Energia solar térmica

Técnicas para su aprovechamiento

Pedro Rufes Martínez

• Editorial: Marcombo
• Año: 2012
• ISBN:
  9788426718631
• Edición: 1
• Categoría: Tecnologia e ingegneria
• Categoría: Risorse energetiche rinnovabili

La energía solar térmica es una opción muy interesante para abastecer de energía a millones de hogares, puesto que permite, por un lado, disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y, por otro, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero responsables del cambio climático. En los últimos años, la energía solar térmica ha experimentado en España un gran desarrollo, pero todavía se halla lejos de los objetivos fijados en el Plan de Energías Renovables (PER), aprobado en agosto de 2005, que plantea alcanzar en el año 2010 una superficie instalada de captadores de 4, 9 millones de metros cuadrados. El Código Técnico de la Edificación (CTE) es una de las medidas adoptadas para la consecución de este objetivo, puesto que obliga a instalar sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar térmica de baja temperatura en los edificios de cualquier uso de nueva construcción o que se rehabiliten, en los que exista demanda de agua caliente sanitaria o climatización de piscina cubierta. El objeto de este libro es introducir al lector en las instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura para uso residencial, haciendo referencia a todos los componentes de la instalación, desde los elementos principales a los elementos de regulación y control, e indicando criterios de diseño, dimensionado y montaje. El lector encontrará que lo descrito en el libro no sólo abarca los aspectos teóricos del tema sino también los prácticos.

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 El sistema energético

La energía es el motor de todas las actividades de los seres vivos sobre el planeta, incluidas las de los seres humanos. Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los que la humanidad puede obtener energía para sus actividades. Estas fuentes de energía se denominan renovables cuando se puede recurrir a ellas de forma permanente porque son inagotables: por ejemplo, el sol, el agua o el viento. Por el contrario, las no renovables son aquellas fuentes de energía cuyas reservas son limitadas y, por tanto, pueden agotarse: por ejemplo, el petróleo o el carbón. A medida que las reservas son menores, es más difícil su extracción y aumenta su coste.

La energía que se obtiene de la naturaleza se denomina energía primaria: por ejemplo, el petróleo o el carbón. La energía primaria no puede utilizarse directamente; para poder utilizarla son necesarias sucesivas operaciones de transformación y transporte, desde el yacimiento a la planta de transformación, y luego al consumidor final. La energía utilizada en los puntos de consumo se denomina energía final: por ejemplo, la electricidad y el gas natural consumidos en las viviendas, o la gasolina y el gasóleo consumidos por los vehículos.

El rendimiento de todo el conjunto de operaciones de transformación y transporte, es decir del sistema energético, es la relación entre la energía final consumida y la energía primaria empleada. Dicho rendimiento es muy bajo: del orden del 2,5%.

Los principales problemas del actual sistema energético son los siguientes:

1. Agotamiento de los combustibles fósiles

El sistema energético actual se basa en el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), que son agotables. El ritmo de consumo es tal, que en un pequeño intervalo de tiempo la humanidad está gastando lo que la naturaleza ha tardado cientos de millones de años en producir. El agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles es, por tanto, una realidad indiscutible.

La teoría del pico de Hubbert predice que la producción mundial de petróleo llegará a su cénit y después declinará tan rápido como creció, ya que el petróleo es un recurso finito y no renovable en períodos de tiempo cortos, por lo que tarde o temprano se llegará al límite de extracción. Esta controvertida teoría es aceptada por una gran parte de la comunidad científica e, incluso, por la industria petrolera.

Sin embargo, existe un gran debate en torno a la predicción de cuándo tendrá lugar el pico o cénit. La ASPO (Association for the Study of Peak Oil and Gas) prevé que el cénit del petróleo ocurra en el año 2010, siendo el del gas natural algunos años más tarde, entre el 2015 y el 2025. En el año 2000 el USGS (United States Geological Survey) realizó un estudio global sobre el estado de las reservas de crudo y predijo el cénit para el año 2037. Según el EWG (Energy Watch Group), en el año 2006 ya pasamos el cénit del petróleo.

2. Efecto invernadero y cambio climático

El efecto invernadero, en la Tierra, es la capacidad de retener calor que tiene la atmósfera debido a la existencia de gases que son transparentes a la radiación solar y opacos a la radiación infrarroja que emite la superficie terrestre. Se trata de un fenómeno necesario para el desarrollo de la vida en la Tierra, puesto que sin éste la temperatura media en su superficie sería de unos -20 °C. El consumo de combustibles fósiles se traduce inevitablemente en emisiones de dióxido de carbono (CO₂) a la atmósfera, siendo responsables de casi el 80% de las emisiones totales de dióxido de carbono a la atmósfera.

Aunque el debate todavía sigue abierto, una gran parte de la comunidad científica internacional está de acuerdo en que el dióxido de carbono producido por la actividad humana es el principal causante del cambio climático debido al calentamiento global de la atmósfera. Si no se remedia, un aumento excesivo de la temperatura media del planeta podría llegar a tener graves consecuencias, como la elevación del nivel del mar y la consecuente inundación de las zonas costeras, y la desertización de algunas zonas del planeta. Paradójicamente, los países pobres son los que sufrirán de forma más intensa las consecuencias del cambio climático.

3. Impacto ambiental y lluvia ácida

La interacción del sistema energético con el entorno terrestre no termina en los gases. El trasiego de materias primas y de productos ocasiona interacciones muy variadas: residuos asociados a la extracción y a la transformación (refinerías, centrales térmicas y nucleares), vertidos asociados al transporte y a la distribución, etc.

Por otro lado, la combustión de combustibles fósiles libera una importante cantidad de óxidos de azufre y nitrógeno que reaccionan con el radical OH en la atmósfera y precipitan en forma de ácidos (sulfúrico y nítrico) que incrementan la acidificación de agua en general. Esta precipitación, denominada lluvia ácida, daña la vegetación, y contamina el suelo y el agua, además de corroer estructuras y vehículos.

4. Desequilibrio y tensiones sociales

Si al enorme desequilibrio que existe entre países ricos y pobres se añade que los recursos energéticos están concentrados en unos pocos lugares del planeta, vemos que el actual sistema energético plantea un escenario poco tranquilizador para el equilibrio social y político mundial.

En los países industrializados la gran mayoría de la población dispone de la energía necesaria para poder vivir de forma muy confortable. Se podría pensar que el consumo energético está uniformemente distribuido en nuestro planeta, pero no es así.

En la figura 1.1 puede comprobarse que Norteamérica, que representa sólo el 6,7% de la población mundial (comprende Estados Unidos, Canadá y Méjico), consume el 26% de la energía primaria mundial.

Figura 1.1. Distribución mundial del consumo de energio primaria durante el año 2007.
(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).

Comentarios sobre este gráfico:

La Tonelada Equivalente de Petróleo (tep), o Tone Oil Equivalent (toe), representa la energía liberada en la combustión de una tonelda métrica de petróleo estándar.

1 tep = 41, 84x109 J = 11.622 kWh.

1Mtep = 1 millón de toneladas equivalentes de petróleo.

La energía primaria representada está referida únicamente a los combustibles comerciales. Los combustibles combo la madeta, la turba y los residuos de animales se han excluido porque la información relativa a consumos no es confiable. También se han excluido energías eólica, geotérmica y solar.

En el caso de la energía hidráulica y de la nuclear, la energía primaria se ha obtenido calculando la cantidad equivalente de combustrible fósil que se necesitaría para generar la misma cantidad de energía eléctrica en una central térmica, considerando una eficiencia en la conversión del 38% (la media en los países que integran la OCDE, Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico).

La figura 1.2 es el mapa mundial de consumo energético per cápita, en toneladas equivalentes de petróleo (tep), durante el año 2007. La mayor parte de África, junto con Sudamérica (exceptuando Argentina, Chile y Venezuela) y el sureste asiático, consumieron menos de 1,5 tep. La mayor parte de Europa occidental consumió entre 3 y 4,5 tep. El consumo de energía en Estados Unidos, Canadá, Bélgica, Luxemburgo, Islandia, Noruega, Kuwait, Qatar, Arabia Saudita, Emiratos Árabes y Singapur superó las 6 tep.

Figura 1.2. Consumo energético per cápita durante el año 2007.
(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).

La población de nuestro planeta está experimentando un crecimiento sin precedentes. La gran mayoría de estudios especializados sobre este tema coinciden en señalar que tanto la población como el consumo de energía crecerán considerablemente. El rápido crecimiento económico que han empezado a experimentar países con una gran población, como China y la India, es un hecho muy importante que debe tenerse en cuenta. Los problemas del actual sistema energético tenderán a acentuarse todavía más.

El Informe Mundial de la Energía ya afirmaba en el año 2000 que el sistema energético global no era suficientemente fiable o asequible como para soportar un crecimiento económico generalizado.

Por tanto, la única solución para conseguir un reparto más justo de los recursos energéticos y preservar el medioambiente es la puesta en marcha de políticas que fomenten el ahorro energético y el uso racional de la energía.

El 7 de noviembre de 2007, Fatih Birol, economista jefe de la IEA (International Energy Agency), en una entrevista que le hicieron dos redactores del Financial Times en Londres, declaró: “Si juntamos ambas cosas, la seguridad a corto plazo, la seguridad a medio plazo de nuestros mercados del petróleo, más el cambio climático, consecuencia de nuestro uso energético, mi mensaje es que si no hacemos algo muy rápido y de manera valiente, las ruedas pueden salirse. Las ruedas de nuestro sistema energético pueden salirse. Este es el mensaje que queremos dar.”

La solución se halla en el desarrollo sostenible. Este término fue formalizado por primera vez en el año 1987 en el Informe Brundtland, fruto de los trabajos de la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas. Desarrollo sostenible es aquel que responde a las necesidades del momento presente sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras de responder a las suyas.

Son tres los componentes del desarrollo sostenible: el desarrollo económico, el desarrollo social y la protección del medio ambiente. Son tres componentes i...