El universo de las energías renovables E-Book

Tomás Perales Benito

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Nuevas energías
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2013

Seitenzahl: 318

Beschreibung

Las energías renovables involucran a un elevado número de actores. A diferencia de los procedimientos energéticos tradicionales movidos por su propia inercia, los derivados directa o indirectamente del Sol demandan promoción social y formación en muy diferentes niveles con anterioridad a las acciones específicas: la búsqueda de emplazamientos, la instalación, la explotación y el mantenimiento. Este libro, con título tan elevado, se ha gestado para presentar todos los procedimientos de condición renovable actuales a los interesados en conocer sus fundamentos tecnológicos, sus aplicaciones y sus repercusiones medioambientales. No invade competencias de los proyectistas e instaladores, para los que existen otros textos. En él se describen, con el nivel adecuado a quienes deben moverse sobre todo su mundo científico, técnico y social, los procedimientos fotovoltaico y eólico; los térmicos e hidráulicos en todas sus formas; el del hidrógeno, la biomasa y los biocombustibles. Como complemento agrega diversos anexos con datos acerca de las unidades de medida y páginas web de las instituciones nacionales e internacionales en las que se puede recabar más información. Tomás Perales Benito viene simultaneando desde hace más de 30 años la docencia y la literatura. Ha escrito 25 libros dedicados a temas de divulgación tecnológica, como las energías renovables, uno al estraperlo que se produjo en el periodo histórico de la posguerra y cientos de artículos de opinión y crítica. Ha cultivado también el cuento tradicional. Cuenta con el premio de relato corto Félix Grande.

Leseprobe

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

«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra».

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 CO2, 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.

Cambio climático

Cambio del clima a consecuencia de la alteración de la composición de la atmósfera. Puede estar o no atribuida a la actividad humana.

Sistema climático

El conjunto de la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera y la geosfera, con sus alteraciones.

Gases de efecto invernadero (GEI)

Formaciones gaseosas de condición natural o andropogenia que absorbe y reemiten radiación infrarroja.

Sumidero

Proceso o actividad que absorbe gas de efecto invernadero de la atmósfera.

Fuente

Proceso o actividad que libera gas de efecto invernadero en la atmósfera.

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).

2. CAPTURA Y APROVECHAMIENTO DEL CO2

2.1 Introducción

El dióxido de carbono (CO2), o anhídrido de carbono, es el gas de efecto invernadero al que se le supone una participación de hasta el 75% del quebranto medioambiental del planeta por el incremento de temperatura que ha provocado. En condiciones atmosféricas es un gas estable con más densidad que el aire (1,98 kg/m3). Es inodoro e incoloro, ligeramente ácido y no es inflamable. Está formado por moléculas de un átomo de carbono ligado a dos de oxígeno. Se encuentra en el ambiente con una concentración de aproximadamente el 0,03% y se renueva cada veinte años por efecto de la fotosíntesis, dando lugar al ciclo biológico del carbono, en el que se produce intercambio de CO2 entre los seres vivos y la atmósfera.

Figura 2.1.Emisiones de CO2 en España por sectores en 2008. (CIUDEN)

El carbono es un ingrediente esencial en el ciclo de la vida de animales y plantas en sus concentraciones naturales. Lo producen todos los organismos aeróbicos al oxidar carbohidratos, ácidos grasos y proteínas. Sin embargo, la actividad industrial y los cambios que se han derivado en consecuencia han aumentado sustancialmente la concentración en la atmósfera y convertido el antes inofensivo gas en un enemigo a derribar con celeridad.

El dióxido de carbono sobrante, el no generado por la naturaleza, lo producen las reacciones químicas que tienen lugar durante la combustión de productos de origen fósil, como el petróleo, gas o carbón, y también al quemar madera. Pero el gas de efecto invernadero a que da lugar la vida moderna puede ponérsele ahora coto mediante la captura y el confinamiento en formaciones geológicas profundas y de condición

hermética. Se espera mucho de este procedimiento que se está desarrollando actualmente en numerosos países.

2.2. Captura, transporte y almacenamiento del CO2 (CAC)

El novedoso proceso de reducción de las emisiones al espacio contempla tres etapas complejas para las que se están buscando soluciones que satisfagan la eficiencia y la seguridad. Son las siguientes:

Figura 2.2.Detalle gráfico simplificado de los procesos de captura en origen, transporte y confinamiento de CO2 (CIUDEN).

Captura

El CO2 sobrante producido como reacción química de la combustión puede ser capturado mediante alguno de los procedimientos desarrollados recientemente, entre los que destaca el que lo separa del conjunto de gases generados mediante absorción química, física o con membranas, cuyos detalles se dan en los siguientes apartados.

Transporte

El CO2 capturado en origen es trasladado hasta el lugar de confinamiento en la formación geológica seleccionada, lo que se lleva a cabo mediante tuberías soterradas si se encuentra próxima a la central generadora o bien mediante transporte por carretera, lo que exige condiciones severas de seguridad para las personas y los equipos.

Las tuberías empleadas son similares a las que se instalan para los gasoductos. El CO2 a trasladar se comprime en origen a presiones muy altas y alcanza el estado supercrítico. Si la distancia lo aconseja, se recurre a intercalar centros de compresión para mantener las condiciones iniciales. Este procedimiento presenta dos notables ventajas: caudal en tránsito muy elevado y la posibilidad de conexión con grandes depósitos, por ejemplo como puntos intermedios para el transporte por barco, otro de los medios de transporte que se contemplan.

El transporte por carretera, al que es preciso recurrir cuando no existen las infraestructuras necesarias o durante los tiempos de tránsito, se efectúa en cisternas de acero, a una temperatura y presión próximas a -20 °C y 20 atmósferas.

Almacenamiento

El confinamiento del CO2 nocivo puede hacerse en forma de gas, líquido o estado supercrítico, lo que se consigue estableciendo, mediante equipos auxiliares al proceso principal, la temperatura y la presión adecuadas a cada caso. Las condiciones del medio de almacenamiento o confinamiento en minas de carbón abandonadas, rocas basálticas, yacimientos de sal, etc. determinan el estado más conveniente del gas, tanto por razones de aprovechamiento futuro como por seguridad. Es de tener en cuenta que se contempla que, en un plazo no demasiado largo, el CO2 pueda ser empleado como materia prima para procesos industriales de muy diversa índole en la vida cotidiana.

La CAC es una tecnología considerada de transición hasta que se encuentre la forma de obtener energía sin la desmesurada cantidad de CO2 que generan los procedimientos actuales. Los confinamientos serán perpetuos, excepto si se encuentran alternativas viables, como se vislumbra, en los aspectos económicos, medioambientales y de seguridad para su empleo en la sociedad. Algunos estudios parecen asegurar que se obtendrán por conversión química, por ejemplo para producir combustibles.

La importancia de esta tecnología, de la que se espera que contribuya notablemente a la reducción de las emisiones contaminantes, ha aconsejado a un buen número de países a establecer las condiciones técnicas para llevar a cabo el proceso. España, en óptima posición en los aspectos tecnológicos y de proyectos en marcha de captura y confinamiento, cuenta desde diciembre de 2010 con un Real Decreto regulador.

Se han constituido numerosas organizaciones de apoyo a la CAC. En Europa existe una treintena, todas apoyadas por la Comisión Europea. Corresponden a entidades públicas y privadas formadas por industrias del sector energético y universidades con planes de desarrollo tecnológico en todos sus aspectos. De ellas cabe citar la de ámbito continental Zero Emissions Power (ZEP) fundada en 2005 y la española Plataforma Tecnológica Española del CO2 (PTECO2), que inició sus actividades en 2006 con el objetivo de que España pueda cumplir sus compromisos de reducción. En Estados Unidos, Japón y otros grandes países industriales también han surgido organismos que están dando un fuerte apoyo a la captura y confinamiento del CO2 sobrante.

Figura.2.3.Imagen de las instalaciones de la Ciudad de la Energía (CIUDEN), en el Bierzo, León (España), que incorpora entre sus actividades la investigación de la CAC.

2.3. Procedimientos de captura

Se han desarrollado recientemente diversos procedimientos tecnológicos para separar el CO2 de la corriente de gases que generan las combustiones de productos de origen fósil. Son procesos de una elevada envergadura técnica y costo considerable, pero que se están aplicando en diferentes países por los compromisos contraídos de reducción de las emisiones. Tres son los situados más en alza para el citado propósito de captura:

Posterior a la combustión

Conforme a su denominación, el CO2 se separa del resto de gases generados después de haberse producido la combustión. El gas contaminante se intercepta en algún punto del proceso industrial entre el sistema generador y el escape a la atmósfera. El procedimiento más empleado es el químico, que recurre a la absorción del CO2 con aminas (compuesto químico orgánico derivado del amoniaco) o bien con amoniaco enfriado, que también actúa como absorbente químico. Otro procedimiento, este físico, de menor empleo que el anterior, recurre a las membranas. De ambos procedimientos existen actualmente varias líneas de investigación.

Previo a la combustión

La separación se efectúa en combinación con el proceso de gasificación, creando para ello las condiciones adecuadas. Al gasificar el combustible empleado como materia prima con oxígeno se produce un gas de síntesis que contiene CO y N2 (monóxido de carbono e hidrógeno). Al monóxido se le hace reaccionar con agua para generar más H2 y CO2. El hidrógeno se aprovecha para el proceso energético del sistema y el CO2 se separa. Este procedimiento tiene la ventaja de que el CO2 se encuentra muy concentrado y con una elevada presión.

Oxígeno-gas

En este procedimiento se recurre a sustituir el aire que da lugar a la combustión por oxígeno. Se consigue así que la salida del proceso sea CO2 puro y agua, lo que facilita su captura. Como el procedimiento anterior, requiere la producción previa de oxígeno. De esta tecnología se espera mucho.

Figura 2.4.Diagramas simplificados de los distintos procesos de separación del CO2.

La elección de procedimiento no es gratuita; está relacionada directamente con el tipo de central, el combustible empleado (gas, petróleo, carbón, etc.) y aspectos medioambientales e industriales que permitan la introducción de los nuevos procedimientos de captura en sistemas ya implantados, algunos con muchos años de funcionamiento.

2.4. Condiciones del almacenamiento

Las condiciones ideales de confinamiento se obtienen en emplazamientos con rocas porosas y permeables. Otros medios de almacenamiento adecuados son las rocas con aguas salubres, yacimientos agotados de hidrocarburos y lechos de carbón.

Las formaciones geológicas destinadas deben reunir, además, tres condiciones: encontrarse a una profundidad mínima de 800 metros, que su capacidad coincida con la demanda durante el período especificado (a 800 metros, una tonelada de CO2 en estado supercrítico ocupa un volumen aproximado de 9 m3) y que permita el sellado en condiciones de seguridad para las personas y el ambiente.

2.5. Aprovechamiento industrial

Se espera que el CO2 separado de los procesos industriales o el confinado con anterioridad pueda ser empleado con provecho. Un elevado número de líneas de investigación están dando frutos para emplearlo en actividades tan diversas como la extinción de incendios, la limpieza en seco, aportación esta de valor incalculable, como disolvente, en la conservación de alimentos, en el tratamiento de aguas y para producir metanol. El gas empleado industrialmente, desde mediados del siglo XIX, para producir bebidas carbonatadas, puede dar otros frutos, incluida la conversión a sólidos para dar lugar a nuevos materiales. En nanotecnología ha comenzado a dar sus primeros pasos. El causante principal del deterioro medioambiental puede pasar de residuo a recurso.

3. ENERGÍAS RENOVABLES: PROCEDIMIENTOS

3.1. Introducción

Los recursos naturales derivados del Sol han dado lugar al surgimiento de un conjunto de tecnologías o procedimientos de utilización para la vida cotidiana. Algunos tienen orígenes remotos, como el calentamiento del agua con la energía solar. Otros, como el fotovoltaico, pertenecen a la segunda mitad del siglo pasado y su consecución tuvo un fin bien distinto del actual; proporcionar energía eléctrica a los ingenios espaciales. La luz solar, los vientos, la fuerza hidráulica, la energía geotérmica y la gasificación de biomasa, los compuestos orgánicos procedentes de los cultivos y de los residuos urbanos, se están empleando como energía primaria para obtener otras, como electricidad de uso cotidiano, agua caliente sanitaria, climatización y combustibles verdes sustitutos de los de origen fósil. Son las energías renovables, nombre tomado de su condición de renovación continua e inagotable. Con la limitación de las emisiones contaminantes consecuencia de la combustión de derivados del petróleo y el carbón, y el incremento de las instalaciones de origen renovable, se espera conseguir frenar el deterioro medioambiental.

En España, las energías renovables están aportando, a 2011, la energía eléctrica equivalente a la producida por las centrales nucleares; aproximadamente un 20%, siendo la mayoría de esa cantidad de procedencia eólica. Las nuevas instalaciones eólicas sustentadas en el mar y las recientes termosolares aumentarán sustancialmente esa cantidad, pero no contarán con capacidad suficiente para satisfacer completamente la demanda de electricidad, que no cesa de crecer. Las renovables están destinadas a aportar una fracción, aunque en continuo aumento, pero sin llegar a ser autosuficientes, al menos en el horizonte cercano. La idea de que el Sol vierte sobre la Tierra varios miles de veces la energía que consume en todas sus actividades, está muy lejos de poder ser aprovechada en su totalidad.

Los procedimientos técnicos de aprovechamiento de la energía solar no han surgido a consecuencia del calentamiento del planeta y del consiguiente deterioro ambiental. Pero si los han extendido a límites inimaginables en sus albores, que se remontan algunos a principios del siglo pasado. La electrónica de mediados del siglo XX aumentaría sus posibilidades y daría lugar a otros. La crisis del petróleo, en 1974, volvió todas las miradas hacia las tecnologías solares y, pocos años más tarde, con las primeras cumbres sobre el cambio climático, se iniciaron los planes para implantarlas.

Los dos procedimientos más antiguos, el eólico y el termosolar, vieron la luz entre 1910 y 1920. El primero para aportar electricidad en lugares remotos alejados de las líneas eléctricas y el segundo para estudiar las condiciones termodinámicas de los colectores y la transferencia de calor entre fluidos. La fotovoltaica nacería mucho más tarde, en plena efervescencia de los circuitos electrónicos, aunque se le asociaban pocas utilidades, considerando a la célula, el componente que le da sentido práctico, poco más que una curiosidad de laboratorio. Su aplicación en los primeros vuelos espaciales la sacó del anonimato.

Sin embargo, aunque no se consideraba la necesidad de tales tecnologías por la expansión de las líneas públicas de suministro eléctrico, que alcanzaron pronto hasta los lugares más remotos, y los efectos del consumo de combustibles fósiles aún no se habían advertido, su desarrollo no se abandonó. Las universidades continuaron calladamente, empeño al que se unieron más tarde organismos públicos relacionados con la investigación. Y cuando se tomó conciencia de la situación medioambiental, en la década de los ochenta del siglo pasado, la industria privada encontró todo lo necesario para poner manos a la obra y fabricar los componentes con los que configurar las instalaciones. Un buen ejemplo es la Plataforma Solar de Almería, un organismo público de desarrollo de energías renovables, con origen pionero en Europa, del que ha salido tanto tecnología como expertos para el sector privado.

3.2. Energía primaria

El concepto de renovable agrupa un conjunto de procedimientos tecnológicos alimentados con energía primaria de origen solar, la que se considera que se renueva continuamente por proceder del Sol. Sin embargo, a los procedimientos que cumplen completamente con la condición indicada se han agregado últimamente algunos que se podrían calificar sólo de generadores de energía limpia. Y se han incluido en el grupo más por su posibilidad de luchar contra el cambio climático que por sus condiciones físicas. Son renovables, conforme a la primera definición, los procedimientos que aprovechan la luz solar, el viento derivado directamente de esa radiación electromagnética, y los recursos hídricos, y procedimientos complementarios los restantes.

El cuadro 3.1 muestra un ejemplo de posibilidades de obtener otras energías limpias a partir de primaria de origen renovable bajo las condiciones indicadas.

Con la luz solar, la que se renueva cada día (se le supone al Sol una vida por delante de 5000 millones de años) se genera electricidad mediante los procedimientos fotovoltaico y térmico de alta temperatura y agua caliente sanitaria (ACS) con el térmico de baja temperatura. Se produce electricidad con la energía cinética contenida en los vientos, los cuales tienen su origen en el calentamiento desigual de la superficie terrestre, y también con las masas de agua en movimiento de mares y ríos; del primer recurso hídrico se aprovechan las olas y las corrientes y del segundo los embalses, que dan lugar a grandes chorros de agua en descenso. De la biomasa, la materia orgánica procedente de los cultivos, se obtienen combustibles para el transporte capaces de sustituir a los de origen fósil. También electricidad y gas con los residuos orgánicos que genera la sociedad.

Desafortunadamente, los residuos inorgánicos, como los plásticos, se resisten a su provecho, y parece que por mucho tiempo. La geotérmica, una propiedad natural ampliamente conocida, se encuentra ahora dando sus primeros pasos en buena parte de los países occidentales, y solo en varios, como Italia e Islandia, que disfrutan de condiciones excepcionales, llevan dando cuantiosos frutos desde las primeras décadas del siglo pasado. Extraer de la Tierra parte de su energía térmica, la que alberga desde hace millones de años, para llevarla a los espacios habitados con fines de climatización, es una nueva esperanza puesta en las renovables.

Forma de la energía obtenida

Procedimiento de transformación

Energía primaria

Electricidad

FotovoltaicoTermosolar (solar térmica dealta temperatura)

Luz solar

Eólico

Viento

Gasificación/Pirólisis

Biomasa

Metanización

Residuos orgánicos

Geotérmico

Calor de la Tierra

Oleaje/corrientes marinas

Mares

Combustibles alternativos a los fósiles

Producción de biodiesel y bioetanol

Residuos orgánicos

Climatización

Solar térmica de baja temperatura

Luz solar

Cuadro 3.1.Formas de energía obtenidas a partir de primaria de origen renovable.

3.3. Procedimientos

Los procedimientos de aprovechamiento de los recursos limpios, como la luz solar, los vientos, los hidráulicos, el calor de la Tierra y la biomasa, están dando lugar a la implantación de instalaciones domésticas e industriales para obtener electricidad, agua caliente sanitaria, climatización en sus diferentes formas, y combustibles. Forman un conjunto denominado “mix” que aporta una fracción ya considerable del consumo total, y en continuo crecimiento.

Cada procedimiento tiene sus áreas de aplicación en función de los recursos energéticos del lugar. La irradiación solar propicia las instalaciones fotovoltaicas y las térmicas; los vientos, la eólica; los recursos fluviales, las hidráulicas; el acceso fácil al calor de la Tierra, las geotérmicas; y las áreas que pueden dedicar grandes extensiones a los cultivos, a las de biocombustibles.

Aprovechan los procedimientos renovables una variedad de situaciones que se extienden desde las necesidades de electricidad o climatización en lugares alejados de las redes de suministro hasta la venta de la producción a las compañías suministradoras. Las ayudas a la implantación, primero, y el cobro de primas por el solo hecho de ser energía limpia, ha dado lugar a incontables centrales basadas en los procedimientos fotovoltaico y eólico, y en últimos años el térmico de alta temperatura. En los siguientes apartados se presentan sus aspectos básicos, dejando para los capítulos específicos los técnicos de sus componentes, configuración y dimensionado.

3.3.1. Eólico

Los molinos de viento, los inspiradores de los aerogeneradores actuales, surgieron en Persia y alcanzaron Europa en el siglo XII. La inmensa fuerza cinética desprendida del viento pudo mover entonces las grandes piedras para moler el grano, como ahora los pesados generadores eléctricos. La energía eólica es la precursora de los grandes sistemas renovables, si se exceptúa el hidráulico.

La aplicación como procedimiento mecánico para extraer agua se pierde en los tiempos. Sin embargo, como máquina eólica generadora de electricidad se fija en 1888, cuando un ingeniero de Ohio, Estados Unidos, construyó uno con 144 palas y un diámetro de barrido de 17 metros, que fue capaz de generar una potencia eléctrica de 12 kW. Dinamarca le dio un impulsó considerable en los primeros años del siglo XX. Su desarrollo tecnológico no ha cesado en los dos aspectos fundamentales: que funcione con velocidades del viento cada vez más bajas, lo que aumenta las zonas en las que se puede aplicar, y la potencia eléctrica, situada, en 2010, en 5 MW.