El universo de las energías renovables

El universo de las energías renovables

Primera edición, 2012

© 2012 Tomás Perales Benito

© MARCOMBO, S.A. 2012

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

www.marcombo.com

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ISBN: 978-84-267-2041-2

PRÓLOGO

Conozco a Tomás Perales Benito desde principios de los años 80. En esos años ya destacaba como autor prolífico y minucioso de artículos técnicos que publicábamos en “Mundo Electrónico”, la revista que yo dirigía, y que entonces era la revista de referencia en el Sector Electrónico español –empresas y universidades–, y en el mundo hispanohablante, pues se exportaba a 53 países.

Desde entonces, Tomás Perales ha escrito varias decenas de libros técnicos sobre televisión, sonido, vídeo, energía solar, domótica y radio & televisión digitales. Pero su pasión por la divulgación le ha llevado más lejos, ya que también ha escrito poesía, novelas y narraciones diversas, pues a Tomás le gusta comentar y opinar sobre temas socioeconómicos y geopolíticos.

Tomás Perales es, en definitiva, un escritor vocacional, con ideas claras y una gran dosis de experiencia didáctica. Sus libros –y éste que el lector tiene entre sus manos, también-, son modelo de pedagogía.

El universo de las energías renovables es un tratado de las nuevas fuentes de energía, en el que el autor aborda todas las fuentes conocidas (eólica, fotovoltaica, térmica, hidráulica fluvial y del mar, geotérmica, biocarburantes, biomasa …). Habla sobre la generación, sus costes, potencia, rendimientos, instalaciones, mantenimiento …

Se trata de un libro sumamente completo y fácil de leer, en el que las fórmulas que contiene son únicamente las imprescindibles para entender mejor el texto. El autor tiene en cuenta todos los detalles en la valoración y rentabilidad de las distintas fuentes alternativas de energía, llegando a calcular, por ejemplo, la distancia ideal entre aerogeneradores, o la afectación de las sombras sobre los paneles solares, por citar sólo dos detalles. No voy a comentar los 14 capítulos y 4 anexos que enriquecen el libro porque el lector los tiene a continuación de estas líneas, en el índice general, y podrá comprobar la variedad y extensión de los temas tratados.

Termino resaltando que El universo de las energías renovables es un libro de suma utilidad para un amplio espectro de lectores: desde estudiantes de ciencias ambientales, a instaladores y técnicos de mantenimiento de sistemas de energías renovables. Me atrevo a sugerir que el libro de Tomás Perales es de lectura obligatoria para los responsables de medio ambiente de las distintas administraciones, particularmente para los secretarios de ayuntamiento y para los concejales a los que se les encomienda el cuidado del medio ambiente y la ecología, sin olvidarnos de los políticos estatales y los de las Comunidades Autonómicas, cuyos parlamentos tienen que legislar sobre esta materia, cada vez con mayor frecuencia.

El encarecimiento y la escasez de combustibles convencionales, y la controversia que suscita la energía nuclear, al tiempo que crece el interés por la conservación del medio ambiente y la sostenibilidad, hacen que El universo de las energías renovables sea un libro útil, oportuno, y para muchos, imprescindible.

Josep Mompín Poblet

ÍNDICE GENERAL

1. CAMBIO CLIMÁTICO: SITUACIÓN Y PERSPECTIVAS

1.1 Introducción

1.2 Efecto invernadero

1.3 Reducción de la capa de ozono

1.4 Desarrollo y deterioro medioambiental

1.5 Protocolos

1.6 Lucha contra el cambio climático

1.7 Dependencia por los combustibles convencionales

2. CAPTURA Y APROVECHAMIENTO DEL CO₂

2.1 Introducción

2.2 Captura, transporte y almacenamiento del CO₂ (CAC)

2.3 Procedimientos de captura

2.4 Condiciones del almacenamiento

2.5 Aprovechamiento industrial

3. ENERGÍAS RENOVABLES: PROCEDIMIENTOS

3.1 Introducción

3.2 Energía primaria

3.3 Procedimientos

3.3.1 Eólico

3.3.2 Fotovoltaico

3.3.3 Sistema híbrido

3.3.4 Aspectos comunes entre fotovoltaica y eólica

3.3.5 Térmico

3.3.6 Hidráulico

3.3.7 Geotérmico

3.3.8 Chimeneas solares

3.3.9 Biocarburantes

3.3.10 Biomasa

3.3.11 Pilas de combustible

3.4 Tipos de instalaciones

3.5 Almacenamiento de energía

3.5.1 Electricidad

3.5.2 ACS

3.5.3 Depósitos de sales

3.6 El Código Técnico de la Edificación (CTE)

3.6.1 Aportación

3.6.2 Rendimiento

3.6.3 Zonas climáticas

3.6.4 Aportación mínima

3.6.5 Pérdidas en las instalaciones

3.6.6 Cálculo de la demanda de ACS

4. REPERCUSIONES ECONÓMICAS Y MEDIOAMBIENTALES

4.1 Introducción

4.2 Producción eléctrica

4.2.1 Primas a la generación de origen renovable

4.2.2 Consumo y planes para reducirlo

4.3 Efectos sobre la economía

4.3.1 Desarrollo tecnológico local

4.3.2 Creación de empleo

4.4 Efectos sobre el medio ambiente

4.5 Legislación

5. CONDICIONES FÍSICAS DE LA LUZ Y EL VIENTO

5.1 Introducción

5.2 Condiciones para los procedimientos fotovoltaicos y térmicos

5.2.1 Masa de aire

5.2.2 Irradiación

5.2.3 Horas pico de Sol

5.2.4 Mapas de irradiación

5.3 Recepción solar sobre superficies inclinadas

5.3.1 Variaciones estacionales de la irradiación

5.3.2 Posición de los receptores solares

5.3.3 Sombras sobre los receptores

5.4 Fundamentos de la energía eólica

5.4.1 Tipos de vientos

5.4.2 Determinación de la dirección y velocidad del viento

5.4.3 Conceptos relacionados con el aprovechamiento eólico

5.5 La potencia del viento

5.5.1 Energía cinética.

5.5.2 Potencia motriz

5.5.3 Coeficiente de Betz

5.5.4 Coeficiente de potencia

6. PROCEDIMIENTO FOTOVOLTAICO

6.1 Introducción

6.2 Configuraciones

6.2.1 Aisladas

6.2.2 Con conexión a red

6.3 Módulos fotovoltaicos

6.3.1 Antecedentes

6.3.2 Fundamentos

6.3.3 Los módulos fotovoltaicos y el efecto sombra.

6.3.4 Conexión de los módulos

6.3.5 Tipos de células

6.3.6 Concentración de la luz

6.4 Soportes para los módulos

6.5 Acumuladores

6.5.1 Tipos de baterías

6.5.2 Características

6.6 Reguladores de carga

6.6.1 Regulación en serie

6.6.2 Regulación en paralelo

6.6.3 Características eléctricas

6.7 Inversores

6.7.1 Clases de inversores

6.7.2 Tecnología

6.7.3 Características

6.8 Instalaciones industriales

7. PROCEDIMIENTO EÓLICO

7.1 Introducción

7.2 Evolución

7.3 Aerogeneradores de eje horizontal

7.3.1 Sistema de captación

7.3.2 Transmisión mecánica

7.3.3 Generación eléctrica

7.3.4 Sistema de orientación

7.3.5 Sistema de regulación de potencia

7.3.6 Sistema de refrigeración

7.3.7 Sistema de sustentación

7.4 Aerogeneradores de eje vertical

7.5 Instalaciones

7.5.1 Aisladas

7.5.2 Parques eólicos en tierra

7.5.3 Parques eólicos en el mar

7.6 Características

7.7 Instalaciones industriales

8. PROCEDIMIENTO TÉRMICO DE BAJA TEMPERATURA: ACS

8.1 Introducción

8.2 Circulación natural

8.3 Circulación forzada

8.4 Circuitos hidráulicos

8.5 Componentes

8.5.1 Captadores solares

8.5.2 Intercambiador térmico

8.5.3 Acumulador

8.6 Sistema de apoyo

8.7 Centrales de control

9. PROCEDIMIENTO TÉRMICO DE ALTA TEMPERATURA

9.1 Introducción

9.2 Sistemas de vapor

9.2.1 Cilindro-parabólico

9.2.2 De torre

9.2.3 Almacenamiento térmico

9.3 Sistema de disco

9.3.1 Concentradores

9.3.2 Motor Stirling

9.4 Seguidores solares

9.4.1 Un eje

9.4.2 Dos ejes

9.4.3 Información de las coordenadas

9.5 Sistema de chimenea

9.5.1 Principio físico

9.5.2 Perspectivas

9.6 Instalaciones industriales

10. PROCEDIMIENTO HIDRÁULICO Y MARINO

10.1 Introducción

10.2 Tipos de instalaciones

10.3 Turbinas

10.3.1 Pelton

10.3.2 Francis

10.3.3 Kaplan

10.4 Control de velocidad y generación eléctrica

10.5 Recursos en el mar

10.5.1 Mareomotriz

10.5.2 Mareomotérmica

10.5.3 Undimotriz

10.6 Instalaciones industriales

11. PROCEDIMIENTO GEOTÉRMICO

11.1 Introducción

11.2 Recursos geotérmicos

11.3 Aprovechamiento de los recursos

11.3.1 Recursos de alta temperatura

11.3.2 Recursos de media temperatura

11.3.3 Recursos de baja temperatura

11.3.4 Recursos de muy baja temperatura

12. HIDRÓGENO187

12.1 Introducción

12.2 Un desarrollo en tres actos

12.3 Generación de hidrógeno

12.3.1 Electrolizadores

12.3.2 Transporte y almacenamiento del hidrógeno

12.4 Pilas de combustible

12.4.1 Topologías

12.5 Áreas de aplicación

12.6 Instalaciones industriales

13. BIOMASA

13.1 Introducción

13.1.1 Repercusión medioambiental

13.1.2 Repercusión económica

13.2 Retorno a los viejos combustibles

13.3 Aprovechamiento energético

13.3.1 Combustión

13.3.2 Gasificación

13.3.3 Pirólisis

13.4 Instalaciones industriales

14. INSTRUMENTOS DE MEDIDA, ANÁLISIS Y GESTIÓN

14.1 Introducción

14.2 Control

14.3 Monitorización

14.4 Climatología

14.4.1 Pirheliómetro

14.4.2 Piranómetro

14.4.3 Anemómetro

14.4.4 Veleta

ANEXO I. GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS

ANEXO II. UNIDADES DE ENERGÍA

ANEXO III. WEBS DE INTERÉS

ANEXO IV. BIBLIOGRAFÍA

1. CAMBIO CLIMÁTICO: SITUACIÓN Y PERSPECTIVAS

1.1. Introducción

Desde el inicio de la era industrial, hace aproximadamente 150 años, la superficie terrestre ha aumentado su temperatura en 0,6 °C y la altura del mar ha crecido entre 10 y 12 centímetros. La geosfera (tierra, agua y aire) ha acusado la mano del hombre durante todo este tiempo, con repercusión directa en la biosfera (los seres vivos) y advierten a través de los análisis científicos que un incremento de la temperatura global superior a 2 °C tendría efectos irreversibles. Es el cambio climático, asociado finalmente, después de mucha controversia, a causas andropogénicas, que responde al quebranto de sus condiciones naturales con la falta de precipitaciones en unas zonas e inundaciones en otras, desastres que están afectando a la vida de millones de personas. Lo han provocado dos efectos que se intentan frenar poniendo en juego un variado racimo de soluciones tecnológicas: el de invernadero y el de la capa de ozono. A su efectividad se confía el mantenimiento de nuestras condiciones actuales de bienestar, a lo que llamamos el desarrollo sostenible.

1.2. Efecto invernadero

La captura de las radiaciones solares con fines de aprovechamiento energético en la agricultura y sus derivados mediante los inofensivos espacios acristalados, ha dado nombre a una pesadilla en el ser humano actual: el efecto invernadero. No obstante, el temor que provoca presenta intensidades desiguales sobre la diversidad de pueblos y sus condiciones de vida: con preocupación por la merma del bienestar conseguido en el mundo desarrollado y con estremecimiento por la falta de precipitaciones o la llegada de fuertes inundaciones en el pobre.

El equilibrio medioambiental anterior, solo roto en ocasiones muy distantes en el tiempo, ha sido quebrado peligrosamente a consecuencia de ese desarrollo del que disfruta una pequeña porción del conjunto de los seres humanos. Hoy ya se certifica sin albergar las dudas de los años pasados, que el calentamiento global del planeta está relacionado directamente con la actividad humana del mundo desarrollado, como demuestra el siguiente dato: si globalmente el calentamiento en el período indicado anteriormente ha sido de 0,6 °C, en Europa, una región fuertemente industrializada, el incremento registrado se eleva a 1 °C.

El efecto invernadero se refiere a la retención del calor derivado del Sol en la atmósfera a consecuencia de un cinturón de gases, por los que se les ha dado el nombre. Entre ellos se encuentra el dióxido de carbono, el óxido nitroso y el metano. Los gases de efecto invernadero (GEI) son trasparentes a las radiaciones de la luz solar y absorbentes a las del espectro de infrarrojos de la superficie terrestre. En consecuencia, parte de las radiaciones solares se reflejan en el cinturón, para incidir de nuevo en la superficie terrestre y elevar la temperatura.

Figura 1.1. Efecto invernadero a consecuencia del aumento del cinturón de gases, que devuelven a la superficie parte de la energía solar reflejada.

Hasta la irrupción del llamado desarrollo industrial, la naturaleza equilibraba las emisiones y mantenía el ecosistema. Pero desde entonces las concentraciones han aumentado en torno a un 30% y con ello, incluso el dióxido de carbono, imprescindible para la vida, se ha convertido en su mayor enemigo. La concentración de CO_2, a consecuencia de la combustión de combustibles de origen fósil es la barrera que las naciones desarrolladas intentan derribar. Se cuantifican por partículas por millón (ppm) en la atmósfera. Si en el tiempo de referencia indicado la concentración era de 300 ppm, en el 2000 habían alcanzado la cifra de 380. Ahora, en el segundo decenio del nuevo siglo, se intenta que no sobrepasen la cantidad de 450, el límite impuesto. Pero conseguirlo supone el firme compromiso de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, para lo que se dispone de dos notables vías: reducir el consumo de combustibles de origen fósil por contribución de otras energías, como las renovables, y capturar y confinar el CO₂ producido antes de su salida al ambiente. Ambos procedimiento son muy prometedores. El primero tiene actualmente un alto grado de desarrollo y el segundo claras perspectivas que llevan a considerar el dióxido a almacenar como materia industrial de muy diversos aprovechamientos.

Cuadro 1.1. Glosario de términos básicos relacionados con el efecto invernadero.

1.3. Reducción de la capa de ozono

La capa de ozono actúa como un filtro de la energía solar, limitando la cantidad que penetra en la atmósfera. Reducirla supone aumentar la radiación que alcanza la superficie, aumentando en consecuencia la temperatura. Son responsables de los inmensos agujeros que se han producido en la capa los gases industriales fluorados.

El ozono no se emite directamente hacia la atmósfera como el resto de los gases de efecto invernadero, sino que se produce por reacción de los otros.

1.4. Desarrollo y deterioro medioambiental

En la década de los años setenta del siglo pasado comenzaron a intensificarse las voces que anunciaban el deterioro medioambiental motivado por la industrialización. El aumento de la temperatura del planeta anunciaba claramente que se había sobrepasado algún límite. Los polos también comenzaron a acusar el quebranto y los mares lo certificaban con el incremento de su nivel. Como en tantas ocasiones, ante cambios de envergadura, las voces y la replicas dieron lugar a abundantes debates acerca de si había o no culpable y su identidad.

Notables científicos dirigían sus miradas a los caprichos de la naturaleza, frente a los que denunciaban la mano del hombre. La polémica es ya historia y su identidad es bien conocida: el cinturón de gases que envuelve nuestra atmósfera, el que representa sin género de dudas la actividad humana al margen de los fenómenos naturales.

Para muchos expertos en cuestiones medioambientales, los gobiernos tardaron demasiado tiempo en intervenir en la polémica, que se suscitó en la Universidad por análisis de las condiciones de la atmósfera y en el entorno de los ecologistas por observación de sus efectos. En 1979 se produjo la Primera Cumbre Mundial sobre el Clima, en la que se intentó establecer la dimensión del problema. Un paso decisivo se produjo en 1988, cuando a propuesta de Malta, la Asamblea General de Naciones Unidas aprobó una resolución que reclamaba a todos los países la puesta en marcha de mecanismos de protección del clima. Finalmente, en 1994, se concretó la creación de un foro de referencia permanente: el Convenio Marco de Naciones Unidas para el Cambio Climático, dedicado a organizar periódicamente encuentros intergubernamentales, aunque buena parte acaba en fracaso por las políticas locales de sus dirigentes, más preocupados por las encuestas que por los efectos medioambientales. Esta situación justifica algunas decisiones incomprensibles desde la razón, como la compra de derechos de emisión contaminante por parte de los ricos a los pobres.

1.5. Protocolos

En 1997 tuvo lugar el gran encuentro mundial de referencia para el cambio climático, en el que se pudo hablar con naturalidad para conocer sobradamente causas y efectos. Se produjo en Kyoto, la antigua capital imperial de Japón. El plan era establecer las condiciones mínimas que permitieran reducir las emisiones contaminantes. Se alcanzó el compromiso de reducirlas en un índice anual reducido que evitara grandes cambios. Fueron mecanismos de flexibilidad introducidos a consecuencia de la dificultad para ponerse de acuerdo. Se convino también que el esfuerzo de modificación de los procesos industriales lo llevaran a cabo sólo los países fuertemente industrializados. Aún así, algunos grandes países desarrollados, como los Estados Unidos, no aceptaron las condiciones, quedando fuera del acuerdo.

En el Protocolo de Kyoto se hizo referencia clara a los gases culpables directos del efecto invernadero, a los que se asignó su porcentaje de partículas:

Dióxido de carbono (CO₂): 65%

Metano (CH₄): 20%

Óxido nítrico (N₂O): 6%

Estos tres gases citados son los principales causantes. Corresponden a gases que la naturaleza emite y regula, pero que se ha visto aumentada notablemente su concentración por las acciones industriales. El primero la ha aumentado a consecuencia de la combustión de productos basados en el carbono, como el petróleo, el gas o el carbón y el segundo por la reacción que tiene lugar entre el nitrógeno y el oxígeno del aire.

También se identificaron en Kyoto los gases causantes de la reducción de la capa de ozono. Corresponden a gases fluorados (CFC) procedentes de la industria. En los siguientes años comenzó su tendencia a la baja por modificación de los procesos fabriles que los generan.

Hidrofluorocarbonos (HFC)

Perflurocarbonatos (PFC)

Hexafluoruro de azufre (SF₆)

El Protocolo de Kyoto, demasiado flexible a criterio de muchos, entró en vigor en febrero de 2005.

Figura 1.2. Gases principales causantes del efecto invernadero, según el Protocolo de Kyoto. Los firmantes se comprometieron a reducir las emisiones un 5,2% de promedio (en Europa fue del 8%), tomando como referencia los niveles de 1995.

1.6. Lucha contra el cambio climático

Los informes del Plan Intergubernamental para el Cambio Climático, de Naciones Unidas, aconsejan que se reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero en un 50% antes de 2050. Y para conseguirlo, sin causar grandes traumas a la industria, establece dos períodos: reducción del 25 al 40% antes del 2020 y el resto en el límite indicado.

El objetivo se ha fraccionado en cuatro grupos de acciones que implican fuertes actividades de desarrollo, tanto de las iniciativas públicas como de las privadas. Estos son:

Reducción de CO₂

Limitación de las emisiones contaminantes por mejora de los procesos industriales y, especialmente, por la captura de los gases generados antes de lanzarlos al entorno.

Esta última acción y el consiguiente confinamiento en formaciones geológicas profundas es una de las que más beneficio se espera en los próximos años.

Figura 1.3. Dióxido de carbono en la atmósfera en partes por millón (ppm) desde que comenzaron los registros hasta el 2001. Desde entonces no ha hecho sino aumentar (Global Environment.)

Actuación sobre la capa de ozono

Limitación drástica de los gases industriales fluorados para evitar la ampliación de los agujeros abiertos en la capa de ozono.

Ahorro y eficiencia energética

Conjunto de medidas destinadas a reducir el consumo energético mediante dos acciones: evitar su despilfarro actual y mejorar el rendimiento de los receptores. Tres son los sectores destinatarios:

 Transporte. Mejorar la eficiencia de los vehículos a motor e incentivar el transporte por ferrocarril.

 Comercial y residencial. Concienciar a los ciudadanos para que ahorren energía, aumentar la eficiencia de los receptores y aislar térmicamente los espacios habitados.

 Industrial. Modificar sus procesos productivos para ahorrar energía.

Energías renovables

Aplicar todos los procesos industriales disponibles para obtener energía limpia. La luz solar, los vientos derivados de las diferencias de temperatura y los recursos fluviales han dado lugar a un conjunto de tecnologías capaces de proporcionar energía eléctrica y climatización sin el consumo de combustibles de origen fósil.

Se contempla también el cambio de las centrales de carbón por gas natural, lo que aumenta la eficiencia de un 20% a un 60%, independientemente de la reducción, que es considerable, de gases de efecto invernadero que tiene lugar, la puesta en marcha de procesos de cogeneración, que permiten producir electricidad y aprovechar el calor generado con fines climáticos, y la producción de biocombustibles, como el bioetanol, con los residuos urbanos y similares.

1.7. Dependencia por los combustibles convencionales

El abandono total de los combustibles de origen fósil aún no está al alcance de la mano. Las estimaciones apuntan a que hasta el año 2030 nuestra dependencia de ellos aún será alta; aproximadamente del 80%. Porque aunque las energías renovables, especialmente la eólica, aportan una fracción considerable del consumo de electricidad, a la que se sumará en los próximos años la prometedora termosolar, las grandes centrales eléctricas alimentadas con carbón o gas y el transporte nos esclavizan a ellos. Los coches alimentados con baterías eléctricas o hidrógeno, ambos en germen, pueden rebajar la cifra si se cumplen las expectativas que han despertado.

Figura 1.4. Consumo de energía primaria en el mundo en 2007 (Fundación Gas Natural).