of Enzyme Kinetics. (3a edició), Portland Press (2004), . (en anglès) Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics: Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley-Interscience; New Ed edition (1993), . (en anglès) John W. Baynes, Medical Biochemistry, Elsevier-Mosby; 2a edició (2005), , pàg. 57. Funció i regulació dels enzims dins les cèl·lules Price, N.; Stevens, L. Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. Oxford University Press, (1999), (en anglès) Nutritional and Metabolic Diseases Capítol del llibre de text en línia "Introduction to Genes and Disease" de l'NCBI. (en anglès) Convencions de nomenclatura Nomenclatura dels enzims, recomanacions pels noms dels enzims del Comité de Nomenclatura de la Unió Internacional de Bioquímica i Biologia Molecular. (en anglès) Koshland D. The Enzymes, v. I, ch. 7, Acad. Press, Nova York, (1959) (en anglès) Aplicacions industrials Història dels enzims industrials, des de finals de la dècada del 1900 fins al present. Vegeu també Catàlisi enzimàtica Cristal·lització d'enzims per entrecreuament Enllaços externs Enzyme spotlight Article mensual de l'Institut Europeu de Bioinformàtica sobre un enzim (en anglès) AMFEP, Association of Manufacturers and Formulators of Enzyme Products (en anglès) Base de dades BRENDA, una col·lecció detallada d'informació i referències en la bibliografia sobre tots els enzims coneguts (en anglès) Enzyme Structures Database amb enllaços a les dades conegudes d'estructura tridimensional dels enzims a la Protein Data Bank (en anglès) Base de dades sobre els enzims ExPASy amb enllaços a dades seqüencials de Swiss-Prot, entrades en altres bases de dades i recerques relacionades en la bibliografia (en anglès) KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Informació gràfica i d'hipertext sobre rutes bioquímiques i enzims (en anglès) Base de dades MACiE sobre els mecanismes de reacció dels enzims (en anglès) Entrevista amb Sir John Cornforth, guardonat amb el Premi Nobel pel seu treball en l'estereoquímica de reaccions catalitzades per enzims (en anglès) Sigma Aldrich Enzyme Assays by Enzyme Name – centenars d'assajos ordenats pel nom de l'enzim Traduccions que són articles de qualitat Articles de qualitat de ciències de la vida Articles de qualitat dels 1000


source: wikipedia

text: Lenergia solar tèrmica és la utilització de la radiació solar per escalfar fluids destinats a diferents usos. Segons la temperatura que aconsegueixen els fluids es poden classificar els sistemes d'energia solar tèrmica en Sistemes de Baixa Temperatura i Sistemes d'Alta Temperatura. En el cas d'una instal·lació domèstica, l'escalfament a baixa temperatura d'aigua (o eventualment altres fluids), destinada a l'ús com aigua calenta sanitària o calefacció. Addicionalment, pot emprar-se per a alimentar una màquina de refrigeració per absorció, que fa servir calor en lloc d'electricitat per condicionar l'aire. Una instal·lació d'energia solar tèrmica consta d'un conjunt de plaques, generalment fixes en els seus tres eixos, per les quals discorren uns tubs que s'exposen d'aquesta forma a la radiació solar. Les característiques constructi[ves responen a la minimització de les pèrdues d'energia una vegada escalfat el fluid que transcorre pels tubs (aïllaments a la conducció per buit o materials termoaïllants) i a la recepció de radiació de baixa temperatura. El circuit es completa amb un sistema de circulació natural o forçada, un o diversos magatzems per a desacoblar el consum a la producció i generar inèrcia tèrmica en el sistema, i els mecanismes de control i conducció necessaris. A vegades el sistema està hibridat amb una caldera de combustible fòssil o d'escalfament elèctric per a suplementar l'acció del sol. A més del seu ús com aigua calenta sanitària, calefacció i refrigeració (mitjançant màquina d'absorció), l'ús de plaques solars tèrmiques ha proliferat per a l'escalfament de piscines exteriors residencials, en països on la legislació impedeix l'ús d'energies d'altre tipus per a aquest fi. L'altra forma d'aprofitament de l'energia solar tèrmica és per produir energia elèctrica escalfant un fluid amb el sol. Aquest fluid calent entra en contacte amb aigua dins de l'intercanviador de calor i produeix vapor que mou una turbina acoblada a un alternador. L'electricitat produïda es transforma a alt voltatge i es bolca a la xarxa elèctrica. Definició L'energia solar tèrmica consisteix en l'aprofitament de la radiació provinent del sol per produir calor. La intensitat d'aquesta radiació solar, es mesura mitjançant dos paràmetres físics: insolació, que és l'energia mitjana diària, expressada en kWh/m2 dia, i radiació tèrmica, que és la potència instantània sobre la superfície horitzontal, expressada en kW/m2. La calor produïda, pot aprofitar-se per ús domèstic o bé per la producció d'energia mecànica i per tant, produir electricitat. Una de les aplicacions més esteses és el que es coneix com a aigua calenta sanitària (ACS) que consisteix en l'aprofitament d'aquesta calor per escalfar un fluid (aigua) a temperatures inferiors a 80 °C. Components de la instal·lació Una instal·lació solar tèrmica està formada per captadors solars, un circuit primari i secundari, bescanviador de calor, acumulador, bombes, vas d'expansió, canonades i un panell de control principal. Captadors solars Els captadors solars són els elements que capturen la radiació solar i la converteixen en energia tèrmica, en escalfor. Com a captadors solars es coneixen els de placa plana, els de tubs de buit i els captadors absorbidors sense protecció ni aïllament. Els sistemes de captació plans (o de placa plana) amb coberta de vidre són els comuns majoritàriament en la producció d'aigua calenta sanitària ACS. El vidre deixa passar els raigs del sol, aquests escalfen uns tubs metàl·lics que transmeten la calor al líquid de dins. Els tubs són de color fosc, ja que les superfícies fosques escalfen més. El vidre que cobreix el captador no només protegeix la instal·lació sinó que també permet conservar l'escalfor tot produint un efecte d'hivernacle que millora el rendiment del captador. Estan formats d'una carcassa d'alumini tancada i resistent a ambients marins, un marc d'alumini eloxat, una junta perimetral lliure de silicones, aïllant tèrmic respectuós amb el medi ambient de llana de roca, coberta de vidre solar d'alta transparència, i finalment per tubs soldats ultrasònics. Els col·lectors solars es componen dels següents elements: Coberta: És transparent, pot o no ser-hi present. Generalment és de vidre tot i que també s'utilitzen de plàstic, ja que és menys car i manejable, però ha d'ésser un plàstic especial. La seva funció és minimitzar les pèrdues per convecció i radiació i per això ha de tindre una transmitància solar la més alta possible. Canal d'aire: És un espai (buit o no) que separa la coberta de la placa absorbent. El seu gruix s'ha de calcular tenint en compte per tal d'equilibrar les pèrdues per convecció i les altes temperatures que es poden produir si és massa estret. Placa absorbent: La placa absorbent és l'element que absorbeix l'energia solar i la transmet al líquid que circula per les canonades. La principal característica de la placa és que ha de tenir una gran absorció solar i una emissió tèrmica reduïda. Com els materials comuns no compleixen amb aquest requisit, s'utilitzen materials combinats per a obtenir la millor relació absorció/emissió. Tubs o conductes: Els tubs estan tocant (de vegades soldades) la placa absorbent per tal que l'intercanvi d'energia sigui el més gran possible. Pels tubs circula el líquid que s'escalfarà i anirà cap al tanc d'acumulació. Capa aïllant: La finalitat de la capa aïllant és recobrir el sistema per tal d'evitar i minimitzar pèrdues. Perquè l'aïllament sigui el millor possible, el material aïllant haurà de tindre una baixa conductivitat tèrmica. Captadors solars de placa plana Un captador solar pla té l'ànima del sistema és un reixat vertical de tubs metàl·lics, per simplificar, que condueixen l'aigua freda en paral·lel, connectats per baix per un tub horitzontal a la presa d'aigua freda i per dalt per un altre de similar al retorn. La graella ve encaixada en una coberta, com la descrita més amunt, normalment amb doble vidre per dalt i aïllant pel darrere. En alguns models, els tubs verticals estan soldats a una placa metàl·lica per aprofitar la insolació entre tub i tub. Captadors solars de tubs de buit "tot vidre" En aquest sistema els tubs metàl·lics del sistema precedent se substitueixen per tubs de vidre, encapsulats, d'un amb un, en un altre tub de vidre entre els quals es fa el buit com a aïllament. Els grans avantatges que presenten aquests tipus de captadors són el seu alt rendiment i que, en el cas que un dels tubs es fes malbé, no cal canviar tot el panell per un de nou, sinó que només cal canviar el tub afectat. Per contra, en relació amb els de placa plana, resulten més cars. Captadors solars de tubs de buit amb "tubs de calor" per canvi de fase Aquest sistema aprofita el canvi de fase de vapor a líquid dins de cada tub, per lliurar energia a un segon circuit de líquid de transport. Els elements són tubs tancats, normalment de coure, que contenen el líquid que, en escalfar-se pel sol, bull i es converteix en vapor que puja a la part superior on hi ha un capçal més ample (zona de condensació), que en la part exterior està en contacte amb líquid transportador, que essent més fred que el vapor del tub en capta la calor i provoca que el vapor es condensi i caigui a la part baixa del tub per tornar a començar el cicle. El tub de calor es pot embolicar amb una jaqueta de materials especials per minimitzar les pèrdues per irradiació. Se solen emprar tubs de vidre resistent, per reduir els danys en cas de petites calamarsades. El líquid del tub pot ser aigua que, havent-ne reduït la pressió fent un buit parcial, tindrà un punt d'ebullició baix per treballar fins i tot amb la insolació dels raigs infrarojos en cas de núvol. Circuit primari El circuit primari, és circuit tancat, transporta l'escalfor des del captador fins a l'acumulador (sistema que emmagatzema calor). El líquid escalfat (aigua o una barreja de substàncies que puguin transportar l'escalfor) porta la calor fins a l'acumulador. Un cop refredat, retorna al col·lector per tornar-se a escalfar, i així successivament. Bescanviador de calor El bescanviador de calor escalfa l'aigua de consum a través de la calor captada de la radiació solar. Se situa al circuit primari, al seu extrem. Té forma de serpentí, ja que així, s'aconsegueix augmentar la superfície de contacte i per tant, l'eficiència. L'aigua que entra a l'acumulador, sempre que estigui més freda que el serpentí, s'escalfarà. Aquesta aigua, escalfada en hores de sol, ens quedarà disponible pel consum posterior. Acumulador L'acumulador és un dipòsit on s'acumula l'aigua escalfada útil pel consum. Té una entrada per l'aigua freda i una sortida per la calenta. La freda entra per sota de l'acumulador on es troba amb el bescanviador, a mesura que s'escalfa es desplaça cap a dalt, que és des d'on sortirà l'aigua calenta per al consum. Internament disposa d'un sistema per evitar l'efecte corrosiu de l'aigua calenta emmagatzemada sobre els materials. Per fora té una capa de material aïllant que evita pèrdues de calor i està cobert per un material que protegeix l'aïllament de possibles humitats i cops. Circuit secundari El circuit secundari o de consum (circuit obert), entra aigua freda de subministrament i per l'altre extrem l'aigua escalfada es consumeix (dutxa, lavabo...). L'aigua freda passa per l'acumulador primerament, on escalfa l'aigua calenta fins a arribar a una certa temperatura. Les canonades d'aigua calenta de l'exterior, han d'estar cobertes per aïllants. Bombes Les bombes, en cas que la instal·lació sigui de circulació forçada, són de tipus recirculació (sol haver-hi dues per circuit), treballant una la meitat del dia, i la parella, la meitat del temps restant. La instal·lació consta dels rellotges que porten el funcionament del sistema, fan l'intercanvi de les bombes, per tal que una treballi les 12 hores primeres i l'altra les 12 hores restants. Si hi ha dues bombes en funcionament, hi ha l'avantatge que en cas que una deixi de funcionar, hi ha la substituta, de manera que així no es pot parar el procés davant de la fallada d'una d'aquestes. L'altre motiu a considerar, és que gràcies a aquest intercanvi la bomba no sofreix tant, sinó que se la deixa descansar, refredar, i quan torna a estar en bon estat (després de les 12 hores) es torna a posar en marxa. Això ocasiona que les bombes puguin allargar durant més el temps de funcionament sense haver-hi de fer cap mena de manteniment previ. En total sol haver-hi quatre bombes, dues en cada circuit. Dues al circuit primari que bomben l'aigua dels col·lectors i les altres dues al circuit secundari que bomben l'aigua dels acumuladors, en el cas d'una instal·lació de tipus circulació forçada. Vas d'expansió El vas d'expansió absorbeix variacions de volum del fluid caloportador, el qual circula pels conductes del captador, mantenint la pressió adequada i evitant pèrdues de la massa del fluid. És un recipient amb una cambra de gas separada de la de líquids i amb una pressió inicial la qual va en funció de l'altura de la instal·lació. El que més s'utilitza és amb vas d'expansió tancat amb membrana, sense transferència de massa a l'exterior del circuit. Canonades Les canonades de la instal·lació es troben recobertes d'un aïllant tèrmic per evitar pèrdues de calor amb l'entorn. Panell de control Es disposa també d'un panell principal de control a la instal·lació, on es mostren les Temperatures en cada instant (un regulador tèrmic), de manera que pugui controlar-se el funcionament del sistema en qualsevol moment. Apareixen també els rellotges encarregats de l'intercanvi de bombes. Tipus d'instal·lacions Es coneixen dos tipus principals d'instal·lacions solars tèrmiques, la de circulació natural i de circulació forçada. Sistema solar tèrmic de tipus circulació natural o Termosifó En incidir la radiació solar al captador, transfereix la seva energia al fluid contingut en aquest, que augmenta la seva temperatura i disminueix així la seva densitat. S'origina, per tant, una diferència tèrmica entre el líquid en el captador i el líquid en l'acumulador (situat a major altura), iniciant-se de manera natural una circulació del fluid calent en direcció a l'acumulador. És a dir, aquest sistema no requereix bomba de recirculació i generalment treballa amb la pressió de la xarxa. Respecte als costos operatius és el més econòmic, el seu cost és zero. Sistema solar tèrmic de tipus circulació forçada En aquest tipus de sistema, la circulació del líquid tèrmic pel captador i per la resta de circuit s'aconsegueix mitjançant una bomba de circulació amb la regulació corresponent. Aquesta regulació s'aconsegueix sempre a través d'un termòstat diferencial, mitjançant el diferencial de temperatures. La circulació forçada, en canvi, presenta un petit cost operatiu produït pel treball de la bomba. Els seus usos són en qualsevol tipus d'instal·lació tant residencial com industrial, especialment quan es requereix grans volums d'aigua. Funcionament de la instal·lació El procés tal com s'ha descrit anteriorment es duu a terme en 2 circuits independents, un primari i un secundari. L'energia tèrmica (calor) procedent dels rajos solars arriba als captadors, escalfant el fluid que circula pel seu interior (aigua amb anticongelant). Aquesta energia en forma d'aigua calenta és intercanviada fins a un altre circuit on és acumulada a un dipòsit acumulador fins a poder ser utilitzada com a ACS (aigua calenta sanitària). El fluid que circula pels col·lectors és aigua destil·lada o desionitzada amb etilenglicol o propilenglicol. Al circuit secundari, l'aigua freda d'entrada a l'acumulador, és aigua de xarxa, per tant, al no ser aigua tractada, s'ha de protegir davant la corrosió. Principis físics que intervenen en el funcionament del captador solar de placa plana Efecte d'hivernacle La radiació solar incident en una placa plana, pot ser parcialment absorbida pel cos. Aquella que no s'absorbeix és reflectida o travessa (travessa, afecta principalment als cossos transparents). Aquesta relació, depenen de diversos factors, com ara l'estat de la superfície, la naturalesa del cos, el gruix del cos, el tipus de radiació. Longitud d'ona i l'angle d'incidència dels raigs solars. La major part de la radiació solar està compresa entre 0,3 i 2,4 μm, per això passa per un vidre. Un cos és transparent, només per a radiacions amb longitud d'ona entre 0,3 i 3 μm. El vidre de la placa ha de ser opac, perquè així s'escalfa en ser impactat per la radiació solar i emet radiacions compreses entre 4,5 i 7,2 μm, aquesta radiació és absorbida per l'absorbidor. Les qualitats que cal exigir a un material per a fer-lo servir com a coberta de captadors solars: Elevat coeficient de transmissió de la radiació en la banda de 0,3 a 3μm, estabilitat en el temps (cosa que no passa amb els plàstics), baix coeficient de transmissió de l'infraroig llarg, baix coeficient de conductivitat tèrmica, resistència al trencament per cops, baix coeficient de dilatació i no adherència de la brutícia El vidre deixa passar les radiacions d'ona curta procedent del sol i atura les emissions d'ona llarga procedents de la placa absorbidora. Hi ha alguns plàstics que tenen un comportament similar al vidre, com ara el policarbonat. El material que es fa servir habitualment en captadors solars plans és el vidre de baix contingut en ferro per a poder-ne millorar la transmissivitat. La coberta fa l'efecte d'hivernacle i minimitza l'intercanvi de calor per convecció entre l'interior i l'exterior del captador. Cos negre El cos negre és un altre principi físic que permet el funcionament d'un captador solar tèrmic, una superfície negra i mate capta millor l'energia que qualsevol altre color. És per això, que les superfícies fosques són les millors com a captadores de l'energia radiada pel sol. L'absorbidor està format per una superfície metàl·lica que permet l'intercanvi de calor amb l'aigua o fluid que volem escalfar. En l'absorbidor impacta la radiació que ha travessat el vidre de la coberta. Per tal d'aprofitar al màxim aquest principi els fabricants de captadors enfosqueixen l'absorbidor dels seus models seguint principalment dues tècniques: Pintures calòriques (que resisteixen les temperatures de treball superiors als 100 °C), i tractaments selectius (basats en deposicions electroquímiques o pintures amb òxids metàl·lics que tenen la virtut de, a més de ser bons captadors de la radiació, tenir una baixa emissivitat). A les nostres latituds, la majoria dels fabricants opten per l'opció de pintar l'absorbidor, ja que l'augment de cost dels tractaments selectius no queda compensat per l'augment de rendiment dels captadors. Si fem passar aigua a través de l'absorbidor, aquest va prenent l'escalfor captada i arriba a una temperatura més baixa que la d'equilibri estàtic. Aquesta cessió de calor serà per conducció. Aïllament El tercer dels principis físics que intervenen en el funcionament dels captadors és l'aïllament del conjunt respecte l'exterior, format normalment per un revestiment intern de la capsa contenidor. Sistema auxiliar o de suport És aquell sistema que s'activa quan l'aigua no arriba a la temperatura desitjada per la poca radiació solar. Aquest pot ésser un sistema de suport integrat a l'acumulador (resistència elèctrica), bescanviadors amb un sistema de suport (com una caldera) o calderes de gas connectades al circuit secundari. Avantatges i desavantatges del procés L'energia tèrmica a partir del sol és l'energia més neta que existeix, és a dir, no repercuteix sobre el medi ambient i a més a més, no requereix cap mena de transformacions ni produccions addicionals. Presenta molts avantatges entre els quals destaquen: Gran qualitat energètica, no presenta quasi impacte ecològic, es considera una font inesgotable i contribueix a reduir el CO2. D'altra banda, amb l'energia solar s'estalvia: Combustibles fòssils, emissions atmosfèriques com de CO2, SO2 i NO2, altres contaminants com cendres, compostos radioactius, entre d'altres i l'ús d'instal·lacions de transport i les pèrdues energètiques que generen. En definitiva, l'energia solar afavoreix l'autogeneració de l'energia, l'autosuficiència i la qualitat de vida. Respecte als desavantatges de la dita instal·lació el major inconvenient és l'impacte visual, és a dir en l'estètica del medi. Però tot i així, els panells posseeixen propietats adaptables que poden aconseguir que estiguin el més integrats possible al medi que els envolta. L'energia solar és intermitent (no està present de nit) i les variacions atmosfèriques (pluja, núvols, neu, boira) afecten el seu rendiment. Un altre inconvenient és la inversió inicial que poques persones s'atreveixen a realitzar (tot i que ara ja comença a ser obligatori en les instal·lacions de nova construcció). Per això és necessari brindar la suficient informació per demostrar que la inversió inicial s'amortitza a mitjà termini, i després genera una zona d'estalvi que s'allarga la resta de la vida útil d'aquests sistemes, que va de 15 a 20 anys. Rendiment de la instal·lació Els mesos de major rendiment són els mesos d'estiu, ja que són els millors a nivell solar (inclinació, orientació). Quan interessa augmentar el rendiment a l'hivern (amb perjudici del rendiment a l'estiu), se solen posar inclinacions per sobre del grau de latitud. El rendiment dels col·lectors, es pot calcular amb l'equació següent: On: η: rendiment del col·lector η0: rendiment òptic (segons fabricant) K1, K2: coeficients de pèrdua de calor expressats en [W/(m2·K)], [W/(m2·K2)] respectivament (dades segons fabricant) ∆T = (Ta dels col·lectors després d'escalfar-se [K]) – (Ta ambient [K]) I = Irradiació [W/m2] Manteniment de la instal·lació La garantia de funcionament d'aquest tipus d'instal·lacions és de tres anys. Tot i això, un cop passats aquests tres anys, el manteniment que cal fer-hi és bastant reduït. A continuació es mostra la taula del manteniment necessari que es requereix: Neteja: La superfície de captació requereix que estigui neta. Anticorrosió: Les estructures han de portar la protecció adequada davant la corrosió i rovell. Aïllaments: Vigilar que els elements de la instal·lació (canonades, captadors i acumuladors), tinguin els respectius aïllaments en bon estat. Manòmetres i termòmetres: Ajustar les pressions i temperatures dels circuits que es desitgin i vigilar que funcionin en bon estat. Sobreescalfaments: Assegurar l'adequat funcionament dels sistemes perquè no hi hagi sobreescalfaments Cal fer també revisions generals de la instal·lació, com són revisions de les fixacions dels captadors i d'altres, fer un bon manteniment de la caldera i controlar tota mena de pèrdues que hi pugui haver al circuit de consum. Centrals solars tèrmiques En una central solar tèrmica es genera energia solar utilitzant miralls o lents per concentrar una gran àrea de llum solar en un receptor. L'electricitat es genera quan la llum concentrada es converteix en calor (energia solar tèrmica), que acciona una màquina tèrmica (generalment una turbina de vapor) connectada a un generador d'energia elèctrica o alimenta una reacció termoquímica. Avantatges de les centrals solars tèrmiques No presenten quasi impacte ecològic. Es considera una font inesgotable. Contribueix a reduir el CO2. Pot funcionar produint electricitat 24 hores al dia sempre que no estiga nuvolat durant el dia. Desavantatges de les centrals solars tèrmiques L'energia solar tèrmica encara no arriba al nivell de rendibilitat de l'eòlica ni de la fotovoltaica i li caldran ajudes durant 10 anys. Índex de Radiació Solar No tota la radiació provinent del sol pot ser aprofitada, ja que una bona part no arriba a la superfície terrestre. La radiació que incideix per unitat de superfície s'anomena irradiància, i varia segons la situació geogràfica. A l'equador, poden obtenir-se valors de 300 W/m2, mentre que als pols, els valors acostumen a moure's al voltant dels 100 W/m2. Pel que fa als valors corresponents a la franja del territori espanyol, aquests oscil·len entre els 150 i els 200 W/m2. Els valors de radiació solar que incideix a Catalunya estan publicats a l'Atles de Radiació Solar de Catalunya L'índex de radiació solar és un paràmetre a tenir en compte a l'hora de plantejar la instal·lació de panells solars (afecta el rendiment). Estadístiques El fet d'instal·lar plaques solars encara és un sistema escàs, ja que les estadístiques realitzades el 2002 mostren que a Espanya existeixen 282.300 m2 de panells solars tèrmics, valor força inferior als 12.844.900 m2 totals d'Europa. Amb tot i això, en els últims anys, s'ha produït un notable augment d'instal·lacions d'aquest tipus, a causa de la sensibilitat més gran de la població en general, a la disminució dels costos d'aquests equips i a l'entrada en vigor del nou Codi Tècnic de l'Edificació (CTE), el qual obliga a les noves construccions a instal·lar sistemes d'aprofitament d'energia solar tèrmica. Tot i que la normativa actual a Catalunya (al 2019, és tant poc exigent que, amb un increment mig anual de 14 graus, implica que a l'hivern no cal que escalfí i a l'estiu tampoc arribi a ser aigua prou calenta), i que en molts casos, l'estalvi de la instal·lació en prou feines compensa els costos de manteniment, especialment en comunitats de veïns i blocs de pisos a on la distribució es mes complexa i el manteniment més car, tot tenint en compte que ja disposen i han de mantenir els altres sistemes de suport tradicionals per escalfar l'aigua. Referències Vegeu també Transició energètica Aigua calenta solar Enllaços extens Institut Català de l'Energia (ICAEN) Atles de Radiació Solar de Catalunya Projecte energia solar tèrmica Portal Solar Solar Web Energia solar Arquitectura sostenible Sostenibilitat


text: S'anomena energia solar termoelèctrica a tota aquella energia obtinguda per la transformació de la calor radiant en energia elèctrica mitjançant la concentració dels rajos solars en un punt o mitjançant la xemeneia solar. Aquesta transformació sol fer-se en instal·lacions industrials que ocupen una gran àrea d'extensió. La concentració lumínica es produeix quan el nombre de rajos solars que passen per un punt és major al natural i s'aconsegueix mitjançant la reflexió. La concentració es mesura amb l'índex de concentració solar que és el nombre que representa la fracció equivalent a la divisió de la superfície radiada per la superfície de concentració dels rajos. Així doncs, si elaborem una instal·lació on la superfície radiada (perpendicular als rajos del sol) és de 4 metres quadrats i concentrem aquests rajos en només un metre quadrat la concentració seria 4, ja que 4/1 = 4. Es distingeix clarament que aquest nombre no té unitats, ja que no mesura cap magnitud concreta, és simplement l'índex d'una fracció. Hi ha diferents models que s'han fet servir al llarg de la breu història de l'energia solar termoelèctrica, tanmateix molts prototips s'han utilitzat moltes vegades a petita escala per a l'estalvi energètic sense transformar en electricitat. L'energia solar termoelèctrica fa servir un fluid (aigua, aire o algun gas en concret), l'escalfa a altes temperatures i mitjançant algun dels processos de cogeneració la transforma en electricitat. En les següents pàgines podem observar els diferents mètodes de conversió de l'energia solar en energia mecànica d'un fluid. Posteriorment, també podrem entendre el significat de la paraula "cogeneració", com es converteix l'energia mecànica en elèctrica, i els diversos mètodes de producció elèctrica. Sistemes de concentració Centrals Torre Sistema actiu de concentració solar d'alta temperatura que necessita una gran extensió de terreny i produeix energia a gran escala. Consta d'una torre i una sèrie de miralls mòbils anomenats heliòstats que giren de manera que tots els rajos es concentrin en la torre en totes les hores del dia. Els heliòstats orientats i el focus formen sempre un paraboloide, forma tridimensional definida per una paràbola en revolució sobre el seu eix de simetria. Per la torre hi passa un fluid que adquireix el treball físic de la radiació solar que és alliberat i convertit en energia elèctrica per mitjà d'una turbina o un motor Stirling. Des dels anys vuitanta s'han fet diverses instal·lacions competint amb el model del concentrador amb forma cilíndrica - parabòlica i han arribat un punt que hi ha moltes empreses llançades a fer grans negocis. Els primers prototips van ser construïts a Espanya, Israel i Estats Units. L'any 2006 es va instal·lar a Sunlúcar Mayor, Sevilla la primera central torre comercial europea (PS10) de 115 metres d'altura i 624 heliòstats que produeixen 11MW. Aquesta central conjuntament amb altres equipaments d'energia solar de l'empresa Grupo Abengoa produiran al 2013 300 MW, potència suficient per alimentar energèticament tot Sevilla. Xemeneia solar Sistema passiu de transformació d'energia solar tèrmica amb forma similar a les centrals torres però que no utilitza la concentració lumínica. Fa servir el diferencial de pressió i tèrmic permetent que l'aire ascendeixi. Aquest sistema d'aprofitament d'energia solar està inspirat en el model de ventilació d'habitatges per xemeneia solar, pròpiament explicat en l'apartat d'arquitectura d'aprofitament solar. A la part inferior disposa de col·lectors transparents que permeten augmentar la temperatura de manera semblant a un hivernacle convencional. D'aquesta manera l'aire pot augmentar la seva energia cinètica i potencial i es converteix mitjançant unes turbines en electricitat. La primera xemeneia solar per a la producció d'electricitat la va instal·lar l'empresa Schlaich Bergermann & Partner (SBP) de Stuttgart (Alemanya) experimentalment a Manzanares (Espanya) amb una altura de 200 metres. Va ser un prototip experimental es produïen 50 kW (una potència elèctrica equivalent al consum de 50 habitatges) i va estar operatiu del 1982 al 1989. Actualment la torre més alta amb aquest sistema té 553 metres i està a Toronto. L'any 2005, l'empresa es va decidir per emprendre un altre projecte amb el model de xemeneia però molt més gran a Nova Gal·les del Sud, Austràlia. La torre comptarà amb 1000 metres i 32 aerogeneradors que produiran una energia de 200 MW (4000 vegades més que la central de Manzanares) i ocuparà 38 km2. Concentrador cilindre-parabòlic Sistema actiu a mitjana temperatura de concentració solar format per una forma parabòlica d'extrusió lineal i un tub en el focus per on circula un fluid que s'escalfa. Així es converteix l'energia de radiació solar en energia mecànica que fa funcionar un motor/turbina que la transforma en electricitat. És una forma desenvolupable (es pot fabricar a partir d'una superfície plana), que s'orienta conjuntament sense de necessitat d'orientar independentment una sèrie de miralls o heliòstats. A més, només és necessari orientar el col·lector en una de les dues direccions del sol (est-oest o amunt-avall), ja que no és necessari que el sol pertanyi a la recta perpendicular al pla descrit pel concentrador, només al pla perpendicular. A escala industrial es fan servir enormes extensions de terreny que arriben a produir entre 10 i 100 MW. Generalment cada filera està compost per col·lectors de 12 metres en sèrie que sumen una mida de 150 metres. En el desert de Mojave, Califòrnia, hi ha 9 centrals SEGS (Solar Electric Generating Station) d'entre 14 i 80 MW cadascuna que sumen en total 354 MW. Aquestes però, funcionen també en un petit percentatge amb energia fòssil que no poden superar per rebre subvencions. Actualment a Espanya també s'està començant a implantar aquest tipus de sistema. L'empresa ACS ha instal·lat les centrals Andasol I i II a Guadix (Granada) amb una producció de 50 MW cadascuna i un rendiment força alt. La plataforma de Sonlúcar a més del sistema de central torre també gaudirà del sistema cilindre-parabòlic. Aquest sistema amb avantatges en l'àmbit industrial, també s'utilitza com a sistema calefactor d'aigua o com a cuina solar com veurem en l'apartat d'energia termosolar. Dish stirling Sistema actiu de concentració solar amb forma paraboloidal que concentra els rajos solars sobre un motor Stirling, convertint l'energia solar en energia mecànica i elèctrica. El motor Stirling, explicat detalladament en l'apartat de cogeneració, es diferencia del de vapor per utilitzar gas o simplement aire com a fluid. Aquest model és adequat per a la producció elèctrica descentralitzada, ja que no necessita una instal·lació conjunta per al seu òptim funcionament. En efecte, però, el paraboloide no és desenvolupable amb una superfície plana i per aquest motiu es construeix amb petites peces prefabricades. L'orientació de l'aparell es fa automàticament prenent les dades d'un ordinador que l'indica segons la latitud i la longitud. La seva potència depèn de l'àrea solar i de l'eficàcia de cada model, generalment però, la seva producció va dels 10 als 50 kWh cadascun. Aquesta tecnologia ja fa anys que s'utilitza comercialment i és una alternativa les plaques fotovoltaiques en una petita parcel·la. Les centrals solars termolèctriques (CET) són sens dubte una de les tecnologies energètiques renovables que poden fer una aportació considerable d'electricitat no contaminant a mitjà termini. Cogeneració En les darreres pàgines podem observar dos mètodes diferents d'escalfar un fluid per a la seva posterior conversió de l'energia en electricitat amb el sol. De fet, qualsevol central termoelèctrica escalfa un fluid i amb un procés de cogeneració transforma l'energia calorífica del fluid en mecànica i elèctrica. La cogeneració aprofita les diferències tèrmiques i de pressió entre dos sistemes tèrmics diferents, i iguala tèrmicament els dos sistemes convertint l'energia del sistema amb més energia tèrmica amb energia mecànica. Després d'aquesta transformació el fluid torna a les condicions inicials i torna a completar el cicle termodinàmic. La rendibilitat de la cogeneració no és mai del 100% encara que té un alt rendiment. Les pèrdues d'energia són produïdes per la conducció tèrmica dels materials dels motors. Depenent de la tipologia de la central termoelèctrica la font d'energia per escalfar el fluid canvia. En una central termoelèctrica clàssica s'escalfa mitjançant la combustió de carbó, carburant, gas natural o residus orgànics de la biomassa. En una central nuclear el fluid (aigua) també és escalfat per l'energia de les centrals nuclears. I en una central termoelèctrica solar el fluid s'escalfa, com és lògic amb el sol. Però independentment de la font d'energia amb la qual s'escalfa un fluid, existeixen diverses maneres per la transformació d'energia calorífica en energia mecànica i electricitat (cogeneració). La cogeneració també és utilitzada per les empreses per convertir l'energia tèrmica perduda en els processos industrials en energia mecànica o elèctrica. També la poden utilitzar per a la refrigeració/calefacció de la nau industrial i estalviar-se consum elèctric. A continuació veiem les diverses formes de transformar l'energia calorífica en energia mecànica. Turbines de vapors Les turbines de vapor converteixen l'energia cinètica adquirida per un vapor a través d'un intercanvi de la quantitat de moviment entre el vapor i les pales o àleps de la turbina. S'han de diferenciar les turbines, que converteixen energia cinètica en elèctrica, de les bombes, que fan el procés invers. Les pales de les turbines denominades tècnicament àleps són dissenyades amb una forma particular que permet treure un rendiment elevat d'aquesta transformació. Una vegada transformada l'energia cinètica, el vapor torna a ser reintroduït en el circuit d'escalfament per augmentar el rendiment de la cogeneració. Com és de preveure existeixen una gran varietat de turbines de vapor, tant si les classifiquem per la seva grandària com si les classifiquem per la seva potència o per la tipologia d'escapament de vapor. Turbines de gas Les turbines de gas, molt similarment a les turbines de vapor fan una transformació de l'energia cinètica en mecànica i elèctrica mitjançant una turbina. Es diferencien de les turbines de vapors perquè els gasos no experimenten un canvi d'estat després de l'alliberament d'energia i això comporta diferències tècniques. A més, sovint els gasos són producte d'una combustió tèrmica mitjançant una compressió del gas prèvia a la fase de la turbina. Motor de combustió interna Els motors de combustió interna generen energia mecànica amb la combustió de gas-oil, aquesta energia mecànica es pot convertir en energia cinètica d'un automòbil o bé, en electricitat. A diferència de tots els altres sistemes de cogeneració, no s'escalfa cap fluid per a la conversió a energia mecànica. El procés es duu a terme mitjançant un motor d'explosió que transforma l'energia directament de química a mecànica sense necessitat de transportar cap fluid escalfat i sense perdre energia tèrmica. Es poden diferenciar els motors que funcionen amb gasolina normal (motors Otto) i els que funcionen amb diesel, però també es poden diferenciar els de quatre temps i els de dos temps. En aquesta matèria, hi ha una llarga història i es podria aprofundir molt, però la intenció d'aquest treball no és dedicar gaires pàgines a les energies brutes. Cicles Rankine El cicle Rankine és un cicle termodinàmic que funciona el treball mecànic del vapor. Va ser ideat pel físic i filòsof escocès William John Macquorn Rankine l'any 1859 encara que no deixa de ser una evolució de l'antiga màquina de vapor. El cicle té quatre fases: en primer lloc l'aigua en estat líquid pateix una condensació fent funcionar una petita turbina, en el segon moment es transmet la calor no aprofitada al refrigerant, després mitjançant una bomba s'augmenta la pressió i per últim es transmet la calor al líquid mitjançant una caldera. També s'han estudiat millores d'aquest model reescalfament amb dues turbines i diverses varietats del cicle. Motor Stirling El motor Stirling és un model molt diferent dels motors convencionals i també a tots els sistemes de cogeneració de turbines. És un disseny que funciona amb el treball produït per l'expansió i la contracció d'un gas (heli, hidrogen, nitrogen o simplement aire) en el procés de seguir un cicle de refredament. Perquè l'aire segueixi el camí calent fred és necessària, doncs, l'existència de dos focus tèrmics molt diferenciats. Aquest model va ser inventat l'any 1816 per Robert Stirling, també escocès, amb l'objectiu d'obtenir un motor menys perillós que la màquina de vapor. El motor Stiriling és l'únic capaç d'acostar-se al rendiment màxim previst per qualsevol cicle tèrmic. Al llarg de la història aquest motor no ha obtingut gaire reconeixement, actualment però s'està generant un ampli interès per aquest motor a causa de l'estreta relació que guarda amb l'energia solar tèrmica. Les fonts asseguren que és el motor més fàcil de construir i que fins i tot es poden construir artesanament. Podem apreciar l'eficàcia d'aquest tipus de motor amb l'observació de models capaços de fer girar un mecanisme i de generar treball amb només una petita diferència tèrmica. En famoses fonts audiovisuals de la xarxa, per exemple, podem trobar petits motors stirling sobre una tassa de te calent que amb la petita diferència tèrmica entre la tassa i l'ambient, fan funcionar el motor a alta velocitat. També podem trobar altres petits motors Stirling que funcionen simplement amb l'escalfor d'una espelma o fins i tot amb l'escalfor corporal humana. Els motors stirling funcionen amb fases marcades per la mateixa inèrcia del motor en funcionament similarment als motors de combustió interna. Existeixen tres models del motor stirling, els alfa, els beta i els gamma. Els models alfa tenen dos cilindres amb pistons comunicats que formen un angle de 90°, un cilindre té contacte amb la font calenta i l'altre amb la font freda, el cilindre en contacte amb la font calenta es dilata i mitjançant el bombament dels pistons fan el treball que mou al motor. Els models beta del tipus són els motors originals de Robert Stirling. Consten només d'un cilindre que és bombejat per la dilatació natural de l'aire des del moment de la compressió fins al moment en què aquest aire troba la sortida d'escapament. Després d'aquesta fase per la mateixa inèrcia el motor torna a la fase de compressió de l'aire. Una variant d'aquest motor stirling beta disposa de dos cilindres, en contacte amb el seu respectiu fluid gasós: fred o calent. Els motors stirling del tipus gamma són uns motors semblants al model beta amb la característica que estan formats per dos cilindres comunicats per la part inferior del pistó del cilindre on es troba la font calenta, en el mateix cilindre. Aquesta característica fa que model sigui òptim per a la construcció artesanament. Efecte termoparell o seebeck L'efecte seebeck o termoparell és el fenomen capaç de generar corrent elèctric amb la unió de dos metalls diferents amb una diferència tèrmica entre les dues unions Aquest efecte pot ser emprat per a la producció d'electricitat però s'utilitza més habitualment en electrònica com a sensor tèrmic. Efecte temoiònic o efecte Edison Per la generació d'electricitat a partir d'una font d'energia tèrmica també es pot dur a terme mitjançant l'efecte redescobert per Edison en els seus experiments que li van permetre la invenció de la bombeta. L'efecte ja havia estat observat l'any 1873 per Frederick Guthirie mentre realitzava experiments amb objectes carregats electroestàticament. Les observacions van constatar que els metalls escalfats en el buit, emeten electrons. L'efecte s'ha utilitzat en les vàlvules de buit que van precedir als actuals díodes i tanmateix, tot i que té moltes aplicacions en l'electrònica no és més eficient que les plaques fotovoltaiques i per tant no s'utilitza tant en el camp de la transformació termoelèctrica. Vegeu també Desertec, projecte energètic als deserts Solar Euromed Cicle de Rankine orgànic Energia solar Termoelectricitat


text: Lenergia eòlica és l'energia obtinguda del vent, és a dir, l'energia cinètica generada per l'efecte dels corrents d'aire, i que és transformada en altres formes útils per a les activitats humanes. El terme eòlic prové del llatí Aeolicus, pertanyent o relatiu a Èol, déu dels vents a la mitologia grega. L'energia eòlica ha estat aprofitada des de l'antiguitat per a moure els vaixells impulsats per veles o fer funcionar la maquinària de molins al moure les seves pales. L'energia eòlica és una energia verda abundant, renovable, neta. Ajuda a disminuir les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle (GEH) quan reemplaça centrals termoelèctriques que funcionen amb combustibles fòssils o nuclears. Tot i així, el seu principal inconvenient és la seva intermitència. Actualment, l'energia eòlica és utilitzada principalment per a produir energia elèctrica mitjançant aerogeneradors. Cap a la fi de 2019, la capacitat mundial dels generadors eòlics era de 650 gigawatts i 10% del consum elèctric mundial el 2020. Producció L'energia del vent es troba relacionada amb el moviment de les masses d'aire que es desplacen d'àrees d'alta pressió atmosfèrica cap a d'altres adjacents de baixa pressió, amb velocitats proporcionals al gradient de pressió. Els vents són generats a causa de l'escalfament no uniforme de la superfície terrestre per part de la radiació solar. Entre l'1 i el 2% de l'energia provinent del sol es converteix en vent. Durant el dia, les masses d'aire sobre els oceans, els mars i els llacs es mantenen fredes en relació a les àrees veïnes situades sobre les masses continentals. Els continents absorbeixen una menor quantitat de llum solar, i per tant, l'aire que es troba sobre la terra s'expandeix, i es fa més lleuger i s'eleva. L'aire més fred i pesat que prové dels mars, oceans i grans llacs es posa en moviment per ocupar el lloc deixat per l'aire calent. Per a poder aprofitar l'energia eòlica és important conèixer les variacions diürnes i nocturnes i estacionals dels vents, la variació de la velocitat del vent respecte de l'altura sobre el sòl, l'entitat de les ràfegues en breus espais de temps, i valors màxims ocorreguts en sèries històriques de dades amb una duració mínima de vint anys. És també important conèixer la velocitat màxima del vent. Per profitar l'energia del vent, és necessari que aquest tingui una velocitat mínima de 12 km/h, i que no superi els 65 km/h L'energia del vent és utilitzada mitjançant l'ús de màquines eòliques (o aeromotors), capaços de transformar l'energia eòlica en energia mecànica de rotació utilitzable, ja sigui per accionar directament les màquines operatives, com per a la producció d'energia elèctrica. En aquest últim cas, el sistema de conversió, que comprèn un generador cinètic amb els seus sistemes de control i de connexió a la xarxa, és conegut com a aerogenerador. La baixa densitat energètica de l'energia eòlica per unitat de superfície, té com a conseqüència la necessitat de procedir a la instal·lació de més màquines per a l'aprofitament dels recursos disponibles. En l'actualitat s'utilitza, sobretot, per a moure aerogeneradors. En aquests, l'energia eòlica mou una hèlix i, mitjançant un sistema de transmissió mecànic, es fa girar el rotor d'un generador, normalment un alternador, que produeix energia elèctrica. La concentració d'instal·lacions en «parcs eòlics» (diversos aerogeneradors implantats al territori connectats a una única línia que els connecta a la xarxa elèctrica), n'augmenta la rendibilitat. Història Un molí és una màquina que transforma el vent en energia aprofitable, que prové de l'acció de la força del vent sobre unes aspes obliqües unides a un eix comú. L'eix rotatori pot connectar-se a diferents tipus de maquinària per a moldre gra, bombar aigua o generar electricitat. Quan l'eix es connecta a una càrrega, com una comba, rep el nom de molí de vent. Si s'utilitza per a produir electricitat es denomina generador de turbina de vent. Els molins tenen un origen remot. Els primers molins La referència més antiga que es té és un molí de vent que va ser utilitzat per a fer funcionar un orgue al . Els primers molins d'ús pràctic es van construir a l'Afganistan, al . Aquests molins d'eix vertical amb fulles rectangulars eren aparells fets amb 6 o 8 veles de molí cobertes amb tela per a moldre blat o bombar aigua. Europa A Europa els primers molins van aparèixer el a França i Anglaterra i es van distribuir pel continent. Eren unes estructures de fusta, conegudes com a torres de molí, que es feien girar a mà al voltant d'una columna central per a aixecar les seves aspes al vent. El molí de torre es va desenvolupar a França al llarg del . Consistia en una torre de pedra culminada amb una estructura rotativa de fusta que suportava l'eix del molí i la maquinària superior d'aquest. Aquests primers exemplars tenien una sèrie de característiques comunes. De la part superior del molí sobresortia un eix horitzontal. D'aquest eix en sortien de quatre a vuit aspes, amb una longitud d'entre 3 i 9 metres. Les bigues de fusta es cobrien amb teles o planxes de fusta. L'energia generada pel gir de l'eix es transmetia, a través d'un sistema d'engranatges, a la maquinària del molí, emplaçada a la base de l'estructura. Els molins d'eix horitzontal van ser utilitzats extensament a l'Europa Occidental per a moldre gra des de la dècada de 1180 en endavant. Només cal recordar els ja famosos molins de vent de les aventures de Don Quixot. Encara existeixen molins d'aquesta classe, per exemple als Països Baixos. Molins de bombar Als Estats Units, el desenvolupament de molins de bombar, recognoscibles per les seves múltiples veles metàl·liques, va ser el factor principal que va permetre a l'agricultura i la ramaderia establir-se a grans àrees de Nord-amèrica, d'altra manera impossible sense accés fàcil a l'aigua. Aquests molins van contribuir a l'expansió del ferrocarril arreu del món, aportant l'aigua requerida per les necessitats de les locomotores a vapor. Turbines modernes Actualment els aerogeneradors més utilitzats són els d'eix horitzontal i tres pales. Aquests tipologia d'aerogeneradors va ser desenvolupada a principis de 1980, quan les turbines de major potència proporcionaven 50 KW, avui en dia se'n fabriquen de fins a 8MW per aplicacions d'alta mar. Utilització de l'energia eòlica La indústria de l'energia eòlica en temps moderns va començar el 1979 amb la producció en sèrie de turbines de vent pels fabricants Kuriant, Vestas, Nordtank i Bonus. Aquestes turbines eren petites per als estàndards actuals, amb capacitats de 20 a 30 kW cadascuna. D'aleshores ençà, la mida de les turbines ha crescut enormement, i la producció s'ha estès a molts països. Producció per països Hi ha una gran quantitat d'aerogeneradors operatius, amb una capacitat total a Europa de 205 GW a 2020, que cobreix el 15% de la seva demanda. En 2020, els majors productors d'energia eòlica son la Xina amb 405,7 TWh, els Estats Units amb 300,1 TWh, Alemanya 126,4 amb Twh, el Regne Unit amb 65,3, l'Índia amb 63,3, Brasil amb 56 i Espanya amb 55TWh. Energia eòlica a Espanya En 2019, dels 2,3 GW que es produeixen, gairebé la meitat ho són a l'Aragó (1.102 MW), seguit a molta distància per Castella i Lleó amb 461 MW i Galícia amb 416 MW. Energia eòlica al Regne Unit La minieòlica podria generar electricitat més barata que la de la xarxa en algunes zones rurals del Regne Unit, segons un estudi de Carbon Trust. Segons aquest informe, la minieòlica podria generar 1,5 terawatts/hora (TWh) l'any al Regne Unit, un 0,4% del consum total del país, evitant així l'emissió de 0,6 millions de tones de CO2. Energia eòlica a Amèrica Llatina El desenvolupament de l'energia eòlica a Amèrica Llatina el 2006 es trobava als seus inicis, arribat la capacitat instal·lada en diversos països a un total de prop de 473 MW: Brasil: 256 MW Mèxic: 88 MW Costa Rica: 74 MW Argentina: 27 MW Xile: 20 MW Colòmbia: 20 MW Cuba: 5 MW Perú: 1 MW Altres països del Carib: 57 MW Energia eòlica a l'Àsia El continent asiàtic, com a conjunt, s'ha incorporat tardanament a la producció eòlica, però al final de la primera dècada del , està superant en dinamisme el tradicional mercat europeu, i també el renovat mercat americà i s'ha unit a l'ús d'energia eòlica. Si bé el Japó inicià cap a la fi del les primeres instal·lacions eòliques, el ritme de creixement ha resultat molt pausat, gairebé tímid, malgrat disposar d'un fabricant propi, i reconegut, com és Mitsubishi. L'Índia, en canvi, ha seguit un creixement més sostingut, i en paral·lel al creixement mundial, donant l'oportunitat de crear una gran companyia pròpia de fabricació d'aerogeneradors, Suzlon. La irrupció de la Xina, aquest final de la 1a dècada del segle, ha estat espectacular, capgirant tots els rànkings establerts. En 2009 la Xina, a més de doblar durant quatre anys seguits la potència instal·lada l'any anterior, va superar la instal·lació anual americana i, també, la del conjunt dels països europeus. De retruc, Àsia, haurà esdevingut per primera vegada, el més gran mercat eòlic mundial. Avantatges de l'energia eòlica És un tipus d'energia renovable, ja que té el seu origen en processos atmosfèrics deguts a l'energia que arriba a la Terra procedent del sol. És una energia neta, ja que no produeix emissions atmosfèriques ni residus contaminants. No requereix una combustió que produeixi diòxid de carboni (C02), per la qual cosa no contribueix a l'increment de l'efecte d'hivernacle ni al canvi climàtic. Pot instal·lar-se en espais no aptes per altres finalitats, com per exemple a zones desèrtiques, pròximes a la costa, a vessants àrides i massa verticals per a ser cultivables. Pot conviure amb altres usos del sól, per exemple prats per a ús ramader o cultius baixos com el blat, blat de moro, patates, remolatxa, etc. Crea llocs de treball a les plantes de fabricació i muntatge i a les zones d'instal·lació. La seva instal·lació és ràpida, entre sis mesos i un any. La seva inclusió en un sistema interlligat permet, quan les condicions del vent són adequades, estalviar combustible a les centrals tèrmiques o aigua als embassaments de les centrals hidroelèctriques. La seva utilització, combinada amb altres tipus d'energia, generalment la solar, permet l'autoalimentació d'habitatges, acabant així amb la necessitat de connectar-se a xarxes de subministrament, permetent autonomies superiors a les 82 hores, sense alimentació des de cap dels dos sistemes. La situació actual permet cobrir la demanda energètica d'Espanya en un 30% a causa de la múltiple situació dels parcs eòlics sobre el territori, compensant la baixa producció d'uns per la falta de vent amb l'alta producció a les zones amb més vent. L'organització del sistema elèctric permet estabilitzar la forma d'ona produïda en la generació elèctrica resolent els problemes que presentaven els aerogeneradors com a productors d'energia estables al començament de la seva instal·lació. Possibilitat de construir parcs eòlics al mar, on el vent és més fort, més constant i l'impacte social és menor, tot i que augmenten els costos d'instal·lació i manteniment. Els parcs offshore són una realitat a països del nord d'Europa, com Dinamarca, on la generació eòlica comença a ser un factor prou important. Inconvenients de l'energia eòlica Aspectes tècnics Degut a la falta de seguretat en l'existència de vent, l'energia eòlica no pot ser utilitzada com a única font d'energia elèctrica. Per tant, per resoldre les caigudes en la producció d'energia eòlica, és indispensable un suport de les energies convencionals (centrals de carbó o de cicle combinat, per exemple, i més recentment les de carbó net). Tot i així, quan donen suport a l'eòlica, les centrals de carbó no poden funcionar a ple rendiment, que se situa a un 90% de la potència. Han de quedar-se molt per sota d'aquest percentatge, per a poder pujar substancialment la seva producció en el moment en què afluixi el vent. Per tant, en el mode de suport, les centrals tèrmiques consumeixen més combustible per kW/h produït. També, pujar i baixar la producció cada cop que canvia la velocitat del vent desgasta més la maquinària. Aquest problema del suport a Espanya es vol tractar de resoldre amb una interconnexió amb França, que permeti utilitzar el sistema europeu com a matalàs de la variabilitat eòlica. A més, la variabilitat en la producció d'energia eòlica comporta dues conseqüències importants: Per a transportar l'electricitat produïda per un parc eòlic (que es troben on hi ha molt de vent i no es poden construir prop del lloc de consumició) és necessari construir línies d'alta tensió. Tot i això, la mitjana de tensió a conduir serà molt més baixa. Això implica posar cables quatre vegades més gruixuts, i sovint, torres molt altes, per acomodar correctament les puntes de producció. És necessari suplir les baixades de tensió eòliques instantàniament (augmentant la producció de les centrals tèrmiques), ja que si no es fa així augmenta el risc caigudes generalitzades de la llum per la baixa tensió. Ans al contrari, es desenvolupen solucions per emmagatzemar l'energia excedentària. Les tècniques per emmagatzemar energia elèctrica encara són en fase de desenvolupament. Tot i això la capacitat i la qualitat de les bateries augmenta així com les tecnologies per a la conversió d'electricitat en gas (power to gas) progressen cada any. La transformació en hidrògen, per exemple, no seria gaire rendible si calgués cremar energia fòssil. Això canvia quan el corrent eòlic esdevé «gratuït» al moment que l'alternativa és parar les aerogeneradores per tal d'evitar una sobrecàrrega de la xarxa. El 2018 es va inaugurar la primera planta pilot de producció de metà a Sabadell, a partir de l'excedent de llum de fonts renovables aleatòries. A més, altres problemes són: Tècnicament, un dels problemes més importants dels aerogeneradors és l'anomenat forat de tensió. Davant d'un d'aquest fenòmens, les proteccions dels aerogeneradors amb motor de gàbia d'esquirol es desconnecten de la xarxa per a evitar ser malmesos i, per tant, provoquen noves pertorbacions a la xarxa, en aquest cas, de falta de subministrament. Aquest problema se soluciona bé mitjançant la modificació del sistema elèctric dels aerogeneradors, la qual cosa és bastant costosa, o bé amb la utilització de motors síncrons. Un dels grans inconvenients d'aquest tipus de generació, és la dificultat intrínseca de preveure la generació amb antelació. Atès que els sistemes elèctrics són operats calculant la generació amb un dia d'antelació en vista al consum previst, l'aleatorietat del vent dificulta la planificació. Els últims avenços en previsió del vent han millorat moltíssim la situació, però continua essent un problema. De la mateixa manera, els grups de generació eòlica no poden utilitzar-se com a nus oscil·lant d'un sistema. A més de l'evident necessitat d'una velocitat mínima del vent per a poder moure les aspes, existeix també una limitació superior: una màquina pot atènyer el màxim de la seva potència, però si el vent augmenta just el necessari per sobrepassar les especificacions del molí, és obligatori desconnectar aquest circuit de la xarxa o canviar la inclinació de les aspes per tal que deixen de girar, ja que amb vent d'altes velocitats, l'estructura pot ser malmesa pels esforços que apareixen a l'eix. La conseqüència immediata és un descens evident de la producció elèctrica, tot i existir vent en abundància, i un altre factor més d'incertesa a l'hora de comptar amb aquesta energia a la xarxa elèctrica de consum. Aspectes medioambientals Generalment es combina amb centrals tèrmiques, la qual cosa porta que existeixin els qui critiquen que realment no s'estalviïn massa emissions de diòxid de carboni. No obstant això, s'ha de tenir en compte que cap forma de producció d'energia té el potencial de cobrir tota la demanda i la producció energètica basada en renovables és menys contaminant, per la qual cosa la seva aportació a la xarxa elèctrica és netament positiva. Existeixen parcs eòlics a Espanya a espais protegits com a ZEPA i Lloc d'Importància Comunitària de la Red Natura 2000, la qual cosa és una contradicció. Si bé la possible inserció d'algun d'aquests parcs eòlics a les zones protegies té un impacte reduït a causa de l'aprofitament natural dels recursos, quan l'expansió humana envaeix aquestes zones, les altera sense que això produeixi cap bé. Al començament de la seva instal·lació, les zones seleccionades per a això van coincidir amb les rutes dels ocells migratoris, o zones on els ocells aprofitaven vents de vessant, cosa que fa que entrin en conflicte els aerogeneradors amb aus i ratpenats. Afortunadament els nivells de mortaldat són molt baixos en comparació amb altres causes com per exemple els atropellaments. Tot i això, alguns experts independents asseguren que la mortaldat és alta. Actualment els estudis d'impacte ambiental necessaris per al reconeixement del pla de parc eòlic tenen en consideració la situació ornitològica de la zona. A més, atès que els aerogeneradors actuals són de baixa velocitat de rotació, el problema de xoc amb les aus està reduint el problema. L'impacte al paisatge és una nota important a causa de la disposició dels elements horitzontals que el componen i l'aparició d'un element vertical com és l'aerogenerador. Produeixen l'anomenat "efecte discoteca": aquest efecte apareix quan el sol és darrere dels molins i les ombres de les aspes es projecten amb regularitat sobre jardins i finestres, parpellejant de manera tal que la gent va denominar aquest fenomen efecte discoteca. Això, juntament amb el soroll, que pot portar a la gent fins a un alt nivell d'estrès, amb efectes de consideració per a la salut. Això no obstant, la millora dels dissenys dels aerogeneradors ha permès reduir progressivament el soroll que produeixen. L'apertura de pistes i la presència d'operaris als parcs eòlics fa que la presència humana sigui constant a llocs fins ara poc transitats, la qual cosa també afecta a la fauna. Generació de combustible a partir d'energia eòlica La generació de combustible a partir d'energia eòlica és una possibilitat estudiada en un treball d'ensenyament secundari com a alternativa a altres combustibles, que consistiria a l'obtenció d'hidrogen per hidròlisi de l'aigua a partir de l'energia generada per mitjà de l'energia eòlica. Se suposa que la combustió de l'hidrogen no tindria l'objectiu de crear electricitat sinó que s'utilitzaria directament en, per exemple, autobusos (els de Barcelona, per exemple, funcionen parcialment amb hidrogen). L'element clau d'aquest treball és l'energia del vent, utilitzada durant moltes etapes de la humanitat, primer amb la invenció de la vela, els tradicionals molins per moldre gra i finalment els aerogeneradors productors d'electricitat. El treball escolar proposa que l'energia cinètica del vent es podria transformar en energia elèctrica que s'utilitzaria per a la producció d'un combustible, en particular, l'hidrogen; mitjançant una reacció d'hidròlisi on l'energia elèctrica separa l'oxigen i l'hidrogen que hi ha a l'aigua, la reacció òbviament es fa dins un reactor tancat i mitjançant un sistema de mànegues i sifons diposita l'hidrogen en un dipòsit d'emmagatzemament. L'hidrogen que s'obté és net, ja que durant el procés d'obtenció no s'emet cap tipus d'agent contaminant a l'atmosfera i en la posterior utilització del combustible tampoc perquè l'únic residu que allibera l'hidrogen és vapor d'aigua. Referències Vegeu també Escala de Beaufort ICAEN Projecte d'Energia Eòlica Peñascal Enllaços externs Construïm un molí de vent! Principis de l'energia eòlica, tipus de molins de vent, aplicacions i models didàctics. La força del vent (ESO) Principis de l'energia eòlica, tipus de molins de vent, aplicacions i models didàctics. La força del vent (Batxillerat) Principis de l'energia eòlica, tipus de molins de vent, aplicacions i models didàctics. European Wind Energy Association (EWEA) American Wind Energy Association (AWEA)