Kitabı oku: «El universo de las energías renovables»

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.

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.

Sus aplicaciones actuales se extienden desde las privadas para suministrar energía eléctrica a viviendas o granjas aisladas a las industriales destinada a la venta de la producción. Esta última aplicación corresponde a los denominados parques eólicos, tradicionalmente asentados en tierra y ahora, desde 2009 de forma generalizada, en las aguas litorales aprovechando sus vientos, más constantes y fuertes que en tierra.

La energía eólica es muy fuerte y sus máquinas en constante aumento de potencia. Pero presenta el inconveniente de la intermitencia de los vientos. Sus instalaciones industriales se enclavan en zonas conocidas por su capacidad eólica, pero los vientos no siempre están presentes, a diferencia de la luz para la fotovoltaica, aunque esta ofrece un rendimiento energético más bajo y precisa de espacios mucho más grandes. Como en casi todos los proyectos, se imponen soluciones de compromiso que satisfagan la mayor parte de las aspiraciones. Las instalaciones sobre el mar están dando resultados muy esperanzadores para cumplir el reto lanzado por la Unión Europea: que en 2050 las renovables suministren el 100% de la demanda de electricidad. Demasiado tiempo para la tecnología, que sorprende en cualquier momento con soluciones imprevisibles.

Para tan amplio espectro de usos, los aerogeneradores comerciales se han dividido en cinco segmentos. Responden a su potencia eléctrica, la que determina la aplicación, y a su configuración mecánica. Estos son:

 Micro: Hasta 250 W. Se emplean en embarcaciones de recreo, caravanas y similares.

 Mini: 250 - 1 kW. Alimentación de pequeñas viviendas, extracción de agua, etc.

 Pequeño: 1 kW - 50 kW. Sistemas de riego agrícola, etc.

 Media potencia: 50 kW - 750 kW. Alimentación de bloques de viviendas y venta de energía.

 Gran potencia:>750 kW Instalaciones industriales para venta de la energía generada.

El núcleo de estas máquinas eólicas es su generador eléctrico, que es movido directa o indirectamente por la energía cinética del viento. Está configurado como alternador trifásico por razones de rendimiento energético. En las versiones micro y mini se procede a rectificar la alterna en el interior del equipo, proporcionado así la corriente continua que demandan sus aplicaciones. Algunas versiones comerciales incluyen una unidad electrónica de regulación de carga para poder conectar la máquina directamente a una batería para almacenar energía eléctrica destinada a los tiempos sin viento o insuficiente para mover sus palas. El resto de las versiones proporcionan corriente alterna para su tratamiento externo, que puede ser la conversión a una nueva alterna con la tensión y frecuencia demandada o la adaptación a las líneas de suministro cuando la finalidad es la venta a las compañías suministradoras.

Figura 3.1. Aerogenerador mini de 400 W AIR-400.

En el año 2010, la potencia eólica instalada en Europa era de 75.125 MW, que corresponde al 9,5% del consumo. De ellos, más de la mitad se encontraban en Alemania, con 27.214 MW, seguido de España, con 20.676 MW.

Cuadro 3.2. Evolución de la energía eólica en España (AEE).

España cuenta con cerca de 400 parques eólicos, que se reparten 10.000 máquinas eólicas de elevada potencia (2,7 MW de media).

Figura 3.2. Parque eólico de tierra.

3.3.2. Fotovoltaico

Este procedimiento es uno de los grandes de las energías renovables. Tiene como base la célula fotovoltaica, semiconductor en forma de oblea encerrada en un soporte transparente por su cara activa que reacciona con la luz solar y genera una corriente eléctrica en correspondencia con la intensidad recibida.

Se desarrolló en 1953 en los laboratorios estadounidenses Bell (el del inventor del teléfono), después de un largo recorrido que se remonta a la primera mitad del siglo XIX, y se le dio el inconfundible nombre de batería solar. Las aplicaciones de las células se extienden desde los juguetes a una amplia variedad de los denominados módulos fotovoltaicos, en los que se entrelazan eléctricamente en serie, paralelo o serie-paralelo para conseguir las especificaciones de tensión y corriente exigidas. Emplean los citados módulos tanto las instalaciones de usuario como las huertas o centrales solares, instalaciones estas últimas con cientos o miles de unidades destinadas al aporte energético en grandes cantidades, con conexión con las líneas públicas de distribución.

Figura 3.3. Módulos fotovoltaicos para alimentar una vivienda unifamiliar.

La industria ha creado una amplia diversidad de módulos fotovoltaicos, basados en distintas tecnologías, para adaptarse a un amplio espectro de aplicaciones y de condiciones de la radiación solar.

Proporcionan corriente continua. La necesidad de alterna para las aplicaciones cotidianas se solventa mediante convertidores de continua a alterna, con los valores normalizados de las zonas a las que dar servicio.

El rendimiento energético del procedimiento fotovoltaico es bajo en relación a otros. Por ejemplo, el eólico o el termosolar presentan valores muy superiores. A ello se añade que requiere muchas más extensiones de terreno que estos. Sin embargo, no tiene la intermitencia del viento, lo que hace que sus instalaciones sean imprescindibles en las zonas que no disponen de líneas de distribución.

Diversos planes de investigación sobre nuevos materiales aseguran que en los próximos años se obtendrá un incremento notable en el rendimiento.

Figura 3.4. Montaje de una gran instalación fotovoltaica en Camerún (SOLENER).

En 2010, Europa contaba con una producción de energía eléctrica de origen fotovoltaico de 23.700 MW, lo que representaba el 1% de su consumo. De esa cantidad, España tenía instalados con unión a las redes de distribución 3.648 MW, que contribuyeron con un 3% a la demanda de energía eléctrica.

Cuadro 3.3. Evolución de la industria fotovoltaica europea en los últimos años.

3.3.3. Sistema híbrido

Hace algunos años comenzaron a promoverse las instalaciones híbridas eólico-fotovoltaicas. Su aplicación es privada, sin conexión con las redes públicas de suministro eléctrico. Su finalidad es aprovechar las dos condiciones que ofrece la radiación solar para contrarrestar sus condiciones intermitentes: la inconstante del viento y la periódica de la luz.

Durante el día se obtiene energía eléctrica con los módulos fotovoltaicos, y por la noche, sin que nada lo asegure, con las máquinas eólicas, debido a que la aparición del viento es más frecuente en esa franja horaria.

Sus instalaciones incorporan baterías para conseguir la autonomía de tiempo deseada. Sin embargo, con la incorporación de ambos procedimiento renovables se reduce notablemente la capacidad de acumulación para asegurar el suministro en el período establecido.

A las dos fuentes energéticas se regula su corriente de salida para constituir una línea común de suministro y carga de las baterías. Los niveles de voltaje de los aerogeneradores micro y mini están normalizados con los de los módulos fotovoltaicos para la misma aplicación.

3.3.4. Aspectos comunes entre fotovoltaica y eólica

Como se ha indicado en la introducción a los procedimientos eólico y fotovoltaico, las aplicaciones de ambas fuentes energéticas son muchas. No obstante, a efectos de ejemplificación, se han agrupado en tres grandes bloques, que son:

Servicios públicos remotos

Las necesidades de energía eléctrica en los lugares remotos, para equipos tales como los repetidores de las telecomunicaciones, señalización vial y aplicaciones similares encuentran una solución óptima en los módulos fotovoltaicos complementados con baterías para asegurar el suministro nocturno.

Viviendas y similares

Las viviendas y granjas rurales, primero, y los edificios de servicios públicos y privados, después, han recurrido a los aerogeneradores y a los módulos fotovoltaicos para obtener electricidad por muy diferentes motivos; como única posibilidad de abastecimiento energético los que se encuentran alejados de las redes de suministro y por razones medioambientales.

Las granjas, las viviendas de utilización ocasional, entre ellas las caravanas y similares, fueron los primeros espacios ocupados en encontrar la solución al alumbrado y a la alimentación de los equipos básicos en los módulos fotovoltaicos complementados con baterías. Los edificios, sin embargo, han comenzado a instalar estos generadores al amparo de las subvenciones y bajo criterios medioambientales, en ocasiones con justificación económica, cuando la aportación de energía limpia en detrimento de la convencional no necesita de otras que apoyen las inversiones.

Comienza, afortunadamente, a ser usual encontrar fachadas revestidas de módulos rígidos o flexibles, versión esta última que favorece las instalaciones, y las terrazas ocupadas por hileras de captadores de la radiación solar. La energía obtenida puede ser inyectada en la red de interior para participar al consumo con una fracción o bien para la venta a las compañías, dirigiéndose entonces a sus líneas de distribución. Las grandes terrazas de los edificios industriales están dando lugar a un comercio de alquiler de esos espacios para, contando con las primas a la producción y las subvenciones por la instalación, generar electricidad con fines netamente comerciales. España, junto con Alemania, está a la cabeza de la Unión Europea en tales iniciativas. Los acontecimientos derivados de la reciente crisis económica global, sin embargo, parecen desviar la atención a otras fuentes limpias, como la eólica marina y la termosolar.

Figura 3.5. Instalación híbrida eólica-fotovoltaica. En este ejemplo, los dos generadores eléctricos comparten soporte (SOLENER).

Venta de electricidad

Se ha adelantado en el punto anterior que la producción de electricidad en cantidades apreciables se inyecta en las redes de suministro público con fines comerciales. Las centrales solares o huertas fotovoltaicas son el mejor ejemplo de la generación industrial de electricidad de origen renovable.

3.3.5. Térmico

El procedimiento térmico es un medio de conversión directa de la radiación solar en calor aprovechable con facilidad. Recurre al calentamiento de un fluido en circulación por conductos expuestos al sol. Dispone de dos tipos de captadores, cuya elección depende de la temperatura a alcanzar: los basados en el efecto invernadero, lo que supone que la radiación solar entra pero no sale, salvo las pérdidas, y los que emplean espejos concentradores en diferentes formas. Los primeros dan lugar a las instalaciones denominadas de baja temperatura destinadas a proporcionar agua caliente sanitaria (ACS) y climatización, y los segundos a las de media y alta temperatura para generar electricidad en cantidades considerables y con conexión a las redes de distribución. En las termosolares, las del segundo grupo, está puesta actualmente la confianza para incrementar notablemente la producción energética de origen renovable.

Se han establecido tres franjas de temperatura a alcanzar por el fluido sometido a la acción solar, lo que dan lugar a las aplicaciones más diversas. Son:

Baja temperatura: < 90 °C

Media temperatura: 90 °C < T < 400 °C

Alta temperatura: > 400 °C

Como se ha indicado, la temperatura de trabajo a conseguir da lugar a dos grandes grupos de instalaciones con cometidos muy diferentes: el residencial y comercial con la baja temperatura asociada al agua caliente de servicio y el industrial con la media y alta para generar electricidad.

3.3.5.1. Baja temperatura: ACS

Los receptores solares de esta versión cuentan con dos tecnologías que los diferencian en sus aspectos físicos y de rendimiento energético: los colectores planos basados en el cuerpo negro, por cuyo interior circula el agua a calentar, y los tubos de vacío absorbedores, que trasfieren finalmente la energía térmica conseguía. Tienen en común que el agua caliente de servicio se almacena en grandes depósitos con elevada capacidad calorífica para mantenerla durante la noche. Las cubiertas de los edificios dan cuenta de las instalaciones que albergan, obligatorias en España desde 2006 para la edificación nueva (ver apartado 3.6). El agua caliente obtenida por ambos medios es sometida a control de temperatura mediante procedimientos electrónicos para ofrecer al menos cinco grandes bloques de aplicaciones.

ACS

Suministro de agua caliente sanitaria para todos los usos. La normativa que le afecta asegura las condiciones sanitarias adecuadas.

Figura 3.6. Colector solar y acumulador integrado sobre una cubierta (Salvador Escoda).

Suelo radiante

Un conjunto de tubos bajo los suelos, por los que transita el agua caliente procedente de los colectores solares, ofrece calefacción por radiación. Es una de las grandes aplicaciones de la térmica de baja temperatura. La instalación puede compartir el suministro de agua caliente con los usos sanitarios y de climatización.

Refrigeración

La incorporación a la instalación solar de una máquina de absorción permite obtener aire frío para climatización.

Calentamiento en piscinas

Corresponde a una de las últimas aplicaciones de importancia. El agua de las grandes piscinas, calentada tradicionalmente con calderas de gas, se puede calentar ahora con paneles térmicos de muy diferentes configuraciones (metal, caucho, etc.), a lo que se han añadido con rapidez las pequeñas piscinas individuales. Se consigue formando un circuito cerrado de agua desde el fondo de la piscina hasta las proximidades de su superficie, pasando por los paneles térmicos. Como en las aplicaciones de ACS y similares, un sistema electrónico asociado a sensores mantiene la temperatura del agua en los límites prefijados.

Figura 3.7. Colectores de caucho para calentar el agua de piscinas (Caucho Solar).

Industria

Se puede emplear este procedimiento en todos los procesos industriales que requieran agua u otro fluido caliente.

En 2008, Europa contaba con 4.626.000 m² de paneles térmicos instalados, de los que 466.000, que representan una capacidad en términos térmicos de 19.982 MWth, se

encuentran en España. Con la implantación del Código Técnico de la Edificación (ver apartado 3.6) se espera un incremento muy notable. En términos de potencia térmica instalada, la media europea por cada 1.000 habitantes era, en 2009, de 32,6 kWth, cuando en España solo se alcanzaban 12 kWth. Algunos países han alcanzado valores más que notables. Es el caso de Austria, con 517 kWth, y Grecia, con 360 kWth, lo que pone de manifiesto que la energía térmica no es solo para las zonas cálidas, aunque en ellas se obtenga más rendimiento. En cuanto a la contribución de la energía térmica con el medio ambiente en términos de reducción de emisiones de CO₂, el Plan de Energías Renovables en España 2005-2010, indica los siguientes valores por año y metro cuadrado de panel térmico expuesto al Sol en el centro de la península:

 0,22 toneladas si sustituye a gasóleo

 0,19 toneladas si sustituye a gas butano o propano

 0,17 toneladas si sustituye a gas natural

3.3.5.2. Media y alta temperatura: termosolares

El procedimiento termosolar, el ariete del momento contra el cambio climático, tuvo sus orígenes al poco de traspasar la primera década del siglo XX. El desierto de Mojave, en California, y las proximidades de El Cairo fueron testigos, entre 1911 y 1920, de instalaciones basadas en colectores cilindro-parabólicos. Se pretendía generar electricidad y también estudiar sus condiciones termodinámicas, que no se abandonaron desde entonces. El caudal de conocimientos conseguido está dado lugar a numerosas instalaciones industriales de 50 MW de energía eléctrica, potencia que se incrementará en los próximos años.

Es un procedimiento basado en la concentración de la radiación solar sobre un punto focal, por el que transita un fluido a calentar a media o alta temperatura. Un intercambiador térmico asociado al sistema, por el que también circula un caudal de agua corriente, permite obtener un flujo de vapor con suficiente presión para mover las grandes turbinas asociadas a generadores eléctricos de alta potencia, comportándose desde este punto de modo similar a las instalaciones convencionales alimentadas con gas, petróleo o carbón. Se han desarrollado tres procedimientos con desigual aplicación industrial en las centrales de este tipo, que son denominadas indistintamente termosolares y termoeléctricas. Estos son:

Colectores cilindro-parabólicos

Se dispone de un conjunto de colectores montados sobre un sistema electromecánico de seguimiento solar de un eje (acimut) para concentrar la radiación sobre su punto focal, en el que se encuentra dispuesto un tubo absorbedor recorrido por el fluido de trabajo, que puede ser agua tratada (media temperatura) o aceite sintético (alta temperatura). Es el procedimiento más empleado de los tres.

Figura 3.8. Colectores cilindro-parabólicos de una instalación termosolar (SOLAR ONE).

Torre

Procedimiento que recurre a un conjunto de helióstatos, también sobre seguidores solares, aunque estos de dos ejes (acimut y elevación), que proyectan la radiación solar sobre la parte superior de una torre. En tal localización se encuentra un receptor absorbedor recorrido por el fluido de trabajo que da lugar, a través del intercambiador térmico al vapor, el objetivo a cumplir. En este procedimiento se alcanzan temperaturas próximas a 800 °C.

Figura 3.9. Central de torre en la Plataforma Solar de Almería (CIEMAT).

Disco

Difiere sustancialmente de los dos anteriores. En este, la energía térmica de alta temperatura concentrada en el punto focal de un disco parabólico incide en la boca de un motor de combustión externa Stirling asociado directamente a un generador eléctrico. No hay vapor ni turbinas; la electricidad surge del conjunto situado en el punto focal del disco, el cual se encuentra montado sobre un seguidor solar de dos ejes, como el procedimiento anterior.

Figura 3.10. Discos parabólicos con motor Starling en su punto focal en la Plataforma Solar de Almería. Cada disco se encuentra montado en un carrusel para la orientación en los ejes de acimut y elevación. (CIEMAT).

La capacidad instalada en España, país de vanguardia en estas centrales termosolares, es de aproximadamente 1 GW en 2010. Las más abundantes son las basadas en los colectores cilindro-parabólicos, seguidas a distancia de las de torre. Las de disco, aunque con un futuro prometedor, en España se emplean para la formación e investigación.

3.3.6. Hidráulico

Los recursos hidráulicos han sido los primeros en producir electricidad. Las cataratas del Niágara, en la frontera entre Canadá y Estados Unidos, fueron precursoras de la electricidad en corriente alterna desarrollada por Nicola Tesla. El ingeniero croata, a las órdenes de Georges Westinhouse, construyó en 1896 la primera central de este tipo, sustituyendo los rudimentarios generadores de corriente continua.

Su finalidad: suministrar energía eléctrica a la población de Búfalo (Nueva York), a 30 km de distancia. Una estatua de bronce representando a Tesla recuerda lo que se consideró en su momento una epopeya tecnológica que, de paso, hizo fracasar a Edison, impulsor incondicional de la corriente continua.

Desde entonces, los cauces de los ríos en todo el planeta se vieron invadidos por centrales eléctricas hasta que se desarrollaron otros procedimientos, como las centrales térmicas alimentadas con carbón o gas. Pero a finales del siglo pasado se dio otro paso: el aprovechamiento de la energía del mar en sus diferentes manifestaciones. Ambas vías energéticas, de condición limpia, se presentan a continuación.

3.3.6.1. Fluvial

El procedimiento fluvial distingue sus instalaciones en razón a la potencia generada. Se denomina minihidráulicas a las que producen una cantidad inferior a 10 MW e hidráulicas a las de potencia superior. Los recursos fluviales son muy grandes. Sirva como ejemplo la central de Las Tres Gargantas, en China, que produce 85 mil millones de kW/h, la central mayor del mundo, a la que sigue la venezolana Simón Bolívar, con 10.000 MW. En España, la mayor se encuentra en Asturias, sobre el embalse Salime, y produce 128 MW. En Europa, la producción, durante 2009, fue de 42,2 TWh.

Figura 3.11. Central hidráulica de Loriguilla (Valencia). (IBERDROLA).

Dos son los medios de alimentación de las centrales fluviales: el agua fluyente, que corresponde a la capturada del caudal en circulación, y los embalses, en los que se aprovecha el desnivel, en algunos casos cuantioso, como el de la citada central china, cuya presa tiene una altura de 180 metros. El primer medio se emplea comúnmente para bajas potencias, recurriendo a turbinas Pelton y simulares, y el segundo a las centrales industriales, con conexión a las redes de suministro eléctrico.

3.3.6.2. Del mar

El potencial energético de los mares es inconmensurable. Solo esperaba el desarrollo de procedimientos técnicos de aplicación para sumarse a las energías renovables. Los que

están actualmente demostrando su eficacia y aportando fracciones de energía eléctrica en constante incremento son cuatro:

Mareomotriz

Procedimiento basado en el aprovechamiento del ciclo de ascenso y descenso del mar costero a consecuencia de la acción gravitatoria del Sol y la Luna. Durante la pleamar, el agua se retiene en diques para provocar una diferencia de altura que, al descender durante la bajamar, mueva los generadores eléctricos. La primera aplicación de importancia se llevó a cabo en el estuario del río Rance, en Francia, en 1967. Sus 24 generadores proporcionan 240 MW a Rennes, una ciudad próxima.

Figura 3.12. Dique sobre el río Rance (Francia) para provocar desnivel del agua y mover las turbinas generadoras de electricidad.

Energía de las corrientes

Se basa en el aprovechamiento de la energía cinética derivada de las corrientes marinas, tan abundantes y con tanta potencia. Sus instalaciones se asemejan a las de los parques eólicos, pero con las máquinas sumergidas en el agua. La corriente eléctrica producida se conduce mediante cables submarinos a la costa, desde la que se une con las líneas de distribución.

Maremotérmica

Se han desarrollado procedimientos para obtener energía térmica de la diferencia de temperatura que existe entre las aguas profundas y las de la superficie. Sus innovadoras instalaciones transforman esa energía térmica de condición natural, sin conversión previa, en eléctrica mediante un ciclo termodinámico (ciclo de Rankine), de tal modo que un foco de su proceso es el agua de la superficie y el otro el profundo. Para conseguir alguna efectividad se requiere un gradiente de térmico mínimo de 20 °C, lo que se consigue con facilidad, ya que solo depende de la profundidad del foco sumergido.

Undimotriz

Corresponde al movimiento de las olas a consecuencia del rozamiento del aire con la superficie marina. La oscilación vertical del agua que se produce puede desplazar en los sentidos ascendente y descendente los pistones de boyas en flotación, generando así electricidad. Es el procedimiento al que recurre la instalación de Santoña (Cantabria), cuyas 10 boyas se encuentran distribuidas en un área de 2.000 m², a una milla de la costa.

La producción europea que aportaron entre todos los procedimientos marinos presentados fue, en 2009, de 245 MW. De esa cantidad, la mayor parte corresponde a la central de Rance. La explicación no es otra que el carácter experimental que tiene aún este procedimiento.

3.3.7. Geotérmico

La búsqueda continua de recursos energéticos de condición limpia está llevando en los últimos años a la aplicación de uno tan conocido como desaprovechado: el calor derivado de las distintas capas de la Tierra, las que se encuentran bajo nuestros pies. Algunos estudios geotérmicos arrojan una cantidad sorprendente de energía aprovechable: 4,2 × 10¹² J.

Las áreas de aplicación que se han encontrado tienen relación directa con la temperatura que se puede conseguir en condiciones favorables de inversión económica y rendimiento energético. En consecuencia, se han establecido tres franjas que dan lugar a otros tantos grupos de aplicaciones.

Alta temperatura

Cuando la temperatura que se puede obtener del subsuelo supera los 150 °C, las aplicaciones se centran en la generación de electricidad por el procedimiento del vapor de agua a que da lugar, con el que se mueven las turbinas asociadas a los generadores. A esa temperatura, el vapor que se eleva a la superficie, a modo de géiser, presenta una elevada presión, condición ideal para el propósito. Los Estados Unidos tienen un buen número de centrales eléctricas con este recurso, a las que se están sumando las implantadas en otros países que han descubierto recientemente o despertado del letargo su potencial geotérmico.

Figura 3.13. Vapor a alta temperatura procedente del interior de la tierra. Se emplea en la central The Geysers, California (EE. UU.), para mover las turbinas y generar electricidad. (Pacific Gas and Electric).

Baja temperatura

Con valores de temperatura inferiores a 100 °C, se está procediendo comúnmente a conseguir calefacción y climatización mediante el concurso de bombas de calor. Su aplicación se encuentra situada en los sectores residencial y comercial.

Muy baja temperatura

Si la temperatura es inferior a 25 °C, solo se puede aplicar en climatización. Los hogares son los principales destinatarios del recurso.

3.3.8. Chimeneas solares

El procedimiento de chimenea solar está a medio camino entre la eólica y la térmica. Se basa en el efecto invernadero de una elevada superficie acristalada para crear en el interior una masa de aire más caliente que la del exterior. En el centro se dispone una chimenea y en su interior generadores eléctricos con palas al modo de los empleados en el procedimiento eólico. Se consigue así que el aire caliente, más liguero que el frío, se escape por la chimenea. La energía cinética del aire, cuya velocidad depende de la diferencia de temperatura con la del exterior y de la altura de la chimenea, mueva las palas para generar electricidad.

Es uno de los procedimientos de potencia más limpios por los escasos residuos que genera. Sin embargo es ahora, en los últimos años, cuando se está implantando. Uno de los proyectos más grandes llevados a cabo corresponde a la instalación de Mildura, en Australia, que con una chimenea de 1.000 metros de altura y 37 generadores en su interior, produce 200 MW de energía eléctrica.

La primera chimenea solar se instaló con carácter experimental en Manzanares (Ciudad Real), en 1980, fruto de un acuerdo de colaboración tecnológica entre organismos españoles y alemanes. Su invernadero, de dos metros de altura, tenía un diámetro de 240 metros, en cuyo centro se encontraba la chimenea, de 194 metros de altura. Producía 50 kW de energía eléctrica. Diez años después se desmanteló.

Figura 3.14. Chimenea solar experimental instalada en Manzanares, Ciudad Real, en 1980. De su experiencia se han derivado las actuales.

3.3.9. Biocarburantes

Tras minuciosas búsquedas se han encontrado procedimientos limpios para contrarrestar–aunque por el momento con una fracción pírrica, pero en aumento– el consumo de comestibles de origen fósil en los vehículos a motor. Sus procedimientos agregan el desarrollo agrícola de zonas de secano o con poca capacidad para el riego y la supresión de residuos, en ocasiones molestos para el medio ambiente. Dos son los que se están produciendo en centrales de reciente implantación, que se alimentan con residuos orgánicos de muy diversas procedencias y situaciones:

Bioetanol

Se obtiene de la materia vegetal, como el cereal, el maíz o la remolacha, a través de un proceso de fermentación y destilación. El producto conseguido permite mezclarlo con la gasolina y reducir con ello su consumo en una fracción que se encuentra en continuo crecimiento.

Figura 3.15. Central de producción de biodiesel de Escombreras, en las proximidades de Cartagena (Murcia).

Biodiesel

El biodiesel da un paso más con respecto al anterior al permitir alimentar directamente los motores diesel, sustituyendo completamente a los de origen fósil. Se obtiene este combustible de los aceites vegetales derivados de la colza y el girasol, entre otros, cuando son sometidos a un proceso de transesterificación y refino.

En 2009, se produjo biocombustible en cantidad equivalente, en términos energéticos, a 12,1 Ttep (toneladas equivalentes de petróleo), lo que supuso un 4% del consumo total, y fue empleado en el transporte por carretera.

A diferencia de otros procedimientos limpios, los biocombustibles no están libres de voces discordantes que niegan el ahorro conseguido en términos de emisiones nocivas. Si el producto final es limpio con el ambiente, se argumenta, los medios puestos en juego, entre ellos la producción agrícola y el transporte de los vegetales hasta las centrales, no lo son tanto por depender de combustibles convencionales.

3.3.10. Biomasa

La biomasa aprovecha la combustión de los residuos orgánicos para generar calor destinado a la climatización o vapor para producir electricidad. Presenta el añadido de mejorar el medioambiente al hacerlos desaparecer.

Los residuos que alimentan las calderas de biomasa proceden de una diversidad de origen vegetal. Se pueden considerar como principales los herbáceos, la paja del cereal, el tallo del maíz, la cáscara de la almendra, la pepita de la uva, el orujo de la oliva, los restos de la industria maderera y, naturalmente, los urbanos. El Plan de las Energías Renovables en España 2005-2010 contempla un potencial de 19 Mtep distribuido conforme al siguiente cuadro.

Cuadro 3.4. Distribución del potencial de biomasa (IDAE).

La limpieza de los bosques y los residuos de la madera, junto con los vegetales en sus diferentes formas, dan lugar al combustible de biomasa, que se presenta comercialmente en forma de astillas de pequeño tamaño, polvo o en un producto industrial granulado al modo del pienso. El proceso industrial para obtenerlo se limita a la manipulación, la moltura, el secado y el envasado final, sin agregar compuestos.

Figura 3.16. Residuos de explotaciones forestales, de la industria de la madera o simulares empleados como combustible para las calderas de biomasa. (BIOMCASA).

3.3.11. Pilas de combustible

La pila de combustible es el componente que recibe hidrógeno y genera electricidad con capacidad para alimentar, por ejemplo, los motores eléctricos de los vehículos, su objetivo inmediato. En la era que se avecina de coches movidos con electricidad, el hidrógeno y la pila de combustible son los sustitutos de la batería con notables ventajas de peso, volumen y facilidad de carga. Conseguirlo es el objetivo de este procedimiento que, industrialmente, se encuentra en sus inicios, pero su futuro es muy prometedor.

El hidrógeno es un portador energético, no un recurso natural; es preciso producirlo a partir de un compuesto que lo contenga y de energía primaria.

Obtención de hidrógeno

El hidrógeno, tan abundante en la atmósfera, no se encuentra aislado, lo que implica el empleo de procesos de separación. Se puede obtener de combustibles de origen fósil, de la biomasa y del agua, proceso este último que necesita energía eléctrica, que puede ser de procedencia renovable, como la fotovoltaica. El gas natural y el agua son sus fuentes principales actualmente; se obtiene desde el combustible fósil a través de un proceso industrial, con el resultado de un aceptable grado de emisiones de CO₂, y del agua mediante electrólisis. La elección de uno u otro procedimiento depende de la capacidad de producción deseada.

Para generarlo desde la fuente solar se recurre a un proceso fotovoltaico mediante semiconductores. Con él se provoca una reacción electroquímica, como la citada electrólisis del agua, que da lugar a la producción de oxígeno e hidrógeno. El oxígeno se libera y el hidrógeno alimenta el sistema; comúnmente una pila de combustible asociada a un motor eléctrico.

Figura 3.17. “Scooter” con pila de combustible. Incorpora dos botellas de hidrógeno para alimentar durante 45 km la pila de combustible que mueve su motor eléctrico. (AJUSA, Albacete).

Una de las grandes ventajas de empleo del hidrógeno como combustible es la facilidad que ofrece para su almacenamiento. Dado que es un gas, puede acumularse incluso durante largos períodos de tiempo y transportarse en estado natural o comprimido. Es limpio, seguro e inagotable. Aunque experimentalmente, ya lo emplean autobuses urbanos y hasta aviones ligeros.

3.4. Tipos de instalaciones

Los procedimientos renovables presentados dan lugar a una amplia variedad de instalaciones por tamaño y complejidad tecnológica. Las fuentes de energía térmica, como las de baja temperatura y la geotérmica, dan respuesta desde aplicaciones para un hogar a edificios residenciales de cualquier tipo. El tamaño de los captadores térmicos y de los medios de acumulación determina sus configuraciones. También las instalaciones generadoras de electricidad se dimensionan para satisfacer las demandas energéticas individuales o colectivas, pero estas dan lugar a dos tipologías bien diferenciadas, no tanto por la envergadura como por el destino de la energía obtenida. Estas son:

Aisladas

Corresponde a instalaciones dedicadas al suministro eléctrico sin conexión alguna con las redes de distribución. Emplean estas instalaciones los espacios habitados que se encuentran alejados de las líneas de las compañías productoras o bien, disponiendo de ellas, sus propietarios optan por las energías limpias. El primer supuesto dio lugar a principios del siglo pasado a las instalaciones eólicas en los ranchos norteamericanos y en los sistemas montañosos del norte y este de Europa.

Con conexión a la red

Obedece a una tipología de instalación en la que la electricidad conseguida con la energía solar se vierte en las redes de suministro. Sin embargo, manteniendo la condición indicada, sus aspectos dimensionales y de concepción, dan lugar a dos aplicaciones muy distintas:

Aportación de una fracción

La energía eléctrica conseguida se inyecta en la red privada del interior del espacio habitado destinatario, compartiéndola con la del suministro público. La finalidad no es otra que aportar una fracción que merme el consumo de la de origen convencional. Es un procedimiento del ámbito privado y de aplicación fácil para limitar la dependencia de los combustibles de origen fósil. La industria electrónica ha generado los medios para acomodar tal aporte energético a los hogares, comercios o industrias. La sensibilidad de la sociedad, sin embargo, se muestra remisa a su implantación con la excusa de la difícil recuperación económica del gasto ocasionado.

Inyección en las redes de distribución

Corresponde a las grandes instalaciones industriales. La energía producida, con valores situados comúnmente en media tensión, se inyecta en las redes generales de distribución a través de subestaciones de transformación y control. Esta energía se vende a las compañías suministradoras al precio del mercado, y sus promotores reciben de las administraciones, además, primas por su contribución al medio ambiente.

En la vertiente privada, estas instalaciones pueden corresponder a los procedimientos fotovoltaico, eólico o híbrido, y en la industrial, las que inyectan su energía en las redes generales de suministro, a los parques eólicos y a las huertas solares. Estas dos últimas instalaciones ocupan grandes extensiones y su aporte energético es muy considerable. Por ejemplo, el parque eólico de Higueruela, en la provincia de Albacete, puede producir 390.000 MW anuales. La energía suministrada por la línea común de los aerogeneradores tiene una tensión de 20 kV, que se eleva a 132 kV mediante una estación de transformación para su unión con las redes de distribución.

3.5. Almacenamiento de energía

Las instalaciones basadas en la incidencia directa de la radiación solar presentan el inconveniente de su inactividad durante las horas nocturnas. La repercusión depende de la aplicación; alta en las instalaciones aisladas, en las que no se puede recurrir a la energía convencional, y baja en las que tienen como destino las redes de suministro, las industriales que están destinadas a aportar una fracción al consumo total con fines entre medioambientales y económicos.

Se han desarrollado tres procedimientos de almacenamiento energético con muy desigual capacidad y condiciones: electricidad en corriente continua y agua caliente sanitaria, desafortunadamente en cantidades solo para aplicaciones privadas, y térmica de alta temperatura, esta sí para usos industriales.

3.5.1. Electricidad

La batería electroquímica en sus diferentes formas es el medio al que se recurre para almacenar la energía eléctrica producida por los módulos fotovoltaicos y los aerogeneradores. La normalización de las tensiones y el complemento de los reguladores de carga, dispositivos electrónicos de control del estado de las baterías, facilitan el proceso. Una diversidad de capacidades eléctricas permite garantizar la reserva energética para los tiempos sin luz o sin viento, pero siempre dentro de los límites de las instalaciones aisladas, de las aplicaciones privadas. Una aplicación típica es el almacenamiento durante los días sin actividad humana para los que sí la tengan. Se pueden encontrar baterías de 1.000 Ah o más y también disponerlas en paralelo para sumar su capacidad, lo que da respuesta a la aplicación indicada, pero no a las industriales por razones económicas.

3.5.2. ACS

Corresponde a otra aplicación típica: la acumulación de agua caliente sanitaria procedente de sistemas solares térmicos para su empleo durante la noche. El agua presenta una excelente capacidad calorífica (1 cal/g.°C, o expresado en forma de energía: 4,184 J/cal), y el calor conseguido por el líquido puede ser retenido en los llamados acumuladores, envolventes metálicos con componentes de aislamiento térmico para reducir las pérdidas. Cuando su propósito es el suministro en los entornos residencial o comercial, el agua se almacena a aproximadamente 60 °C.