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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.