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Desde un punto de vista energético, el desarrollo sostenible sólo es posible si el sistema energético también lo es. Un sistema energético sostenible debe basarse en las energías renovables y en políticas que promuevan la eficiencia y el ahorro energético.
1.2 Las energías renovables
Las energías pueden clasificarse, en función de las reservas disponibles de las fuentes de energía y de su capacidad de regeneración, en energías renovables y energías no renovables (tabla 1.1).
Las energías renovables son aquellas que provienen de fuentes de energía virtualmente inagotables debido a la inmensa cantidad de energía que contienen, o cuyo ritmo de regeneración natural es muy superior al de consumo.
Tabla 1.1. Clasificación de las fuentes de energía.
Las energías no renovables son aquellas que provienen de fuentes de energía que se encuentran disponibles en la naturaleza en cantidades limitadas, o cuyo ritmo de consumo es muy superior al de regeneración natural. Es muy difícil cuantificar las reservas de fuentes primarias no renovables disponibles en el planeta y, debido a ello, hay una gran disparidad en los valores comunicados, especialmente cuando se consideran criterios de tipo económico.
Las energías renovables pueden dividirse en dos categorías: contaminantes y no contaminantes.
Las energías renovables contaminantes son aquellas que se obtienen de la materia orgánica o biomasa. El uso de estas energías conlleva emisiones de dióxido de carbono, hollines y otras partículas sólidas, motivos por los cuales se califican como contaminantes.
Las energías renovables no contaminantes, también denominadas energías limpias o verdes, son aquellas que durante su obtención o su uso no se emiten subproductos que puedan perjudicar el medio ambiente.
1.2.1 Energía de la biomasa
Es la energía solar almacenada en los seres vivos por medio del proceso de fotosíntesis (vegetales) y la digestión de estos vegetales por los animales.
Existen tres fuentes de energía de la biomasa:
De origen vegetal (biomasa natural, cultivos energéticos).
De origen animal (excrementos y purines).
De origen humano (residuos sólidos urbanos, lodos procedentes de centrales depuradoras y potabilizadoras de agua).
La biomasa puede utilizarse directamente como combustible, para producir calor (leña u otra materia vegetal sólida), o bien para producir electricidad, evaporando agua y obligando al vapor circular a través de una turbina (figura 1.3). También se puede transformar en biocombustibles (biodiésel, bioetanol, biogás, etc.).
La energía de la biomasa presenta impactos ambientales negativos y positivos, por este motivo es considerada por muchos expertos como una energía contaminante.
Figura 1.3. Central de biomasa.(Fuente: Unesa).
1.2.2 Energía eólica
Es la energía que se obtiene del viento. El Sol provoca en la Tierra diferencias de presión que dan lugar a los vientos. Las masas de aire atmosférico se desplazan desde las áreas de alta presión atmosférica hacia las de baja presión.
Las aplicaciones más comunes de la energía eólica son: navegación (veleros), bombeo de agua y generación de electricidad. El dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica es el aerogenerador o generador eólico (figura 1.4).
Figura 1.4. Aerogeneradores.
1.2.3 Energía geotérmica
En un sentido muy amplio, es la energía térmica contenida en el interior de la Tierra. En la corteza terrestre existen amplias zonas estables con flujos de calor que corresponden a gradientes térmicos de 2÷4 °C cada 100 m de profundidad (energía geotérmica de baja temperatura), y también existen zonas con flujos de calor mucho más elevados, que corresponden a gradientes térmicos de 20÷30 °C cada 100 m de profundidad (energía geotérmica de alta temperatura). Cuando en una zona se cumplen las condiciones necesarias para poder explotar económicamente la energía geotérmica de su subsuelo, se dice que allí existe un yacimiento geotérmico. Existen varios tipos de yacimientos geotérmicos:
Yacimientos de alta temperatura (figura 1.5). Existen únicamente en las zonas activas de la corteza. Un yacimiento de estas características está formado por una fuente de calor magmático, una roca permeable que almacena el fluido a alta temperatura (entre 150 y 350 °C) y una capa superior formada por rocas impermeables. Normalmente esta capa superior impermeable no es perfecta, por lo que el fluido se escapa a través de grietas dando lugar a géiseres, fumarolas, fuentes termales, etc. El agua caliente o el vapor se utilizan para accionar turbinas de vapor y producir electricidad (centrales geotérmicas). En afloramientos naturales, el agua y los gases calientes se utilizan directamente para producir agua caliente para usos residenciales, industriales o agrícolas.
Yacimientos de media temperatura. El fluido está a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 100 y 150 °C. Se puede producir electricidad mediante el uso de ciclos binarios, que hoy en día presentan todavía rendimientos termodinámicos muy bajos. La mejor forma de aprovechar este calor es en sistemas de calefacción y/o refrigeración (máquinas de absorción).
Figura 1.5. Yacimiento de alta temperatura.
Yacimientos de baja temperatura. Se encuentran en zonas estables de la corteza, es decir con flujos de calor normales. La única condición geológica requerida en estos casos es la existencia, a la profundidad adecuada (entre 1.500 y 2.500 m), de materiales geológicos permeables capaces de contener y dejar circular fluidos que extraigan el calor a la roca. Existe, no obstante, una segunda condición no geológica, sino económica. Debido al bajo nivel térmico del fluido (entre 60 y 100 °C), éste ha de ser utilizado en aplicaciones directas del calor (producción de agua caliente para usos residenciales, industriales o agrícolas), lo que requiere la existencia en las proximidades del yacimiento de una demanda energética suficiente.
Yacimientos de muy baja temperatura. Cuando la temperatura del fluido es muy baja (entre 20 y 30 °C), éste puede utilizarse para producir agua caliente sanitaria y en sistemas de climatización mediante bomba de calor.
1.2.4 Energía hidráulica
Se obtiene del aprovechamiento de la energía potencial gravitatoria asociada a los saltos de agua y a los cursos de los ríos. Es considerada como una energía limpia cuando su impacto ambiental es bajo y aprovecha la energía del agua sin necesidad de presas; en caso contrario se considera sólo como una energía renovable. Su origen se halla en el ciclo del agua: el Sol evapora el agua de los lagos, mares y ríos, cae en forma de lluvia y nieve sobre la superficie y retorna al mar, reiniciándose el ciclo.
Las centrales hidroeléctricas aprovechan los saltos de agua para accionar unas turbinas que a su vez mueven un generador eléctrico (figura 1.6). Pueden clasificarse en función de su potencia o tamaño,
Microcentrales: son aquellas centrales cuya potencia es inferior a 1 MW.
Minicentrales o centrales minihidráulicas: centrales con potencias inferiores a los 10 MW. Incluyen a las anteriores.
Centrales hidráulicas de mediana potencia: centrales con potencias comprendidas entre 10 y 50 MW.
Centrales hidráulicas de gran potencia: centrales con potencias superiores a los 50 MW.
Las centrales minihidráulicas tienen un ordenamiento administrativo y económico específico, distinto al de las centrales hidroeléctricas de mayor potencia.
La energía hidráulica es renovable, puesto que la fuente primaria no se agota al explotarla, y también es limpia, ya que su explotación no produce sustancias contaminantes de ningún tipo. Sin embargo, el impacto ambiental causado por las grandes presas puede ser alto: inundación de grandes áreas de terreno, movimientos migratorios de la población que ocupaba las zonas inundadas, pérdida de biodiversidad, pandemias y aumento de la salinidad de los cauces fluviales, entre otros. Desde el punto de vista del impacto ambiental, las centrales minihidráulicas son las más respetuosas con el medio ambiente. Por este motivo, aunque en la UE se considera toda la energía hidráulica como renovable, en España sólo se concede este calificativo a las centrales minihidráulicas.
Figura 1.6. Esquema de una central hidráulica a pie de presa.
1.2.5 Energía de las mareas
Esta energía, también denominada mareomotriz, es debida a las fuerzas gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, que originan las mareas. Éstas se producen a consecuencia de la diferencia de altura media de los mares, según la posición relativa entre estos tres astros. Esta diferencia de alturas puede ser aprovechada en determinados puntos del planeta (golfos, bahías o estuarios) por medio de turbinas hidráulicas que se interponen en el movimiento natural de las aguas (figura 1.7). Mediante el acoplamiento de la turbina a un alternador se puede generar electricidad.
La energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, porque no se producen subproductos contaminantes durante la fase de explotación. Sin embargo, el impacto ambiental que causan es alto, lo que impide la proliferación de este tipo de energía.
Figura 1.7. Central eléctrica mareomotriz ubicada en el estuario del río Rance.
El mar y los océanos también proporcionan otros tipos de energía: la energía del oleaje y la energía maremotérmica.
1.2.6 Energía del oleaje
Es la energía producida por el movimiento de las olas, también denominada undimotriz. Las olas se forman por la acción del viento; cuando el viento sopla con mucha intensidad, las olas alcanzan un gran tamaño y corren sobre la superficie marina a gran velocidad. El oleaje transporta gran cantidad de energía, que va cediendo a medida que interacciona con el fondo cuando las profundidades son reducidas, y en la costa, donde finalmente rompe. La energía del oleaje puede aprovecharse para generar electricidad (figuras 1.8 y 1.9).
Figura 1.8. Principio de funcnamiento de una central eléctrica undimotriz.
Figura 1.9. La serpiente marina o Pelamis es otro tipo de central undimotriz
1.2.7 Energía maremotérmica
La energía maremotérmica OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), basada en el gradiente térmico oceánico, consiste en convertir en energía útil el gradiente térmico que existente entre las aguas superficiales y las profundas. Para poder a provecher la energía maremotérmica es necesario que el gradiente térmico sea de 20 °C como mínimo. Este gradiente térmico oceánico puede utilizarse para producir electricidad (figura 1.10). El agua caliente de la capa superior oceánica actúa como fuente de calor, mientras el agua extraída de las profundidades actúa como refrigerante (figura 1.11).
Figura 1.10. Imagen conceptual de una central maremotérmica flotante de ciclo cerrado proyectada por la empresa Lockheed.
Figura 1.11. Esquema de principio de una central maremotérmica.
1.2.8 Energía osmótica
La energía osmótica, o energía azul, es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de sal (diferencia de presión osmótica) entre el agua dulce procedente de los ríos y el agua salada de los océanos. Así pues, como su propio nombre indica, esta energía se basa en el fenómeno natural de la osmosis: si entre dos depósitos que contienen agua dulce y agua salada, respectivamente, se coloca una membrana semipermeable (membrana que retiene la sal, pero permite el paso del agua), se podrá observar un flujo neto de agua hacia el depósito del agua salada (figura 1.12). Debido a ello, la presión en el lado del agua salada aumentará. Con esta presión, a través de una turbina y de un alternador, se puede producir electricidad (figura 1.13).
La energía osmótica tiene un gran potencial, en comparación con otras fuentes de energías renovables. Además, la producción de energía es estable y predecible. El consorcio noruego Statkraft está construyendo la primera central osmótica del mundo. Esta planta piloto está ubicada en un fiordo, a unos sesenta kilómetros de la ciudad de Oslo.
Figura 1.12. El fenómeno de la osmosis.
Figura 1.13. Esquema de una central osmótica.(Fuente: Statkraft).
1.2.9 Energía solar
La energía solar es la energía obtenida directamente del Sol. Aparte de su uso como fuente de iluminación, la radiación solar que incide en la Tierra puede aprovecharse de dos maneras:
Transformación de la radiación solar en calor: se denomina energía solar térmica (figura 1.14). Consiste en transformar la radiación solar en calor, que puede aprovecharse para producir agua caliente destinada al consumo doméstico (calentamiento de piscinas, agua caliente sanitaria, calefacción, refrigeración por absorción). El calor también puede utilizarse para producir energía mecánica mediante un ciclo termodinámico y, a través de un alternador, generar energía eléctrica: es la denominada energía solar termoeléctrica (figura 1.15).
Figura 1.14. Instalación de energía solar térmica (producción de agua caliente sanitaria).
Figura 1.15. Central solar de torre.(Fuente: Unesa).
Transformación de la radiación solar en electricidad: se denomina energía solar fotovoltaica (figura 1.16). Esta transformación se lleva a cabo en los elementos semiconductores que integran los paneles solares fotovoltaicos. La electricidad puede ser utilizada de forma directa, almacenada en baterías, e incluso se puede inyectar en la red de distribución eléctrica.
Figura 1.16. Instalación de energía solar fotovoltaica.
1.3 La energía solar térmica en el mundo
La contribución de la energía solar térmica al consumo energético mundial es muy escasa todavía, aunque se perciben síntomas de cambio que permiten encarar el futuro con un cierto optimismo. Existe un creciente interés por la energía solar térmica; muchos países del mundo están apoyando esta energía con subvenciones y ayudas económicas; los captadores solares están experimentando reducciones en sus precios en algunos mercados especialmente activos, como China o Japón. Se trata, en definitiva, de una tecnología madura que ha experimentado un significativo avance durante los últimos años.
En la actualidad la capacidad o potencia de energía solar instalada en el mundo supera a la de otras renovables con altos índices de desarrollo, como es el caso de la energía eólica. Con una potencia instalada de 128 GW térmicos a finales del año 2.006 (datos del Solar Heat Worldwide 2006, edición de 2.008, considerando 48 países que representan el 60% de la población mundial y el 85-90% del mercado mundial de solar térmica), la solar térmica ha alcanzado unos niveles de popularidad impensables tan solo hace unos años. Actualmente, la mayoría de captadores solares instalados en el mundo se utilizan en viviendas unifamiliares para la producción de agua caliente sanitaria.
La figura 1.17 permite conocer la potencia instalada en cada uno de los diez primeros países del mundo. También muestra cómo se usan en estos países los distintos tipos de captadores (captadores de plástico sin cubierta, captadores planos y captadores de tubos de vacío).
Mientras que en China, líder mundial por capacidad, predominan los captadores de tubos de vacío, en Estados Unidos predominan los captadores plásticos sin cubierta. Sólo en Australia pasa lo mismo que en Estados Unidos; en los restantes países predominan los captadores planos.
Figura 1.17. Potencia instalada en los diez primeros países del mundo a finales de 2.006, correspondiente a captadores solares de agua.
1.4 La energía solar térmica en Europa
Según el informe de EurObserv'ER Solar Thermal Barometer 2008, la superficie total de captadores solares térmicos instalados en la Unión Europea es de unos 24 millones de metros cuadrados. Tras dos años de fuerte crecimiento, el mercado solar térmico se ralentizó durante el año 2.007.
En la gráfica de la figura 1.18 puede observarse que la superficie de captación instalada decreció ligeramente, después de cuatro años de sucesivo crecimiento. A pesar de ello, la superficie de captación instalada en 2.007 fue de unos 2,9 millones de m2, equivalente a 2.000 MW térmicos.
Figura 1.18. Evolución de la superficie de captación instalada anualmente en la UE desde 1994 en metros cuadrados(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).
El mismo informe señala que la rebaja se debe en gran parte a la fuerte caída del mercado alemán, el mayor de la UE. Sin embargo, otros países continúan desarrollando sus mercados y muestran tasas de crecimiento importantes. Así, y a excepción de Austria (también con un mercado maduro, como el alemán) han sido muchos los mercados del sector que han crecido.
En la tabla 1.2 puede comprobarse que Francia ha pasado de 301.000 m2 nuevos instalados en 2.006 a los 329.000 m2 de 2.007. Italia ha pasado de 186.000 a 247.475 m2. Grecia ha crecido desde los 240.000 hasta los 284.000 m2. España ha instalado en 2.007 262.000 m2, mientras que en el año anterior se instalaron 175.000 m2. Austria ha sido el único que ha rebajado la superficie instalada, junto con Alemania, pasando de 299.600 a 289.680 m2. Los demás países de la UE no superan los 100.000 m2/año, pero casi todos han incrementado sus mercados en el año 2.007. Hay solo una excepción entre los mercados de tamaño medio: Bélgica, que bajó en unos 2.000 m2.
Por otro lado, los captadores con cubierta siguen dominando el mercado en la UE, con un 94,5% de las ventas. Estos captadores comprenden los planos (85,9%) y los de tubo de vacío (8,6%). El 5,5% restante es la cuota correspondiente a los captadores sin cubierta.
Tabla 1.2. Superficie de captación instalada en los años 2.006 y 2.007 en la UE, desglosada por países y por tipo de captador.(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).
El informe señala que la bajada del mercado alemán es coyuntural, y la achaca, por un lado al aumento del VAT (Value Added Tax, equivale al IVA) en Alemania a inicios de 2.007, y por otro, a una rebaja en las subvenciones. Sin embargo, las subvenciones se han vuelto a ajustar al alza en 2.008. Para la primera mitad de 2.008, el crecimiento en Alemania se ha situado en un 50%. Sin embargo, Austria no muestra señales de recuperación. El actual clima económico tampoco ayudará en la recuperación de las altas tasas de crecimiento que tuvieron lugar en los años 2.005 y 2.006. Esta situación contribuye a que el barómetro solar térmico de EurObserv’ER revise a la baja las expectativas para el sector hasta el año 2.010, situándose en los 35.000.000 de m2 en lugar de los 100.000.000 m2 marcados en el Libro Blanco.
El informe señala que en el año 2.007 se instalaron en España 262.000 m2, lo que representa un crecimiento de casi el 50% con respecto al año anterior. Además, este dato todavía no refleja el impulso del Código Técnico de la Edificación (CTE), que obliga a instalar un aporte de energía solar para agua caliente en todas las viviendas de nueva construcción, puesto que la mayor parte de los edificios construidos en 2.007 fueron autorizados antes de la entrada en vigor del CTE a finales de septiembre de 2.006. El Plan de Energías Renovables (PER) plantea alcanzar una superficie instalada de 4,9 millones de metros cuadrados para el año 2.010.
Los mercados italiano y griego son prometedores, aunque Italia necesita ratificar la directiva europea sobre la eficiencia energética en los edificios. Además, la cifra de 247.000 m2 nuevos durante el año 2.007 está pendiente de confirmación. El informe también augura una aceleración del crecimiento del mercado francés.
En la tabla 1.3 se indica la superficie de captación solar térmica total o acumulada en la UE, desglosada por países. La suma de la superficie total en 2.006 más la superficie instalada en 2.007 para un determinado país dará como resultado una superficie que, generalmente, será mayor que la superficie total en 2.007 para aquel mismo país. Por ejemplo, para Alemania: 8.574.000 (tabla 1.3) + 960.000 (tabla 1.2) = 9.534.000 m2 > 9.484.000 m2 (tabla 1.3). El motivo es que el informe de EurObserv’ER tiene en cuenta que los captadores tienen un tiempo de vida útil, pasado el cual deben ser sustituidos. Por tanto, en el caso del ejemplo, una parte de los 960.000 m2 sirve para reemplazar una superficie de captación ya existente.
Tabla 1.3. Superficie total o acumulada de captadores solares térmicos en la UE.(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).
CAPÍTULO 2
LA RADIACIÓN SOLAR
2.1 El Sol, fuente de energía
El Sol es una estrella que se encuentra a una distancia de unos 150.000.000 km de la Tierra. De naturaleza gaseosa, tiene un diámetro aproximado de 1.400.000 km y una masa de 1,99 · 1030 kg, y genera energía debido a las reacciones nucleares de fusión que tienen lugar en su núcleo, que está a una temperatura media de unos 15.000.000 °C. Saliendo del núcleo nos encontramos con un zona intermedia, y por encima suyo hallamos la zona convectiva, donde el calor se transmite por convección hacia la superficie. La superficie solar, denominada fotosfera, es el disco que podemos ver desde la Tierra. Más allá se encuentra la atmósfera solar, denominada cromosfera, una capa gaseosa que se extiende unos 10.000 km. La parte más exterior de la cromosfera se denomina corona, visible únicamente durante un eclipse total de Sol.