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ENERGÍAS RENOVABLES Conceptos y Aplicaciones Santiago J. Sánchez Miño M.Sc. Energías Renovables M.E.E. Master Electrical Engineering Ingeniero Eléctrico

WWF - Fundación Natura Quito, Junio 2003

Energías Renovables: Conceptos y Aplicaciones Santiago Sánchez Miño

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PRÓLOGO


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AGRADECIMIENTOS


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INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................1 CAPÍTULO 1: ENERGÍA..............................................................................................3

Definición de Energía ................................................................................................ 3 Energía Potencial y Energía Cinética ....................................................................... 4 Formas de la Energía ................................................................................................. 5 Eficiencia Energética ................................................................................................. 6 Potencia y Energía ..................................................................................................... 6 Voltaje ....................................................................................................................... 7 Corriente .................................................................................................................... 8 Resistencia ................................................................................................................. 8

Ley de Ohm ................................................................................................................... 9 CAPÍTULO 2: FUENTES DE ENERGÍA...................................................................10

Historia .................................................................................................................... 10 La Energía en el Mundo .......................................................................................... 10 La Energía en el Ecuador......................................................................................... 11 Clasificación de las Fuentes de Energía .................................................................. 13

CAPÍTULO 3: ENERGÍAS NO RENOVABLES .......................................................14 Gas Natural .............................................................................................................. 14 Petróleo .................................................................................................................... 15 Carbón...................................................................................................................... 16 Energía Nuclear ....................................................................................................... 16

CAPÍTULO 4: CONTAMINACIÓN AMBIENTAL ..................................................18 Calentamiento Global .............................................................................................. 18 Efectos de las Emisiones ......................................................................................... 19

CAPÍTULO 5: EL SOL................................................................................................21 Energía Solar ........................................................................................................... 21 Radiación Solar........................................................................................................ 22 El Espectro Electromagnético.................................................................................. 23 Radiación Solar en el Ecuador................................................................................. 27 Aplicaciones de la Energía Solar ............................................................................. 28

CAPÍTULO 6: ELECTRICIDAD DEL SOL..............................................................29 Estructura del Átomo............................................................................................... 29 Efecto Fotoeléctrico................................................................................................. 30 Funcionamiento de la Celda Solar ........................................................................... 30 Unión n-p ................................................................................................................. 32 Efecto de la Luz en la Unión n-p ............................................................................. 33 Circuito Equivalente de la Celda Solar.................................................................... 34 Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar .............................................................. 35 Efectos de la Radiación y la Temperatura ............................................................... 36 Eficiencia de la Celda Solar..................................................................................... 37 Tipos de Celdas Solares........................................................................................... 38 Conexión de Celdas Solares .................................................................................... 39 Sistema Solar Residencial........................................................................................ 40

Controlador de Carga................................................................................................... 41 Banco de Baterías ........................................................................................................ 41 Inversor........................................................................................................................ 42 Grupo Electrógeno o Respaldo de Energía Adicional................................................. 42 Centros de Carga o Tableros Eléctricos ...................................................................... 42 Otros Accesorios y Equipos ........................................................................................ 42

Medidores ................................................................................................................ 42 Cableado .................................................................................................................. 43


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Conexión a Tierra .................................................................................................... 43 Pararrayos ................................................................................................................ 43 Iluminación.............................................................................................................. 43 Aparatos Eléctricos.................................................................................................. 43 Diseño de un Sistema Solar Residencial ................................................................. 43

Procedimiento.............................................................................................................. 44 Disponibilidad del recurso....................................................................................... 44 Datos de radiación solar .......................................................................................... 45 Estudio de carga ...................................................................................................... 45 Dimensionamiento de los equipos........................................................................... 47 Costos ...................................................................................................................... 50 Integración de los Sistemas Fotovoltaicos............................................................... 53

Sistemas Aislados ........................................................................................................ 53 Sistemas Conectados a la Red ..................................................................................... 53 Centrales Solares de Generación ................................................................................. 54

CAPÍTULO 7: CALENTAMIENTO SOLAR.............................................................56 Conceptos Básicos de Termodinámica.................................................................... 56

Calor y Temperatura.................................................................................................... 56 Calor Específico .......................................................................................................... 56 Primera Ley de la Termodinámica .............................................................................. 56 Segunda Ley de la Termodinámica ............................................................................. 57 Formas de Transferencia de Calor............................................................................... 58

Conducción.............................................................................................................. 58 Convección .............................................................................................................. 59 Radiación................................................................................................................. 59 Colectores Solares ................................................................................................... 59

Funcionamiento del Colector Solar ............................................................................. 60 Orientación e Inclinación del Colector........................................................................ 62 Eficiencia del Colector Solar Plano............................................................................. 63

Absortividad y Superficies Selectivas ..................................................................... 64 Radiación Crítica ..................................................................................................... 64 Caudal de Agua ....................................................................................................... 64 Área del Colector y Calor Útil................................................................................. 65 Sistemas de Calentamiento de Agua con Colectores Solares .................................. 66

Termosifón .................................................................................................................. 66 Sistema de Bomba ....................................................................................................... 66

Diseño de Sistemas de Calentamiento Solar ........................................................... 67 Demanda de Agua Caliente ......................................................................................... 67 Producción Energética Anual del Colector ................................................................. 68 Demanda Energética Anual ......................................................................................... 68 Área del Colector......................................................................................................... 69 Tanque de Almacenamiento ........................................................................................ 69 Bomba y Sistema de Control ....................................................................................... 69 Calentamiento de Agua para Piscinas ......................................................................... 70

Otros Usos del Calentamiento Solar........................................................................ 71 Secado de Granos ........................................................................................................ 71 Desalinización de Agua............................................................................................... 72 Cocinas Solares ........................................................................................................... 72 Arquitectura Solar Pasiva ............................................................................................ 72

CAPÍTULO 8: LA ENERGÍA DEL VIENTO.............................................................75 Pasado y Presente .................................................................................................... 75


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La Fuerza del Viento ............................................................................................... 76 Origen de los Vientos .................................................................................................. 76 Potencia del Viento...................................................................................................... 76 Densidad del Aire, Presión y Temperatura.................................................................. 77

Tipos de Aerogeneradores ....................................................................................... 79 Funcionamiento del Aerogenerador ........................................................................ 81

Fuerzas sobre la Pala ................................................................................................... 81 Ángulo de Ataque........................................................................................................ 82 Potencia del Aerogenerador ........................................................................................ 83

Energía del Viento ................................................................................................... 85 Estación de Medición del Viento................................................................................. 86 Velocidad y Clase del Viento ...................................................................................... 86 Intervalo de Mediciones .............................................................................................. 87 Rugosidad del Terreno ................................................................................................ 89 Distribución de Weibull .............................................................................................. 91 Curva de Potencia del Aerogenerador ......................................................................... 92 Cálculo de la Producción de Energía de un Aerogenerador........................................ 93

Sistema Eólico Residencial...................................................................................... 95 Bombeo de Agua ..................................................................................................... 96

CAPÍTULO 9: BIOENERGÍA......................................................................................97 Introducción............................................................................................................. 97 Biomasa ................................................................................................................... 98 La Fotosíntesis ......................................................................................................... 99 Características de la Biomasa ................................................................................ 100 Utilización de la Biomasa...................................................................................... 101 Biofuerza................................................................................................................ 101

Combustión Directa................................................................................................... 101 Combustión Mixta ..................................................................................................... 102 Gasificación............................................................................................................... 102 Digestión Anaeróbica ................................................................................................ 103

Producción de Metano ........................................................................................... 104 Factores que Afectan la Producción de Metano .................................................... 105 Tipos de Digestores ............................................................................................... 106 Uso del Biogás: Calor y Electricidad .................................................................... 109 Diseño y Capacidad del Biodigestor ..................................................................... 110 Biocombustibles .................................................................................................... 114

Etanol......................................................................................................................... 115 Biodiesel .................................................................................................................... 116

CAPÍTULO 10: OTRAS TECNOLOGÍAS ..................................................................118 Hidroelectricidad ................................................................................................... 118

Potencial Hidroeléctrico ............................................................................................ 118 Tipos de Turbinas ...................................................................................................... 119 Instalaciones .............................................................................................................. 120 Medición de Caudal................................................................................................... 121 Aplicaciones en el Ecuador ....................................................................................... 122

Energía Geotérmica ............................................................................................... 122 El Hidrógeno ¿La Energía del Futuro?.................................................................. 123

La Celda de Hidrógeno o Celda de Combustible ...................................................... 124 Aplicaciones del Hidrógeno como Combustible ....................................................... 125 Producción y Almacenamiento del Hidrógeno.......................................................... 126 El Siglo XXI: el Siglo del Hidrógeno........................................................................ 128


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La Energía del Mar ................................................................................................ 128 Energía de las Olas .................................................................................................... 128 Fuerza Mareomotriz .................................................................................................. 128 Energía Océano Térmica ........................................................................................... 129

Medios de Almacenamiento de Energía ................................................................ 129 CAPÍTULO 11: HACIA UNA POLÍTICA ENERGÉTICA INTEGRAL EN EL

ECUADOR........................................................................................131 Dependencia e Independencia Energética ............................................................. 131 Nueva Estructura del Sector Eléctrico................................................................... 131 Integración del Usuario.......................................................................................... 133 Basura y Transporte ............................................................................................... 134 Eliminación de Barreras a las Energías Renovables.............................................. 134 Financiamiento ...................................................................................................... 135 Aspectos Legales ................................................................................................... 136 El Dilema del Futuro: Energías Renovables o Fin ................................................ 136

BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................137 SITIOS INTERNET ...........................................................................................................140 ÍNDICE DE MATERIAS...................................................................................................142 SOBRE EL AUTOR...........................................................................................................146


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ENERGÍAS RENOVABLES: Conceptos y Aplicaciones

INTRODUCCIÓN Todas las actividades que desarrollamos en nuestra vida diaria están relacionadas con la energía. Al ingerir alimentos o tomar un refresco cargamos nuestro cuerpo con energía que será luego utilizada en una actividad física o intelectual. De este modo la energía que almacena nuestro cuerpo se va transformando en trabajo en mayor o menor grado. Al usar un medio de transporte estamos empleando la energía interna del combustible para generar el movimiento. Cuando grandes buques transportan su carga, utilizan igualmente combustibles para desplazarse. La electricidad también es otra forma de energía. En las oficinas, en el hogar o en la escuela, utilizamos la energía eléctrica para iluminar, para mover un motor o para producir calor en una plancha o en un tanque de agua caliente. Las mismas plantas son pequeños mecanismos que transforman la energía del Sol en alimentos que les sirven para crecer. Al ingerir estos alimentos, en parte estamos tomando esa energía del Sol para nuestro beneficio. Podemos afirmar entonces, que el mundo no podría existir sin energía. Desde sus inicios, los seres humanos han buscado los medios para aprovechar la energía para su propio beneficio. El descubrimiento del fuego en los albores de la civilización permitió disponer de calor y trabajar los metales para la fabricación de herramientas y de armas. La fuerza del agua o del viento, facilitó el procesamiento de los alimentos y granos en los molinos. Posteriormente, en la era industrial la invención de la máquina de vapor dio a los seres humanos la posibilidad de producir grandes fuerzas para sus actividades de trabajo. Más adelante, la introducción de los motores de combustión interna que consumen combustibles fósiles derivados del petróleo llevó a la civilización a disfrutar de un alto grado de confort en el hogar y en el trabajo. Cada vez el hombre va descubriendo nuevas formas de aplicar la energía de forma más eficientemente, aprovechando al máximo la capacidad energética de la materia. Paralelamente, se va creando una conciencia de que el desperdicio de la energía y su uso excesivo, afectan el equilibrio de la naturaleza. En los dos últimos siglos, el consumo de energía a nivel mundial creció enormemente pues en menos de cien años hemos pasado del transporte a caballo y barcos de vela o vapor a vehículos de cientos de caballos de fuerza que alcanzan velocidades de cientos de kilómetros por hora. Actualmente, podemos llegar en pocas horas a los extremos del globo, por o que decimos que las distancias se han acortado y el tiempo ha cobrado significativa importancia. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para que esto se lleve a cabo es mucho mayor. Por todas estas consideraciones, es importante hacer varias reflexiones: ¿Hasta dónde llegará la civilización en el uso libre e ilimitado de la energía? ¿Hasta cuándo podrá la tierra proveernos de los recursos necesarios para este mecanismo funcionando? ¿Qué


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efectos ocasiona el consumo de la energía y qué alternativas existen para reducir la dependencia de los combustibles fósiles? ¿Existen otras formas de generación, producción y distribución de energía eléctrica? A través de este texto de referencia de energías renovables se busca introducir de una manera general el tema de la energía, sus características, propiedades, sus diferentes formas, aplicaciones, restricciones y consecuencias. Además, se pretende hacer un primer acercamiento a las energías renovables, evidenciando sus ventajas y desventajas, su posibilidad de aplicación de diferentes sitios y haciendo una comparación con las energías tradicionales. El alcance de este texto no pretende ser exhaustivo sino más bien práctico en cuanto al conocimiento general de las energías renovables y su aplicación. Igualmente, a lo largo del texto se da referencias de sitios Web o bibliografía relacionada al tema que trata cada capítulo. Finalmente, y para hacer más completo el conocimiento del tema de un capítulo, se dan ejemplos de aplicación de la teoría a fin de familiarizar al lector con los conceptos descritos, las magnitudes, los problemas prácticos y las posibilidades de aplicación en casos específicos.


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CAPÍTULO 1: ENERGÍA La naturaleza es un gran reservorio de almacenamiento de energía, a través de las plantas, los animales y todos los elementos, ya sean estos vivos o inanimados. Podemos citar varios ejemplos. Si vemos una caída de agua y la fuerza con que esa masa choca con la base del río nos impresionamos por la energía que se produce. En una tormenta de rayos nos mantenemos temerosos por la energía que tiene un rayo y los daños que puede ocasionar. Un huracán nos muestra la gran energía que los vientos pueden producir en la tierra o en el mar. Las olas al chocar con toda su fuerza en un acantilado o al llegar a la playa nos mantienen alejados. Qué decir de la energía que libera un volcán al erupcionar o cuando despierta de su letargo con una explosión de lava y ceniza. Al ver el Sol y esas imágenes de explosiones de miles de kilómetros que se producen en la superficie podemos imaginarnos la cantidad de energía que se produce y que a pesar de la distancia, llega a la Tierra. Asimismo, los seres humanos son también un mecanismo que transforma la energía de los alimentos para sobrevivir. Cuando una persona está decaída o cansada decimos que no tiene energía. La energía se asocia entonces con el movimiento, la actividad, o la fuerza vinculada a la actividad que podría generarse.

Definición de Energía Cuando hablamos de energía pensamos en el concepto de fuerza y muchas veces empleamos ambos términos indistintamente. Mientras más fuerza ejerce un cuerpo se requiere más energía, y si una misma fuerza se mantiene durante un mayor tiempo esto igualmente demanda mayor energía. Por ejemplo, al empujar un carro, estamos ejerciendo una fuerza en una dirección. Mientras mayor es la distancia a la que movemos el carro estamos haciendo un mayor trabajo. La definición clásica de trabajo es una fuerza por una distancia, simbólicamente:

dFW .= (1.1) Donde:

F = fuerza, y de mide en Newtons, recordemos que la fuerza a su vez es una masa por una aceleración, es decir [N] = [kg.m/s2]

d = distancia, y se mide en metros [m] W = trabajo, y la unidad es el Joule [J] = [N.m]

La energía se define como la capacidad para producir trabajo1. De aquí que la unidad de la energía es la misma que la del trabajo, el Joule [J]. Si jugamos un poco con las unidades J = kg m/s2. m = kg . m2/s2 ; como velocidad es igual a distancia sobre tiempo v= m/s, entonces J = kg. v2. Fue Albert Einstein (1879 – 1955) quien descubrió que esta velocidad no es otra que la de la luz y dedujo su famosa fórmula: 1 Por lo general esta definición se aplica a la materia, a pesar de que también sabemos que existe la energía psíquica o mental, que aún no sabemos cómo aprovecharla, pero hay evidencias de personas que con su mente pueden doblar metales o mover objetos. Es decir están efectuando un trabajo ¿Qué tipo de energía es ésta y quién nos asegura que en el futuro no podamos aprovechar de esta energía no material en las máquinas?


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2.cmE = (1.2)

Donde: E = Energía y se mide en Joules [J] m = Masa y se mide en kilogramos [kg] c = Velocidad de la luz y se mide en [m/s] igual a 3,0x108 m/s Esta fórmula nos muestra que la energía y la materia son intercambiables, siempre y cuando se produzca a la velocidad de la luz. El científico inglés Thomas Young (1773 – 1829) introdujo por primera vez el término “energía” tomando la palabra griega energeia, que quiere decir “eficacia”. El agua al caer puede mover la rueda de un molino o una turbina que produce un movimiento. Este movimiento permite moler los granos entre dos ruedas de piedra o mover un generador eléctrico. El trabajo final es el resultado de la liberación de energía. Por ejemplo, en el caso de un motor de combustión interna la energía proviene del combustible que se quema, mientras que el motor es un mecanismo que permite realizar un trabajo.

Energía Potencial y Energía Cinética Toda masa tiene energía. Si esta masa está en reposo esa energía se denomina energía potencial, y su ejemplo más característico es el agua en el embalse de una central hidroeléctrica. Puede producir trabajo solamente cuando impacta los álabes o palas de la turbina. Mientras más alto está el embalse, más energía podemos obtener de esa masa, y entonces, el agua baja con mayor fuerza. Esto se explica porque cuando levantamos un peso “gastamos” cierta cantidad de energía para llevarlo del suelo hasta una altura determinada. Eso significa que hemos logrado “almacenar” energía. Si de alguna forma dejamos que ese peso descienda a su posición original, la energía almacenada se libera en forma de calor por fricción o transfiriendo esa fuerza al suelo. Por ejemplo, es como si tomáramos un resorte con uno de sus extremos atado al suelo y lo haláramos hacia arriba. Cuando lo soltamos, se produce una tensión hacia el suelo que permite volver el resorte a su posición inicial. Por su parte, la energía potencial está relacionada entonces con la masa, la altura y la aceleración de la gravedad y se representa por la fórmula:

hgmEp ..= (1.3) Donde:

Ep = Energía potencial y se mide en Joules [J] m = masa y se mide en kilogramos [kg] g = aceleración de la gravedad y se mide en m/s2. En la Tierra es igual a 9,81 m/s2 h = altura a la que está ubicada la masa y se mide en metros [m]

Verifiquemos las dimensiones, ya que debe darnos Joules: kg.m/s2.m = kg.m2/s2 = N.m = J Es importante tomar en cuenta que la energía de una planta, un animal o un combustible no es energía potencial, sino energía química, como veremos más adelante.


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La masa de agua que fluye en un río a cierta velocidad, la masa de aire que impacta en un molino de viento o el vapor que mueve una turbina tienen una energía cinética. Es decir, energía en movimiento que es la que efectivamente produce el trabajo. Para producir esta energía debemos llevar la masa desde su posición de reposo a la de movimiento mediante la acción de una fuerza. Esa fuerza no se transfiere instantáneamente sino que ha debido tomar un tiempo. En reposo la velocidad es cero (velocidad inicial vo) para llegar luego de un tiempo a una velocidad máxima (velocidad final vf). Si queremos encontrar la energía en un momento determinado deberíamos tomar la velocidad media v=1/2 (vo + vf). Como energía es masa por velocidad al cuadrado, la energía cinética es:

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1 .vmEc = (1.4) Donde: Ec = Energía cinética y se mide en Joules [J] m = Masa y se mide en kilogramos [kg] v = Velocidad y se mide en m/s La energía de un cuerpo en un momento determinado es la suma de su energía potencial más su energía cinética. Mientras el agua está en el embalse tiene una energía potencial máxima. A medida que cae, va reduciendo su energía potencial y aumentando su energía cinética y al impacto con la turbina, la energía cinética es máxima y la potencial mínima.

Formas de la Energía La energía se manifiesta de las siguientes formas:

Tabla 1.1 Formas de Energía Forma Origen Producción Usos

Térmica Fricción, combustión, energía cinética

Solar, geotérmica, electricidad, química,

Cocinar, calefacción, vapor

Radiante Sol, electricidad, radiación

Solar, electricidad, química

Iluminación, comunicaciones, medicina

Mecánica Energía potencial Eólica, Hidráulica, Mareomotriz, resortes Mover máquinas

Eléctrica Electromagnetismo, piezoelectricidad, electricidad estática, pilas y baterías

Centrales térmicas, centrales hidráulicas, fotovoltaica, celdas de combustible, pilas y baterías

Motores, electrónica, calentamiento, almacenamiento de energía

Química Combustibles, plantas, animales, elementos químicos, biomasa

Biomasa, petróleo, gas, carbón

Motores de combustión interna, cocinar alimentos, transformación química

Gravitacional Tierra Hidráulica Mover máquinas

Magnética Tierra, imanes Electricidad Electromagnetismo

Nuclear Átomo Centrales nucleares Centrales nucleares, electromedicina, radiología


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Eficiencia Energética Una forma de energía puede transformarse en otra como consecuencia de un proceso, generalmente por la acción de una máquina. Es así como el agua que cae en una central hidroeléctrica, donde intervienen las formas mecánica y gravitacional, se transforma por medio de un generador en energía eléctrica y ésta a su vez puede ser convertida por el usuario en una forma térmica, radiante o mecánica. Esto nos lleva a uno de los conceptos más importantes sobre energía, que se conoce como la Primera Ley de la Termodinámica o Ley de Conservación de Energía:

La energía no se pierde ni se destruye, solo se transforma. El balance energético de un proceso debe ser cero: la energía que ingresa es igual a la energía que se produce. La electricidad empleada por un motor eléctrico se transforma en energía mecánica más pérdidas de calor. Un proceso energético es reversible cuando se puede ir de uno a otro lado del mismo sin modificar el total de energía involucrada en ese proceso. Es decir que, en este caso, la eficiencia es del 100%. Si al motor eléctrico le conectamos un generador obtenemos electricidad y podríamos volver al inicio del proceso. Sin embargo, sabemos que en la vida real esto no es factible pues existen pérdidas por rozamiento y calor en el motor, por la resistencia de los conductores, por la fricción de los engranajes y por el campo magnético del generador. La eficiencia del proceso entonces nunca llega al 100%. En la realidad energética, todo proceso de transformación es irreversible y el grado de aprovechamiento de la energía introducida en el mismo viene determinado por su eficiencia:

EW

=η (1.5)

Donde: η = eficiencia (adimensional) W = Trabajo resultante del proceso, y se mide en Joules [J] E = Energía introducida en el proceso, y se mide en Joules [J]

Potencia y Energía En muchos casos decimos que un automóvil es muy potente cuando puede subir una cuesta a una buena velocidad, o cuando un tractor o un camión pueden llevar un gran peso sin dificultad. La potencia se asocia entonces al tamaño del motor o a la fuerza que puede dar, y así, mientras más grande es un motor, más potente es. La unidad de la potencia en el sistema internacional de unidades es el vatio [W]. Se utiliza también la unidad caballo de fuerza [hp], 1 hp = 746 W. Es muy común utilizar el kilovatio [kW] o sea 1.000 vatios para dimensionar los sistemas energéticos. La energía potencial del embalse de agua depende de la altura a la que está ubicado: mientras más alto, más potencia. Si tenemos dos embalses a la misma altura, uno con más agua que el otro, los dos tienen la misma potencia. Sin embargo, la energía que podemos aprovechar (o extraer) es mayor en el embalse más grande, pues podemos mantener un generador funcionando durante más tiempo. Es similar al caso del motor de gran potencia que consume más combustible que uno pequeño. El tiempo es muy importante en sistemas de energía. Podemos entonces decir que:


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tEP = (1.6)

Donde: P = Potencia y se mide en vatios [W]

E = Energía y se mide en Joules [J] t = Tiempo y se mide en segundos [s] La potencia es la energía en una unidad de tiempo. La planilla de consumo eléctrico viene dada en kilovatios-hora [kWh], es decir que pagamos por el tiempo que nuestros focos y electrodomésticos están conectados. Generalmente, en los sistemas energéticos se toma el tiempo como de una hora y así, energía y potencia tienen las mismas magnitudes.

Voltaje Otra definición dice que la potencia es igual al voltaje por la corriente: IVP .= (1.7) Donde: P = Potencia y se mide en vatios [W]

V = Voltaje y se mide en Voltios [V] I = Corriente y se mide en Amperios [A] El voltaje es una diferencia de potencial o carga eléctrica. Se lo conoce también como fuerza electromotriz. Para comprender el concepto podemos suponer que tomamos un electrón y lo subimos a una parte más alta, cuando lo “soltamos” puede llegar a una distancia mayor pues tiene mayor fuerza que otro electrón a menor altura. Esta diferencia de altura es el voltaje.

Fig. 1.1 Fuerza electromotriz o voltaje

Hay voltajes en corriente continua y corriente alterna, como veremos más adelante. Una pila tiene 1,5 voltios de corriente continua; y, una batería 12 V de corriente continua. Los niveles de voltaje normalizados para electrodomésticos en el Ecuador son de 121 V y 210 V corriente alterna o CA o AC2, esto es el nivel de bajo voltaje bajo. Las líneas eléctricas

2 Para un servicio eléctrico trifásico, es decir tres fases con neutro, el voltaje entre fases VFF es de 210V y el voltaje entre una fase y el neutro VFN es de 121 V (VFN = 3 VFF). Cuando el servicio en monofásico a dos hilos, es decir una sola fase, el VFF = 220V y el VFN = 110V. Comúnmente esta conexión se conoce como “bifásica” pero el término está mal utilizado pues se trata de una sola fase, ya que no hay generación bifásica.

e-

e-

V V

0 0Mayor voltaje Menor voltaje


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de las ciudades tienen voltajes medios de 6.300V, 13.800V y 35.400 V. Los altos voltajes son de 69.000, 138.000 y 230.000 voltios. Vemos que si tenemos un alto voltaje la corriente puede llegar “más lejos” a las ciudades.

Corriente La corriente eléctrica es un flujo de electrones en un circuito eléctrico y se mide en Amperios que se representa por la letra [A]. El número de electrones que circulan determina la cantidad de corriente. Un amperio es un culombio durante un segundo, y un culombio es 6,24 x 1018 electrones. Hay dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. Una pila tiene corriente continua es decir que se mantiene en el mismo sentido durante todo el tiempo. La corriente alterna cambia de sentido en el tiempo, es decir que es positiva y luego negativa. Los motores, transformadores y generadores funcionan con corriente alterna y es la que usamos en nuestras casas. La ventaja de la corriente alterna es que permite elevar los niveles de voltaje en un transformador eléctrico para llevar la corriente a mayores distancias. La cantidad de veces que la corriente cambia de sentido en un segundo se conoce como frecuencia y se mide en Hertz o [Hz]. En Ecuador y en la mayoría de países del continente americano la frecuencia estandarizada es de 60 Hz, mientras que en Europa y Japón es de 50 Hz.

Fig. 1.2 Corriente continua y corriente alterna

Resistencia Otro parámetro muy importante en los sistemas eléctricos es la resistencia. La resistencia es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Se representa por la letra R y su unidad es el ohmio [Ω]. Los conductores son materiales de baja resistencia, en tanto que los aisladores tienen una alta resistencia. La resistencia es directamente proporcional a la resistividad (característica de cada material) y a la longitud e inversamente proporcional al área. La resistencia se incrementa con la temperatura.

tiempo

I+

-

tiempo

I +

-

Corriente Continua Corriente Alterna No cambia de sentido en el Cambia de positivo a tiempo negativo en el tiempo


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Ley de Ohm Podemos expresar la relación entre voltaje, corriente y resistencia por la llamada Ley de Ohm, que dice: RIV .= (1.8)


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CAPÍTULO 2: FUENTES DE ENERGÍA

Historia Los primeros seres humanos utilizaron la energía de las plantas para producir fuego y calentar sus sitios de vivienda, cocinar y forjar sus herramientas y armas. La fuerza de los animales fue aprovechada como medio de transporte, para las tareas de carga o fuerza motriz, y para los grandes ejércitos. Las primeras civilizaciones utilizaron la energía del viento y la fuerza del agua. La energía del Sol se utilizaba para secar los granos e indirectamente calentar los hogares. El carbón fue ya empleado por los chinos miles de años antes de Cristo. Los griegos conocían sobre las fuerzas del magnetismo y la electricidad. El requerimiento energético durante la revolución industrial fue satisfecho inicialmente mediante la quema de la madera y posteriormente con el carbón. El gas sirvió como combustible para iluminación y calefacción desde fines del siglo XVIII, mientras que el uso del petróleo se inició efectivamente tras la invención del motor de combustión interna. El siglo XX trajo consigo una revolución energética y la aplicación de todo tipo de fuentes de energía para los más distintos usos. La invención del generador eléctrico para la producción de electricidad y su aplicación en los motores eléctricos y en las redes eléctricas de distribución marcó el inicio de la era moderna.

La Energía en el Mundo En el año 2001, el consumo mundial de energía según OLADE3 fue de 69.271 millones de barriles equivalentes de petróleo (MBEP). Un barril de petróleo equivale a 0,00581 TJ. Comparando la producción y el consumo de energía por regiones geográficas se obtiene los porcentajes de la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Producción y Consumo Mundial de Petróleo 2001

3 OLADE, Organización Latinoamericana de Energía,

REGIÓN Producción Consumo

TOTAL (Millones de barriles equivalente de petróleo MBEP)

70101,1 69271,7

Latinoamérica y Caribe 9,0% 6,7% África 7,5% 4,0% Asia y Australasia 23,3% 29,2% Medio Oriente 12,2% 4,0% Norteamérica 21,3% 25,7% Ex Unión Soviética 16,2% 12,6% Europa 10,6% 17,8%


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El mapa del mundo de la Fig. 2.1 muestra el consumo por habitante en TEP (toneladas equivalentes de petróleo) del año 2001 para las diferentes regiones4. Como se puede apreciar, el hemisferio norte tiene el mayor consumo, mientras que Ecuador tiene menos de 1 TEP por habitante por año. La producción mundial de energía de 70101 MBEP por fuente para el año 2001 fue de:

Tabla 2.2 Producción Mundial de Energía 2001 Petróleo Gas Carbón M. Electricidad Biomasa 34,6% 21,5% 33,0% 4,9% 6,0%

La potencia instalada mundial de energía eléctrica al año 2001 fue de 3343,5 GW (Gigavatios, 1 GW = 1x109 W = 1x106 kW), mientras que la energía generada fue de 14.671 TWh (Teravatios hora, 1 TW = 1x1012 W). La distribución de la potencia, se presenta en la Tabla 2.3: Tabla 2.3 Capacidad Eléctrica Instalada Mundial 2001

Unidad Térmica Hidráulica NuclearSolar, Eólica,

Geotérmica MW 2.243.489 705.479 364.442 33.435 % 67,1 21,1 10,9 1,0

La Energía en el Ecuador En el año 2001, según datos de OLADE para Ecuador, el consumo final de energía en todas sus formas fue de 47,4 MBEP y solo para electricidad, de 8.104 GWh. Esto representa un consumo de 667 kWh/habitante por año. Este índice se ha utilizado tradicionalmente para determinar el nivel de desarrollo de los países, pues se supone que un mayor consumo por habitante implica un mayor grado de desarrollo industrial. Sin embargo, en la región latinoamericana los países de El Caribe sin ser los de mayor desarrollo tienen un alto índice de consumo, seguidos por los del cono sur, los andinos y los de América central, a excepción de México y Costa Rica que tienen valores altos. Un 4 BP Statistical Review of World Energy 2002

TEP per capita 0-l l-2 2-3 3-4 > 4

Fig. 2.1 Consumo de energía mundial en toneladas equivalentes de petróleo, año


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hogar en los Estados Unidos consume en promedio 12.000 kWh/año, mientras que uno europeo, 5.000 a 7.000 kWh/año. La potencia eléctrica efectiva instalada en Ecuador al año 2001 fue de 3.350 MW. El 51% corresponde a centrales de generación hidráulica y el resto a centrales térmicas que queman combustibles fósiles. En el año 2001 las reservas probadas de petróleo en el Ecuador fueron de 4.630 MBEP, y la producción de 407.500 barriles por día, con lo cual se estimaría que, de mantenerse la tendencia pasada, el Ecuador dispondría de 31 años más de este recurso. El potencial energético del Ecuador proveniente de fuentes de energías renovables convencionales (hidroelectricidad) y no convencionales, se muestra en la Tabla 2.4 a continuación. Parte de estos datos han sido tomados de varias fuentes5 y otros han sido estimados6:

Tabla 2.4 Potencial Energético de las Energías Renovables en el Ecuador - Año 2001

FUENTE ENERGÍA GWh/año

PORCENTAJE CONSUMO ELÉCTRICO AÑO 2000

HIDROELECTRICIDAD 103.000 12 años SOLAR 1.100 13% EÓLICA 545 7% GEOTERMIA 4.700 60% BIOMASA

Plantaciones forestales 820.000 35 años Residuos vegetales

con combustión directa 4.300 50% con biogás 2.155 25%

Desechos municipales con combustión directa 3.966 50%

con biogás 1.249 16% Residuos animales 3.300 42%

TOTAL 938.156 De la Tabla 2.4 se puede observar la relevancia que las energías renovables tienen para solventar el suministro de generación en todo el país, en especial las fuentes hidroeléctricas y la biomasa que pueden cubrir con facilidad varias veces la totalidad del consumo eléctrico nacional. Como se verá más adelante, en el caso de la biomasa se puede producir energía por quema directa o por transformación a biogás que tiene la ventaja de obtener fertilizante como residuo.

5 Fuentes: CONELEC, Plan Nacional de Electrificación 2002-2011. 6 El potencial de energía solar asume la instalación de 5 m2 por cada hectárea (10.000 m2) en el territorio del país (276.840 km2) y un nivel de radiación solar de 4 kWh/m2/día durante 2000 horas al año. Para el cálculo del potencial proveniente del viento, se ha considerado un total de 12 proyectos de 20 MW (6 en la Sierra, 5 en la Costa y 1 en Galápagos) a una velocidad promedio del viento de 5 m/s, con una relación de 2,27 MWh/MW instalado. Este dato fue tomado de un estudio realizado en la zona de Salinas, Provincia de Imbabura. El potencial hidroeléctrico fue estimado en base a una relación de 4.357 MWh/MW obtenido de la energía producida actualmente por las centrales hidroeléctricas (año 2001) y la potencia instalada.


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Clasificación de las Fuentes de Energía Las fuentes de energía se clasifican en renovables y no renovables. Las energías no renovables son el petróleo, el gas natural y el carbón. Se las llama no renovables porque cuando se extrae estos combustibles de la tierra, no se los vuelve a reponer y su disponibilidad es cada vez menor. Se forman por la descomposición producida durante millones de años de material orgánico en el interior de la tierra. La energía nuclear es también una fuente no renovable de energía. Las fuentes de energía renovables, en cambio, provienen de fuentes inagotables, principalmente el Sol y la Tierra y su disponibilidad no disminuye con el tiempo. El Sol y la Tierra seguirán proveyéndonos de energía durante algunos millones de años más, y con él los vientos, la fotosíntesis de las plantas, el ciclo de agua, las fuerzas del mar y el calor al interior de la Tierra. El cuadro siguiente resume las diversas fuentes de energía:

A las fuentes de energía renovable se las conoce también como alternativas, pues ofrecen una solución diferente o alternativa a las tecnologías tradicionales.


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CAPÍTULO 3: ENERGÍAS NO RENOVABLES Los combustibles fósiles se formaron hace más de trescientos millones de años, mucho antes de la era de los dinosaurios, por la descomposición de microorganismos que ocupaban los pantanos y el mar y fueron sepultados bajo capas de lodo, roca y arena de cientos de metros en los sedimentos del mar y los ríos. Por efecto del tiempo, del calor de la tierra, de la presión y de la acción de las bacterias, bajo cientos de metros se formaron primero zonas con un líquido espeso que luego se transformó en petróleo. El gas natural se formó en zonas más profundas y a mayores temperaturas. Con el paso del tiempo el petróleo y el gas natural fueron subiendo en la capa de la tierra y ubicándose en formaciones rocosas cerradas. Acciones y fuerzas similares actuaron para formar el carbón con la transformación de residuos muertos de árboles y plantas que se combinaron con agua de ríos y mares. Debido al contenido de azufre del agua de mar, el carbón formado con agua de mar tiene un mayor efecto contaminante comparado con el petróleo y el gas. En los últimos 50 años el consumo de combustibles fósiles ha crecido en forma significativa utilizándose primero el carbón, luego el petróleo y ahora el gas. Mientras en el año 1950 el carbón representaba el 62% del consumo total de combustibles fósiles, este se redujo al 28% en 1998. El petróleo tuvo su pico de consumo en 1980 con el 45% del total, mientras que el uso del gas natural ha venido incrementándose en los últimos años.

Figura 3.1: Consumo Mundial de Combustibles Fósiles por Fuente 1950 – 1998 (en millones de toneladas

equivalente de petróleo MTEP, 1 TEP = 42 GJ) Fuente: Worldwatch Institute

Gas Natural El gas natural está constituido principalmente por metano. La molécula de metano es el más simple compuesto de hidrocarburo con cuatro átomos de hidrógeno unidos a uno de carbono. Cuando se quema metano se produce la siguiente reacción química:

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1998

Mill

ones

de

tone

lada

s eq

uiva

lent

es d

e pe

tról

eo

[MTE

P]

Gas Natural

Petróleo

Carbón


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CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + ENERGÍA Cuando se calienta el gas metano, cada molécula de metano se combina con dos moléculas de oxígeno para producir dióxido de carbono y agua, y se libera una gran cantidad de energía. El oxígeno es vital en la producción de energía con combustibles fósiles. Como veremos más adelante el dióxido de carbono en la atmósfera es el mayor causante del calentamiento del planeta. Conviene aprovechar de este compuesto simple para dar una idea sobre la cantidad de dióxido de carbono que se emite cuando quemamos combustibles fósiles. La masa de un átomo de carbón es 12 veces la de un átomo de hidrógeno. La masa de oxígeno es 16 veces la masa de un átomo de hidrógeno. Usando estos valores podemos reemplazar en la reacción química del metano las masas atómicas para obtener:

C H4 + 2 O2 → C O2 + 2 H2 O + ENERGÍA 12 + (4 x 1) + 2 x (2 x 16) → 12 + (2 x 16) + 2 x ((2 x 1) + 16) 16 + 64 → 44 + 36

Es decir que por cada 16 kg de gas metano necesitamos 64 kg de oxígeno y se liberan 44 kg de CO2 y 36 kg de agua. El calor producido por 1 kg de metano es de 55 mega joules (MJ) de modo que 16 kg producen 880 MJ. Entonces, por cada kilogramo de dióxido de carbono que se emite a la atmósfera en la quema de gas metano se liberan 22 MJ de calor. Las reservas potenciales de gas natural en el Ecuador se estiman en 105.000 millones de m3 (105 x 109 m3; 1 m3 = 1000 lt = 1 ton), pero el país no dispone de la infraestructura para utilizar este recurso. En Septiembre del 2002 se puso en funcionamiento una central termoeléctrica de con una capacidad de 130 MW (20 unidades de 61 MW cada una), y con una capacidad futura de 312 MW que aprovecha el gas natural del campo Amistad en el Golfo de Guayaquil, cuya capacidad está estimada en 8,78 x 109 m3. Esta planta a plena capacidad generaría 789 GWh por año de energía eléctrica.

Petróleo Para usar la energía del petróleo crudo, se lo debe procesar en una refinería y obtener así los diferentes subproductos o combustibles. Dependiendo de la temperatura a la que se calienta podemos ir rompiendo la unión entre el carbono y el hidrógeno desde los compuestos más livianos con menor número de átomos de carbono hasta los más pesados: gas (metano, etano, propano o butano, que bajo presión se convierte en gas licuado de petróleo (GLP) usado en cocinas y para calentamiento de agua), nafta, gasolina, kerosene, diesel, fuel oil, gas pesado o aceite combustible (bunker), asfaltos, azufre peletizado y otros residuos pesados. A partir de estos materiales más pesados se producen otros compuestos de importancia como parafinas, plásticos y fertilizantes. En Ecuador, las mayores refinerías son: Esmeraldas con 110.000 BPD (barriles por día), La Libertad con 45.000 BPD y Amazonas con 20.000 BPD. El consumo de combustibles en el Ecuador durante el año 2001 se muestra en la Tabla 3.1.


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Tabla 3.1 Consumo de Derivados de Petróleo en el Ecuador Año 2001

Producto Barriles Galones Litros Gasolinas 12.107.111 508.498.662 1.924.667.436 Diesel 2 16.961.718 712.392.156 2.696.404.310 Fuel Oil 10.032.018 421.344.756 1.594.789.901 GLP 7.956.411 334.169.262 1.264.830.657 Jet Fuel 1.597.268 67.085.256 253.917.694 Otros 2.040.073 85.683.066 324.310.405 TOTAL 50.694.599 2.129.173.158 8.058.920.403

Fuente: Petrocomercial, cifras mes de Diciembre 2001

Carbón El carbón es el combustible que más se utiliza en el mundo para la producción de vapor en las plantas de generación de energía eléctrica. Las reservas de este material en los Estados Unidos, Asia, Ex Unión Soviética, Sudáfrica, Australia y la parte norte de Sudamérica, aseguran una provisión superior a los 250 años al ritmo de consumo actual. Siendo un material cuya explotación ha llegado a altos niveles de tecnificación, tiene un precio menor que el gas y el petróleo. El principal inconveniente que tiene el carbón es el grado de emisión de gases contaminantes, principalmente CO2, monóxido de carbono y azufre, que influyen en el calentamiento del planeta. Para reducir este problema de contaminación, se han desarrollado varias tecnologías de calderos que optimizan la combustión del carbón a una menor temperatura. Plantas generadoras de energía en países desarrollados, han tomado conciencia del tema ambiental y generan con un mínimo de contaminación. Los tipos de carbón son:

Tabla 3.2 Tipos de Carbón

Tipo Contenido Carbón %

Calor Específico

MJ / kg Aplicaciones

Antracita 86 – 89 34,8 Calefacción Bituminoso 45 – 86 24,4 – 34,8 Electricidad, acero

Subbituminoso 35 – 45 19,3 – 30,2 Bajo contenido azufre, varias aplic.

Lignito 25 – 35 9,3 – 19,3 Electricidad En el año 2000 se consumieron en todo el mundo aproximadamente 4700 millones de toneladas de carbón. En el Ecuador no se utiliza carbón mineral. El carbón que usamos para cocinar proviene de la madera quemada. Las reservas de carbón, mayormente lignito y subbituminoso se estiman en 24 millones de toneladas. En el futuro este tipo de energía no será parte del recurso energético del país.

Energía Nuclear La energía del átomo se ha aprovechado desde inicios de los años 1960 en la generación de vapor para la producción de energía eléctrica. Cuando un átomo de uranio 235 (U-235) se divide, libera dos o tres neutrones que impactan con otros átomos similares produciendo una reacción en cadena que genera una gran cantidad de calor. Esta reacción nuclear de


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material radiactivo, llamada masa supercrítica, y el calor generado se pueden controlar en una planta de generación nuclear por medio de cilindros de un material especial que al subir o bajar absorbe los neutrones liberados por las barras de combustible nuclear que se encuentran en su interior. Una libra de U-235, de tamaño no mayor a una pelota de tenis, tiene una cantidad de energía equivalente a 1 millón de galones de gasolina. De ahí la razón por la que la energía nuclear haya tenido tanto desarrollo. A fines del año 2001 las 438 plantas de generación nuclear en todo el mundo proveyeron aproximadamente el 16% de la electricidad consumida, y hay 32 más en construcción. En países como Francia, el 77% de la generación eléctrica proviene de la energía nuclear; en Bélgica, el 58%; en Japón, el 37%; y, en los Estados Unidos, el 20%. La capacidad instalada de las plantas nucleares es de 351.327 MW. La energía nuclear ha sido restringida en algunos países, principalmente en Europa y los Estados Unidos, por los problemas asociados a la seguridad. Sin embargo las plantas nucleares seguirán suministrando energía por algunas décadas más. Se ha estimado que la operación de las centrales nucleares reduce las emisiones globales de CO2 de cerca de 500 millones de toneladas de carbón. El principal inconveniente es la disposición del residuo radiactivo que mantiene su toxicidad durante siglos. En el Ecuador no hay plantas nucleares de generación ni las habrá en el futuro.


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CAPÍTULO 4: CONTAMINACIÓN AMBIENTAL Los mayores cuestionamientos que han recibido los combustibles fósiles se deben a las emisiones que producen al quemarse y al descuido en su manipulación. Las emisiones ocasionan un grave impacto en el ambiente. Recordemos solamente el daño que ocasionó en las islas Galápagos el derrame de 150.000 galones de combustible del buque tanque “Jessica” en enero del 2001, o el famoso derrame del buque “Exxon Valdez” en Alaska en 1989 donde el derrame de 11 millones de galones implicó un gasto de 2.100 millones de dólares para limpiar los daños ocasionados. Esto advirtió sobre la falta de previsión y el desconocimiento sobre las acciones a tomar para reducir al mínimo los impactos ocasionados por derrames de combustible en el mar. Igual caso se da en la tierra en las áreas de explotación petrolera y minera donde los residuos y el material explotado en algunos casos no es dispuesto en forma adecuada. También la contaminación se origina en la quema sin control de residuos orgánicos y basura.

Calentamiento Global El principal efecto de la contaminación que producen los combustibles es el de los gases emanados en el denominado calentamiento global. La temperatura en la superficie de la Tierra viene dada por un equilibrio entre la energía radiante del Sol y el calor reflejado por la Tierra al espacio. Los gases invernadero de la atmósfera absorben el calor en forma de radiación infrarroja y ejercen un efecto invernadero, lo cual permite mantener la temperatura de la superficie en un promedio de 15 grados centígrados y crear el ambiente propicio para la existencia de seres humanos, animales, plantas y otras formas de vida. Así ha sido desde el inicio de la vida en el planeta, pero la acción del hombre y su desmedido afán de energía están ocasionando un desequilibrio en la naturaleza con impactos que ya se están sintiendo. La concentración de CO2 en la atmósfera ha crecido desde 280 ppm (partes por millón) antes de la Revolución Industrial hasta 358 ppm en 1994. De mantenerse esa tendencia, llegaría a 500 ppm en el año 20507. El impacto de las actividades humanas en el calentamiento global debido a los gases invernadero se da en las siguientes proporciones: dióxido de carbono, 63,7%; metano, 19,2%; fluorocarbonos, 10,2%; subóxido de nitrógeno, 5,7%; y otros, el 1,2% restante. Debido a la mayor concentración de gases invernadero, principalmente CO2, la energía en forma de calor que se refleja al espacio, se mantiene durante más tiempo junto a la superficie de la Tierra, produciéndose un aumento de la temperatura. Como podemos observar, el mayor causante del calentamiento global es el dióxido de carbono y el origen de estas emisiones se debe al uso de combustibles fósiles. Las emisiones de un motor de combustión interna como el usado en los automóviles, incluye, además de CO2 y vapor de agua, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono (CO). Estos dos últimos gases son los que causan daños en la salud y envenenamiento de las personas. El uso de convertidores catalíticos reduce significativamente el nivel de estos contaminantes. El convertidor catalítico es un tipo de

7 What Will Happen to the Earth? What Do We Do for the 21st Century? (Japan Environment Agency)


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filtro que se coloca en el sistema de escape de los automóviles y reduce significativamente los gases venenosos como monóxido de carbono y óxido nitroso. En las plantas térmicas de generación eléctrica, que queman combustibles fósiles, también se producen estos gases, así como compuestos de azufre, causantes de la denominada lluvia ácida. Es por ello que estas plantas deben contar con equipos y filtros para reducir al mínimo las emisiones.

Efectos de las Emisiones Durante los últimos cien años, la temperatura de la Tierra se ha incrementado entre 0,3oC a 0,6oC. De continuar la tendencia de consumo energético actual, sin tomar medidas que lo impidan, a fines del Siglo XXI la temperatura aumentaría entre 1oC y 3,5oC. En la Edad del Hielo, la temperatura promedio fue solamente entre 3oC y 6oC menor que la actual, lo que nos da una idea de la seriedad que el incremento de temperatura de “solo” 2oC puede ocasionar en el equilibro natural. Las consecuencias que pueden resultar del calentamiento global son8:

• Aumento del nivel del mar debido a la expansión del agua por incremento de temperatura. Un aumento de 2oC significaría una variación entre 15 cm y 95 cm del nivel del mar;

• Impacto en el recurso agua y en desastres naturales (inundaciones, sequías);

• Impacto en la agricultura (variación de la producción en sembríos);

• Impacto en la salud humana (olas de calor, enfermedades contagiosas, malaria, cólera);

• Impacto en animales y plantas (relocalización de animales hacia zonas del norte, extinción de ciertas especies);

• Impacto en las ciudades (aumento de energía para aire acondicionado, olas de calor en zonas urbanas).

Tomando los datos de consumo total anual de combustibles en el Ecuador, se ha estimado los niveles de emisión de CO2 que se producen en el año 2001, lo que se muestra en la Tabla 4.1:

Tabla 4.1 Cálculo de Emisiones de CO2 en el Ecuador - Año 2001 Combustible Litro Kg CO2/ litro TOTAL kg CO2 Gasolinas 1.924.667.436 2,310 4.445.981.776 Diesel 2 2.696.404.310 2,680 7.226.363.552 Fuel Oil 1.594.789.901 3,117 4.970.960.123 GLP 1.264.830.657 1,510 1.909.894.292 Jet Fuel 253.917.694 2,520 639.872.589 Otros 324.310.405 2,933 951.202.417 TOTAL 8.058.920.403 kg de CO2 20.144.274.749 millones de toneladas de CO2 20,14

8 Impact of Global Warming on Japan 1996. (Report by Impact Assessment Working Group, Global Warming Committee, Japan Environment Agency)


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Suponiendo que del total de combustible un 15% no se ha consumido, es decir se mantiene almacenado en los vehículos o en tanques, llegamos a determinar que el Ecuador emitió 17,12 millones de toneladas de CO2 el año 2001, valor que coincide con resultados obtenidos por OLADE. En el caso específico de Galápagos, los combustibles son traídos desde el continente en buques y el riesgo de derrame está siempre latente, tanto en el mar como en la tierra. De allí la importancia de sustituir los combustibles fósiles en la generación de electricidad, en una primera instancia y, posteriormente, en los vehículos. En el año 2001 el consumo de diesel para la generación eléctrica en Galápagos fue de 1,4 millones de galones, que corresponde al 26% del total consumido de diesel. El subsidio por galón de diesel o gasolina en el año 2001 fue de 0,14 centavos de US dólar, mientras que el subsidio por cilindro de 15 kg de gas licuado de petróleo (GLP) llegó a 1,61 US dólares9. El uso de energías renovables permite reducir significativamente el impacto de las emisiones y los costos asociados al subsidio de combustibles, con un beneficio directo al Estado y a la población en general. Las energías renovables serán tratadas en detalle en los siguientes capítulos.

9 Informe Galápagos 2001-2002, Fundación Natura - WWF, pág. 36.


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CAPÍTULO 5: EL SOL El Sol siempre ha cautivado el interés de las civilizaciones. Los primeros habitantes de la Tierra atribuían al Sol grandes poderes y lo consideraban la principal fuente de vida. Civilizaciones avanzadas de América describían con gran exactitud los movimientos del Sol y su importancia para los ciclos de siembra y cosecha, y en la fiesta del Inti Raymi, los Incas ofrecían adoración al dios Sol. El inmenso progreso científico de los dos últimos siglos nos ha llevado a confirmar el criterio de nuestros antepasados sobre la importancia del Sol y sus fenómenos asociados que son: la radiación electromagnética y, como parte de ella, la luz, el magnetismo, y la atracción de la gravedad. Estos aspectos físicos del Sol se complementan con los fenómenos sociales y síquicos y su efecto en la salud, el crecimiento y en el estado de ánimo de los seres vivos. Para ilustrar lo anteriormente mencionado, citemos algunos ejemplos: Si nos encontramos dentro de un vehículo en un día soleado, y más aún en el Ecuador donde los rayos del Sol caen perpendicularmente, apreciamos en poco tiempo el incremento de la temperatura y podemos de alguna forma medir la energía recibida. Caso similar ocurre en un invernadero. Los vientos se originan por la diferencia de presión debido al calentamiento solar de las masas de aire en las zonas cálidas que ascienden y chocan con el aire frío de las zonas más altas. Las plantas reciben la radiación solar y en la fotosíntesis producen los azúcares para su subsistencia; la energía de los fotones es parte vital de esta transformación química que se revierte al alimentarnos, devolviéndonos esa energía. El descubrimiento del efecto fotovoltaico, que veremos más adelante, transforma la energía del fotón al impactar en un material semiconductor en una corriente eléctrica. Los combustibles fósiles deben su energía a la que recibieron del Sol en sus años de vida como plantas y animales. Concluimos, entonces, que el Sol es la fuente de energía primaria de nuestro planeta, y lo seguirá siendo por millones de años más. Conviene, por tanto, darle al Sol la importancia que se merece.

Energía Solar Para comprender de dónde procede la energía del Sol debemos transportarnos al interior de esta estrella gaseosa de casi 700 mil km de radio. Debido a la inmensa fuerza de gravedad y a temperaturas de 16 millones de grados en el interior del Sol, dos átomos de hidrógeno se fusionan en uno de helio y la diferencia de masa se convierte en energía (recordemos que E = m c2). La temperatura exterior del Sol, que en realidad es la de la fotosfera que es la parte del Sol que vemos desde la Tierra, es de 5.780 grados Kelvin. Cero grados Kelvin (0 K) es la temperatura del cero absoluto, es decir ningún elemento puede ser más frío que ese límite, y equivale a -273 oC. La órbita que describe la Tierra alrededor del Sol es una elipse, con el Sol en uno de sus vértices. El 21 de diciembre la Tierra está más alejada del Sol, mientras el 21 de junio está


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más cerca. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150x 106

km, y se llama una unidad astronómica10.

Radiación Solar La radiación que emite un cuerpo en función de la temperatura viene dada por la ley de Stefan-Boltzman:

4TM σ= (5.1)

Donde: M = Densidad total de flujo radiante emitida por cuerpo en W/m2 σ = Constante de Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8 [W m-2 K-4] T = Temperatura del cuerpo en K El Sol irradia energía en todas las direcciones y parte de este flujo llega a la Tierra a través del espacio vacío. Esta energía se emite en dos formas, como:

1. Radiación electromagnética, que incluye: los rayos ultravioletas, los rayos X, la luz visible, las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio; y,

2. Viento solar, compuesto de partículas atómicas energizadas: neutrinos y protones.

La atmósfera de la Tierra es una capa protectora de esta radiación y del viento solar. La disminución en la capa de ozono de la Tierra reduce el grado de protección contra la radiación, especialmente de los rayos ultravioleta.

Ejercicio 5.1: Calcular la radiación del Sol que llega a 1 m2 de la Tierra. Datos: Radio del Sol= rs= 695.500 km Distancia media Sol-Tierra = rst = 149,6 x 106 km

Temperatura en la superficie del Sol = 5780 K Solución: Calculemos la radiación emitida por el Sol usando la ley de Stefan-Boltzman Msol = 5,67x10-8 [W m-2 oK-4] x (5.780)4 [K4] = 63 284 071 [W m-2] = 63,28 [MW m-2]

Como la cantidad total de radiación en la superficie del Sol debe ser igual a la radiación en la órbita de la Tierra (la energía no se destruye), entonces

Msol x Asol =Mtierra x Asol-tierra (1)

Como Asol = π rs

2 y Asol-tierra = π rst2

podemos reemplazar en (1) y tenemos:

10 Exactamente, la distancia media entre el Sol y la Tierra es de 149 597 870 km

rst rs

Tierra Sol


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Msol x π rs2 = Mtierra x π rst

2, suprimiendo π en ambos lados de la ecuación y despejando para Mtierra tenemos:

Mtierra = Msol x (rs2 / rst

2)

Reemplazando valores:

Mtierra = 63,28 [MW m-2] x ((695,5 x 106)2 [m2] / (149,6 x 109)2 [m2]))= Mtierra = 63,28 [MW m-2] x (1 / 46266) = 1,367x10-3 [MW m-2] = 1367 [W m-2] Este valor se conoce como la constante solar y se usa en cálculos de radiación solar para sistemas fotovoltaicos y termo solares. Para medir la radiación solar se dispone principalmente de dos tipos de medidores:

1. El piranómetro, que mide la radiación hemisférica en un plano y consiste de una serie de termocuplas que es una unión de dos placas metálicas de diferente material y conductividad térmica. El cambio en temperatura en estas placas metálicas produce un cambio de voltaje que es proporcional a la radiación. Para su lectura, debe conectarse una resistencia en paralelo (shunt) y hay que tomar en cuenta el valor de ajuste por voltaje, propio de cada piranómetro. La ventaja del piranómetro es que permite medir tanto la radiación directa como la reflejada.

2. La celda fotoeléctrica con compensación por temperatura, la cual genera una

corriente eléctrica. La precisión de este medidor es mucho menor que la del piranómetro y solo mide la radiación global.

El Espectro Electromagnético En el caso de las energías renovables, nuestro interés se centra en aprovechar la energía que nos llega del Sol en forma de radiación electromagnética. La radiación electromagnética puede ser descrita como un flujo de fotones, que son partículas sin masa, que se desplazan en forma de ondas a la velocidad de la luz y transportan la energía de un punto a otro. Cada fotón contiene una cantidad fija de energía (o paquete de energía); dependiendo de la energía de un fotón podemos ir desde las ondas de radio, que son las de menor energía hasta los rayos gamma. Los fotones con mayor energía tienen una menor longitud de onda, que es igual a decir que tienen una mayor frecuencia. Veamos algunos

de estos conceptos: La Fig. 5.1 muestra dos ondas, que son como las olas que se forman en un estanque al lanzar una piedra, o como las olas del mar. El agua es más alta en unos sitios que en otros. Mientras en la onda (a) tenemos dos picos, en la onda (b) hay cuatro a igual distancia. El ciclo de la onda es el recorrido de un pico (o valle) al siguiente. La onda (b) recorre cuatro ciclos mientras que la (a) recorre dos. Decimos que la Fig. 5.1 Longitud de onda


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longitud de la onda (a) es más larga que la (b). Entonces, la longitud de onda es la distancia que recorre la onda en un ciclo y se representa por la letra griega lambda λ. Si medimos el tiempo que toma una onda en un ciclo hablamos de la frecuencia de la onda, y se representa por la letra griega NU ν. La frecuencia de la onda nos permite conocer el número de ciclos por segundo y se mide en Hertz [Hz] (1 Hertz = 1 ciclo por segundo). La onda (b) tiene una mayor frecuencia que la onda (a). La unidad de medida de la longitud de onda para las ondas electromagnéticas es el nanometro, es decir 0,000000001 m (1x10-9 m) y se representa como [nm]. Es común utilizar también las unidades micrometro o micras [µm] (1 x 10-6m) o el ángstrom [Ǻ] (1x10-8m). Recordemos que las ondas son fotones que se mueven a la velocidad de la luz c, por lo que la frecuencia de la onda puede obtenerse como ν = c/λ. La altura de la onda desde la línea media entre un pico y un valle, se denomina amplitud de la onda, y determina la intensidad de la onda. De allí que cuando aumentamos el volumen de una radio estamos aumentando la intensidad de la onda; mientras que, cuando cambiamos de emisora estamos variando la frecuencia. La intensidad de la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud de onda y es lo que conocemos normalmente como brillo. La cantidad de energía que transporta un fotón viene dada por la ecuación:

νhE = (5.2) Donde: E = energía de un fotón en J h = Constante de Planck = 6.624 10-34 J/s ν = frecuencia en Hz Como veremos más adelante, esta ecuación, que es la base de la teoría cuántica, nos ayudará a comprender la forma en que se liberan los electrones en un panel fotovoltaico. La energía de un fotón se mide en electrón voltios [eV], 1 eV = 1,602 x 10-19 J.

Mientras más energía tiene una onda, mayor es su frecuencia y menor su longitud de onda.

Se puede determinar las siguientes regiones del espectro electromagnético ordenadas de menor a mayor energía:

Tabla 5.1 Regiones del Espectro Electromagnético

Onda Longitud de onda (m) Frecuencia(Hz) Energía (J)

Radio > 1 x 10-1 < 3 x 109 < 2 x 10-24 Microondas 1 x 10-3 - 1 x 10-1 3 x 109 - 3 x 1011 2 x 10-24- 2 x 10-22 Infrarroja 7 x 10-7 - 1 x 10-3 3 x 1011 - 4 x 1014 2 x 10-22 - 3 x 10-19 Luz visible 4 x 10-7 - 7 x 10-7 4 x 1014 - 7.5 x 1014 3 x 10-19 - 5 x 10-19 Ultravioleta 1 x 10-8 - 4 x 10-7 7.5 x 1014 - 3 x 1016 5 x 10-19 - 2 x 10-17

Rayos X 1 x 10-11 - 1 x 10-8 3 x 1016 - 3 x 1019 2 x 10-17 - 2 x 10-14 Rayos Gamma < 1 x 10-11 > 3 x 1019 > 2 x 10-14


25

La luz es solo una pequeña parte del espectro electromagnético y va desde los 400 a los

700 nm. El color de la luz depende de su longitud de onda, desde el rojo hasta el violeta. Fue Sir Isaac Newton quien descubrió en 1666 que la luz del Sol es una mezcla de diferentes partículas de colores y lo denominó el “espectro” (del inglés “ghost”, fantasma). Cada elemento tiene sus propias líneas espectrales y es así como podemos saber solo con la luz de las estrellas o de un cuerpo los elementos que las componen. Las radiaciones emitidas por los cuerpos calientes

tienen una longitud de onda cercana al color rojo. Los fotones que emiten una radiación de color azul tienen más energía que aquellos de color rojo. La luz, tanto la natural que nos viene del Sol, como aquellas artificiales con focos incandescentes, fluorescentes, de descarga, o los últimos con elementos semiconductores (LEDs) son un flujo de fotones de diversas longitudes de onda que se ubican en el espectro de la luz visible, y por ende sensibles al ojo humano. Habíamos visto que la energía radiante de un cuerpo depende de su temperatura T y ahora sabemos que también depende de la longitud de onda de los fotones de esa radiación a lo largo de todo el espectro electromagnético. Estos conceptos se unifican en la denominada Ley de Planck, que determina la energía radiante de un cuerpo en función de T y λ.

Cuando un cuerpo emite toda su radiación y al mismo tiempo absorbe toda la radiación de los demás cuerpos, decimos que se trata de un “cuerpo negro”. El Sol puede considerarse como un cuerpo negro. La curva de la Fig. 5.3 muestra la energía radiante del Sol (o su distribución espectral) en el exterior de la atmósfera de la Tierra y en la superficie de la Tierra en función de la longitud de onda. Este gráfico corresponde a la temperatura del Sol de 5800 K. Aquí se observa lo siguiente:

Fig. 5.2 Espectro de la luz

UV visible infrarrojo

Fig. 5.3 Espectro solar en el exterior de la atmósfera y en la superficie de la Tierra comparado con la radiación de un cuerpo negro de T = 5780 K.

Absorbido y esparcido por la atmósfera

Espectro al exterior de la atmósfera

Espectro de un cuerpo negro T = 5780 K

Espectro típico en la superficie al mediodía durante un cielo claro

E


26

1) La radiación que llega a la Tierra es menor que la que incide sobre la parte exterior de la atmósfera. Por tanto, hay una pérdida de energía.

2) La parte de la luz visible del espectro tiene la mayor energía. 3) Las radiaciones de mayor longitud de onda (menor frecuencia) se ubican en la zona

infrarroja y son absorbidas en su mayor parte en la atmósfera. Son estos fotones los que al impactar con el aire de la atmósfera producen el calentamiento de nuestro planeta.

4) Ciertas frecuencias son absorbidas en la atmósfera más que otras. La radiación solar, a su paso por la atmósfera, sufre algunos procesos de extinción: se refleja en las nubes y vuelve al espacio; es esparcida y cambia de dirección; se absorbe por el vapor de agua y los aerosoles; llega directamente sin afectarse; se difunde - particularmente los fotones de alta energía y por eso el cielo se ve azul; o se refleja en el suelo. Es importante anotar que se conoce como radiación solar global o total a la suma de los componentes de radiación directa más la difusa más la reflejada en el suelo.

El espesor de la atmósfera determina igualmente cuánta energía se pierde hasta llegar a la superficie de la Tierra. La masa de aire (abreviada AM por sus siglas en inglés “air mass”) es la distancia entre el suelo, usualmente al nivel del mar y la parte exterior de la atmósfera. En el espacio exterior la masa de aire es cero AM0. Un rayo de sol perpendicular al suelo tiene una AM1, es decir una atmósfera de distancia. Esto no es lo común, pues dependiendo de la posición del Sol durante el día o el año, esta masa se incrementa y la radiación debe

Fig. 5.4 Componentes de la radiación solar

AM1 Atmósfera

tierra

Espacio exterior AM0A B

C

17H00 12H00 : DíaDiciembre Abril : Mes

AM>1

Fig. 5.5 Variación anual y diaria de la masa de aire


27

recorrer una mayor distancia hasta el suelo. Mientras el ángulo ACB aumenta, la AM también aumenta. Este ángulo de inclinación varía entre 0 y 90 grados. Cuando el Sol está en el Cenit, es decir perpendicular a la tierra (al mediodía), el ángulo es cero y la AM=1; y, cuando el Sol se oculta este ángulo, se acerca a 90o y la AM=36,5. Las condiciones estándar de prueba (STC) para productos y equipos que utilizan la energía del Sol (por ejemplo, paneles fotovoltaicos, colectores termo solares) asumen la AM = 1,5; es decir, el Sol tiene una inclinación de 28,2 grados respecto de la vertical, una temperatura de 25oC, una radiación de 1000 W/m2

y una velocidad del viento de 1 m/s. Si bien la radiación que llega a la tierra es menor que la que llega a la parte extraterrestre de la atmósfera, ésta actúa como un filtro de los rayos de alta energía (rayos gamma, rayos x, rayos ultravioleta), que destruirían la vida existente. Algunos fabricantes definen las condiciones normales de operación, más reales que las STC y son: AM=1,5, radiación 800 W/m2, temperatura 20°C, y velocidad del viento 1 m/s.

Radiación Solar en el Ecuador Los datos de radiación solar para algunas ciudades del Ecuador se muestran en las tablas 5.2 y 5.3. Estos han sido tomados de la base de datos de la NASA11. Los datos que presentamos nos dan una indicación global de la radiación. Se proporciona tanto los niveles de radiación diaria promedio para cada mes y el dato de índice de claridad (clearness index) que es muy útil para calcular las componentes directa y difusa de la radiación. El término insolación empleado aquí es equivalente al de radiación solar aunque por lo general se trata solamente de radiación solar directa. Además de los datos disponibles, en caso de diseñar sistemas para uso de la energía solar con paneles fotovoltaicos y colectores, se recomienda tomar lecturas del sitio durante al menos un año y hacer una correlación con datos históricos a fin de garantizar una localización y funcionamiento adecuados.

Tabla 5.2 Insolación Promedio 10 Años en el Ecuador en [kWh m-2día-1]

INSOLACIÓN PROMEDIO 10 AÑOS EN kWh m-2 día-1 Sitio: Latitud (Sur) /Longitud (Oeste) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Cotopaxi:-1/79 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.47 3.71 3.97 3.98 3.77 3.88 3.79Cuenca-Loja:-3/79 3.76 3.99 3.98 3.87 3.84 3.53 3.79 4.17 4.29 4.08 4.26 4.05Esmeraldas:0/80 4.05 4.42 4.71 4.51 4.17 3.79 3.75 3.90 3.96 3.88 3.93 3.97Guayaquil: -3/80 4.34 4.58 4.66 4.55 4.37 3.85 3.96 4.30 4.53 4.37 4.62 4.53Ibarra-Tulcán:0/79 3.73 4.01 4.17 3.95 3.75 3.56 3.85 4.01 3.95 3.79 3.81 3.73Islas Galápagos:-1/91 6.25 6.56 6.78 6.49 6.03 5.56 4.92 5.19 5.28 5.49 5.46 6.01Manabí:-2/81 5.05 5.22 5.51 5.45 5.00 4.01 3.84 4.15 4.42 4.26 4.54 4.91Napo: -2/77 4.45 4.36 4.33 4.04 4.11 3.74 4.01 4.55 4.82 4.59 4.47 4.67Quevedo: -1/80 4.15 4.44 4.63 4.50 4.21 3.68 3.68 3.92 4.01 3.86 4.01 4.09

11 NASA, http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/ . Otro sitio es el de la Universidad de Massachusetts con información más exacta http://energy.caeds.eng.uml.edu/academic.shtml. La información del INAMHI debe ser convertida de brillo solar a radiación.


28

Quito:-1/79 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.47 3.71 3.97 3.98 3.77 3.88 3.79Riobamba: -2/79 3.74 3.97 3.96 3.83 3.76 3.43 3.63 3.98 4.05 3.82 3.99 3.87Santa Elena: -3/81 5.25 5.43 5.62 5.51 5.13 4.32 4.25 4.59 4.97 4.84 5.13 5.28

Tabla 5.3 Índice de Claridad Promedio 10 Años en el Ecuador ÍNDICE DE CLARIDAD PROMEDIO 10 AÑOS (0 A 1.0) Sitio: Latitud/Longitud Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Cotopaxi:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 0.36 0.38 0.38Cuenca-Loja:-3/-79 0.36 0.38 0.38 0.39 0.41 0.39 0.41 0.43 0.42 0.39 0.41 0.40Esmeraldas:0/-80 0.40 0.43 0.45 0.44 0.43 0.41 0.40 0.39 0.38 0.38 0.39 0.40Guayaquil: -3/-80 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.43 0.43 0.44 0.44 0.42 0.45 0.44Ibarra-Tulcán:0/-79 0.37 0.39 0.40 0.39 0.39 0.38 0.41 0.41 0.38 0.37 0.38 0.38Islas Galápagos:-1/-91 0.62 0.63 0.65 0.64 0.63 0.60 0.53 0.53 0.51 0.53 0.54 0.60Manabí:-2/-81 0.50 0.50 0.52 0.54 0.53 0.44 0.41 0.42 0.43 0.41 0.44 0.49Napo: -2/-77 0.44 0.42 0.41 0.40 0.43 0.41 0.43 0.47 0.47 0.44 0.44 0.46Quevedo: -1/-80 0.41 0.43 0.44 0.44 0.44 0.40 0.39 0.40 0.39 0.37 0.40 0.41Quito:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 0.36 0.38 0.38Riobamba: -2/-79 0.37 0.38 0.38 0.38 0.40 0.38 0.39 0.41 0.39 0.37 0.39 0.38Santa Elena: -3/-81 0.51 0.51 0.53 0.55 0.55 0.48 0.46 0.47 0.49 0.46 0.50 0.52

Aplicaciones de la Energía Solar El desarrollo tecnológico actual permite aprovechar la energía del Sol para los usos más diversos. Las aplicaciones pueden ser agrupadas en:

En los capítulos siguientes revisaremos las más importantes aplicaciones de la energía solar en diversas áreas.

ELECTRICIDAD

CALOR

BIOMASA

Efecto fotovotaico Concentradores solares

Colectores termo solares residenciales Secadores solares Construcción solar pasiva Desinfección de agua Desalinización de agua

Fotosíntesis Biocombustibles Biogás Compost y fertilizantes


29

CAPÍTULO 6: ELECTRICIDAD DEL SOL

Estructura del Átomo Recordemos que el átomo está constituido por un núcleo, con protones de carga positiva, neutrones de carga neutra y electrones con carga negativa que giran alrededor del núcleo. Uno de los descubrimientos más importantes en la física atómica fue que el número de electrones que ocupan las órbitas de un átomo es fijo y viene determinado por su número cuántico, siendo mayor en las órbitas más exteriores. Una tabla periódica de los elementos nos permite conocer los orbitales (o niveles de energía) de los átomos por su número cuántico. La energía del átomo, entonces, no es continua sino discreta, es decir que aumenta a “saltos” o en paquetes, los denominados “cuanta” de energía, de donde se origina el estudio de la física cuántica. Para que un electrón se mueva de una órbita interna a otra más externa necesita recibir una cierta cantidad de energía. Si esta es insuficiente, permanece en su orbital; y, si la energía es suficiente puede saltar al orbital siguiente o quedar libre. Si la energía es excesiva puede liberarse más de un electrón o eliminarse como pérdidas en forma de calor. El caso contrario ocurre si un electrón de un orbital exterior salta a uno interior, en este caso libera energía. Por lo general esa energía adicional proviene de los fotones. Cuando la luz impacta sobre un objeto, el efecto que ocurre depende de tres factores:

1. De la cantidad de energía que trae el fotón; 2. De la frecuencia natural en que los electrones vibran en el material; y, 3. De la fuerza con que el núcleo (los protones) atrae a los electrones.

Los procesos que se producen al impactar la luz en el objeto pueden ser uno o varios de los siguientes: reflexión o dispersión, absorción, refracción, o pueden pasar a través del material, sin afectarse. Cada nivel energético del átomo, determinado por sus niveles orbitales tiene una franja vacía (“gap” de energía, brecha de energía o zona prohibida) limitada en su parte superior por la llamada banda de conducción y en su parte inferior por la llamada banda de valencia. Cuando un electrón se encuentra en la banda de conducción es libre para movilizarse en el material. La corriente eléctrica es justamente un flujo de electrones libres en un circuito eléctrico. Al liberarse un electrón de un átomo, queda un “hueco” (falta de un electrón) y el átomo se convierte en un ión de carga positiva, por ello se dice que se genera una pareja electrón-hueco.

Fig. 6.1 Materiales conductores

Ev

Eg << 1 eV

Ec

Ec Ev Eg <0 traslape


30

Los materiales conductores tienen facilidad para liberar electrones, pues en la última órbita tienen un solo electrón (el electrón de valencia) y al estar más alejado del núcleo la fuerza de atracción es mínima. Los elementos conductores son los metales como el oro, la plata, el cobre o el aluminio. En estos las bandas de conducción y de valencia están muy juntas, haciendo posible que fotones o alguna excitación de otro tipo como un campo eléctrico, un campo magnético o el calor, generen electrones fácilmente. El gap o brecha de energía en estos materiales es cero o mucho menor que 1 eV, como se muestra en la Fig. 6.1. Otros elementos se conocen como aislantes, es decir que no tienen electrones de valencia. Un material aislante, por ejemplo, es la cerámica ya que no permite la circulación de una corriente eléctrica. En un material aislante la franja entre las bandas de conducción y de valencia es muy grande y no hay fotones con la suficiente energía para “cargar” a un electrón para que salte. La brecha de energía en los aislantes está cercana a los 5eV. Hay elementos que permiten la circulación de corriente eléctrica en determinadas condiciones y se llaman semiconductores. Los elementos semiconductores son cristales

como el Silicio, el Germanio, o el Arsenuro de Galio, que se utilizan en la fabricación de elementos electrónicos como los circuitos integrados, el transistor o el diodo. La celda solar es un tipo de diodo fabricado con materiales semiconductores. En los semiconductores típicos como el Silicio, la brecha de energía es de 1,11 eV.

Efecto Fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico explicado por Albert Einstein en 1905, que le hizo acreedor al Premio Nobel en 1921 y dio origen a la teoría de la física cuántica, se produce al incidir la luz en un metal. Al impactar en el metal, los fotones liberan electrones y se genera una corriente eléctrica en un circuito. La cantidad de electrones liberados es función de la frecuencia de los fotones que inciden más que de la intensidad de la luz. Solo fotones de ciertas frecuencias tienen la cantidad de energía requerida para liberar los electrones. Obviamente una mayor intensidad (número) de fotones de esa frecuencia liberará más electrones. Este concepto nos ayudará a explicar el funcionamiento de la celda solar.

Funcionamiento de la Celda Solar El átomo de silicio tiene un número atómico 14. Es decir, tiene 14 electrones y 14 protones, con sus dos primeras capas orbitales llenas (2 y 8 electrones respectivamente). La tercera capa orbital puede tener hasta 8 electrones pero el silicio solo ocupa cuatro, quedando cuatro “huecos” libres. En un cristal de silicio los átomos “enlazan” sus electrones con los huecos del átomo contiguo formando una unión muy sólida entre sí. Un

Ev

Ec

Eg ≈ 1 eV

Fig. 6.3 Materiales semiconductores

Ev

Eg ≈ 5 eV

Ec

Fig. 6.2 Materiales aislantes


31

cristal de silicio puro es un aislante pues no tiene electrones libres. Este se conoce como silicón intrínseco.

La probabilidad de encontrar un electrón entre la banda de valencia y la de conducción es de 0,5 pues el elemento se encuentra en equilibrio, lo cual viene determinado por el Nivel de Energía de Fermi de ese material. Para comprender este concepto imaginemos que los electrones, dependiendo de su energía van ocupando los niveles orbitales de energía desde el de menor energía hasta el de mayor energía. A la temperatura del cero absoluto, la capa más exterior de estos niveles, es decir la de máxima energía es el Nivel de Energía de Fermi. Con el aumento de la temperatura o por la acción de los fotones, la probabilidad de que los electrones pasen a la banda de conducción aumenta. Para profundizar sobre este tema se recomienda revisar el sitio de Internet de la referencia12.

Si al silicón intrínseco introducimos impurezas combinándolo con otro elemento, podemos cambiar las propiedades del material y favorecer la creación de electrones o huecos libres.

12 HyperPhysics (©C.R. Nave, 2002), http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/fermi.html#c1

- +- +

- +

- +

- +

-+

-+

- +- +

- +

- +

- +

- +

- +

-+

- +

-+

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +Si Si Si

Si

Si Si Si

Si Si

Ec

Ev

0,5 Ef

Fig. 6.4 Estructura atómica del silicio intrínseco o puro y bandas de valencia y conducción

- +- +

- +

- +

- +

-+

-+

- + - +

- +

- +

- +

- +

- +

-+

- +

-+

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +Si Si Si

Si

Si Si Si

P Si - Ef

Ec

Ev

>0,5

Fig. 6.5 Estructura atómica del silicio dopado con fósforo, semiconductor tipo n


32

Esto se denomina dopar el material. Dos elementos son los preferidos para este propósito: el fósforo (símbolo químico P), que tiene 5 electrones de valencia y el boro (símbolo químico B) que tiene 3 electrones de valencia. El silicio así dopado se lo conoce como silicio extrínseco. Al introducir un átomo de fósforo tenemos un electrón adicional, el material es un donante de electrones y se llama material tipo n (por ser negativo). El nivel de energía de Fermi se acerca a la banda de conducción.

En el caso del boro queda un hueco libre, el material es un receptor de electrones y se lo conoce como material tipo p (por positivo). El nivel de energía de Fermi se acerca a la banda de valencia.

Unión n-p Al unir los dos tipos de semiconductores n y p los niveles de Fermi se alinean y se

produce en una primera instancia un intercambio rápido de iones (positivos y negativos) entre los dos materiales. Los niveles de Fermi iniciales de los materiales separados se mueven: en el caso del material tipo p asciende hacia la banda de conducción, adquiriendo un potencial negativo (de Efo-p a Ef´);y, para el material tipo n desciende a la banda de

Ef

Si

Si - +

- +

- +

- +

-+

-+

- +- +

- +

- +

- +

- +

- +

-+

- +

-+

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +Si Si

B +

Si Si Si

Si

Ev < 0,5

Ec

Fig. 6.6 Estructura atómica del silicio dopado con boro, semiconductor tipo p

Vp Vn

Zona de intercambio

VB = Eg-Vn-Vp

p n

Ig Ir

-----

+++++

Ef´ Efo-p

Efo-n Ef´

Fig. 6.7 Unión p-n, los niveles de Fermi se igualan


33

valencia, con un potencial positivo (de Efo-n a Ef´). Se ha formado en la unión una diferencia de potencial o campo eléctrico entre los dos materiales. El nivel de energía (o voltaje) en la zona prohibida Eg se reduce por los voltajes Vn y Vp. Para el caso de una unión n-p con silicón dopado Vn+Vp≈ 0,3 V, por lo que el voltaje de la unión VB sin aplicar una corriente externa es de aproximadamente 0,8 V. Debido a la temperatura, en la zona de intercambio se produce un flujo de electrones desde el material n hacia el p y por ende una corriente de generación Ig. Para mantener el equilibrio eléctrico en el material, se crea una corriente de recombinación Ir de igual magnitud y sentido opuesto a Ig. Si aplicamos un voltaje hacia delante (forward bias) V a los extremos del material p-n, se incrementa el voltaje Vp y, por ende, la corriente Ir. Si se aplica un voltaje hacia atrás (reverse bias) se aumenta el voltaje Vn y se reduce la corriente Ir hasta cero. Se forma entonces una especie de compuerta electrónica que solo permite el paso de la corriente en un sentido: es decir un diodo.

La corriente resultante del diodo es ID = Ir – Ig

Efecto de la Luz en la Unión n-p Hasta ahora hemos analizado la unión n-p en la oscuridad, es decir sin el efecto de la luz. Sabemos que la energía de los fotones puede hacer saltar los electrones hacia la banda de conducción. Como se ha reducido la banda de energía y creado un campo eléctrico que atrae a los electrones en la zona de intercambio, al impactar los fotones en los electrones de la zona de intercambio los hace saltar hacia el lado p y se crea una corriente de generación por fotones IL que se suma a la corriente de generación Ig. Se produce un

efecto similar al del diodo con un voltaje externo hacia delante pero en este caso el “voltaje

Voltaje externo hacia delante Voltaje externo hacia atrás VB < V VB > V

+ - ID V

Ir p n Ig

VB Ir p n Ig

- + ID=0 V

VB

Fig. 6.8 Aplicación de voltaje externo y efecto en la corriente

p

n

Ig IL

Ir

I´

Fig. 6.9 Corrientes actuantes en una celda solar


34

externo” proviene del Sol: hemos generado así una corriente eléctrica en un semiconductor extrínseco. La corriente resultante de la celda solar I´ = IL + Ig – Ir = ID - IL La corriente I que genera una celda solar viene dada por la ecuación:

1

exp−

−= TVV

SL III (6.1) Donde:

I = Corriente de la celda solar en el circuito eléctrico (que por conveniencia se toma del polo positivo al negativo, I = -I´ en Amperios [A].

IL = Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto corriente).

Is = Corriente de saturación con voltaje externo hacia atrás máximo antes de la ruptura de avalancha en Amperios [A]. Se conoce también como corriente de fuga o difusión. En celdas solares Is está en el orden de los 10-8 A m-2.

V = Voltaje externo de la celda solar en Voltios, usualmente entre 0,4 a 0,6 [V] VT = Voltaje propio de la celda en función de la temperatura en voltios [V] y que

viene dado por:

qkTVT =

(6.2)

Donde: q = carga del electrón = 1,6 x 10-19 Coulombios [C] Coulombio = Julio / Voltio; [C] = [J V-1] k = constante de Boltzman = 1,38 x 10-23 [J K-1] T = temperatura absoluta de la celda solar en grados Kelvin [K]

Circuito Equivalente de la Celda Solar La celda solar real puede ser representada por el siguiente circuito eléctrico equivalente,

Resolviendo el circuito para la corriente I de la celda solar tenemos:

Rs

Rp + V -

α IL

ID

I

G

Fig. 6.10 Circuito eléctrico equivalente de la celda solar


35

p

SDL R

IRVIII )( −−−= (6.3)

Donde: Rs = Resistencia en serie y representa las pérdidas de los contactos superior e inferior

entre la celda y los terminales de corriente. Esta resistencia debe ser lo menor posible.

Rp = Resistencia en paralelo y representa los defectos estructurales al interior de la celda que producen pérdidas. Esta resistencia debe ser lo más grande posible.

IL = Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto corriente).

ID = Corriente del diodo que depende de las características y calidad de la celda y de la radiación solar.

V = Voltaje externo de la celda solar.

Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar El funcionamiento de una celda solar se puede representar por una curva de corriente-voltaje I-V como la de la Fig. 6.11. Cuando la celda no está conectada tenemos un voltaje en circuito abierto Voc, y cuando la celda está en cortocircuito la corriente es Isc. Para un incremento en el voltaje desde 0 hasta Voc la corriente es casi constante hasta un voltaje máximo Vmax y de allí desciende rápidamente. Como P=V x I , en cualquier punto podemos calcular la potencia P, lo cual se muestra en la curva de segmentos. Lo que nos interesa es obtener la máxima potencia, es decir cuando el área del rectángulo V x I es máxima. El punto Pmax se conoce también como punto de máxima potencia (MPP). La calidad de una celda solar se determina por la relación entre el área del rectángulo Voc x Isc y el área del rectángulo Vmax x Imax y se conoce como factor de cuadratura (fill factor).

OCSC VI

VIFF maxmax= (6.4)

Ejercicio 6.1:

VVoc Vmax 0

Pmax Isc

Imax

I

P

P

Fig. 6.11 Curva corriente-voltaje y potencia de la celda solar


36

Calcular la potencia máxima y el factor de cuadratura de una celda solar de silicio multicristalino de las siguientes especificaciones: Imax = 3,15 A, Vmax = 0,48 V, Isc = 3,35 A, Voc = 0,60 V.

Solución: Pmax = (3,15 [A] x 0,48 [V]) = 1,51 [W] FF = ( 1,51 [W]/ (3,35 [A] x 0,60 [V]) = 0,75

Efectos de la Radiación y la Temperatura

Las gráficas de la Fig. 6.12, tomadas de un fabricante13 de paneles fotovoltaicos nos muestran las curvas I-V para diferentes valores de radiación solar y temperatura en condiciones estándar de prueba (STC). Como vemos, el voltaje es inversamente proporcional a la temperatura y la corriente I es proporcional a la radiación solar G, es decir que la potencia de este panel se reduce con el incremento de la temperatura y se incrementa con la radiación. La temperatura es la de la celda y no la del ambiente. Valores típicos del cambio de la temperatura (α) en los diferentes parámetros de una celda solar son:

αPmax ≈ -0,45 % / oC , αVmax ≈ -115 mV / oC, αIsc ≈ +2 mA / oC ó 0,04% / oC, αVoc ≈ -115mV / oC ó -0,4% / oC

Los paneles pueden llegar a temperaturas superiores a los 75oC, y la pérdida de potencia respecto de las STC (a 25oC) puede llegar hasta un 25% de la potencia nominal. Este es un factor muy importante a tomar en cuenta en el diseño de sistemas solares fotovoltaicos especialmente en zonas cálidas como el Ecuador.

13 Catálogo de KYOCERA modelo KC80, 80 vatios.

Fig. 6.12 Efectos de la variación de la temperatura y la radiación en la curva I-V de la celda solar


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La pérdida relativa de potencia con el cambio de radiación de 1000 W/m2 a 200 W/m2 es del 10%.

Eficiencia de la Celda Solar Conocemos que la eficiencia es la relación entre la potencia de entrada y la potencia (o trabajo) de salida. La eficiencia se puede determinar para una celda o para el módulo fotovoltaico con las ecuaciones siguientes:

CC

MC NAG

P..

=η (6.5) y M

MM AG

P.

=η (6.6)

Donde:

ηC = Eficiencia de una celda de un panel fotovoltaico PM = Potencia nominal del panel fotovoltaico en Vatios pico [Wp] G = Radiación solar en W/m2 AC = Área de la celda en m2 NC = Número de celdas en el panel ηM = Eficiencia del panel fotovoltaico AM = Área total del módulo en m2

Ejercicio 6.2

Calcule las eficiencias de un panel fotovoltaico y de una celda de ese panel en condiciones de prueba estándar con los siguientes datos: Potencia pico 100 Wp, largo 1316 mm, ancho 660 mm, profundidad 40 mm, número de celdas 72, tamaño de cada celda 100 x 100 mm. Encuentre la relación del AM/AC para todas las celdas.

Solución: Condiciones de prueba estándar (STC) son: G 1000 W/m2, T 25oC, AM 1,5, velocidad del viento 1 m/s2. Eficiencia del panel o módulo: ηM = 100 Wp / (1000 W/m2 x (1,316 x 0,66) m2)) = 11,51% Eficiencia de la celda: ηC = 100 Wp / (1000 W/m2 x (0,1 x 0,1) m2) x 72) = 13,88% AM/AC = (1,316x0,66) m2/((0,1 x 0,1) m2 *72) = 120,6% Como podemos notar, la eficiencia de una celda es obviamente mayor que la del módulo debido al espacio que hay entre las celdas del módulo. La relación de áreas muestra que un 20% del módulo no está cubierto por celdas. Conclusiones: 1) Cuando el fabricante proporciona el dato de eficiencia hay que verificar si se trata de ηC o ηM en el diseño del sistema fotovoltaico. 2) Podemos ver en el ejercicio que la eficiencia de una celda solar no excede el 14% para STC. En


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condiciones normales de funcionamiento esta eficiencia es menor por la disminución en la radiación y por la temperatura.

Tipos de Celdas Solares Existen básicamente tres tipos de celdas solares dependiendo del proceso de fabricación: monocristalino, policristalino y de película delgada o de silicio amorfo (thin film).

La celda monocristalina se fabrica de un solo cristal “crecido” que va formándose poco a poco hasta formar un bloque. Las celdas son luego cortadas en rodajas delgadas de 250 a 350 µm. El límite de eficiencia de la celda cristalina es de alrededor del 25%. Actualmente este tipo de celdas llegan a eficiencias del 15% a 17%. Se las diferencia porque tienen un color uniforme y generalmente son circulares o cortadas en sus bordes.

La celda policristalina se fabrica con cristal de silicio fundido que se pone en un molde. Es más barata que la celda monocristalina, pero su eficiencia límite es del 20%. Se la reconoce porque su color es irregular y más claro que la monocristalina y tiene una forma rectangular sin cortes en los bordes. La celda de película delgada o silicón amorfo utiliza una nueva tecnología que consiste en una película delgada de cristal de silicio puro sobre un sustrato de vidrio o cerámica. Esta capa no supera los 20 µm, es decir casi un tercio de grueso que un cabello. El espesor de toda la celda es de 300 a 800 µm. El substrato también puede ser plástico lo cual permite obtener un panel flexible. Actualmente la eficiencia de estas celdas está en alrededor del 10% aunque en laboratorios se ha logrado llegar a niveles del 19%14. La ventaja de esta tecnología es que es mucho más barata que las celdas cristalinas y en el proceso de fabricación no se utilizan elementos contaminantes. Otras tecnologías son las celdas contrachapadas o multicapa que consisten en poner una capa sobre otra con

distintos materiales y diferentes niveles de energía para aprovechar la mayor parte de las frecuencias del espectro electromagnético. Los materiales que se emplean para la fabricación de celdas solares son principalmente: varios tipos de silicio, arsenuro de galio, cobre indio diselenuro y teluro de cadmio. Su uso depende de la aplicación a la que estarán destinados y de la fuente de luz. El color azulado

14 Fraunhofer Institute

Fig. 6.13 Celda monocristalina

Fig. 6.14 Celda policristalina

Fig. 6.15 Celda de silicio amorfo


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de la celda se debe a la película antireflejo que se coloca para optimizar la absorción de la luz solar. Se está investigando también en celdas orgánicas, que funcionan como un proceso reverso de fotosíntesis. La eficiencia en laboratorios ha llegado a 1,5%.

Conexión de Celdas Solares Un panel fotovoltaico se compone de varias celdas conectadas entre sí. Generalmente es el nivel de voltaje el que determina la unión de celdas en serie, hasta llegar a valores estandarizados de 6V, 12V, 24V, 36V, o 48V. Cada celda tiene 0,5 V. Para un panel de 12 V conectamos 24 celdas en serie. La corriente en una conexión en serie es la misma, pues hay un solo camino para el circuito. Para incrementar la corriente debemos hacer una conexión serie – paralelo en un panel, aunque lo que se prefiere es unir varios paneles en paralelo para llegar a la corriente requerida.

Si una celda se daña, o si no incide luz por efecto de una sombra, o si está cubierta, las demás celdas están activas y se produce un voltaje alto (negativo) en los terminales de la celda afectada, lo que se conoce como corriente de fuga o avalancha que puede destruir la celda. Para evitar esto se utiliza diodos puente (bypass diode) para juegos de algunas celdas y para permitir un paso alternativo de la corriente.

I1

_ I

Módulo de conexión en serie–paralelo de 2 x 12 celdas, panel de 6 V, corriente 7,6 A, potencia 45,6 W. El voltaje es la mitad, la corriente el doble, la potencia es la misma que la conexión en serie anterior.

I1

I1I1

I=2I1

+ V=V1/2

Fig. 6.16 Conexión en serie y conexión en paralelo de celdas solares en un panel fotovoltaico

I1 + V1

_ I1

Módulo de conexión en serie de 24 celdas, panel de 12 V, corriente 3,8 A, potencia 45,6W, I panel = I celda, V panel = suma V celdas

I1


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Sistema Solar Residencial El panel fotovoltaico en forma aislada tiene algunas restricciones en su uso:

1. Necesita de luz natural o artificial para funcionar, es decir que no sirve en la noche o en la oscuridad.

2. El voltaje de operación es bajo y en corriente continua, como el de una pila o una batería. Esto impide que se pueda conectar artefactos de uso común o electrodomésticos que funcionan a 120V y 60 Hz.

3. La potencia es relativamente baja comparada con sistemas de generación convencionales.

Para que el panel fotovoltaico pueda funcionar en sistemas residenciales de servicio eléctrico necesitamos otros equipos. Un sistema solar residencial (SSR) (Solar Home System SHS) tiene varios componentes. La Fig. 6.17 muestra los componentes de un sistema solar residencial típico.

Los paneles se instalan en el número y forma de conexión apropiada para proporcionar el voltaje y la potencia requeridos por el diseño de carga. Usualmente van montados sobre el techo de una residencia, o en una estructura al tope de un poste. La orientación de los paneles debe hacerse mirando hacia la línea equinoccial y con un ángulo de inclinación (tilt angle) para recibir la mayor cantidad de tiempo la radiación directa del Sol durante la mayor cantidad de tiempo. Se ha determinado que para un panel fijo el ángulo óptimo de

GRUPO ELECTRÓGENO

Fig. 6.17 Componentes de un sistema solar residencial

INVERSOR DC / AC

BANCO DE BATERÍAS ARREGLO FOTOVOLTAICO CONTROLADOR

DE CARGA

TABLERO BREAKERS

DC

TABLERO BREAKERS

AC


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inclinación del panel es igual a la latitud del lugar donde se instala. En el caso del Ecuador, al tener una latitud de 0 a 5 grados, la inclinación del panel debe ser de 5 a 10 grados sobre la horizontal para permitir que el agua lluvia fluya sin dificultad y limpie el panel. Hay sistemas activos de seguimiento del ángulo solar que siguen al Sol en su trayectoria durante el día y se conocen como rastreadores solares (solar tracking systems). Controlador de Carga Es un dispositivo electrónico que controla permanentemente que la carga del panel solar se encuentre dentro de los límites tolerables por las baterías y, de acuerdo a ello, desconecta o conecta el panel. Existen controladores que monitorean a cada instante la radiación solar y permiten mantener al sistema automáticamente en el punto de máxima potencia. Estos se llaman rastreadores de máxima potencia (maximum power point trackers). En ciertos casos, si las baterías se encuentran cargadas al máximo, el controlador puede enviar el exceso de corriente de un panel FV a la carga. Los controladores disponen de instrumentos de medición y protección. Banco de Baterías Son los elementos donde se almacena la energía en forma química para su uso posterior como electricidad en corriente continua. Consiste de baterías especiales de ciclo profundo de descarga. Se diferencian de las baterías normales de automóviles en que no necesitan una alta corriente instantánea necesaria para arrancar el motor, sino que la descarga de corriente es lenta pero dura más tiempo. Las placas son más gruesas y de menor área. Se fabrican también en plomo ácido pero se prefiere las alcalinas, las de tipo seco o de gel de bajo mantenimiento. La duración de una batería solar es de 5 a 10 años, dependiendo del tipo. Se debe mantener la temperatura de las baterías dentro de los límites establecidos por el fabricante ya que si el electrolito (agua destilada con ácido sulfúrico en bajas proporciones) está muy caliente aparecen burbujas que gasifican el electrolito y reducen la vida de la batería. Otro aspecto importante de las baterías es el número de ciclos de carga-descarga. Una batería solar puede tener entre 3 a 5 mil ciclos durante su vida. Las baterías normales para automóviles no cumplen con esto, ya que están diseñadas para usarse en tiempos muy cortos durante el arranque, donde se demanda una alta corriente. Las baterías solares se fabrican en celdas de 2V que se unen en serie para llegar a voltajes de 6V, 12V, 24V y 48V. Para aplicaciones en SSR las baterías normalmente son de 2V. Por ejemplo, los sistemas de aplicaciones especiales como comunicaciones, recreación o bombeo de agua utilizan baterías de 24V y 12V. Las baterías se fabrican en capacidades que van desde decenas a miles de amperios hora [Ah]. El amperio hora es la unidad de capacidad o energía de una batería y nos indica cuántas horas puede la batería proporcionar la corriente nominal. El fabricante indica normalmente los valores de corriente de descarga para 10 horas y 100 horas. Un factor importante para salvaguardar la vida de la batería es mantener un voltaje de carga constante, usualmente entre 1,85V y 2,4 V para una celda de 2V. Especial atención debe tenerse en los siguientes aspectos: a) la corriente de carga de la batería debe ser alrededor del 25% de sus Ah nominales, b) la profundidad de descarga no menor del 30 a 40% del límite permitido, y c) la temperatura de funcionamiento de la batería.


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La conexión de baterías en paralelo para obtener una corriente mayor solo se permite cuando las características de las baterías son exactamente iguales, y se puede evitar la circulación de corriente entre las baterías. Cuando se renueva un banco de baterías deben cambiarse todas las baterías. Inversor Si la carga es de corriente continua, nuestro SSR estaría completo con los elementos anteriores (panel, cargador y batería). Sin embargo, esto no es lo común ya que tenemos electrodomésticos o equipos que trabajan con corriente alterna. Para convertir la corriente continua del banco de baterías en corriente alterna se utiliza un inversor. Este es un equipo electrónico que va generando una onda sinusoidal similar a la de la corriente alterna mediante una serie de rectificadores o diodos. Grupo Electrógeno o Respaldo de Energía Adicional En situaciones que no hay Sol, las baterías aportan con la energía para servir a la carga. Usualmente el banco de baterías se dimensiona para atender a la carga por dos o tres días de falta de energía solar. Si este tiempo es mayor, o si la carga se incrementa, es necesario incluir en el SSR un sistema de respaldo de energía, para lo cual se usa un grupo electrógeno a gasolina o diesel. Puede también combinarse con energía eólica, pero hay casos en que no se presenta viento, por lo que se recomienda la instalación de grupos electrógenos. Este grupo entrega la corriente de carga para cargar las baterías, o puede conectarse directamente a la carga de corriente alterna. Se debe tener especial cuidado en seleccionar un grupo electrógeno que minimice la emisión de gases contaminantes y el nivel de ruido. Cuando se instala in grupo electrógeno se debe incluir un interruptor de transferencia (manual o automático) para seleccionar la fuente de generación, sea a través del arreglo fotovoltaico o del grupo electrógeno. Centros de Carga o Tableros Eléctricos Los equipos y aparatos eléctricos se conectan en circuitos o directamente a un tablero de breakers o centro de carga. Se utilizan dos tableros: uno para las cargas en DC y otro para las de AC. El dimensionamiento de los breakers depende de la carga del circuito, es decir de su amperaje. También es posible emplear fusibles. Los breakers y fusibles cumplen la función de proteger a los aparatos eléctricos de sobrecargas o sobrevoltajes en los circuitos evitando el daño de los aparatos. Otros Accesorios y Equipos Para completar el equipamiento de un SSR se debe incluir los siguientes accesorios: Medidores: instrumentos que miden los parámetros eléctricos de consumo (kWh), potencia, voltaje y corriente, para monitorear el funcionamiento del sistema.


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Cableado: se debe seleccionar los conductores en el tipo y calibre adecuados para reducir la resistencia y la caída de voltaje. Se permite una caída del 2% en alimentadores primarios, es decir en los que van desde la fuente de electricidad hasta el tablero principal de carga. Desde el tablero de breakers o centro de carga hasta el equipo o aparato eléctrico la caída de tensión o voltaje máxima permitida es del 5%. Conexión a Tierra: Todo SSR debe tener una buena conexión a tierra. La resistividad del suelo no deberá ser mayor de 25 ohmios. Esto se logra conectando una varilla de copperweld de 1,80 m clavada en el piso y una unión térmica con el cable de tierra (thermoweld). En casos donde el suelo es arenoso o rocoso se debe reemplazarlo con tierra negra o poner materiales que mejoren la conductividad del suelo. El uso de sal no es recomendable puesto que se disuelve con el agua y la resistividad aumenta. La conexión a tierra deberá ser única, y si hay más de una tierra, deberá instalarse una resistencia equipotencial de tierra entre ambas. Pararrayos: Todo equipo e instalación eléctrica deben tener una protección contra rayos. Se recomienda el uso de pararrayos tipo punta Franklin en la parte más alta de la instalación o estructura donde se ubicará el SSR. Este consiste en una varilla delgada de material altamente conductor, generalmente fabricada en acero inoxidable que se conecta con la varilla de puesta a tierra. El cable de bajada del pararrayos deberá ser en conductor desnudo (sin aislamiento) en cobre mínimo de calibre No. 6 AWG. La unión con la varilla de tierra será de tipo térmico (thermoweld). Iluminación: Los focos que se utilicen para las instalaciones de iluminación de una SSR deben ser de tipo fluorescente compactos o ahorradores de energía, también conocidos como PL o DULUX. Las potencias varían entre 9 y 23 vatios. Un foco ahorrador de 23 vatios tiene una intensidad luminosa equivalente a un foco incandescente normal de 100W, mientras que un foco ahorrador de 12 W equivale a un incandescente de 60W. Cabe aquí mencionar que los focos ahorradores trabajan en corriente directa DC y, por lo tanto se puede conectar los circuitos de alumbrado de la casa directamente desde el banco de baterías a través del regulador de carga. Estos focos pueden también conectarse a un circuito AC por medio de un transformador rectificador incorporado. Aparatos Eléctricos: Se debe preferir el uso de equipos y electrodomésticos de alta eficiencia, especialmente los motores de refrigeradoras, ventiladores, compresores, bombas de agua y aires acondicionados, y de ser posible aquellos que funcionen en DC. Los motores tienen una alta corriente durante unos pocos segundos al momento del encendido, lo que descarga las baterías. Todo equipo eléctrico para calentamiento (calentador de agua, cocina, cafetera, secadora, etc.) no deberá ser conectado al SSR, sino preferir el uso de otra fuente de energía como calentamiento de agua solar, uso de gas metano o GLP. Incluso esto puede extenderse a equipos de enfriamiento como refrigeradoras, congeladoras o aires acondicionados. El tema de eficiencia y ahorro energético es vital en un SSR y debe ser tomado en cuenta no solamente en la instalación sino durante la operación del sistema.

Diseño de un Sistema Solar Residencial Una vez que se ha analizado los componentes de un SSR, revisemos cómo dimensionar un sistema para nuestras necesidades. Vamos a tomar el caso de una casa de una familia pequeña, que no tiene servicio eléctrico y quiere instalar un sistema fotovoltaico.


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Procedimiento

1. Disponibilidad del recurso 1.a. Solar 1.b. Económico 1.c. Otros: Ubicación física

2. Datos de radiación solar 2.a. Serie horaria 2.b. Promedio anual

3. Estudio de carga 3.a. Carga instalada y Demanda eléctrica

3.a.1. AC 3.a.2. DC

3.b. Cargas térmicas 4. Dimensionamiento de los equipos

4.a. Banco de baterías 4.b. Paneles Fotovoltaicos 4.c. Controlador de carga 4.d. Inversor solar 4.e. Cables 4.f. Grupo Electrógeno

5. Costos 5.a. Equipos 5.b. Instalación 5.c. Mantenimiento

Disponibilidad del recurso

a) ¿Hay suficiente Sol? El primer paso en el diseño de nuestro SSR consiste en conocer si en el sitio existe el recurso suficiente de energía solar. Información sobre la radiación solar diaria promedio se obtiene de sitios Web como el de la NASA15. El dato que nos interesa es el nivel de radiación promedio anual. En el caso del Ecuador, los niveles de radiación son relativamente altos, entre 4 y 6 kWh/m2/día promedio anual. Para Galápagos, en la zona de San Cristóbal se tiene lecturas promedio de 5,0 kWh/m2/día. Se debe tener en cuenta también las condiciones climáticas del sitio (nubosidad, pluviosidad, temperatura, viento).

b) ¿Dispongo del dinero suficiente? Un SSR tiene un costo inicial alto comparado con

la conexión a la red eléctrica o a la instalación de un grupo electrógeno. En promedio se tiene que un SSR cuesta entre USD 800 a USD 1.000 por cada 100 Wp; aunque estos costos tienden a bajar dependiendo de la aplicación y del número de sistemas a instalarse. En Ecuador el costo promedio de un kilómetro de red eléctrica, incluyendo el transformador, acometida y medidor está ente USD 6.000 y 9.000. La ventaja de un SSR es que su costo de operación y mantenimiento es mucho menor debiendo solamente sustituirse las baterías cada 6 a 8 años. Para tomar la decisión de instalar un SSR, es indispensable hacer un estudio financiero

15 NASA, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/


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una vez diseñado el sistema, donde se analicen los costos durante la vida útil del SSR en comparación con los sistemas tradicionales. Hay situaciones en que la solución solar es mucho más conveniente ya que es más barata, más inmediata, e incluso puede ser la única, y además, nos libera del pago de la tarifa, impuestos y recargos de la empresa eléctrica. Es importante conocer que se puede obtener un financiamiento para la compra de un SSR.

c) ¿Dónde ubicaré el SSR? Un SSR necesita un sitio libre de obstáculos (edificios

cercanos, árboles, vegetación) y de un área suficiente para el montaje de los paneles (techo de una vivienda, sobre una base en el suelo o sobre un poste) por lo cual debemos prever un sitio apropiado para obtener la mayor cantidad de radiación solar a lo largo del año y dentro de los siguientes años.

Habiendo decidido favorablemente sobre las condiciones anteriores podemos continuar con el diseño de nuestro SSR.

Datos de radiación solar

a) Serie horaria: El dato de radiación solar promedio diaria en kWh m-2día-1 se obtiene de una serie de lecturas hora a hora durante un período de al menos un año. El uso de una serie de radiación solar permite estimar con mayor exactitud la energía que obtendremos de nuestro SSR. El uso de una serie de datos generalmente está asociado a programas de computación que facilitan el diseño. Un proveedor serio debe estar en capacidad de proporcionar este cálculo.

b) Promedio anual: Si no se dispone de la serie de radiación solar, tomamos el dato de

la radiación solar promedio diaria de la zona en que estamos. Un valor aceptable para el Ecuador es de 4,5 kWh m-2día-1.

Estudio de carga

a) Carga instalada: Es la parte más importante del diseño del SSR. Se debe aclarar los conceptos de carga instalada y de demanda eléctrica. Carga instalada es la suma de todas las potencias individuales nominales de los artefactos eléctricos de la vivienda y se mide en kW, y demanda eléctrica es la energía que esta carga exige al sistema eléctrico y se mide en kWh. Como en nuestro caso estamos usando baterías para proveer la energía, la variable que nos interesa es la demanda eléctrica. Podemos llegar de la carga a la demanda afectando la carga total por un factor de demanda, que depende del tipo de usuarios y del número de aparatos eléctricos que están conectados al mismo tiempo. Esta varía entre 0,4 a 0,7; y, mientras más aparatos haya menor es este factor. En la mayoría del tiempo no todos los equipos o electrodomésticos están conectados o funcionando, por lo que la demanda es menor que la carga instalada. La demanda de diseño resulta de la multiplicación de la carga instalada por el factor de demanda.

b) Demanda eléctrica: Para estimar la demanda eléctrica se puede seguir el

procedimiento de cálculo del menú energético que detalla los equipos que serán servidos desde el SSR, su potencia en vatios y el número de horas promedio diarias que están encendidos. Para una referencia de las potencias de algunos aparatos eléctricos ver el menú energético de la Tabla 6.13 al final de este capítulo. Dentro del menú energético se debe diferenciar las cargas en corriente continua y las


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cargas en corriente alterna. Recordemos que las cargas AC debemos convertirlas en DC pues estamos usando baterías. A continuación, estimaremos primero la demanda en DC en un ejemplo.

Tabla 6.1 DEMANDA EN DC

Artefacto potencia

en vatios

cantidad total vatios

horas uso en el día

vatios por día

Foco ahorrador PL 13W 13 3 39 4 156 Televisión color 45 1 45 3 135 Radio / Estéreo 100 1 100 1 100 Ventilador 20 1 20 4 80 Promedio consumo energía DC 471 Carga instalada DC 204 Se estima a continuación la demanda en AC:

Tabla 6.2 DEMANDA EN AC

Artefacto potencia

en vatios

cantidad total vatios

horas uso en el día

vatios por día

Luminaria fluorescente 18 1 18 2 36,0 Electrodoméstico 45 1 45 0,5 22,5 Refrigerador 120 1 120 6 720,0 Salida en 120V AC 100 1 100 4 400,0 Promedio consumo energía AC 1178,5 Carga instalada AC 283 Las cargas térmicas como calentadores de agua, congeladores, aires acondicionados, cocinas, etc. no se servirán del SSR. La plancha puede ser la excepción pero su uso restringe el encendido de otros aparatos. Se calcula la demanda eléctrica combinada DC + AC en amperios hora por día:

Tabla 6.3 DEMANDA ELÉCTRICA EN AMPERIOS HORA a. Demanda DC W/día 471,00 b. Voltaje DC (voltios) V 12,00 c. Amperios Hora DC (a/b) Ah 39,25 d. Demanda AC W/día 1178,50 e. Voltaje AC (voltios) V 120,00 f. Amperios Hora AC nominales (d/e) Ah 9,82 g. Eficiencia inversor DC – AC 85% h. Amperio Hora AC efectivos (f/g) Ah 11,55 i. Total Amperios hora DC + AC (c+h) Ah 50,80 j. Reserva futura 20% k. Total Ah carga (1/(1-j)) Ah/día 60,96

Hemos tomado en cuenta la eficiencia del inversor DC a AC del 85% y el voltaje de la batería como 12 V y el de AC como 120 V. Se incluye en este caso una reserva para cargas especiales o un incremento futuro de carga del 20%.


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Dimensionamiento de los equipos

a) Banco de baterías

Tabla 6.4 BANCO DE BATERÍAS a. Total Ah carga 60,96 b. Días de autonomía (3 a 5) 3 c. Total Ah requeridos (a*b) 182,89 d. Profundidad de descarga (0,2 a 0,8) (DoD) 0,5 e. Ah / DoD (c/a) 365,79 f. Ah nominal de la batería seleccionada 75,0 g. Número de baterías (redondear e/f al siguiente

entero) 5 Encontramos que el banco será de 5 baterías de 75 Ah cada una. También se podría haber escogido baterías de 100 Ah o de 120 Ah, dependiendo del costo de cada alternativa. El número de días de autonomía puede también variar y en sitios con mucha variación de radiación puede ser de cinco. Para el caso de este ejemplo, para 5 días de autonomía se necesitarían 8 baterías.

b) Paneles Fotovoltaicos

Tabla 6.5 PANELES FOTOVOLTAICOS 60,96 0,85

71,72 5

5 14,34

5,9 3

12

1

a. Total Ah carga b. Eficiencia de las baterías c. Amperios efectivos de baterías (a/b) d. Promedio irradiación solar kWh.m-2.día-1 e. Horas de sol a 1000 Wm-2día-1 (d*1000 Wh.m-2.día-1/1000 Wm-2día-1) f. Total amperios del panel FV (c/e) g. Amperios pico del panel Imax. (Ej. Panel de 100 W

a 12 V) h. Número de paneles (redondear f/g al siguiente

entero) i. Voltaje de la batería (V) j. Paneles por serie, dependiendo del voltaje nominal:

12V=1 panel; 24V=2 paneles; 48V= 4 paneles por serie

k. Total número de paneles 3

Hemos tomado un panel de 100Wp a 12V y una radiación solar de 5 kWh m-2día-1. El resultado es de 3 paneles. Para cambios en radiación de 3, 4 y 6 kWh m-2día-1se obtiene 8, 6 y 4 paneles respectivamente. Si el panel fuera de 50 W se tendría 5 paneles con 5 kWh/m2/día de radiación y 4 paneles con 6 kWh/m2/día de radiación. La decisión final sobre la solución más adecuada se la toma en base al cálculo financiero.

c) Controlador de carga

Tabla 6.6 CONTROLADOR DE CARGA

6,5

3 19,5

a. Corriente en corto circuito del panel en Amperios Isc

b. Total número de paneles c. Amperios total (a*b) d. Capacidad nominal del controlador (A) 20


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La capacidad del controlador de carga es de 20 amperios nominales, a 12 V.

d) Inversor solar

Tabla 6.7 INVERSOR a. Carga instalada AC W 283,00 b. Factor de demanda 0,70 c. Demanda (a*b) W 198,10 d. Eficiencia del inversor 0,85 e. Demanda de diseño (c/d) W 233,06 f. Capacidad nominal del inversor W 250

Para determinar la potencia del inversor se toma el valor de la carga instalada en AC afectada por un factor de demanda de 0,7 que indica la parte de la potencia total que está encendida al mismo tiempo. Hemos tomado una eficiencia del inversor de 85%.

e) Cables

Para aprovechar la máxima energía generada por el panel fotovoltaico, la resistencia de los conductores debe ser la mínima posible y esto se consigue utilizando un conductor de calibre apropiado que permita una caída de tensión o voltaje no mayor del 2% desde el panel hasta el banco de baterías, desde el banco de baterías hasta los tableros de carga de AC y DC y de un 5% desde estos tableros hasta el extremo de los circuitos de alumbrado o fuerza. La capacidad de conducción en amperios de los conductores de cobre y aluminio, para los diferentes calibres se muestra en la Tabla 6.8. Las tablas 6.9 y 6.11 de capacidad de conducción de amperios (o ampacidad) nos indican la longitud máxima que pueden tener los cables entre dos puntos del circuito para caídas de tensión del 2% y del 5%, respectivamente. Se muestra los cálculos para el caso de un voltaje nominal de 12V. Si el voltaje nominal fuera de 24 V, para una caída de tensión y un amperaje iguales al de 12V, la distancia sería el doble (recordemos la Ley de Ohm R=V/I; es decir a mayor voltaje, menor resistencia).

Tabla 6.8 Capacidad máxima de conductores en Amperios Calibre Cobre Aluminio

14 25 . 12 30 25 10 40 35 8 55 45 6 75 60 4 95 75 2 130 100 1 150 115

1/0 170 135 2/0 265 150 4/0 360 205


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Tabla 6.9 Calibre de conductores de cobre sistema 12V (AWG)

Distancia máxima en METROS en un sentido para una caída de tensión de 2% entre el panel fotovoltaico y el banco de baterías

(Amp) 14 12 10 8 6 4 2 1/0 2/0 4/0 1 13,7 21,3 35,1 54,9 88,4 139,0 219,5 2 6,9 10,7 17,5 27,4 44,2 69,5 109,7 176,8 219,5 323,1 4 3,0 5,3 8,4 13,7 22,1 34,7 54,9 88,4 109,7 176,8 6 2,3 3,7 5,3 9,1 14,5 22,9 36,6 58,8 74,1 115,8 8 1,7 2,6 3,5 6,9 10,8 17,4 27,4 44,2 54,9 88,4

10 1,4 2,1 3,5 5,5 8,7 13,9 22,1 35,1 44,2 70,1 15 0,9 1,4 2,1 3,7 5,8 9,1 14,6 23,3 29,3 45,7 20 0,6 1,1 1,7 2,7 4,4 6,9 11,0 17,5 22,1 35,4 25 0,5 0,9 1,4 2,1 3,5 5,5 8,8 14,0 17,7 28,0 30 0,5 0,7 1,1 1,8 2,9 4,6 7,3 11,7 14,8 23,5 40 0,9 1,4 2,1 3,5 5,5 8,8 11,0 17,1 50 0,7 1,1 1,7 2,7 4,4 7,0 8,8 14,0

100 0,9 1,4 2,2 3,5 4,4 7,0 150 1,5 2,3 3,0 4,6 200 1,1 1,8 2,2 3,4

Para este ejemplo, tomamos el valor de la capacidad nominal del controlador, es decir 20A y vemos en la columna de Amp hasta encontrar el 20, luego vamos por la fila hasta encontrar la distancia entre el panel FV y el banco de baterías. Supongamos que son 15 metros, entonces usamos el conductor 1/0 (que nos da hasta 17,5 m). Este conductor es tanto para la fase como para la tierra, es decir dos conductores No. 1/0 total de 30 metros. La conexión entre el banco de baterías y los tableros de circuitos de AC y DC se hace con el mismo concepto. Esto es, un máximo del 2% de caída de tensión. Tomamos para el cálculo los valores de carga instalada en vatios de DC y AC y los voltajes para obtener las respectivas corrientes:

Tabla 6.10 ALIMENTADORES DC Y AC a. Carga instalada DC W 204 b. Voltaje DC V 12 c. Corriente DC (a/b) A 17,0 d. Carga instalada AC W 283 e. Voltaje AC V 120 f. Corriente AC (d/e) A 2,4

Para el caso del alimentador en DC (baterías a tablero DC) la corriente es de 17 A. Si la distancia es de 7m, entonces en la tabla vemos la corriente de 20A, vamos luego por la fila hasta 6,9m y el calibre recomendado es el número 4 AWG. Para el alimentador AC bajamos por la columna “Amps” hasta el número 4 y luego por la fila, digamos que la distancia es de 5 metros entonces el calibre del alimentador es el número 12 AWG. De igual manera usamos la Tabla 6.11 para una caída de tensión de 5%, para calcular el calibre de los conductores entre los tableros de circuitos de AC y DC hasta el extremo de cada circuito.


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Tabla 6.11 Calibre de conductores de cobre sistema 12V (AWG)

Distancia máxima en METROS en un sentido para una caída de tensión de 5% entre los tableros AC y DC hasta los circuitos de iluminación o fuerza

Amps 14 12 10 7 6 4 2 1 1/0 2/0 4/0 1 106 169 269 427 679 1080 1717 2166 2730 3444 5475 2 53 85 134 214 340 540 859 1083 1365 1722 2738 4 27 42 67 107 170 270 429 542 682 861 1369 6 18 28 45 71 113 180 286 361 455 574 913 8 13 21 34 53 85 135 215 271 341 430 684 10 11 17 27 43 68 108 172 217 273 344 548 15 7 11 18 28 45 72 114 144 182 230 365 20 - 8 13 21 34 54 86 108 136 172 274 25 - - 11 17 27 43 69 87 109 138 219 30 - - 9 14 23 36 57 72 91 115 183 35 - - - 12 19 31 49 62 78 98 156 40 - - - - 17 27 43 54 68 86 137 45 - - - - 15 24 38 48 61 77 122 50 - - - - 14 22 34 43 55 69 110

Generalmente, se utiliza conductores No. 14 AWG para iluminación y No. 12 para fuerza (tomacorrientes). Debemos indicar que en este caso solamente hablamos de sistemas monofásicos, es decir una sola fase. El aislamiento de los conductores también es un tema que se debe verificar para instalar el tipo adecuado que soporte tanto la humedad como los rayos ultravioletas del sol. Se debe preferir para los alimentadores (Panel FV → Baterías → Tableros) conductores del tipo THHN o TTU y para los circuitos el cable tipo THHN o TW. f) Grupo Electrógeno

La potencia del grupo electrógeno depende de la capacidad adicional al sistema solar que se quiera cubrir. Por problemas de costos, no conviene un grupo electrógeno de capacidad menor de 3 a 5 kW, por lo que se podría compartir uno entre varios usuarios. De preferencia se debe utilizar diesel como combustible, pero si se utiliza gasolina, el motor debe ser de cuatro tiempos. En el caso del ejemplo, para estimar la capacidad del grupo electrógeno tomamos la potencia total de la carga en AC y en DC, en vatios: 204W + 283 W = 484 W. Es decir que con un grupo de 500 W se podría satisfacer la carga, o instalar un grupo más grande para algunos usuarios. Se debe prever la pérdida de potencia por efecto de altura sobre el nivel del mar, de aproximadamente un 5% por cada mil metros sobre el nivel del mar.

Costos Existe gran variedad de fabricantes con un amplio margen de precios. Se deberá preferir fabricantes serios, que ofrezcan un servicio de mantenimiento y soporte futuro y que cuenten con experiencia en este tipo de actividad. Esto puede representar un mayor costo inicial, pero asegura una mayor vida útil del SSR. Particular atención merecen las baterías pues son los elementos que más se gastan y que deben reponerse periódicamente. Una buena marca de batería asegura un suministro confiable de al menos 5 a 8 años, si se hace el mantenimiento según lo recomendado y sin exceder los límites de voltajes de carga, la


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descarga permitida y el número de ciclos. Algunos precios de equipos se muestran en la Tabla 6.12.

Tabla 6.12 Precios y Especificaciones de Sistemas Fotovoltaicos PANELES FOTOVOLTAICOS

Capacidad Nominal kWp Capital USD Reemplazo

USD O&M USD por

año

0,050 287 287 2 0,100 544 544 5 0,120 660 660 6 0,150 790 790 7 0,160 814 814 8 1,000 6422 4000 60

Precio promedio USD/Wp: 5,58 Tiempo de vida útil: 10 años Factor de degradación: 90% Sin sistema de rastreo BATERÍA

Capacidad Nominal kWh Capital USD Reemplazo

USD O&M USD por

año

0,48 77 77 3 0,78 109 109 5 1,20 152 152 6 2,52 294 294 7 6,04 880 880 22

Precio promedio USD/kWh: 138 Estado mínimo de carga (MSC): 40% Máxima eficiencia por ciclo: 80% Relación de carga máxima: 0,1A/Ah sin uso Ciclos: 3500 ciclos completos INVERSOR

Capacidad Nominal W Capital USD Reemplazo

USD O&M USD por

año

50 30 30 2 75 52 52 3

150 62 62 4 250 95 95 5

Precio promedio USD/W: 0,521 CARGADOR DE BATERÍA

Capacidad Nominal

Amperios Capital USD Reemplazo

USD O&M USD por

año

8 79 79 2 25 119 119 2 40 195 195 2


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60 329 329 3 Precio promedio USD/Amp: 6,25 SISTEMAS COMPLETOS PANEL, BATERÍA, INVERSOR, CARGADOR, RACK

Capacidad Nominal Wp Capital USD Reemplazo

USD O&M USD por

año 36 997 499 7 50 1122 561 7 75 1252 626 10

Precio promedio USD/Wp: 22,3 Cuando se decide por la solución solar fotovoltaica, es importante prever los recursos para los estudios y diseños originales y para la instalación. Un análisis mediante el método del costo nivelado de energía (levelized costs) permite obtener un resultado del costo por kilovatio hora producido durante la vida útil del sistema y comparar las diferentes alternativas de equipamiento, sean éstas con sistemas solares o híbridos (solar + viento, solar + grupo electrógeno, etc.). La descripción de este método no forma parte de este manual. Nuestro SSR, finalmente, quedaría conformado de la siguiente manera (Figura 6.18):

Fig. 6.18 Sistema solar residencial del ejemplo


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Integración de los Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Aislados Un sistema solar fotovoltaico puede proporcionar la energía a usuarios que habitan en zonas donde no hay red de servicio público, siendo esta una de las aplicaciones donde se

justifica en mayor grado el uso de esta tecnología. Puede tratarse de un usuario aislado que necesita de electricidad para su vivienda o su pequeña actividad productiva. Cuando en un área hay más de un usuario con un SSR hay dos formas de conexión: a) independiente y b) en micro red. En la primera, cada usuario satisface sus requerimientos de carga con sus SSRs y no existe conexión entre ellos.

En la conexión en micro red hay un solo centro de generación fotovoltaica y varios usuarios comparten la energía producida. Este caso requiere de la construcción de redes o circuitos secundarios de distribución a los usuarios desde el centro de producción común. La ventaja de la micro red radica en que la potencia total demandada es mucho menor que la potencia individual sumada de los usuarios. Esto se explica por el hecho de que el uso de los aparatos y electrodomésticos de cada usuario no es simultáneo, ni todos prenden los focos al mismo tiempo. De este modo, la carga real del grupo de usuarios es menor que la carga individual, lo cual viene determinado por el factor de diversidad. En los sistemas eléctricos tradicionales este factor de diversidad es menor que en un sistema solar porque la carga instalada es mucho mayor.

Sistemas Conectados a la Red Se ha vuelto común en países desarrollados que algunos usuarios conscientes del efecto contaminante de las plantas de generación eléctrica que queman combustibles fósiles hayan optado por aportar con generación propia para su consumo y reducir la carga en la red eléctrica pública. Estos pequeños generadores que usan fuentes renovables se conectan a la red pública. Esto se conoce también como generación descentralizada, dispersa o

Fig. 6.19 Sistemas solares residenciales independientes

Fig. 6.20 Sistemas solares residenciales en una micro red


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cautiva. Por poco que sea el aporte de cada usuario con la instalación de un SSR conectado a la red, la suma de ellos permite obtener ventajas importantes a la empresa eléctrica, entre las que se destacan:

• Mejoramiento de los niveles de voltaje. • Reducción de pérdidas en redes de distribución. • Diferimiento de inversiones en generación, transmisión y distribución. • Compensación de reactivos en las redes. • Disminución de la carga en transformadores y redes. • Servicio en zonas de limitada expansión de red. • Control del robo de energía en instalaciones no autorizadas o clandestinas. • Disminución del pico de carga de la curva de potencia (Peak load shaving).

Las empresas eléctricas en aquellos países que han optado por esta alternativa se han beneficiado de la disminución en los costos de las redes eléctricas y han obtenido mejores rentabilidades en su operación. Esto ha motivado programas de apoyo a las energías renovables, especialmente solar fotovoltaica, y a la conformación de fondos de ayuda inicial para la compra de SSR, subsidio y tarifas preferenciales. Incluso hay la denominada tarifa verde que es una especie de contribución adicional que algunos usuarios aceptan incluir en su planilla de luz para fomentar el uso de energías renovables y la disminución de contaminación por CO2. En los casos de conexión a la red se puede optar por dos formas de medición del consumo eléctrico:

1. La medición neta, que consiste en que el mismo medidor que registra el consumo eléctrico del usuario gira en sentido opuesto cuando el SSR genera energía. Al final del período (generalmente mensual) se paga por el consumo neto, es decir energía consumida menos energía generada.

2. La instalación de dos medidores, uno para la energía consumida y otro para la

energía generada con el SSR. Este sería aplicable en el Ecuador, por cuanto existe una regulación que establece una tarifa fija de USD centavos 13,65 por kWh16 generado con sistemas fotovoltaicos.

Centrales Solares de Generación Los sistemas solares fotovoltaicos también pueden instalarse en grandes centrales de generación conectadas directamente a la red en alta tensión. El costo es aún alto pero se prevé que en los próximos años esta solución será más común. Al momento existen plantas fotovoltaicas en el orden de 1 a 2 MW funcionando y hay proyectos para centrales de más de 10 MW.

16 CONELEC, Regulación No. 003/02, 23 de Marzo de 2002


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Tabla 6.13 Menú Energético

Carga Vatios Cantidad Total Vatios

Horas uso días vatios/hora/día

Aire acondicionado 800 1 800 0,3 240

Bomba de agua 1/2 HP 400 0 0 0,3 0

Cafetera 1000 1 1000 0,5 500

Calefactor portátil 1500 0 0 5 0

Cocina eléctrica 3500 0 0 2 0

Computadora laptop 120 1 120 3 360

Congelador 350 1 350 6 2100

Ducha eléctrica 1500 1 1500 0,5 750

Estéreo grande 200 1 200 1 200

Estéreo pequeño 25 0 0 2 0

Foco 100 W 100 1 100 3 300

Foco 60 W 60 4 240 4 960

Foco ahorrador 23 2 46 3 138

Microondas 1500 1 1500 0,5 750

Plancha 1000 1 1000 1 1000

Refrigerador 350 1 350 6 2100

Secador de pelo 1200 1 1200 0,15 180

Secadora eléctrica 3000 0 0 1 0

Tanque eléctrico 2000 0 0 3 0

Televisión 13" 75 1 75 2 150

Televisión 20" 250 1 250 2 500

Tostadora 1500 1 1500 0,1 150

Ventilador 400 2 800 3 2400

VHS 25 1 25 2 50

TOTAL 11056 12828


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CAPÍTULO 7: CALENTAMIENTO SOLAR Para aprovechar la energía térmica del Sol y comprender el funcionamiento de los equipos de calentamiento solar, revisemos brevemente algunos conceptos relacionados con la termodinámica, que estudia los fenómenos del calor.

Conceptos Básicos de Termodinámica

Calor y Temperatura El calor es la transferencia de energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura17. La cantidad de calor es una manifestación de la energía interna de un cuerpo. A escala microscópica las moléculas que constituyen la materia tienen una energía cinética proveniente del movimiento aleatorio de las moléculas y una energía potencial proveniente de la fuerza de atracción de las moléculas entre sí. De allí que la energía interna de un cuerpo es la suma de estas dos energías. Por ejemplo, en un gas la energía interna es mayormente energía cinética, mientras que en un líquido o sólido es mayormente energía potencial. La temperatura es entonces una medida directa de la energía cinética de un cuerpo. Al calentar un cuerpo se provoca un incremento de la energía cinética interna lo que se evidencia por un aumento de su temperatura. Si la temperatura de dos cuerpos es la misma, su energía cinética es igual, pero no significa que su energía interna sea igual.

Calor Específico La cantidad de calor por una unidad de masa necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un cuerpo se conoce como calor específico. El calor específico del agua es de 4.186 J/kg oC, mientras que la del cobre es de 386 J/kg oC. La energía potencial interna del agua es mucho mayor que la del cobre. Se necesita más energía para calentar un gramo de agua que uno de cobre, mientras que la energía cinética es la misma pues el cambio de temperatura es igual. El incremento de calor se representa por la fórmula:

TcmQ p ∆= (7.1) Donde: Q = Incremento de calor (o energía) en Joules [J] cp = Calor específico del cuerpo en [J/kgoC] m = masa del cuerpo en kilogramos [kg] ∆T = Diferencia de temperatura = Tfinal – Tinicial en [oC]

Primera Ley de la Termodinámica

17 Esta expresión se conoce también como la Ley Cero de la Termodinámica.


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Hay dos maneras de transformar la energía interna de un cuerpo; a) mediante el incremento del trabajo introducido en ese cuerpo; y, b) mediante el incremento de temperatura. Esto se resume en la primera ley de la termodinámica que es la ley de conservación de energía aplicada a un proceso de calor y se expresa por la ecuación:

WQU −=∆ (7.2) Donde: ∆U= Cambio de la energía interna en Joules Q = Calor añadido al sistema en Joules W = Trabajo efectuado por el sistema en Joules Recordemos que Trabajo (W) = Fuerza (F) x Distancia (d) y que Presión (P)= Fuerza (F)/ Área (A), entonces podemos escribir:

VPdAAFdFW ∆=== .. , es decir que el Trabajo = Presión por cambio de Volumen. Este

es un concepto básico en un motor de combustión interna y en los ciclos termodinámicos.

Segunda Ley de la Termodinámica En realidad, un proceso energético tiene pérdidas y no toda la energía de entrada se transforma en trabajo. La segunda ley de la termodinámica establece un límite a la eficiencia de un proceso de calor y fija la dirección en que se puede dar la transferencia de calor. Si tomamos el caso de una máquina de calor que produce trabajo cuando se calienta (por ejemplo, un motor de combustión o un colector solar), la segunda ley dice que es imposible extraer una cantidad de calor QH de un reservorio de calor y usarlo totalmente para producir trabajo, ya que una parte del calor QC va a un reservorio frío. Algo similar ocurre con la bomba de calor (por ejemplo, una refrigeradora o un aire acondicionado), donde para llevar una cantidad de calor de un cuerpo frío a uno más caliente debemos introducir un trabajo en el sistema. La máxima eficiencia que podemos obtener de una máquina de calor viene dada por la eficiencia de Carnot, que dice:

H

CH

HC Q

QQQW −

==η (7.3)

Donde: ηC = Eficiencia de Carnot W = Trabajo QH= Calor ingresado al sistema QC= Calor perdido por el sistema Si la masa de un cuerpo no varía en el proceso, la cantidad de calor Q es directamente proporcional a la temperatura, por lo que podemos expresar la ecuación anterior de eficiencia de Carnot en función de la temperatura como:


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H

CH

HC T

TTTW −

==η (7.4)

Donde: TH = Temperatura inicial (reservorio de calor) en [K] TC = Temperatura final (reservorio de frío) en [K] En un proceso termodinámico irreversible de un gas ideal la eficiencia de Carnot es del 57%.

Formas de Transferencia de Calor Hay tres maneras en que el calor puede transferirse de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura: por conducción, por convección y por radiación.

Conducción Se produce por la agitación molecular dentro de un material en reposo. Al calentar una olla, el calor de la base se transfiere en pocos instantes a toda la olla. Es interesante para nuestro análisis de los colectores solares el caso de la transferencia de calor entre dos superficies planas con una pared en la mitad y viene dado por la ecuación:

dTTA

tQ CH )( −

=κ

(7.5)

Donde: Q/t = Cantidad de calor transferido por unidad de tiempo en [J/s] κ = Conductividad térmica del material en [W/m K] A = Superficie en contacto [m2] T = Temperatura en [K] d = Espesor del material en [m] La conductividad térmica de algunos materiales se muestra en la Tabla 7.1 a continuación:18

Tabla 7.1 Conductividad Térmica de Algunos Materiales

Material Conductividad

térmica (cal/s)/(cm2 oC/cm)

Conductividad térmica (W/m K)

Plata 1,01 406,0 Cobre 0,99 385,0 Bronce 109,0 Aluminio 0,50 205,0 Hierro 0,163 Acero 50,2 Vidrio 0,0025 0,8 Concreto 0,002 0,8 Agua a 20oC 0,0014 Fibra de vidrio 0,00015 0,04

Ladrillo rojo 0,6

18 Young, Hugh D., University Physics, 7ª Ed. Tabla 15-5.


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Madera 0,0001 0,12 a 0,04 Aire a 0oC 0,000057 0,024

De acuerdo a la Tabla 7.1 podemos deducir que los mejores conductores de calor son la plata y luego el cobre. El cobre se utiliza en las placas y tubos de los colectores solares por ser más económico19.

Convección En convección, la transferencia de calor se produce por el movimiento de la masa de un fluido como el aire o el agua al cual se le obliga a alejarse de la fuente de calor. La materia caliente tiene menor densidad que la fría, por ello se expande y se eleva. La densidad es igual a masa sobre volumen. El aire caliente sube, al igual que el agua. Un radiador para calentamiento de una habitación es un ejemplo de convección. Como veremos mas adelante, este es el movimiento del agua en un colector solar por termosifón. En un gas ideal las relaciones entre presión, volumen y temperatura se contienen en la Ley del Gas Ideal a presión constante PV=nRT. Si se incrementa el volumen, la temperatura también en sube, y viceversa, n y R son constantes químicas.

Radiación La transferencia de calor por radiación se produce por ondas electromagnéticas o fotones que llevan la energía fuera del objeto emisor. Un foco es un ejemplo de transferencia de calor por radiación. Este tema fue mencionado anteriormente y se expresa en la ecuación de Stefan – Boltzman que, aplicada al caso de un colector solar, es:

)( 44eTTAQ −= σε (7.6)

Donde:

ε= Emisividad del cuerpo. Un cuerpo negro ideal tiene una emisividad de uno, es decir toda la radiación se emite. La emisividad es adimensional.

A= Superficie en [m2] σ = Constante de Stefan-Boltzmann =5,67 x 10-8 [W m-2 K-4] T = Temperatura del cuerpo radiante en [K] Te = Temperatura exterior en [K]

Colectores Solares Un colector solar transforma la radiación solar en calor. La frecuencia de la radiación solar que se aprovecha en los colectores solares está en el rango entre 300 y 3000 nm, es decir incluye el espectro visible más la radiación infrarroja cercana. Existen básicamente dos tipos de colectores solares: el plano y el concentrador parabólico. El de tipo plano permite temperaturas entre los 20 y 120oC; y, el concentrador entre 150 a 800oC. El primero se utiliza para calentamiento de agua o aire en residencias, piscinas e industrias que requieren una temperatura baja; mientras que el segundo se usa en sistemas de vapor para hospitales, industrias y grandes instalaciones incluyendo plantas de generación

19 Convendría como tema adicional investigar la relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.


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eléctrica que necesitan mayor temperatura. En este manual nos referiremos únicamente a los colectores planos para calentamiento de agua en baja temperatura y su aplicación para residencias y piscinas.

Fig. 7.1 Tipos de colectores solares: plano y concentrador

Un colector solar plano es una caja metálica con una cubierta de vidrio o un material que permite el paso de la luz hacia una lámina metálica, generalmente de cobre pintada en negro o recubierta de una película de alta absortividad a la que está sujeta, sea por medio de soldadura o presión, una rejilla o serpentín de tubos de cobre por los que circula agua. Los tubos y la lámina forman la placa colectora la misma que se asienta sobre una capa de material altamente aislante que preserva el calor. La base del colector es por lo general metálica. Las partes de un colector solar plano se muestran en el la Fig. 7.2:

Funcionamiento del Colector Solar El diseño óptimo de un colector solar debe permitir absorber la mayor cantidad de radiación solar y reflejar lo mínimo de modo que toda la energía se transfiera al agua que circula en los tubos. Las pérdidas por convección y radiación a la atmósfera en la parte superior del panel deben ser mínimas al igual que las pérdidas por conducción en el aislamiento inferior y lateral del colector y en la placa colectora. Sigamos la trayectoria de la energía en el colector desde la que recibe del Sol hasta llegar al agua en los tubos. La parte de la radiación del Sol G que incide sobre la placa es G AC, donde AC es el área del colector. A su vez, una parte de ésta se transmite a través del

Colector solar plano Colector solar concentrador Cortesía de SOLETROL Cortesía de Industrial Solar Technology

Fig. 7.2 Partes de un colector solar plano


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vidrio (y del aire entre el vidrio y la placa colectora) hacia la placa colectora, lo cual viene dado por un índice de transmitividad τ. La radiación que incide sobre la placa colectora es entonces τ . G. AC . Una parte de esta radiación es absorbida por la placa colectora

(placa más tubos de cobre) lo cual viene dado por un índice de absortividad α. Esta es la energía útil o cantidad de calor útil QU y es la que finalmente llega al agua en los tubos. Sin embargo, la energía QU no se puede entregar totalmente a los tubos pues hay pérdidas en la parte superior del colector QT, en los lados QS y en el fondo o base del mismo QB. El balance energético en el colector viene dado por la suma de todas las energías de entrada y salida del sistema, y podemos representarlo como:

SBTCU QQQGAQ −−−= )(τα (7.7) Donde:

QU = Cantidad útil de calor en Joules. τ = Coeficiente de transmitividad del vidrio, adimensional. Debe tender a 1. α = Coeficiente de absortividad de la placa colectora, adimensional. Debe tender a

1. G = Radiación solar en W m-2. AC = Área del colector en m2. QT = Cantidad de calor que se pierde en la parte superior del colector. QB = Cantidad de calor que se pierde en la parte inferior del colector. QS= Cantidad de calor que se pierde en los lados del colector.

Recordemos que la energía del Sol cambia constantemente por lo que esta ecuación se la debe entender como válida para un instante determinado de tiempo. La cantidad de calor útil en el colector QU se transfiere a la masa de agua que circula en los tubos del colector y por el circuito de agua. Esta energía viene dada por la ecuación Q=mf cp ∆T, que habíamos visto, donde destacamos que la masa mf es la cantidad de agua que está circulando en el sistema (flujo de masa). El cambio en temperatura ∆T es la diferencia entre la temperatura final de la placa del colector Tp y la temperatura ambiente Ta, es decir ∆T=Tp-Ta. Si agrupamos las dos ecuaciones para QU obtenemos: SBTCUpf QQQGAQTcm −−−==∆ )(τα (7.8)

QS

G

QT

QB

GAC

QU

τ α

Fig. 7.3 Balance de energías en un colector solar plano


62

Las pérdidas de calor en el colector dependen de:

• el área del colector, • la temperatura en las diferentes partes del colector (vidrio, placa, tubos, y otros), • la temperatura ambiente.

Las pérdidas de calor se transfieren a la masa de agua. Como la masa de agua en el colector es constante y el líquido es agua con un calor específico dado, entonces las pérdidas de calor se pueden representar por: )( TaTpAUQQQQTcm CLSBTPpf −=++==∆ (7.9) Donde:

UL = Coeficiente integral de transferencia de calor del colector, que viene dado por el fabricante en [W m-2 oC-1].

QP = Cantidad de calor por pérdidas del colector en Joules Ta = Temperatura ambiente en oC Tp = Temperatura de la placa del colector en oC Ac = Área del colector en m2

Podemos entonces escribir nuestra ecuación de balance energético del colector como: )()( TaTpAUGAQ CLCU −−= τα (7.10) Sin embargo, esta ecuación no nos resulta muy útil pues la temperatura de la placa del colector no es fácil de determinar y no la podemos controlar ya que cambia con la radiación del Sol. Lo que sí podemos controlar es la temperatura de ingreso del agua al colector, por lo que convendría encontrar una ecuación equivalente en función de esta temperatura. Esto se consigue mediante una serie de análisis que no serán cubiertos en este manual20 y nos llevan a la ecuación del colector que sigue:

)]()[( TaTiUGFAQ LRCU −−= τα (7.11) Donde:

FR = Factor de retención de calor del colector, que determina la capacidad de aprovechamiento de la radiación solar del colector e incluye todos los parámetros de transferencia de calor en el vidrio, la placa colectora, el aislamiento, el diseño del colector (diámetro, longitud y separación de los tubos), de la placa al líquido y el caudal de masa de agua. Este valor viene dado por el fabricante del colector.

Ti = Temperatura del agua a la entrada del colector.

Esta ecuación es la más importante en sistemas de colectores solares

Orientación e Inclinación del Colector

20 Para mayor referencia ver Duffie y Beckman, Solar Engineering of Termal Processes, 2nd. Ed. Cap. 6, Pág. 251 en adelante.


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Al igual que en el caso del panel fotovoltaico, la cantidad de energía que podemos extraer del colector solar depende de la radiación solar que recibe, tanto directa como indirecta o difusa. La mejor orientación del colector se obtiene con un ángulo de inclinación igual a la latitud del sitio donde se instalará el colector y en dirección a la línea equinoccial. En ciertos casos, se prefiere un ángulo que brinde el mayor rendimiento en épocas de invierno. En el caso de Ecuador, al estar situados en la línea equinoccial, la orientación del colector puede ser hacia el sur o el norte porque para un ángulo de inclinación de 10 grados las horas de sol en el año son mayores que en la orientación este-oeste. Si bien el óptimo ángulo de inclinación en el Ecuador sería cero grados, se prefiere el ángulo de entre 5 y 10 grados por asuntos de limpieza del colector con la lluvia.

Eficiencia del Colector Solar Plano Para poder calcular la cantidad de calor aprovechable de un colector solar y comparar los colectores entre sí, nos interesa conocer su eficiencia. Recordemos que la eficiencia en una relación de la energía ingresada al sistema respecto de la energía producida. La fuente de energía del colector es la radiación solar, en tanto que la que se obtiene es la cantidad de calor útil QU. La eficiencia del colector para condiciones determinadas de radiación y temperaturas de ambiente y de entrada es:

GTaTiUFF

AGQ

LRRU −

−== )(ταη (7.12)

El primer término nos da una información sobre la calidad óptica del colector, es decir cuánta radiación solar se aprovecha; mientras que el segundo nos indica las pérdidas térmicas en el colector.

Los fabricantes de colectores solares proporcionan los datos de estos parámetros por lo general en una ecuación de la forma: η= η0- k1(∆T/G) donde η0 corresponde al factor FRτα y k1 a FRUL. Algunos incluyen un término adicional de segundo orden k2(∆T/G)2 para mayor exactitud. La curva de eficiencia de un colector en función del cambio de temperatura sobre la radiación se muestra a la izquierda. Colectores solares comerciales de buena calidad tienen valores de η0 = 0,78 a 0,82, k1= 2,6 a

3,7 [Wm-2K-1] y k2=0,014 a 0,018 [Wm-2K-2]. La eficiencia en función de las temperaturas de entrada To y salida Ti del colector también puede expresarse por la ecuación:

AGTiToCm P )( −

=η (7.13)

De estas ecuaciones podemos observar varios puntos de interés que nos permiten determinar las mejores condiciones para el funcionamiento del colector. Estos son: absortividad y superficies selectivas, radiación crítica, caudal de agua y área del colector y calor útil.

η

FRτα

FRUL

Ti-Ta G

Fig. 7.4 Curva de eficiencia del colector solar


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Absortividad y Superficies Selectivas

La eficiencia del colector es máxima si el producto τα es lo más cercano a 1. Un buen colector tiene normalmente valores de τ = 0,9 y de α = 0,95. La transmitividad depende de la frecuencia de la radiación y para el vidrio se reduce casi a cero para valores mayores a 4000 nm. Lo que se busca es reducir al mínimo la radiación que el colector refleja al ambiente, lo cual viene dado por el valor de emisividad del material ε. El vidrio tiene la cualidad de retener la radiación de onda larga infrarroja. Para aprovechar al máximo la radiación solar la placa absorbedora debe ser de color negro. Generalmente se aplica una pintura especial que se fija al metal, pero con el paso del tiempo y por las altas temperaturas que pueden llegar a cerca de 200oC, la pintura se quiebra y se desprende de la placa, reduciendo la eficiencia del colector.

Se ha desarrollado nuevas tecnologías de materiales que permiten una máxima absortividad en las frecuencias hasta 3000 nm y una baja emisión en ondas infrarrojas, con el recubrimiento de una lámina de superficie selectiva sobre la placa de cobre o aluminio. Los materiales empleados para absorbedores solares selectivos son: galvánicos en negro de cromo, negro de níquel y compuestos de titanio (TINOX). Este último, con una coloración azul, ha logrado valores de absortividad de 95% y emisividad de 5%.

Radiación Crítica El segundo factor de la ecuación de eficiencia debe ser mínimo para que la eficiencia sea la máxima posible. Esto se consigue de dos formas: a) mientras más grande es el valor de G, y b) s la diferencia de temperatura Ti-Ta es mínima, es decir que la temperatura del agua que ingresa al colector debe ser igual a la temperatura ambiente. El valor crítico o mínimo de radiación que debe incidir sobre el colector para obtener un calor útil es aquel en que la radiación absorbida es igual a las pérdidas térmicas, esto es:

)(

)(ταR

LRC F

TaTiUFG −= (7.13)

Donde: GC es la radiación crítica instantánea.

Caudal de Agua Si tomamos la ecuación de eficiencia en función de las temperaturas de entrada y salida del

colector AG

TiToCm P )( −=η (7.14) podemos ver que la eficiencia depende también de la

relación entre el caudal de agua que fluye en el circuito colector–tanque–colector y la diferencia de temperatura medida entre la salida del colector y la salida del tanque hacia el colector. De allí que para mantener la misma eficiencia, cuando la temperatura de salida del colector se incrementa, el caudal de agua debe reducirse, y viceversa. Normalmente esto se hace mediante una bomba que se activa o desactiva para mantener este diferencial de temperatura constante, entre 10oC a 20oC. Dependiendo del nivel de radiación la temperatura también cambia y con esta bomba se puede variar el caudal para optimizar la eficiencia del colector, lo cual se consigue con sistemas de control electrónico y bombas de velocidad variable.


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Área del Colector y Calor Útil La cantidad de calor útil QU tiene una relación directamente proporcional con el área. Si se quiere más calor útil se debe aumentar el área. Sin embargo, en la práctica, al duplicar el área del colector no se puede conseguir el doble de calor útil pues un colector más grande no trabaja a plena capacidad como lo hace el más pequeño. Además, si el área es excesiva, el calor generado se pierde, por lo que en el diseño se debe calcular un área óptima en base de la información exacta de la carga térmica requerida y de la radiación solar promedio. La cantidad de energía producida por el sistema termo solar debe reducir al máximo los excedentes de calor. Pretender satisfacer la totalidad de la demanda térmica con calentadores solares durante todo el año no es rentable porque hay variaciones en la radiación solar. Se debe siempre pensar en disponer de un sistema mixto de calentamiento eléctrico, gas, biomasa o diesel que se complemente con el sistema solar. El factor de cobertura solar de la demanda con calentamiento solar usualmente es rentable hasta un 60% de la demanda anual para el caso de calentamiento de agua más calefacción, y de hasta un 90% sólo para calentamiento de agua (residencias y piscinas). Existen programas de computador que facilitan este cálculo y el diseño de los sistemas termo solares21. Ejercicio 7.1

Los datos del fabricante de un colector solar plano para agua son los siguientes: FRτα = 77,9%, FRUL= 2,64 [W/(m2K)], área del colector (bruta) 6,19 m2, área efectiva del absorbedor 5,93 m2. a) Calcular la radiación crítica requerida para producir calor útil si la diferencia de temperatura de ingreso al colector y el ambiente es de 10K. b) ¿Cuál es la eficiencia del colector en condiciones estándar de prueba? c) ¿Para estas condiciones cuánto calor útil podemos obtener del colector? Solución:

a) La radiación crítica viene dada por la ecuación )(

)(ταR

LRC F

TaTiUFG −= ,

Ti-Ta=10K, reemplazamos valores y tenemos Gc=(2,64[W/(m2K)]x 10K)/0,779 = Gc = 33,89 W/m2

b) Condiciones estándar aplicables son: G=1000 W/m2 y Ta=25oC. La ecuación de

eficiencia G

TaTiUFFAG

QLRR

U −−== )(ταη ,

η = 0,779 – 2,64 [W/(m2K)] x 10 K)/1000 [W/m2] = 0,753 = 75,3% c) Según normas, los datos del fabricante se determinan para el área bruta del colector que es la que debemos tomar, entonces Qu= η G A = 0,753 x 1000 W/m2 x 6,19 m2 = Qu = 4.661 [W]

21 Algunos de los programas disponibles en el mercado son: TSOL, FCHART y POLYSUN.


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Sistemas de Calentamiento de Agua con Colectores Solares Existen básicamente dos tipos de sistemas de calentamiento de agua con colectores solares: pasivo y activo. La diferencia entre los dos es que el sistema activo requiere de energía adicional (mecánica, eléctrica o térmica) para su funcionamiento, en tanto que el sistema pasivo utiliza exclusivamente la energía térmica (solar) propia del colector. El sistema pasivo más utilizado es el termosifón y el activo es el de ciclo abierto con bomba. Estos dos sistemas son los más indicados para el Ecuador.

Termosifón El calentamiento con termosifón consiste en instalar un tanque de almacenamiento de agua a una altura superior del colector. El agua caliente del colector, por ser menos densa, se desplaza hacia arriba y esta se almacena en el tanque. El tanque es aislado para mantener la temperatura del agua para su posterior uso. Por gravedad, el agua fluye luego hacia las salidas de agua caliente en la residencia. Entre las ventajas se puede mencionar que es un sistema simple, de fácil instalación y tiene un precio bajo. En cambio, sus desventajas son:

• Depende de la presión de agua de ingreso a la residencia para la circulación de agua por el colector.

• Si entra aire al sistema se interrumpe el flujo de agua.

• Depende totalmente de la radiación solar para la disponibilidad de agua.

• Al estar expuesto el tanque al ambiente exterior está sujeto a una mayor pérdida del calor almacenado.

• La temperatura del agua no tiene control.

• Necesita de un elemento adicional

para calentamiento con gas o electricidad. Sistema de Bomba El sistema de calentamiento de agua activo comprende: colectores solares en el techo, tanque de almacenamiento, bomba de circulación, termostato eléctrico o equipo de calentamiento adicional, sistema de control de temperatura y presión y tanque de expansión para sistemas con líquido anti- congelante. Es el sistema común de agua caliente en las residencias, con la importante diferencia que la fuente de calor proviene del Sol y no de un termostato eléctrico o calefón de gas. Mediante la instalación de la bomba de circulación podemos controlar muy efectivamente el rendimiento del colector ya que, como hemos visto anteriormente, la bomba se activa cuando la diferencia de temperatura

Fig. 7.5 Sistema solar residencial tipo termosifónAdaptado de Your Home Technical Manual, Australia


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entre la salida del agua caliente del colector y la de entrada de agua fría al tanque excede un valor, que por lo general es entre 10 y 20oC. Las ventajas de este sistema son: • El tamaño del tanque de

almacenamiento puede ser más grande que el termosifón y no afecta la estética de la residencia.

• El uso de un elemento de calentamiento de respaldo mediante termostato, calefón o caldero, permite disponer de agua caliente en situaciones de baja

radiación solar. En casos en que se requiere una temperatura más alta que la normal, se puede calentar en dos etapas: con calentamiento solar hasta cierta temperatura y luego con el equipo de respaldo.

• La eficiencia en el aprovechamiento solar es alta. • El mantenimiento es más fácil pues está ubicado en un sitio de mayor acceso que el

techo. • El tanque de almacenamiento no requiere un aislamiento adicional porque está al

interior de la vivienda. Entre las desventajas podemos mencionar que requiere de energía adicional para el funcionamiento de la bomba y, en ciertos lugares, no disponen de servicio eléctrico. En esos casos se puede instalar un pequeño panel fotovoltaico para suministrar la energía de la bomba que es una carga pequeña y funciona en corriente directa. Otras desventajas son que la instalación es más compleja que el termosifón y su costo es más alto.

Diseño de Sistemas de Calentamiento Solar Demanda de Agua Caliente De manera similar al caso del diseño de un sistema solar fotovoltaico donde determinamos las cargas eléctricas de la residencia, para el diseño del sistema de calentamiento de agua con colectores solares debemos conocer primero la demanda de agua caliente requerida. El agua caliente se utiliza comúnmente para el baño de las personas (ducha y tina), para lavado de ropa, lavado de platos y calefacción. En nuestro caso no consideraremos el uso de agua para calefacción. La tabla a continuación22 nos indica el consumo de agua caliente y la temperatura para cada uno:

22 Tomada de Thermische Solaranlagen, Öko-Institut e.V. pág. 72.

Fig. 7.6 Colector solar con sistema de bomba Adaptado de Your Home Technical Manual, Australia


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Tabla 7.2 Consumo Promedio de Agua Caliente en una Residencia Uso Temperatura

oC Litros por uso Total litros de agua por día por vivienda (*)

Ducha 40 30 a 50 120 Tina 40 120 a 150 40 Lavado de manos 40 2 a 5 15 Lavado de vajilla a mano 50 10 a 20 25 Lavado de vajilla a máquina 60 20 a 35 (30) Lavado de ropa 60 10 a 30 (10) Total 45 (promedio) 200 (240)

(*) Se considera cuatro personas por vivienda que consumen 50 litros por día. Los datos que se presenta han sido tomados de países desarrollados, por lo que el uso en nuestro país puede ser menor; sin embargo, se mantienen para efectos del diseño. En cada caso se deberá estimar de la manera más exacta posible el consumo de agua caliente en cada vivienda para dimensionar el sistema de calentamiento de forma óptima. El uso también varía en la semana, ya que el lavado de ropa se lo hace cada dos o tres días. Tomando en cuenta estas variaciones de uso de agua caliente, podemos estimar la demanda térmica por semana o por mes. Generalmente, se estima que la demanda de agua caliente es entre 20 y 60 litros por persona por día.

Producción Energética Anual del Colector Los fabricantes proporcionan un parámetro de producción energética anual del colector, calculado para una determinada radiación solar y situación geográfica, el cual se puede utilizar a falta de información. Si disponemos del dato de radiación solar media anual podemos calcular el calor útil por metro cuadrado utilizando la ecuación del colector QU analizada anteriormente. La producción energética anual del colector depende de la diferencia de temperatura de entrada y salida y se puede tomar los valores de la Tabla 7.323, debiendo notar que para zonas de mayor radiación anual como el Ecuador estos valores se incrementan entre 50% a 60%:

Tabla 7.3 Producción Energética Anual de un Colector en Función de la Temperatura del Colector Diferencia de

temperatura del colector (To-Ti) en oC

Producción energética anual del colector [kWh m-2 año-1] (*)

40 638 50 542 60 455 80 307

(*) Para una radiación promedio anual de 1130 a 1174 kWh/m2 año e inclinación del colector de 30º. Demanda Energética Anual Nos interesa conocer la demanda de energía térmica de la vivienda durante un período. El período a tomar, que puede ser diario, semanal, mensual o anual depende de la información sobre la radiación solar que dispongamos para el sitio. En algunos países se tiene información diaria con lo cual se puede utilizar el método de grados día24 o curva F-CHART25. 23 Ibid, pág. 67. 24 El valor de los grados día para una fecha determinada se encuentra restando de 20°C la temperatura media de esa fecha. Este resultado muestra la variación de la temperatura hacia arriba y hacia abajo sobre la temperatura óptima. 25 www.fchart.com


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Procedamos a calcular la demanda energética anual de una vivienda con cinco personas y consumo de agua promedio de 150 litros por día a una temperatura promedio de 45oC. El calor requerido Q = mCp∆T = 150 lt/día x 4.186 [J/(kg oC)] x 0,9982 [Kg/lt] x 45 oC = 28,2 MJ/día. Hemos realizado un cálculo más exacto con la densidad del agua a 20 oC. Convirtiendo los MJ en kWh tenemos Q = 28,2 [MJ/día] x 1/3,6 [kWh/MJ] = 7,833 kWh/día, ya que 1 kWh = 3, 6 MJ ( y 1 MJ = 0,28 kWh). Para los 365 días del año la demanda térmica es de 7,888 x 365 = 2.858 kWh. Área del Colector Tomamos del fabricante el dato del rendimiento anual del colector y fijamos el factor de cobertura solar. Supongamos que queremos cubrir un 60% del total de la energía con nuestro colector, que la producción anual de un colector de 3 m2 es de 594 kWh/(m2año) y, que las pérdidas del sistema solar son del 20%, entonces:

)1(Pr solarsistemadelPérdidascolectordelanualoduccióncoberturadeFactoranualDemandacolectordelÁrea

−××

=

o simbólicamente, FpRcFsQdAC = (7.15)

Para nuestro caso del ejemplo: Qd = 2858 kWh, Fs = 60%, Rc = 594 kWh/(m2 año) y Fp = 20%, entonces Ac = (2.858 kWh/año x 0,6)/(594 kWh/m2 año x (1-0,2)) =3,6 m2. El colector del ejemplo debe tener un área de al menos 3,6 m2 para suplir el 60% de la demanda anual para calentamiento de agua. Tanque de Almacenamiento El tamaño del tanque de almacenamiento de agua caliente debe mantener la reserva de agua de uno a un día y medio. Si en nuestro ejemplo la demanda era de 150 litros entonces, el tanque debe tener entre 150 y 225 litros de capacidad. Dividiendo el volumen de agua del tanque para el área del colector nos da 41,7 lt/m2 de colector, en el primer caso (150 litros); y, 62,5 lt/m2 de colector en el segundo (225 litros). Normalmente, para calentamiento solar de agua se toma como volumen del tanque de almacenamiento entre 40 lt a 50 lt por cada metro cuadrado de colector. Si necesitamos también calefacción este valor se toma como 75 lt por m2 de colector. Es importante notar que el agua al interior del tanque de almacenamiento tiene una temperatura variable en función de la altura. Como el agua caliente sube, la parte más alta es la más caliente y es de ahí donde debemos tomar la salida de agua para usarla en la residencia. El agua que llega del colector ingresa al tanque por lo general a una altura de un tercio del fondo. El agua fría que sale del tanque hacia el colector debe tomarse lo más bajo posible, pues así reducimos las pérdidas en el colector. Bomba y Sistema de Control La bomba y el sistema de control son partes muy importantes del sistema de calentamiento solar. Las primeras instalaciones de calentamiento solar no disponían de sistemas efectivos de control y esa fue una de las razones por las que los calentadores solares cayeron en desprestigio y se limitó su uso. En la actualidad, sistemas de control electrónicos y


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bombas electrónicas de velocidad variable permiten tener un óptimo y eficiente funcionamiento del sistema, con elementos de control, protección, medición y monitoreo de temperatura, presión y flujo en el circuito de agua. El costo de estos sistemas es bajo dentro del costo de todo el sistema de calentamiento solar. Las partes que conforman el sistema de control son: medidores de presión del circuito y de temperaturas de entrada y salida del agua del colector, regulador de temperatura y control de flujo en la bomba, válvulas de sobre presión, válvula temperada de flujo inverso, válvula tipo check y válvulas de fuga, como se muestra en la Figura 7.7.

El caudal de agua que circula por los colectores es bajo. Un sistema comercial de 6 metros de cabeza de agua (altura vertical desde la bomba hasta el colector) se diseña para soportar presiones de hasta 10 bar y el caudal puede llegar hasta 7 litros por minuto. Normalmente se prefiere sistemas de caudal reducido (low flow) que tienen un caudal entre 0,25 a 0,35 litros por m2 de colector. Una bomba consume menos de 25 W. Calentamiento de Agua para Piscinas El uso de colectores solares es idóneo para el calentamiento de agua en piscinas. La temperatura del agua en una piscina varía entre 25oC a 35oC, que es precisamente el nivel de temperatura que podemos obtener de un colector solar. Las piscinas tienen un sistema de circulación mediante una bomba, la cual se aprovecha para incluir el circuito del colector. Es un ciclo cerrado con la diferencia que el tanque de almacenamiento viene a ser la piscina en sí. Al estar expuesta el área de la piscina al exterior, las pérdidas con convección son altas. Por ello, se recomienda cubrir la piscina con una manta o toldo aislante durante las horas en que no se utiliza, especialmente en las noches. El área de

Fig. 7.7 Partes y accesorios de un colector solar de bomba con sistema de control Adaptada de Home Power Magazine #84


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colector necesario es entre un 50% y 100% del área de la piscina. El colector puede ser del tipo residencial con cubierta de vidrio, pero se prefiere colectores fabricados en plásticos especiales (polipropileno) porque se reduce el costo. Se puede instalar un sistema mixto solar con gas o diesel para reducir el consumo de combustibles y el costo anual de operación. Comparado con el consumo de combustible de un sistema tradicional, un sistema solar de calentamiento de piscina en el Ecuador recupera su costo en menos de un año.

Otros Usos del Calentamiento Solar Además del uso del Sol para calentamiento de agua, podemos utilizar su energía eficientemente para otros usos como: secado de granos, desalinización de agua, cocinas solares y arquitectura solar pasiva. Secado de Granos Tradicionalmente, los granos son expuestos al sol para extraerles la humedad, evitar su pronta descomposición y para almacenarlos. En combinación con el viento, la energía solar permite el secado de los granos o frutas. Al estar expuestos directamente al ambiente, los insectos o aves y los rayos ultravioleta pueden afectar las cualidades del producto. El tipo de secador solar directo tiene una caja o cuarto con una cubierta de vidrio o plástico a manera de invernadero. El producto debe estar a cierta altura del suelo para permitir que el viento fluya y al calentar el aire se produce el secado. Tiene la desventaja del impacto directo de los rayos del Sol, pero al tener una mayor temperatura previene el ataque de insectos y microorganismos.

El secador indirecto consiste en una caja cubierta de vidrio por la que entra aire que luego pasa a una cámara cerrada donde se colocan los productos. La ventaja es que el aire que llega es precalentado y los productos se secan más rápido. Sirve para el secado de vegetales o frutas que mantienen sus propiedades al no estar expuestos directamente al Sol. Su costo es mayor que el del secador directo.

Vidrio

Aire Producto

Secador solar directo

Vidrio

Producto

Producto

Aire

Secador solar indirecto

Fig. 7.9 Secadores solares directo e indirecto

Fig. 7.8 Colector solar de polipropileno para uso en piscinas


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Desalinización de Agua En lugares donde el agua no es potable o se dispone de agua salada, se puede instalar un sistema de destilación o desalinización de agua. En estos equipos el agua se impulsa por una bomba hacia un colector y, por efecto de la radiación del Sol, se calienta hasta evaporarse y luego se condensa. Otro sistema consiste en colocar un techo de plástico o vidrio sobre un estanque que calienta el agua hasta evaporarla. Esta se condensa al contacto con el interior del techo y luego el agua limpia se recoge en los bordes donde se ha colocado unos canales para ese propósito. El calor solar se aplica también para pasteurizado de agua, en recipientes que se mantienen a una temperatura de 65oC al menos durante media hora. Cocinas Solares El uso de leña o combustibles para la cocción de alimentos puede reducirse si se emplea una cocina solar. El concepto es simple: los rayos del sol se reflejan en una estructura forrada con material reflectivo, usualmente aluminio o espejo, y se envían hacia un recipiente donde se coloca el alimento. Hay tres tipos de cocinas solares: de caja, de panel y parabólicas. Las cocinas de caja son más lentas, pueden abarcar mayor cantidad de alimentos y la comida no se quema. La de tipo panel tiene paneles planos que reflejan el sol hacia un recipiente dentro de una bolsa de plástico. Son muy fáciles de construir y tienen una gran capacidad de cocción. La de tipo parabólico es un poco más compleja pues la base debe ser construida de modo que el haz de luz se dirija a un punto central donde se coloca el recipiente con los alimentos. Las cocinas parabólicas tienen una alta temperatura.

Arquitectura Solar Pasiva Una vivienda diseñada para aprovechar la energía y la luz solares es más eficiente y económica que una de diseño convencional. La luz que llega a una habitación tiene doble efecto: iluminar y calentar la vivienda. Dependiendo del lugar donde vayamos a construir debemos considerar el efecto del Sol. En climas fríos queremos aprovechar esa energía para mantener el calor al interior de las habitaciones; mientras que en climas cálidos debemos utilizar el efecto térmico para evacuar el aire caliente y para ventilar el ambiente.

Fig. 7.10 Cocinas solares: caja, panel y parabólica Cortesía de: The Solar Cooking Archive


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La materia que trata el aprovechamiento del Sol se conoce como arquitectura solar pasiva (passive solar housing). El término “pasiva” se refiere al aprovechamiento del Sol sin otras fuentes energéticas o mecánicas. Hay tres conceptos básicos en arquitectura solar pasiva: a) diseño, b) orientación de la vivienda y c) materiales de construcción utilizados. El diseño considera el grado de integración pasiva tomando en cuenta en el sitio los aspectos de viento, vegetación, tipo y características del suelo, exposición solar y otros que normalmente los analiza un arquitecto. La orientación de la vivienda debe ser tal que las habitaciones que requieren mayor calor se orienten con sus ventanas en dirección este-oeste para almacenar la energía durante el día y liberarla por la noche. En caso de utilizar paredes que pueden almacenar calor, conocidas como paredes térmicas también se deben construir con esa orientación. Para zonas cálidas del Ecuador en que se debe evitar la influencia del sol, la orientación de la vivienda debe ser con las ventanas en dirección norte-sur y las paredes térmicas en dirección este-oeste. Respecto de los materiales empleados en la construcción de viviendas con arquitectura solar pasiva, se debe preferir piedra, concreto, ladrillo o adobe. Las construcciones con materiales livianos como madera o caña guadúa no aíslan del calor, que es lo que queremos conseguir en sitios fríos. La mejor manera de utilizar estos elementos es colocarlos hacia la parte interior de las paredes y enlucirlas exteriormente con masilla de cemento o adobe, lo cual hace más hermética la vivienda. El techo debe ser de material aislante, de preferencia losas de concreto o material de baja conductividad. Es común en nuestro país utilizar el techo de zinc o metálico. Esto causa un grave inconveniente ya que por su alta conductividad térmica se calienta y, por convección, ese calor se transfiere a la habitación. Se debe instalar siempre un material aislante como poliuretano, fibra de vidrio u otro similar con el techo, para mantener la habitación a una temperatura normal. En climas fríos, se utiliza normalmente la teja sobre una cubierta de madera aislada para la humedad. Este aislamiento de plástico o aluminio no es suficiente para mantener el calor al interior de la vivienda por lo que las casas son frías durantes las noches. En estos casos, se debe instalar también una capa de material aislante de entre 5 a 8 cm entre la cubierta y el material de protección de humedad. Las ventanas son un elemento clave en el balance térmico de la vivienda pues permiten el ingreso de la radiación solar y retienen el calor al interior. En climas fríos, las ventanas pueden actuar como elementos tipo invernadero que almacenan el calor y se debe preferir su instalación en ángulos menores a 90 grados. El tamaño de las ventanas está en relación a la cantidad de calor que se quiere almacenar, por lo que en climas fríos convienen una mayor área de ventanas y tragaluces. Para climas cálidos, las ventanas deben ser de menor tamaño o con la apropiada ventilación. Las casas de los habitantes de los desiertos tienen ventanas pequeñas. De ser posible, por asuntos de costos, se debe preferir ventanas con doble vidrio. El aire en la mitad de los dos vidrios actúa como aislante que guarda el calor o el aire acondicionado al interior de las viviendas. Ventoleras o salidas de aire en la parte superior de la vivienda son elementos importantes en la arquitectura solar pasiva. Para evitar el calentamiento a través de las ventanas, en edificios u oficinas se puede colocar un volado o una pérgola exterior que impida la acción directa de los rayos del sol. Hemos visto que el color es una propiedad de la radiación. Colores oscuros guardan el calor más que los colores claros. Si nuestro interés es guardar el calor al interior de la vivienda se debe preferir colores oscuros en el piso o el uso de materiales como cemento o piedra. Este calor se guarda en el día y luego se libera por las noches. En climas cálidos se


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debe preferir los colores claros. La madera es un aislante térmico y no conviene su uso para almacenar energía. El uso de paredes térmicas es recomendable pues nos permiten aprovechar de la energía del sol para almacenar calor o para crear un flujo de aire al interior de la vivienda, dependiendo de nuestras necesidades. Los gráficos de la Fig. 7.10 nos permiten comprender mejor cómo se puede aprovechar de las paredes térmicas26.

La pared térmica es una pared doble, al exterior tiene una pared o estructura de alta conductividad térmica (concreto, vidrio) que almacena el calor y por convección crea en el espacio que hay con la pared de la vivienda al interior una masa de aire caliente la cual se aprovecha para calefacción o ventilación. Se tiene unas compuertas o ventoleras que se abren o cierran dependiendo de los requerimientos de calor o ventilación. Según se muestra en la Figura 7.10, en a) Calefacción, el aire del espacio a ser calentado o del sistema de aire acondicionado circula por la pared térmica y vuelve a la habitación; b) Precalentamiento de aire para ventilación, el aire fresco del exterior es succionado a la pared térmica y el aire caliente es llevado a la habitación; y, c) Ventilación por termosifón, la fuerza natural del termosifón que se crea por el flujo de aire a través de la pared térmica succiona aire del exterior y de la habitación enfriándola. Mientras mayor sea el aprovechamiento del sol en viviendas, menor será el uso de combustibles o electricidad, de aquí la importancia de la arquitectura solar pasiva. En el próximo capítulo analizaremos los conceptos y formas de aplicación de la energía del viento.

26 Tomado de Renewable Energy for Rural Schools, National Renewable Energy Laboratory.

a) Calefacción b) Precalentamiento de c) Ventilación por aire para ventilación termosifón

Fig. 7.10 Aprovechamiento de una pared térmica


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CAPÍTULO 8: LA ENERGÍA DEL VIENTO

Pasado y Presente La fuerza del viento ha sido aprovechada por los seres humanos desde las primeras civilizaciones para sus necesidades de fuerza y transporte. La navegación en barcos de vela permitió que llegaran a sitios muy lejanos y que hicieran un intercambio de productos y culturas. Se cree que los primeros molinos de viento datan de la antigua Persia (hoy Irán-Irak) del siglo dos antes de la era cristiana. El desarrollo moderno de la energía eólica (aquella que proviene del viento) para la producción de electricidad se origina en los Estados Unidos, en 1888, cuando Charles F. Brush construye un aerogenerador de 12 kW del tipo rosa de los vientos en madera, de 17 metros y 144 palas. Posteriormente, en 1897, Poul la Cour en Dinamarca funda la sociedad de energía eléctrica del viento y sienta las bases de los sistemas modernos. A consecuencia de la crisis energética de fines de los 1970 e inicios de los 1980, el mundo desarrollado volvió su atención a las fuentes no convencionales de energía y emprendió en la instalación de parques eólicos, lo que se llamó el torrente eólico de California. Eran máquinas de 55 kW de tres palas. En la actualidad, las aplicaciones más importantes de la energía eólica son para la generación eléctrica y para el bombeo de agua. La producción mundial de energía eléctrica con aerogeneradores ha crecido de manera dramática en las últimas décadas, apoyada por políticas de fomento de energías renovables,

disminución de la dependencia de los combustibles fósiles y creación de puestos de trabajo. La Fig. 8.127 muestra que la capacidad instalada ha crecido diez veces en la última década hasta llegar en el año 2002 a cerca de 28300 MW. En particular en los países europeos se ha logrado consolidar una gran industria que exporta los sistemas a todas partes del mundo. En los Estados Unidos la capacidad instalada en el año 2001 llegó a 4.462 MW y en Europa a 17.812 MW (71,5% del total mundial). En el año 2002, Alemania

llegó a 10.650 MW28, es decir tres veces la capacidad instalada total del Ecuador. Esta tendencia se mantendrá en las próximas décadas y hay un compromiso de llegar en el año 2020 a que la energía eólica satisfaga el 12% del consumo de electricidad en todo el mundo. Podemos ver entonces la importancia de esta energía y por ello debemos conocer la forma de aprovechar esta energía como parte de las energías renovables.

27 Datos tomados de BP Statistical Review of World Energy 2002 28 European Wind Energy Asociation, Noviembre 2002

Fig.8.1 Capacidad instalada mundial de energía eólica 1990 a 2002


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v

m

A ρ

D

La Fuerza del Viento

Origen de los Vientos Los vientos tienen su origen en la diferencia de temperatura y presión que se produce cuando el aire caliente en la zona ecuatorial se mueve hacia los trópicos que están más

fríos. Cuando el aire llega a las latitudes de 30 grados en los trópicos, se detiene debido al movimiento de la tierra (más exactamente a la aceleración de Coriolis) y se crea diferencias de presión que aceleran el aire en la atmósfera y lo hacen descender hacia la superficie creando los vientos. Los fenómenos meteorológicos se producen en los 11 km de la atmósfera llamada la troposfera y los vientos se llaman globales. La dirección del viento en la latitud de la Tierra se muestra en la Fig. 8.2. Nuestro interés son los vientos de superficie que se producen por efecto de la rugosidad de la superficie de la tierra hasta los 100 metros de altitud.

En el caso del Ecuador, por estar situado en la línea equinoccial los vientos son locales y se producen por diferencias térmicas en los valles en la zona de Los Andes o en las costas y causan las brisas marinas. Los programas para estudios de plantas eólicas, toman en cuenta los vientos globales y deben ser utilizados con ciertas restricciones en la zona ecuatorial.

Potencia del Viento Imaginemos una masa de aire m de área A y densidad ρ que se desplaza a una velocidad v. La masa de aire por unidad de tiempo es m/t = ρ A v (ver nota al pie 29) y su energía viene dada por su energía cinética Ec=1/2(m v2). Reemplazando m en Ec tenemos Ec=1/2(ρ.A. v.v2).t. Como Potencia = Energía / tiempo, P=Ec/t, entonces la potencia total extraíble del viento es

32

1 AvPV ρ= (8.1)

Donde: PV = Potencia extraíble del viento en W ρ = Densidad del aire en kg/m3 A = Área en m2 v = Velocidad del viento en m/s

Podemos observar que la potencia del viento es una función del cubo de la velocidad, es decir que si la velocidad se duplica, la potencia es ocho veces más (2x2x2=8). Igualmente, si escribimos el área como función del diámetro A=πD2/4 podemos ver que la potencia es proporcional al cuadrado del diámetro. Al incrementar el diámetro al doble, la potencia

29 Recordemos que masa = volumen x densidad y volumen = área x distancia. Como distancia = velocidad / tiempo, si tomamos la unidad de tiempo, entonces masa / tiempo = área x densidad x velocidad, ó m/t = ρ A v.

Latitud 60º 30º 0º -30º -60º

Fig. 8.2 Dirección del viento en la Tierra


77

es cuatro veces más. La velocidad del viento y el diámetro del rotor son los dos parámetros que se maneja en la producción de energía de un aerogenerador. Si toda la energía cinética se convierte en movimiento del rotor el viento se pararía. Y, en este caso, ¿el aire a donde se va? Sabemos que esto no es posible, así es que debe haber

un límite a la cantidad de energía que puede entregarse al rotor, y viene determinado por la Ley de Betz. Si en el camino del viento a velocidad v1 se interpone un aerogenerador de diámetro D, se produce un frenado del viento reduciendo su velocidad a v2 ya que el volumen se debe mantener constante a ambos lados del rotor. El flujo de viento toma una forma de botella con

la estela o parte más ancha atrás del rotor. Se define un Coeficiente de Potencia CP que es una función de (v2/v1), cuando CP = 1/3 la relación PT/PV es máxima y podemos concluir que la máxima potencia que el viento puede entregar a un aerogenerador de rotor giratorio (o molino de viento) es 16/27 o 0,5926. La ecuación de la potencia del aerogenerador es:

3

21 AvCPCP PVPT ρ== (8.2)

Valores de CP para aerogeneradores comerciales están en el orden de 0,4.

Densidad del Aire, Presión y Temperatura La fuerza que toma un aerogenerador proviene del aire: mientras más pesado el aire más fuerza se podrá entregar. El aire cambia de densidad de acuerdo con la temperatura y la presión según la relación:

TRP

=ρ (8.3)

Donde: ρ = densidad del aire en kg/m3 R = constante del gas = 8,31 [J K-1 mol-1] = 287 [L K-1

kg-1] T = Temperatura absoluta en K P= Presión en Pascal [Pa]

En zonas cálidas el aire es más caliente pero la presión es mayor. Lo contrario ocurre en zonas altas. La presión atmosférica a nivel del mar es 1.013,25 hecto pascales [hPa]. La densidad y la temperatura cambian con la altura sobre el nivel del mar Hm de acuerdo a las relaciones empíricas:

Fig. 8.3 Cambio de velocidad del aire en el rotor


78

]/[10.194,1 340 mkgH m×−= −ρρ (8.4) ][

304883,19

5,15 CH

T om×−= (8.5)

Donde: Hm = altura sobre el nivel del mar en metros ρ0 = densidad del aire a nivel del mar = 1,225 kg/m3 ρ = densidad del aire a la altura Hm en kg/m3 T = temperatura a la altura Hm en °C

Ejercicio 8.1

Grafique la curva de potencia de dos aerogeneradores de 5 m2 y 10 m2 de diámetro en función de la velocidad del viento en condiciones estándar de TPA (temperatura, presión y altura). El coeficiente de potencia del aerogenerador es 0,5. Solución: a) D = 5 m2. Calculemos la PT para velocidades de 0 a 15 m/s. Sabemos que PT=1/2(CP ρ A v3). La densidad del aire a 0 metros sobre el nivel del mar (msnm) y 15oC es de 1,225 kg/m3. Área = ¼ π 52 m2= 19,63 m2. Reemplazando en la ecuación de PT tenemos para v=3 m/s : PT=1/2(0,5 x 1,225 kg/m3 x 19,63 m2 x 33 (m3/s3))= 162,4 [kg m2 /s3] = 162,4 [J/s] = 162,4 [W] = 0,162 Kw. Para las demás velocidades se calcula en forma similar y se muestra en el gráfico. b) D = 10 m2. En forma similar al caso a), los resultados se muestran en el gráfico.

Ejercicio 8.2

Para el aerogenerador de 10 m de diámetro del ejercicio anterior calcule la diferencia en potencia por efecto de la altura sobre el nivel del mar entre 0 y 2000 m para una velocidad del viento de 8 m/s. Solución:


79

La densidad relativa del aire a 2850 msnm es: ]/[285010194,1225,1 34 mkg××−= −ρ = 0,78 kg/m3. El cambio en potencia del aerogenerador depende directamente de la densidad, es decir que a 2850 msnm la potencia efectiva del aerogenerador a una velocidad de 8 m/s es de 12,3 kW (del cálculo del ejercicio anterior) x 0,78 = 9,59kW, es decir que hay una pérdida de potencia por efecto de la altura del 22%.

Tipos de Aerogeneradores Dependiendo de la forma de giro del rotor, los aerogeneradores pueden clasificarse en dos tipos: a) de eje horizontal; y, b) de eje vertical.

Aerogeneradores de eje vertical

Aerogeneradores de eje horizontal

Veletas de orientación

Fig. 8.4 Tipos de aerogeneradores


80

Existen diseños especiales como el de eje vertical de doble pala que se utiliza tanto para generación eléctrica como para bombeo de agua. El concentrador aprovecha de mejor manera el viento y en una menor área tiene mayor potencia que uno similar de eje horizontal. Podría tener la ventaja adicional de cubrir el ingreso del viento al rotor con una malla para impedir que los pájaros se vean afectados por el aerogenerador. El pequeño sistema de 1 kW tiene una gran flexibilidad y comienza a funcionar con velocidades mínimas de viento. Parques eólicos de varios megavatios se construyen con aerogeneradores como el de la fotografía, que tienen radios de palas que exceden los 50 m en torres de más de 100 metros de alto. Las posibilidades de aplicación de los sistemas de viento en el Ecuador en zonas remotas se limitan a los sistemas de menos de 50 kW y en fincas o casas a los de menos de 3 kW. En la zona de la costa o en los valles de la Sierra se podría instalar parques eólicos con aerogeneradores grandes pero no mayores de 1 MW integrados a la red eléctrica nacional.

Concentrador ENFLO 2,5 kW 1,50m Eje vertical ROPATEC WRE.30 2 kW

ENERCON E66 1800 kW, pala de 66 m BERGEY XL1 1 kW

WINDMISSION 1,5 kW, 1,7m

Fig. 8.5 Modelos comerciales de aerogeneradores de varios tamaños y tipos


81

Funcionamiento del Aerogenerador Un aerogenerador es un molino de viento modificado para producir energía eléctrica. Si bien los conceptos básicos se mantienen, la introducción de nuevos materiales y tecnologías sumado a un mayor conocimiento e investigación del recurso viento, han permitido desarrollar aerogeneradores eficientes y que producen electricidad a costos competitivos comparados con otro tipo de plantas. Veamos cómo funciona un aerogenerador.

Fuerzas sobre la Pala La pala o hélice de un aerogenerador funciona como el ala de un avión (más exactamente

a la hélice de un avión). El flujo laminar del aire se interrumpe por la presencia del ala que ocasiona cambios de presión y velocidad del aire. Debido a la forma del ala y por cuanto el área superior es más grande que el área inferior se produce una diferencia de presión a ambos lados que empuja el ala hacia arriba, y crea una fuerza de sustentación (lift) (C en la Fig. 8.6 perpendicular a la dirección del viento. La fuerza que el ala opone al viento (Ley de Newton) se denomina fuerza de resistencia (drag) en el mismo sentido que el viento (E en la Fig. 8.6) y la

componente resultante es la suma vectorial de ambas fuerzas (D en la Fig. 8.6). La explicación tradicional en base del Teorema de Bernoulli30 de que la velocidad superior es menor que la inferior, lo que da origen a una diferencia de presión entre los dos lados del ala, no justifica la gran fuerza que se produce. La verdadera causa se explica en análisis matemáticos de flujo, en la presión infinitesimal de las partículas de aire, y en el ángulo de ataque. La fuerza de sustentación del rotor es “hacia arriba”. Como el rotor está sujeto al aerogenerador origina el movimiento de rotación. En el caso de un avión, hay dos fuerzas adicionales: la del peso del avión, hacia abajo, y la de empuje hacia delante debido a las hélices del motor. El peso de las palas de un aerogenerador es muy pequeño ya que se fabrican con materiales livianos como poliéster y fibra de vidrio; por ello, la fuerza del peso no es representativa. La fuerza de sustentación viene dada por la relación:

AvCF lL2

21 ρ= (8.6)

30 El Teorema de Bernoulli dice que en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante, es decir que p + v = k. Cuando la velocidad aumenta, la presión disminuye, y viceversa. Aplicado al caso del ala del avión o al rotor de un aerogenerador, por cuanto la superficie en la parte superior del ala es mayor que la de la parte inferior, la velocidad se incrementa y por consiguiente, la presión disminuye; mientras que, en la parte inferior del ala la velocidad aumenta, y se produce entonces la diferencia de presión.

Fig. 8.6 Fuerzas actuantes sobre el ala: Sustentación (A), Resistencia (E), Resultante (D)

Tomado de How Stuff Works

baja presión

alta presión


82

Donde:

Cl = Coeficiente de sustentación, adimensional v = velocidad del viento en m/s A = área de la pala en m2

ρ = densidad del aire en kg/m3

Ángulo de Ataque La inclinación que presenta el ala a la dirección del viento determina el cambio de las

fuerzas de sustentación y resistencia que actúan sobre ella. Esta inclinación se llama al ángulo de ataque. En el caso A) de la Fig. 8.7, FS es máxima y FR mínima; en B) FS es media y FR media; y, en C) FS es mínima y FR máxima. Si FS es mayor que FR se transfiere el movimiento a la pala, de lo contrario esta se para (stall). Los aerogeneradores modernos aprovechan de este cambio en el ángulo de la pala para frenar el rotor o ajustarse automáticamente para obtener la mayor fuerza dependiendo de la velocidad del viento. Lo que nos interesa en el diseño de aerogeneradores de pala por sustentación es ofrecer la menor resistencia al viento, es decir que el ángulo de ataque sea el que minimice la fuerza de resistencia. Existen turbinas que aprovechan la fuerza de resistencia pero su eficiencia es menor. La resistencia al aire genera turbulencia atrás del rotor que afecta el funcionamiento del aerogenerador, produce ruido y

tiene un efecto en los aerogeneradores contiguos en un parque eólico donde se instalan varias turbinas. Debemos notar que el ejemplo corresponde al comportamiento del ala de un avión, pero en el caso de un aerogenerador, las palas giran alrededor de su eje a cierta velocidad creando una deflexión del aire a su alrededor. La velocidad resultante o relativa del viento es entonces la suma vectorial de las dos velocidades: la rotacional del rotor Vω y la del viento V. El ángulo de ataque α se toma entonces en la dirección de la velocidad relativa del viento VR.

FR

FS

FR α

FS

FR α

FS α

A) Fs maxima, FR mínima

B) Fs media, FR media

C) Fs mínima, FR máxima

Fig. 8.7 Cambio de las fuerzas de sustentación y resistencia en un ala por la variación del ángulo de ataque


83

En un aerogenerador las palas giran alrededor de un eje. Si giramos la pala, observaremos que la distancia que recorre la parte más interna es menor que la exterior, es decir que la velocidad aumenta mientras nos alejamos del centro. Este cambio de velocidad que afecta la velocidad relativa del viento ocasiona que la fuerza de sustentación sea mayor en la punta de la pala. Para mantener esta fuerza en el mismo sentido a lo largo de la pala, esta se “tuerce” de modo que el ángulo de ataque va cambiando en los tramos de la pala. De otra parte, sabemos que la sustentación depende del área de la pala. Si el área fuera la misma a todo lo largo de la pala, ya que la velocidad se incrementa fuera del centro, la sustentación también aumentaría. Para compensar esto y lograr una sustentación uniforme el área de la pala se va reduciendo a medida que llegamos a la punta.

Potencia del Aerogenerador Como habíamos visto, la potencia del viento aprovechable por un aerogenerador depende, entre otros parámetros, del coeficiente de potencia CP. Debemos buscar la manera de maximizar este valor y llegar, dentro de lo posible, al CP ideal de Betz de 0,59. Un parámetro que nos ayuda a encontrar este valor óptimo y comparar el aprovechamiento del viento de diferentes máquinas eólicas es la relación de velocidad de punta λ que se define como la relación entre la velocidad tangencial en la punta del aerogenerador (o velocidad periférica) respecto de la velocidad no perturbada del viento incidente y se puede representar por:

vω2 > vω1 vω1

A1 > A2

A

Fig. 8.9 Cambios de velocidad rotacional y área a lo largo de la pala de un aerogenerador

FR

FS

α

Fig. 8.8 Velocidades actuantes en la pala del rotor de un aerogenerador

Velocidad del rotor

Velocidad resultante relativa del viento

Velocidad del viento


84

vR

vV ωλ ω == (8.7)

Donde: λ = Relación de velocidad de punta, adimensional

Vω = Velocidad de giro del rotor en m/s R = Radio de la pala en m ω = Velocidad angular en radianes/segundo = 2π/s = v/R v = Velocidad del viento antes (no perturbada) del rotor en m/s

Como se muestra en la Fig. 8.10, cada tipo de aerogenerador tiene su curva CP vs. λ. Las turbinas eólicas de eje horizontal como el tipo multipala americano funciona a bajas velocidades de viento y su eficiencia también es baja. El de dos palas tiene la más alta eficiencia, mientras que el de tres palas se acerca a 0,4 pero a una velocidad menor. Los aerogeneradores de eje vertical como el Savonius es el menos eficiente y funciona a velocidades de viento muy bajas, mientras el Darrieus tiene una alta eficiencia. Un aerogenerador debe diseñarse para un valor de λ óptimo. Si la velocidad de giro del rotor es muy grande, se puede producir un efecto de barrera que impide que pase el viento y por ende, no hay entrega de energía. Lo contrario también puede ocurrir, es decir que el rotor deje pasar demasiado viento y esto no sea aprovechado en su totalidad. Esto se lo define como la solidez del rotor y depende del número de palas y de la velocidad de giro del rotor. Una aproximación que nos permite encontrar el número de palas de un rotor es λ=4π/n donde n es el número de palas.

Fig. 8.10 Coeficientes de potencia en función de la velocidad relativa de punta para varios aerogeneradores


85

El torque que se transfiere al eje del rotor y que se conecta luego a un generador eléctrico o a una bomba de agua, se obtiene dividiendo el coeficiente de potencia para la relación de velocidad de punta. (8.8)

La potencia eléctrica que se obtiene de un aerogenerador se calcula multiplicando la potencia del viento por ηE la eficiencia electromecánica del sistema: generador, cajas multiplicadoras, rectificadores, etc.

(8.9) En máquinas multipala el torque es alto y comienzan a funcionar a velocidades de viento bajas (menores a 2 m/s). Es por ello que se las aprovecha para el bombeo de agua. La velocidad de giro de un aerogenerador moderno de tres palas es alta, lo cual le permite acoplarse directamente a generadores eléctricos o a cajas multiplicadoras. Ejercicio 8.1

Para una velocidad de viento de 5 m/s calcule la velocidad de giro y el coeficiente de torque de dos aerogeneradores típicos: a) multipala americano, radio de pala de 5 m y 10 m; b) tripala, radio de pala 10 m y 20 m. Solución: a) El aerogenerador multipala tiene un valor de λ ≈1,5. Como λ =Rω/v, despejando para la velocidad de giro ω= λv/R. Reemplazando valores: ω=1,5 x 5 m/s / 5m= 1,5 m/s; para R=10m, entonces ω=0,75 m/s. Para el multipala CP ≈ 0,3, entonces CT=CP/ λ, reemplazando valores CT= 0,3/1,5 = 0,45. El coeficiente de torque es igual para ambos radios. b) Para el aerogenerador tripala λ ≈ 3 y CP ≈ 0,4. Utilizando las relaciones anteriores para R=10 m, ω= 3 x 5 m/s / 10m= 1,5 m/s; para R=20m, entonces ω=0,75 m/s. El torque CT= 0,4/3 = 0,133. Comentarios: A mayor radio menor velocidad de giro, y para el mismo radio, el torque del multipala es mucho mayor que el del tripala.

Energía del Viento Como vimos anteriormente, la energía del viento depende principalmente de los parámetros: velocidad del viento, área del rotor y coeficiente de potencia. La potencia es una función del cubo de la velocidad del viento. Por lo tanto, es muy importante tomar mediciones de velocidad del viento confiables durante algún tiempo antes de realizar una inversión en sistemas eólicos grandes. Para hacerlo, se debe instalar una estación de medición. En sistemas pequeños, las mediciones de una estación meteorológica cercana o la experiencia de los habitantes de la zona, ciertas evidencias en la vegetación y el suelo nos ayudan a definir la velocidad del viento.

λP

TCC =

EVE PP η=


86

Estación de Medición del Viento Una estación de medición del recurso viento implica un costo elevado y cierto grado de conocimiento y experiencia. Debemos medir la velocidad del viento a varias alturas, por lo general a 10 m es suficiente, y luego a 20 m y 30m. Finalmente, una vez evaluado el recurso, se recomienda un período de mediciones a la altura del eje del rotor o de la góndola. Adicionalmente, es recomendable medir la dirección del viento, la densidad del aire, la temperatura ambiente y la presión atmosférica. El equipo más común y económico para la medición de viento es el anemómetro de copas. Se complementa con la veleta de dirección y un registrador electrónico de datos.

La torre de medición debe instalarse en un sitio abierto, libre de obstáculos y a una altura mínima de 10 m del suelo o sobre el sitio donde se instalará el aerogenerador.

Velocidad y Clase del Viento Cuando no se dispone de un anemómetro u otro equipo para medición del viento, se puede estimar preliminarmente la velocidad del viento utilizando la Escala de Beaufort, que es una convención sobre la fuerza del viento en el mar y que ha sido extendida para la tierra. Esta escala de 1 a 12 se muestra en la Tabla 8.1 en la página siguiente. Para aplicaciones de energía eólica en el Ecuador la escala máxima es 7. Otra escala similar es el Índice de Deformidad de Griggs – Putnam de la Fig.8.12 que considera la deformidad de un árbol de pino ante la presencia de viento31.

31 Adaptado de Wind Power for Home and Business

Fig. 8.11 Anemómetro de copas y veleta


87

Intervalo de Mediciones Como la potencia aprovechable del viento depende del cubo de la velocidad, no se puede calcular la energía del viento para un período de tiempo solamente con el dato de la velocidad promedio de ese período. Tomemos el siguiente ejemplo de la Tabla 8.2 con mediciones de velocidad del viento promedio mensual en las Islas Galápagos .

INDICE I II III IV V VI VII m/s 3,1 - 4,0 4,0 - 4,9 4,9 - 5,8 5,8 - 7,2 6,7 - 8,0 7,2 - 9,4 más de 9,8

Fig. 8.12 Índice de Deformidad de Griggs - Putnam


88

Tabla 8.1 ESCALA BEAUFORT DE VELOCIDAD DEL VIENTO

Velocidad Especificaciones No. Definición Nudos m/s km/h En tierra En el mar 0 CALMA < 1 0-0,2 < 1 El humo sube verticalmente El mar está como un espejo 1

VENTOLINA 1-3 0,3-1,5 1-5 La dirección del viento se define por la del humo, pero no por las veletas y banderas

Rizos sin espuma

2 FLOJITO (Brisa muy débil) 4-6 1,6-3,3 6-11

El viento se siente en la cara. Se mueven las hojas de los árboles, veletas y banderas

Olas pequeñas que no llegan a romper

3 FLOJO (Brisa débil) 7-10 3,4-5,4 12-19

Las hojas de los árboles se agitanconstantemente. Se despliegan las banderas

Olas algo mayores cuyas crestas comienzan a romper. Borreguillos dispersos

4 BONANCIBLE (Brisa moderada) 11-16 5,5-7,9 20-28

El viento levanta los árboles pequeños. En los estanques se forman olas pequeñas.

Las olas se hacen más largas. Borreguillos numerosos.

5 FRESQUITO (Brisa fresca) 17-21 8,0-10,7 29-38

Se mueven los árboles pequeños.En los estanques se forman olas pequeñas.

Olas moderadas alargadas. Gran abundancia de borreguillos, eventualmente algunos rociones

6 FRESCO (Brisa fuerte) 22-27 10,8-13,8 39-49

Se mueven las ramas grandes de los árboles. Silban los hilos del telégrafo. Se utilizan con dificultadlos paraguas.

Comienzan a formarse olas grandes. Las crestas de espuma blanca se extienden portodas partes. Aumentan los rociones.

7 FRESCACHON (Viento fuerte) 28-33 13,9-17,1 50-61

Todos los árboles se mueven. Es difícil andar contra el viento.

La mar engruesa. La espuma de las crestas empieza a ser arrastrada por el viento, formando nubecillas.

8 TEMPORAL (Duro) 34-40 17,2-20,7 62-74

Se rompen las ramas delgadas de los árboles. Generalmente no se puede andar contra el viento.

Olas de altura media y más alargadas. De las crestas se desprenden algunos rociones en forma de torbellinos. La espuma es arrastrada en nubes blancas.

9 TEMPORAL FUERTE (Muy duro)

41-47 20,8-24,4 75-88 Ocurren desperfectos en las partes salientes de los edificios, cayendo chimeneas y levantando tejados.

Olas gruesas: la espuma es arrastrada en capas espesas. Las crestas de las olas comienzan a romper. Los rociones dificultan la visibilidad.

10

TEMPORAL DURO (Temporal) 48-55 24,5-28,4 89-102

Se observa rara vez. Arranca árboles y ocasiona daños de consideración en los edificios.

Olas muy gruesas con crestas empenechadas. La espuma se aglomera en grandes bancos, siendo arrastrada por el viento en forma de espesas estelas blancas. En su conjunto la superficie del mar parece blanca. La visibilidad se reduce.

11

TEMPORAL MUY DURO (Borrasca) 56-63 28,5-32,6 103-117

Observada muy rara vez. Ocasiona destrozos en todas partes.

Olas excepcionalmente grandes (los buques de pequeño y mediano tonelaje pueden perderse de vista). La mar está completamente cubierta de bancos de espuma blanca extendida en la dirección del viento. Se reduce aún más la visibilidad.

12 TEMPORAL HURACANADO (Huracán)

64-71 32,7-36,9 118-133 El aire está lleno de espuma y de rociones.

La mar está completamente blanca debido a los bancos de espuma. La visibilidad es muy reducida.

13 72-80 37,0-41,4 134-149 14 81-89 41,5-46,1 150-166 15 90-99 46,2-50,9 167-183 16 100-108 51,0-56,0 184-201 17 109-118 56,1-61,2 202-220


89

Tabla 8.2 Mediciones de velocidad de viento promedio mensual en las Islas Galápagos en m/s

Mes Estación Charles Darwin 10 años

San Cristóbal

Costa 1 año

San Cristóbal

Cerro 1 año

Santa Cruz

Costa 1 año

Santa Cruz Cerro 1 año

Isabela Costa

1 año

Enero 2,66 4,3 5,3 2,3 4,6 2,8 Febrero 2,85 2,6 4,7 3,1 2,5 3,4 Marzo 2,93 2,4 4,2 3,4 2,8 3,7 Abril 2,83 2,0 3,8 3,0 2,2 3,3 Mayo 3,21 3,3 5,3 3,0 3,1 3,3 Junio 3,72 3,8 6,2 3,5 3,6 3,8 Julio 3,71 5,7 8,5 4,1 5,4 4,1 Agosto 3,88 5,5 8,2 3,9 5,2 4,0 Septiembre 3,48 5,7 8,8 3,9 5,8 3,8 Octubre 3,83 5,4 8,3 4,3 5,1 4,2 Noviembre 3,78 5,6 9,0 2,9 5,6 3,3 Diciembre 3,01 6,0 7,5 2,2 5,4 3,0 Promedio Anual 3,32 4,4 6,7 3,3 4,3 3,6 Suma energía mensual w/m2 113,54 317,41 1062,93 117,66 289,33 138,05 Energía anual promedio w/m2 107,99 243,39 864,59 105,65 229,70 132,46 Diferencia anual/suma mensual 95% 77% 81% 90% 79% 96%

Valores calculados para un Cp=0,4 Datos tomados de Electrificación Renovable de la Galápagos, Informe Final Lahmeyer Internacional, Diciembre 2000. Podemos ver que hay variaciones significativas en la energía acumulada mensual y la calculada con el promedio anual. Normalmente para diseñar un sistema eólico se toman mediciones cada 10 minutos durante al menos un año, siempre cuando se pueda correlacionar con una estación meteorológica cercana. En caso de no haberla, las mediciones de viento deben ser al menos de dos años. Durante el día, el cambio de la velocidad del viento en zonas de alto nivel eólico puede variar desde cero hasta valores superiores a 15 ó 20 m/s, y de allí la importancia de hacer el cálculo de la energía para

períodos de medición lo más pequeña posible (intervalos de mediciones).

Rugosidad del Terreno Otro aspecto de interés en la implantación de un parque eólico o de la instalación de un aerogenerador es el del cambio de la velocidad del viento con la altura sobre el terreno. La Fig. 8.13 muestra el perfil vertical del viento32. Debido a la rugosidad del terreno y a los árboles u obstáculos, el viento forma turbulencias mientras más cerca está del suelo, por lo que se debe instalar lo más alto posible y buscar un flujo laminar del viento. Por lo general, en sistemas pequeños de pocos kW la altura debe ser entre 10 y 20 metros. Para sistemas

32 Adaptado de IWR, Die Welt der Regenerativen Energiewirtschaft, www.irw.de

Fig. 8.13 Variación de la velocidad del viento con la altura


90

grandes la altura puede llegar hasta los 80 m sobre el nivel del terreno. Esto se conoce como cizallamiento del viento. La corrección de la velocidad del viento por la diferencia de altura entre la medida y la del eje del rotor y el factor de longitud de rugosidad viene dada por la relación:

α)(

mr

HH

mr vv = (8.10) Donde:

vr = Velocidad del viento corregida a la altura del eje del rotor en m/s vm= Velocidad de viento medida a la altura de la torre de medición en m/s Hr = Altura del eje del rotor en metros Hm= Altura de la medición en metros α = Longitud de rugosidad del terreno en metros

A continuación se indican valores de longitud de rugosidad, asociados con la clase de rugosidad, el índice de energía aprovechable y el tipo de terreno o paisaje33:

Tabla 8.3 Clases y Longitudes de Rugosidad del Terreno

Clase de Rugosidad

Longitud de

Rugosidad [m]

Índice de Energía Tipo de Paisaje

0 0,0002 100 Superficie del agua.

0,5 0,0024 73

Terreno plano completamente abierto con una superficie lisa, por ejemplo, pistas de hormigón en los aeropuertos, césped cortado, etc.

1 0,03 52

Área agrícola abierta sin cercados ni setos y con edificios muy dispersos. Solo colinas suavemente redondeadas.

1,5 0,055 45

Terreno agrícola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 1250 m.

2 0,1 39

Terreno agrícola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 500 m.

2,5 0,2 31

Terreno agrícola con muchas casas, arbustos y plantas, o setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 250 m.

3 0,4 24

Pueblos, ciudades pequeñas, terreno agrícola, con muchos o altos setos resguardantes, bosques y terreno accidentado y muy desigual.

3,5 0,8 18 Ciudades más grandes con edificios altos.

4 1,6 13 Ciudades muy grandes con edificios altos y rascacielos.

33 Tomado de Atlas Eólico Europeo, WaSP, Risoe National Laboratory, Dinamarca.


91

Distribución de Weibull Si graficamos las mediciones de viento durante un día con un intervalo de 10 minutos se obtiene un gráfico como el que se muestra en la Fig. 8.14. Contando el número de veces en

que la velocidad durante este período está entre 0 y 0,5 m/s, entre 0,5 y 1 m/s y así sucesivamente en rangos de 0,5 hasta llegar a la velocidad máxima, obtenemos una curva de distribución de velocidades como se muestra en la Fig. 8.15 donde el eje vertical indica el porcentaje y el eje horizontal los rangos de velocidades o “bins”. La suma de los porcentajes de cada rango nos da el 100% (de las mediciones). Hemos obtenido una curva estadística que se aproxima a la curva de distribución de probabilidades de Weibull. En base de esta curva se calcula posteriormente la energía que puede producir durante un período (generalmente de un año) el aerogenerador.

La distribución de Weibull se define por dos parámetros, el factor de escala c (o A en algunos textos) que nos da el valor de la velocidad media y el factor de forma k que nos da

Fig. 8.15 Distribución de velocidades de viento para intervalos de 0,5 m/s para un año

Fig. 8.14 Mediciones de velocidad de viento de un mes


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una idea de cuán angosta o sesgada hacia la izquierda (hacia cero) es la curva y puede variar entre 1 y 3. Si k=3 la curva es una distribución Normal de probabilidades. Cuando k=2 se conoce también como Distribución de Rayleight. La Fig. 8.16 muestra las curvas de distribución de probabilidad de Weibull para tres sitios, donde se puede ver el diferente comportamiento del viento y los parámetros de la distribución de Weibull para cada uno.

Cuando hacemos un estudio del recurso viento en un sitio, obtenemos finalmente una distribución de Weibull característica de ese sitio. Eventualmente, si las condiciones del sitio son similares a otro se pueden tener distribuciones de Weibull similares, pero los valores cambian, por lo que se recomienda para grandes parques eólicos el estudio de cada sitio en particular.

Curva de Potencia del Aerogenerador La curva de potencia de un aerogenerador nos da la potencia eléctrica de salida en función de la velocidad del viento. Hay una velocidad mínima de conexión o arranque (cut-in) en que el generador comienza a funcionar. Luego, la potencia se incrementa por la relación al cubo de la velocidad hasta llegar a la potencia nominal del generador. Se mantiene a ese nivel de potencia hasta un límite máximo de velocidad del viento llamado velocidad de corte o desconexión (cut-out) en que se corta la producción de electricidad y el aerogenerador se frena, se ubica en forma paralela al viento o disminuye el área al viento del rotor girando las palas o flejando hacia atrás para dejar pasar el viento y evitar daños. La velocidad de arranque está generalmente entre 3 m/s para los equipos de cientos de kW o MW y de 2 a 3 m/s en los equipos pequeños. La potencia nominal se alcanza generalmente entre los 12 a 15 m/s y para velocidades de 25 a 30 m/s se corta la producción eléctrica. En la Fig. 8.16 se muestran las curvas de potencia típicas de aerogeneradores pequeños de 2,5 kW, 5,6 kW y 11 kW, y de uno grande de 2 MW.

Fig. 8.16 Distribución de probabilidades de Weibull para tres sitios y curva de distribución Normal


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Cálculo de la Producción de Energía de un Aerogenerador Con los conceptos introducidos en los temas anteriores, estamos listos para calcular la energía que podemos obtener de un aerogenerador en un sitio determinado. Tres son los elementos que se integran en este cálculo: la velocidad del viento, la distribución de Weibull de viento y la curva de potencia. Vamos a aplicar el procedimiento que sigue para el caso de un aerogenerador aislado de la red y que sirve a una carga eléctrica conectada a un sistema de baterías, de manera similar a la energía proveniente de un panel fotovoltaico. 1) Con los datos de las mediciones de viento en un sitio, y otros como altura sobre el nivel

del mar, presión, temperatura, rugosidad del terreno, obstáculos, demanda de energía de la carga eléctrica requerida para un período, incluyendo las pérdidas en baterías y equipos, elaboramos una serie de datos de velocidad de viento corregida para la altura de eje del rotor para un período determinado de al menos un año con intervalos de medición de 10 minutos. Es conveniente tener las mediciones de varios años para ver los cambios por estacionalidad o por efectos de otros fenómenos de ocurrencia mayor de un año (como el fenómeno de El Niño) en el sitio. Si no se dispone de las mediciones, tomamos o estimamos una velocidad promedio para el período.

2) En base a la serie de velocidad de viento en el eje del rotor o de la velocidad media,

elaboramos la curva de distribución de probabilidad de Weibull para el sitio. Determinamos los parámetros c y k de la curva utilizando un programa de hoja electrónica. Si no se dispone de datos de velocidad de viento, asumimos el factor de forma como 2 para zonas del interior, 3 para zonas de costa y 4 para islas con altos vientos. El factor c es la velocidad media.

3) En una primera aproximación, tomamos la curva de potencia de un aerogenerador de

una capacidad nominal igual a la demanda eléctrica requerida para la carga de las baterías. El banco de baterías ha sido dimensionado para satisfacer la carga eléctrica en la forma como se hizo para el caso del sistema con energía fotovoltaica.

Fig. 8.16 Curvas de potencia de aerogeneradores comerciales


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4) Para cada rango de medición (10 minutos) calculamos la energía producida de la siguiente forma:

Energía individual por rango de medición (10’)= velocidad del viento promedio en ese rango x probabilidad de Weibull para esa velocidad x potencia para esa velocidad. Sumamos los resultados de la energía de cada rango de 10’ para todo el período de la medición (un año) y obtenemos la energía total para el período (un año).

Esto puede representarse simbólicamente por:

000,0 ,,,1

titimti

Ti

i

PpvEti

××=∑=

= (8.11)

Donde:

Ei,t0 = Energía por cada rango de medición vm i,t0 =Velocidad media corregida a la altura del eje del rotor para cada rango de

medición pi,t0 = Probabilidad de Weibull para cada rango de medición Pi,t0 = Potencia para cada rango de medición t0 = Rango de medición (0,5 m/s para sistemas grandes o 1 m/s para sistemas

pequeños) T = Período de tiempo del cálculo (diario, mensual, anual)

5) Si la energía obtenida es menor que la demandada por la carga eléctrica tomamos un

aerogenerador de mayor potencia y volvemos a realizar el cálculo de la energía hasta satisfacer la demanda requerida.

El factor de planta, que nos indica el porcentaje de tiempo que un aerogenerador funciona a plena capacidad durante un año, es normalmente entre el 20% y el 30%. En el caso de aerogeneradores pequeños conectados a la red eléctrica en un modo de generación descentralizada, la energía producida se entrega a la red, por lo que depende del usuario determinar el porcentaje de carga que desea cubrir con el aerogenerador, y la cantidad de energía que desea entregar a la red, en base a consideraciones económicas. El cálculo de la energía producida por grandes parques eólicos conectados a la red eléctrica de alta tensión usa igualmente los tres parámetros (velocidad del viento, distribución de Weibull y curva de potencia), pero con el fin de entregar la mayor cantidad de energía a la red, el cálculo depende del número y capacidad de los aerogeneradores y de la implantación en el sitio. Consideraciones económicas y financieras establecen el número y capacidad de los aerogeneradores a instalar. Para este propósito existen algunos programas de computación que facilitan el cálculo y toman en cuenta otros aspectos como: impactos de ruido y efectos estroboscópicos34 de las palas en los habitantes próximos al parque eólico. Un programa muy popular y uno de los primeros es el WASP desarrollado por el RISOE de Dinamarca como parte del proyecto de Atlas Eólico Europeo. Estos

34 El efecto estroboscópico ocurre cuando la luz se enciende y se apaga muy rápidamente y objetos que se mueven muy rápido se los ve com si se movieran lentamente. Las luces estroboscópicas son comunes en las discotecas o sitios de diversión.


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programas son herramientas indispensables de consultores especialistas en desarrollo de parques eólicos. Los fabricantes de aerogeneradores, especialmente los pequeños, ofrecen herramientas de cálculo para la estimación de la energía del viento, que pueden aplicarse a los casos específicos de los usuarios y ampliar la información aquí descrita35.

Sistema Eólico Residencial

Un sistema eólico para producir energía en una residencia o un negocio pequeño es muy similar a un sistema fotovoltaico, con la diferencia obvia de que la fuente de energía proviene del viento en el aerogenerador y no del efecto fotovoltaico en un panel solar. El aerogenerador trabaja asociado a un interruptor de parada que incluye funciones de control de carga a las baterías y lo desconecta cuando la carga excede la aceptable por la batería. El generador es de corriente directa que se alimenta a la batería. En el caso de un sistema con respaldo de otro tipo de energía, como la fotovoltaica o un grupo electrógeno, existe la posibilidad de complementar el funcionamiento del aerogenerador

con un panel fotovoltaico cuando haya poco o ningún viento. Generalmente, ocurre que cuando hay sol no hay viento y viceversa, con lo que los dos tipos de recurso energético pueden servir para cubrir la carga de la batería en todo momento. Cualquier exceso de generación por una velocidad de viento sobre la nominal puede derivarse a la carga a través de un regulador de carga. Si el valor es superior a la corriente nominal de carga de la batería, normalmente se conecta una resistencia de carga para consumir ese exceso.

35BERGEY, http://www.bergey.com/Technical/XL.1.R.xls

Fig. 8.17 Sistema eólico residencial con carga de baterías

Adaptado de AIR wind systems


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Bombeo de Agua La aplicación de bombeo de agua con viento tiene dos posibilidades, un molino multipala americano típico donde lo que prevalece es el torque para accionar la bomba mecánica; o, un aerogenerador eléctrico que se conecta directamente a una bomba que se diseña para una frecuencia similar al generador. El molino multipala americano tiene una conexión mecánica mediante un eje desde el rotor hasta la bomba, lo que lo hace propenso a un mantenimiento más frecuente y al daño de los elementos. Además, debe instalarse sobre la fuente de agua que se quiere bombear y ese sitio puede no ser el mejor en cuanto a la producción de viento se refiere. Este sistema, por ser muy elemental puede fabricarse localmente a un bajo costo. Se aplica cuando la velocidad media del viento es menor a 4 m/s. En cambio, un aerogenerador eléctrico es más eficiente que el molino multipala tradicional y no presenta los inconvenientes de desgaste de los ejes de conexión. Se puede conectar alejado de la bomba (hasta 700 m) en un sitio de mejores vientos. Su funcionamiento es mejor con velocidades de viento superiores a 4 m/s y de preferencia más de 5 m/s. La instalación de un sistema de bombeo con un aerogenerador eléctrico se justifica cuando se cumplen las siguientes condiciones: a) cuando el volumen de agua a bombear multiplicado por la altura a bombear (cabeza de agua) está entre 200 y 1.000 metros, b) para velocidades de viento mayores a 4 m/s; c) cuando no es posible utilizar generadores a diesel; y, d) cuando la red eléctrica está alejada más de 2 km.

Fig. 8.18 Sistema eólico residencial con carga de baterías y respaldo con paneles fotovoltaicos y grupo electrógeno

Adaptado de AIR wind systems


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CAPÍTULO 9: BIOENERGÍA

Introducción La Tierra es un organismo vivo donde cada instante se produce un intercambio entre la producción y el consumo de energía. Cualquier desequilibrio en esta transformación es absorbido por el aire, la tierra y el mar. Sin embargo, la cada vez mayor demanda de energía para los procesos de las actividades humanas está comenzando a alterar este equilibrio natural y los efectos, como hemos visto, están comenzando a verse en el calentamiento del planeta; en la escasez, aumento de precios y dificultad en la exploración y explotación de combustibles y de materias primas; en los mayores requerimientos para la producción de cultivos y control de plagas; en la obtención de agua para riego y consumo humano; en el crecimiento de los desiertos y en las alteraciones climáticas. El ser humano está cuestionando su efecto en la naturaleza y en su afán de mantener el equilibrio ha empezado a investigar y desarrollar nuevas tecnologías para el aprovechamiento de fuentes de energía que no afecten al ambiente, la biosfera, ni a los seres vivientes. Los conflictos que crea la dependencia de los combustibles fósiles por parte de los países desarrollados y que se manifiestan en intereses por posesión y control de los centros de producción de combustibles, sumados a la incertidumbre en los precios del petróleo, a su calidad estratégica en la marcha del mecanismo de la civilización, obliga a dirigir los esfuerzos a buscar fuentes alternativas de energía al interior de cada país. Es así que se ha empezado a reducir el consumo, a mejorar la eficiencia de los procesos energéticos, a crear una conciencia sobre la escasez de los recursos, a reutilizar y reprocesar los residuos, a disminuir los efectos contaminantes del uso de la energía, a reubicar al ser humano en su hábitat, a respetar a los demás seres vivos. En fin, a establecer una nueva forma de funcionamiento de este mecanismo con un enfoque global, sintiendo que el daño en una parte del planeta tiene consecuencias en todas las latitudes. El problema energético, en algunos casos, ha llegado a extremos de convertirse en un enfrentamiento racial y religioso, con consecuencias que pueden llevar al mundo a su destrucción. De otra parte, la tecnología requerida para la producción energética proviene de países en desarrollo y se vende a los países en vías de desarrollo. Esto ha creado una dependencia tecnológica asociada a los intereses comerciales de las grandes potencias, que ha coartado el desarrollo de tecnologías propias y locales que aprovechen los recursos humanos y naturales de los países más pobres. La bioenergía puede quebrar esta dependencia y fomentar tecnologías apropiadas en países pobres. En el caso del Ecuador, al ser un país exportador de petróleo y su principal fuente de ingresos, la promoción de sistemas energéticos que aprovechen la bioenergía podría reducir significativamente el uso de combustibles fósiles que pueden destinarse para la exportación, crearía una infraestructura de autoabastecimiento y autosustentación energética, ampliaría las áreas de cultivo de productos agrícolas y pecuarios, incrementaría el empleo y con ello se mejoraría el nivel de vida de los ecuatorianos. En zonas alejadas, el uso de la bioenergía traería los beneficios de la electricidad y el calor a hogares y actividades productivas pequeñas y medianas, incorporando al mercado nacional grandes extensiones y poblaciones que ahora son improductivas. Las perspectivas de desarrollo de la biomasa como fuente de energía en las próximas décadas han llevado a creer en un cambio de la composición energética de la humanidad: el paso de los hidrocarburos (combustibles fósiles) a los carbohidratos (materia orgánica).


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Hemos dejado como el último capítulo de este manual el tema concerniente a la energía de los seres vivos o bioenergía, por la importancia que tiene dentro del estudio de las energías renovables y por constituir un futuro de esperanza energética. Empezaremos explicando la transformación de la energía del Sol en alimento en la fotosíntesis de las plantas. Luego analizaremos las formas de utilización de la energía de las plantas y los animales y los usos que se puede dar a los residuos de los organismos vivos. Finalmente, las formas de aplicación de la bioenergía como biofuerza, biocombustibles y bioproductos, con un enfoque en la realidad del Ecuador.

Biomasa La biomasa es un recurso renovable de energía proveniente de los residuos de la materia orgánica de tierra y mar. Las fuentes de aprovechamiento de la biomasa para energía provienen principalmente de tres sitios: a) desechos y basura industrial y municipal; b) residuos de cultivos agropecuarios; y, c) cultivos y plantaciones con propósitos energéticos. Cuando la materia orgánica libera su energía almacenada a través de un proceso natural o artificial, devuelve al ambiente la misma cantidad de CO2 que consumió durante su crecimiento, por lo que se dice que este ciclo es CO2 neutro, es decir que la biomasa no afecta la contaminación en el ambiente. Mientras el consumo de la masa orgánica aprovechada para usos energéticos sea igual o mayor que la producción, se puede considerar a la biomasa como un recurso renovable, por eso la importancia de mantener el equilibrio en bosques y cultivos. Cultivos agrícolas tradicionales producen desechos cuyos constituyentes energéticos no son utilizados y en la mayoría de los casos se los trata como basura. Desechos orgánicos de animales pueden alimentar un biodigestor (que se lo estudiará en detalle más adelante) y producir gas metano y usarlo para procesos de calor y electricidad. La explotación maderera arroja volúmenes inmensos de desechos que se queman ineficientemente en los calderos o quedan expuestos al ambiente. En el año 1997 en el Ecuador, el volumen de madera para leña, carbón, desperdicios y contrabando fue de 5,7 millones de m3, equivalente al 67% del total36. Industrias agrícolas como caña, palma africana, maíz, soya, frutas, arroz, etc. no aprovechan los residuos que generan y más bien son fuentes de contaminación ambiental. Los residuos de aguas servidas son arrojados abiertamente a los ríos provocando la contaminación del agua. Mediante procesos tecnológicos, se puede aprovechar estos residuos y extraer el mayor contenido energético de la biomasa. El aporte de la biomasa como fuente primaria de energía mundial llega al 17%, luego del carbón, petróleo y gas. En los Estados Unidos, la biomasa constituye al momento el 4% de la base energética total pero se estima que fácilmente podría cubrir el 20%37. Algunos países en vías de desarrollo dependen de la biomasa hasta en un 85% como recurso energético. En el caso del Ecuador la biomasa constituye un 5,2% de la producción energética primaria y el 20,5% del consumo38, es decir un equivalente a 78000 Tera Joules. Estos datos se muestran en la Fig. 9.1, de forma comparativa con las demás energías convencionales.

36 INEFAN, Hoy, 16 julio 1997, citado en Ecuador: su realidad, 2002 – 2003, Fundación José Peralta, Pág. 203. 37 American Bioenergy Association 38 OLADE, Reporte Anual 2001.


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La Fotosíntesis La biomasa puede definirse como energía solar almacenada en las plantas. El fenómeno de la fotosíntesis, base de la vida de las plantas y por ende de nuestro planeta es el proceso más importante de aprovechamiento de energía renovable. Consiste en la captación de fotones en las hojas de las plantas por parte de la clorofila y la transformación en energía química empleada en la síntesis de hidratos de carbono por aprovechamiento del CO2 con liberación de oxígeno. El proceso de fotosíntesis puede representarse simplificadamente por la reacción:

En realidad en la reacción intervienen seis moléculas de dióxido de carbono más seis de

agua para resultar en una molécula de azúcar (C6H12O6) y seis moléculas de oxígeno. Al quemar este material orgánico se liberan cerca de 16 MJ por cada kg. La fotosíntesis no es un proceso particularmente eficiente, pues normalmente el aprovechamiento de la energía solar es del 1% con un máximo del 8% al 15% 39. El proceso de la fotosíntesis se divide en dos etapas bien diferenciadas: a) las reacciones en luz o fosforilación fotosintética donde se capta la energía de los fotones y se transforma en energía química en forma de las enzimas ATP (trifosfato de adenosina) y TPNH, (trifosfopiridina reducida) por acción de la clorofila; y b) las reacciones en la oscuridad

39 Esta es una señal que nos da la naturaleza de que la optimización de un proceso de transformación no necesariamente se alcanza a una máxima eficiencia, sino en las proporciones exactas dentro de la sinergia de sus componentes.

Fig. 9.1 Consumo y producción de energía en el Ecuador, año 2001

Fig. 9.2 Fotosíntesis


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donde se capta el CO2 para transformarlo en glucosa o fructosa. La absorción de dióxido de carbono y la entrega de oxígeno hace de las plantas el principal actor del ciclo de la vida.

Características de la Biomasa Toda materia orgánica puede ser aprovechada para la producción de energía. Sin embargo, existen productos o cultivos que son mejores que otros por sus propiedades y dependiendo de la aplicación a la que estén destinados. La madera, por ejemplo, puede ser quemada directamente, quemarse con otro combustible en un caldero, o convertirse en gas en un gasificador. Si se descompone en un ambiente anaeróbico puede también generar gas, o puede extraerse la celulosa para utilizarla como químico en la fabricación de productos. El grano de maíz también puede ser aprovechado en la producción de gas o convertido en aceite puede hacerse biodiesel para transporte, o como almidón en la fabricación de productos similares al plástico. Las demás partes de la planta de maíz pueden ser aprovechadas por su fibra de forma similar a la madera. La caña de azúcar es un alimento

extraordinario por su capacidad de almacenamiento de energía: como azúcar para la producción de alcohol, como bagazo mediante quema directa para producción de calor o por gasificación puede hacerse gas. El estiércol de animales se aprovecha en un digestor aeróbico para producir gas metano y como fertilizante o compost. Un biodigestor anaeróbico puede producir gas metano y su residuo también tiene un alto contenido de nitrógeno que se utiliza como fertilizante. Los desechos orgánicos municipales o industriales pueden ser tratados para aprovecharse como fuente de combustible. Aceites y grasas vegetales y animales se procesan para fabricar biodiesel. La energía de la biomasa de puede medir por su capacidad calorífica. La Tabla 9.1 de la izquierda40 muestra la capacidad calorífica de algunos combustibles orgánicos y fósiles. En el sistema inglés la capacidad calorífica viene dada en BTU por libra. La equivalencia al sistema internacional es 10.000 BTU/lb = 23,26 MJ/kg. El contenido de humedad de la biomasa afecta su capacidad calórica,

40 Adaptado de Twidell and Weir, Renewable Energy Resources, Pág. 420.

Tabla 9.1 Capacidad Calorífica de Cultivos y Combustibles

CAPACIDAD CALORÍFICA COMBUSTIBLE

MJ/kg MJ/litro CULTIVOS Madera

Verde 8 6 Estacional 13 10

Secada al horno 16 12 Vegetación seca 15 RESIDUOS DE CULTIVOS Cascarilla de arroz Bagazo Estiércol de vaca

12 – 15

Cáscara de macadamia 23 COMBUSTIBLES SECUNDARIOS

Etanol 30 25 Metanol 23 18 Biogás 28 20 x 10-3

Aceite de coco 39 3 COMBUSTIBLES FÓSILES Metano 55 38 x 10-3

Gasolina 47 34 Kerosene 46 37 Diesel 46 38 Petróleo crudo 44 35 Carbón 27 GLP (propano) 50


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particularmente cuando se procesa para quema directa o gas. Para reducir la humedad, los residuos agrícolas deben primero comprimirse, secarse y triturarse. El residuo de la madera, como polvo o aserrín, puede aglutinarse para conformar pellets o briquetes que son más manejables. Otro aspecto a considerar en el efecto del proceso energético de aprovechamiento de la biomasa es el nivel de contaminación que produce, tanto para aire, suelo y agua, así como para la salud de quienes lo utilizan. Se debe determinar la emisión de CO, CO2, gases de nitrógeno, de azufre y elementos pesados, así como la ceniza resultante, los residuos del proceso y aspectos como el olor. El uso de la biomasa como combustible tiene beneficios significativos como: mitigar el efecto del cambio climático; reducir la lluvia ácida, la erosión del suelo, la contaminación del agua; reducir las cantidades de desechos en rellenos sanitarios y botaderos de basura; mejorar el ambiente y el hábitat natural; y, en general, mejorar las condiciones del suelo para los cultivos y bosques. La biomasa trae consigo otros beneficios de carácter económico y social como la diversificación del uso de los cultivos para producción de energía y no solamente para consumo, compensando la variación de precios de algunos en ciertas épocas; ampliación de las zonas agrícolas creando empleos directos e indirectos; conformación de cooperativas y grupos agrícolas dedicados al cultivo; y, reducción del consumo de combustibles fósiles.

Utilización de la Biomasa Las principales formas de utilización de la biomasa son tres:

1. Biofuerza: Conversión directa de la biomasa o transformación a líquido o gas para la generación de electricidad y calor.

2. Biocombustibles: Transformación de la biomasa en combustibles para uso en sistemas de transporte.

3. Bioproductos: Conversión de la biomasa en químicos para sustituir a los petroquímicos en la elaboración de productos. Este tema no será abordado en este manual.

Biofuerza Para la producción de electricidad y calor por medio de la energía de la biomasa se conoce básicamente cuatro tecnologías o sistemas de aprovechamiento: combustión directa, combustión mixta, gasificación (pirólisis) y digestión anaeróbica. A continuación, analizaremos cada uno de estos procesos y revisaremos con especial atención el de digestión anaeróbica por su particular aplicación en nuestro país como fuente de energía y aprovechamiento de la biomasa. Combustión Directa La combustión directa consiste en la quema de la biomasa directamente en un caldero o a cielo abierto para la producción de calor o vapor que luego puede ser enviado a una turbina conectada a un generador para la producción de energía eléctrica, o como vapor para procesos industriales. Una cocina de leña es un ejemplo elemental de combustión directa, pero no es la más eficiente. En la actualidad existen muchas técnicas de la quema de madera, cada una desarrollada para aprovechar mejor las propiedades del combustible y


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reducir los niveles de contaminación. Métodos para la combustión de carbón también son empleados para madera, específicamente el de criba inferior móvil e inclusive el de cama fluidizada (fluidized bed) en la que la madera en polvo se mezcla con arena, consiguiendo reducir la temperatura de la combustión y la emisión de gases de nitrógeno y azufre. Las ventajas de los sistemas de quema directa son: la biomasa no necesita ser preprocesada, la combustión es inmediata y produce altas temperaturas. Como desventajas podemos mencionar: su eficiencia está alrededor del 20%, desprende una gran cantidad de gases contaminantes como CO2 y ceniza, el mantenimiento de los calderos es frecuente por la suciedad del combustible, necesita mantener un flujo constante de biomasa y consume una gran cantidad de biomasa.

Una aplicación que ha tenido un auge muy importante en los últimos años especialmente en Europa y Norteamérica, es el uso de pellets de madera para calefacción residencial. El pellet de madera se obtiene del residuo de aserrín o polvo de madera que se comprime en pequeños cilindros de 8mm de diámetro y largo entre 5 a 30 mm, como del tamaño de un borrador de lápiz. El valor calorífico del pellet es de entre 4,5 a 5,0 kWh/kg (16,2 MJ/kg). El pellet se envía mediante un sistema de tornillo a un caldero pequeño que quema totalmente el combustible reduciendo las emisiones casi a cero. El residuo de ceniza que queda es muy bajo

y solamente se lo debe limpiar dos veces al año. El pellet es un extraordinario combustible para el calentamiento de agua en edificios, hoteles o para piscinas. Su costo es relativamente bajo y mucho menor al del diesel o del gas. Una funda de 15 kg de pellets cuesta entre USD 12 a USD 15. Combustión Mixta Los sistemas de combustión mixta usan la biomasa en combinación con combustibles tradicionales como carbón. Estos sistemas pueden quemar hasta un 15% de la biomasa, con pequeñas modificaciones. La ventaja de este proceso es que se reduce la contaminación. Gasificación La gasificación es una forma de pirólisis cuyo residuo es mayormente gas. El proceso de

pirólisis con carbón fue utilizado para la producción de “gas de ciudad” (town gas) a inicios del siglo XX y consiste en la reacción de agua con carbón calentado y suministro reducido de oxígeno: H2O + C → H2 + CO. Durante la Segunda Guerra Mundial, países como Alemania que vieron restringidos sus suministros de combustibles, utilizaban los vehículos con pequeños gasificadores de madera. La gasificación consiste en la combustión de la biomasa en un ambiente pobre de oxígeno. El combustible se quema parcialmente y se transforma en monóxido de carbono (18% a 20%) más hidrógeno (20% a 24%) y pequeñas partes de metano y dióxido de carbono. En la combustión normal al aire libre, el residuo de la madera es principalmente CO2, agua y ceniza. Este gas se filtra, se limpia y se seca para luego ser usado en la producción de

Fig. 9.4 Gasificador de madera

Fig.9.3 Pellets de madera


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calor. El calor puede transformarse en vapor y producir electricidad mediante un generador eléctrico conectado a la turbina. El gas también puede usarse directamente para la producción de calor. La eficiencia de la gasificación con madera es muy alta y puede llegar hasta un 80% a 85%. La madera es un carbohidrato y, por lo tanto, se comporta igual que el carbón, con la ventaja que sus residuos contaminantes de azufre y nitrógeno son mucho menores. La temperatura de operación de los gasificadores es mejor bajo los 600 °C. Un gasificador puede proporcionar cerca de 9 MJ de energía aprovechable para calor o electricidad por cada kilo de madera, equivalente a 1,2 kWh de electricidad. Existen dos tipos de gasificadores: de alimentación superior (down draft) y de alimentación inferior (up draft). La diferencia consiste en el sitio de ingreso del combustible. En el gasificador de madera de alimentación superior, el combustible (pellets, briquetes o chips secos) ingresa a la tolva, se cierra una válvula y pasa al reactor llenándolo. La madera tiene un contenido de humedad entre un 10% a un 50%. Una llama piloto enciende la parte inferior del reactor o caldero y se inicia la combustión controlada por el aire que se inyecta. El gas producido sale por la parte inferior para ser tratado antes de su uso. Los residuos de la combustión, principalmente ceniza, se depositan en una tolva inferior. El sistema de gasificación incluye los equipos para precalentamiento y limpieza del aire, condensación, filtrado y enfriamiento del gas. La gasificación tiene muchas posibilidades de aplicación en el Ecuador, especialmente para la industria de la madera ya que se producen grandes volúmenes de residuos que no son aprovechados pues se queman directamente en calderos. Esto además origina contaminación. El uso de gasificadores puede extenderse a los ingenios azucareros. Al respecto, hay experiencias muy exitosas sobre la aplicación comercial de estos sistemas, especialmente en la India. Las plantas piladoras de arroz también pueden aprovechar de esta tecnología, al igual que otras de cultivos fibrosos o cuyo residuo tiene un contenido de carbohidrato, como la maleza y tusas de maíz, cáscaras de palma africana, cáscaras de macadamia y coco. Digestión Anaeróbica Una de las aplicaciones de la biomasa con mayores posibilidades de aplicarse en las áreas rurales es la digestión anaeróbica. Es conocido por todos lo que ocurre en botaderos de basura, en alcantarillas o en pantanos donde existe una emisión de gases que percibimos por su mal olor. Esto sucede porque la materia se descompone produciendo metano. El olor característico proviene del sulfito de hidrógeno. La digestión anaeróbica es un proceso complejo de descomposición química de la materia orgánica bajo el efecto de bacterias y hongos en ausencia de oxígeno. Anaeróbico quiere decir SIN AIRE, y se diferencia de la aeróbica donde la descomposición se hace CON AIRE. El carbono de la materia orgánica puede encontrarse dentro de dos límites: completamente oxidado cuando se combina con oxígeno para formar CO2, o completamente reducido cuando se combina con hidrógeno para formar CH4, es decir metano. Los productos que se pueden obtener de la digestión anaeróbica en un biodigestor son:

a) Biogás: es la mezcla gaseosa entre CH4 y CO2 que se puede utilizar para la producción de electricidad y calor.


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Fig. 9.5 Partes de un digestor anaeróbico

b) Fibra: se puede utilizar como fertilizante para el suelo por su alto contenido de nitrógeno.

c) Lodo residual o licor: se emplea como fertilizante líquido.

Un digestor anaeróbico como el del tipo de flujo continuo de la Fig. 9.5 41, consta de tres partes: 1) el tanque de carga o ingreso de la materia orgánica, estiércol o residuo orgánico; 2) el tanque digestor con el sustrato donde se produce el biogás que se guarda en el tanque de almacenamiento de biogás; y, 3) el tanque de descarga o salida del fertilizante. Este tipo de biodigestor es muy popular en la China y en la India donde hay millones de estos sistemas.

A continuación analizaremos cómo se produce el biogás y el funcionamiento de un biodigestor.

Producción de Metano La digestión anaeróbica de produce por la acción de bacterias en tres etapas diferenciadas: En la primera, llamada hidrólisis, las bacterias de fermentación descomponen las largas cadenas de carbohidratos, proteínas y lípidos en moléculas más pequeñas. En la segunda etapa, llamada acidificación, las bacterias productoras de ácidos o ácidogénicas convierten los productos de la hidrólisis en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono y, en el proceso, consumen oxígeno preparando el ambiente para la tercera etapa llamada formación de metano, donde las bacterias metanogénicas combinan estos elementos para producir metano. El biogás que resulta de la digestión está compuesto entre un 50% a un 80% de metano y entre un 20% a un 50% de dióxido de carbono, más pequeños rastros de hidrógeno, monóxido de carbono, oxígeno, sulfito de hidrógeno y nitrógeno. Los residuos orgánicos pueden ser: carbohidratos, lípidos (grasas) y proteínas. Dependiendo del peso molecular de cada compuesto o sustancia, se puede estimar la producción máxima de metano y dióxido de carbono por la relación:

Cc Hh Oo Nn Ss + y H2O → x CH4 + (c-x) CO2 + n NH3 + s H2S (9.1)

Donde: x = 1/8 (4c+h–20–3n-2s) , y = 1/4 (4c-h-20+3n+2s)

La producción específica de biogás de los residuos orgánicos y sus proporciones son42: Tabla 9.3 Producción Específica de Biogás de los Residuos Orgánicos

Residuo Orgánico Producción Específica de biogás [litros/kg]

Contenido Proporcional CH4 CO2

Carbohidratos 790 50% 50% Lípidos 1.250 68 32 Proteínas 700 71 29

41 Adaptado de Sasse L., Biogas plants (1998) (GTZ-Gate) Pág. 34. 42 GBU mbH RENTEC


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Factores que Afectan la Producción de Metano Las condiciones en las que se realiza la digestión anaeróbica es influenciada por: la temperatura del sustrato en el biodigestor, los nutrientes, el tiempo de retención, el nivel pH, la inhibición de nitrógeno y la relación carbono/nitrógeno, el contenido de sólidos y la agitación de la masa, y otros factores inhibitorios. De estos el más importante es la temperatura de la reacción entre 3°C y 70°C, diferenciándose tres rangos de temperatura: sicrofílica, menor a 20°C; mesofílica, entre 20°C y 40°C; y, termofílica, alrededor de 40°C. La producción de metano se incrementa con la temperatura y es óptima a los 35°C. Los nutrientes requeridos en la digestión anaeróbica por lo general se encuentran en los residuos agrícolas o en los desechos municipales y no es necesario añadirlos en la reacción. El tiempo de retención es el número de días que demora la masa en producir metano, y depende del volumen del digestor y del caudal de materia que ingresa por día. Cada sustrato tiene un óptimo tiempo de retención y éste solo puede ser determinado en la práctica para cada caso. Para estiércol líquido a temperatura mesofílica, el tiempo de retención aproximado, dependiendo del residuo de animal, es:

Sustrato Tiempo de Retención en días Estiércol vacuno líquido 20 a 30 Estiércol porcino líquido 15 a 25 Estiércol animal mezclado con plantas 50 a 80 La incorporación de residuos del faenamiento de animales puede reducir el tiempo de retención de 10 a 15 días.

La alcalinidad es una medida de la cantidad de carbonatos en una solución. El nivel pH o potencial hidrógeno es un indicativo de la acidez o basicidad de una solución orgánica. La bacteria metanogénica se reproduce mejor en un ambiente neutro o ligeramente ácido entre 6,5 y 8,0. A medida que las bacterias acidogénicas producen el ácido, las bacterias metanogénicas consumen ese ácido para mantener la neutralidad del sustrato, pero la cantidad de estas últimas puede no ser suficiente por lo que la solución se vuelve ácida y no hay producción de metano. Para mantener el equilibrio y que las bacterias metanogénicas se reproduzcan y alimenten, el ingreso del sustrato debe hacerse lentamente, y en ciertos casos es recomendable mezclarlo con bicarbonato o cal. La escala del pH va desde 1 a 14.

La concentración de nitrógeno puede inhibir la fermentación, por lo que la actividad de la bacteria metanogénica puede optimizarse con una relación de carbono a nitrógeno de 8 a

ÁCIDO NEUTRO BASE vinagre cerveza sangre cal agua bicar- amo- leche bonato níaco

Fig. 9.6 Alcalinidad o Nivel de Potencial Hidrógeno pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14


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20. Aún para concentraciones bajas de nitrógeno, si el pH es alto, se puede inhibir la formación de metano. El contenido de sólidos en el sustrato determina la movilidad de los metanogenes, por lo que hay que encontrar la mejor combinación de sólido / líquido en la mezcla que optimice la producción de metano. No hay una recomendación general para esta relación y depende de las características del residuo. La práctica sugiere una mezcla de 2 partes de agua por 1 parte de residuo orgánico. Al interior del digestor se produce una estratificación de los elementos cubriéndose la parte superior del biodigestor con una nata de material duro o sólido que puede impedir la salida del metano para su recolección. Entonces, es necesaria la agitación del sustrato ocasionalmente para mantener una temperatura y una distribución de las bacterias uniforme en todo el volumen. La agitación se puede hacer de varias formas: manualmente; mecánicamente mediante un rotor; o se puede aprovechar el gas producido para reinyectarlo en el fondo del digestor y causar un movimiento hidráulico de la masa. La agitación debe ser suave. Existen tablas que dan los límites de las concentraciones de metales pesados, antibióticos y detergentes que se emplean en el tratamiento del ganado y hay que tener en cuenta para optimizar el proceso de metanogenesis.

Tipos de Digestores Los tipos de biodigestores, características, ventajas y desventajas son:

Tabla 9.3 Características de los Biodigestores DIGESTOR CARACTERÍSTICAS VENTAJAS DESVENTAJAS

Balón Hidráulico

El gas se almacena en una bolsa de plástico o PVC sobre el digestor.

También hay el biodigestor tipo salchicha que es un tubo de PVC.

Costo bajo. Facilidad de transporte y construcción. Soporta altas temperaturas del digestor. Limpieza no complicada Facilidad de vaciado y mantenimiento.

Corto período de vida (máximo tres o cuatro años). Susceptible al daño. No fomenta el empleo local.

Domo Fijo

El tanque de gas es fijo sobre el digestor.

Bajo costo de construcción. Larga vida. Construcción subterránea ahorra espacio y protege de cambios de temperatura. Abre puestos de empleo local.

Dificultad en la presión del gas y hermeticidad de la unión. Construcción requiere de supervisión profesional. Presión de gas variable. Bajas temperaturas de digestión.

Tambor Flotante

Tanque de gas flota sobre otro de agua y puede ubicarse sobre el digestor o en otro lugar

Operación simple. Se puede ver el volumen de gas. De fácil construcción. Fácil mantenimiento y control.

Costo mayor por el tambor de metal. Sujeto a corrosión. Menor período de vida. Mayor mantenimiento.


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Los biodigestores pueden ser de varios tipos. La Fig. 9.7 tomada de un manual de biogás muy conocido y práctico43, nos da una idea de los modelos y tipos de biodigestores que se utilizan para una pequeña producción de biogás, como es el caso de países en desarrollo que tienen dificultades para disponer de energía y donde se puede aprovechar los residuos de animales y cultivos apropiados para este propósito. Este concepto es muy aplicable a nuestro país, especialmente en las zonas rurales o agropecuarias. Un número pequeño de reses o de chanchos puede satisfacer las necesidades energéticas para cocina o iluminación de una granja, finca o comunidad rural o indígena. Los biodigestores pueden ser construidos bajo tierra o sobre la superficie. En zonas frías es mejor hacerlo bajo tierra porque la temperatura es más alta que en la superficie o, en su defecto, se puede construir en superficie bajo un invernadero o utilizar sistemas de calentamiento del tanque. Al hacerlo bajo tierra se evita daños por el ambiente o accidentes. El material de construcción es generalmente en ladrillo enlucido con cemento. Puede hacerse también en concreto pero su construcción es más complicada por la forma de marmita que tiene. Sistemas de más de 20 m3 de volumen prefieren hacerse en la superficie en cajones de hormigón o en tanques de metal protegidos para la corrosión. Un modelo muy práctico44 con una capacidad de 20 m3 se muestra en la Figura 9.8. Si bien este modelo no es de los más modernos, se presenta en el texto para efectos didácticos.

43 Adaptado de Sasse L., Biogas Plants (1998) (GTZ-Gate) Pág. 13. 44 Tomado de Argot M., The Biogas/Fertilizar Handbook, 3ª. Ed. Peace Corps, Pág. 30.

Fig. 9.7 Tipos de biodigestores residenciales


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Son importantes el cajón del digestor, los elementos de ingreso y procesamiento del residuo, mezcladores del sustrato, agitadores en el digestor, salida del lodo fertilizante para su tratamiento y secado al ambiente, y el tanque de almacenamiento de gas. Antes de ingresar al digestor, el material orgánico pasa por un piso acanalado para recoger el lodo, tierra y otros sólidos. Luego se mezcla con agua en un pozo apropiado donde se combina con otros residuos como papa descompuesta, por ejemplo. El biodigestor tiene que ser agitado frecuentemente utilizando un pequeño motor que acciona un eje vertical con palas. El biogás se recoge en un tanque de almacenamiento hermético que se mueve hacia arriba o abajo sobre otro tanque de agua, impidiendo la fuga del gas. Recordemos que el gas es inflamable y debe mantenerse la seguridad en todo momento, midiendo la presión y la temperatura.

Fig.9.8 Biodigestor de concreto de 20 m3 sobre la superficie, con tanque flotante.

Fig. 9.9 Vista lateral del digestor y tanque de almacenamiento de gas


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El lodo fertilizante que sale del digestor, especialmente su parte líquida, es un excelente fertilizante, no solamente por su contenido de nitrógeno, fósforo y potasio muy similar al de la tierra natural, sino por las fibras y el humus que permiten cohesionar a la tierra, a diferencia de los fertilizantes químicos. Antes de utilizar el lodo fertilizante residual este debe ser expuesto al aire al menos por 10 días para liberar los gases tóxicos como el sulfito de hidrógeno. Para ello es conveniente hacerlo sobre unas piscinas de poco fondo (30 a 50 cm) por donde circule por gravedad el lodo. El fondo de estas piscinas deberá ser en concreto o recubiertas de plástico para impedir que el nitrógeno del fertilizante se escurra por el suelo. Deberán además estar cubiertas del sol y de la lluvia. El fertilizante así tratado es de mucho mejor rendimiento que el compost aeróbico y puede ser empleado directamente para alimento de animales, una vez secado, o dentro de los sistemas de riego para cultivos agrícolas. Se ha empleado con mucho éxito como alimento para peces ya que el contenido de nutrientes es ideal, especialmente para trucha y tilapia. Existen también biodigestores de gran tamaño tipo industrial (en el orden de los cientos de m3) que se alimentan del residuo de granjas agrícolas o pecuarias grandes donde el volumen diario de estiércol de los animales constituye un problema para su disposición y

por los olores que ocasiona. El uso tradicional de piscinas de oxidación para el tratamiento de estos residuos no soluciona el problema del olor y exige el uso de sistemas de aireación con bombas que tienen un alto consumo eléctrico. Un biodigestor puede prácticamente eliminar el olor una vez procesado el residuo, al tiempo que el biogás producido puede ser aprovechado para la generación de electricidad y calor. Constituye indudablemente la mejor solución técnica y económica en estos casos. La Fig. 9.10 muestra un biodigestor industrial típico.

Uso del Biogás: Calor y Electricidad El biogás puede tener dos usos: a) para calentamiento, en sustitución de leña o del gas licuado de petróleo (LPG); o, b) como combustible para motores de combustión interna. En el caso del uso como gas, 1 kg de metano equivale a 55 MJ mientras que 1 kg de LPG es 50 MJ. El gas metano, por tener una presión baja, debe usarse con quemadores de cocina modificados con orificios más grandes para el paso del gas. No es conveniente comprimir el biogás para uso como combustible líquido porque la presión requerida es muy alta y esto eleva su costo. Al usar el metano como combustible de motores, el octanaje es menor por lo que la cantidad de combustible requerido es mayor que cuando se usa gasolina o diesel. Se puede usar una mezcla de biogás y el combustible normal, para lo cual es necesario modificar el sistema de inyección o carburador para este propósito.

Fig. 9.10 Biodigestor industrial de estiércol de chancho Cortesía de TECOGAS BTG


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Diseño y Capacidad del Biodigestor Los datos para calcular el volumen de biogás que podemos obtener de un biodigestor son:

1. Fuente de la materia orgánica 2. Materia orgánica total obtenible 3. Contenido total de sólidos 4. Contenido de sólidos volátiles 5. Potencial de producción de metano 6. Tiempo de retención 7. Temperatura de la reacción

Fuente de la materia orgánica: Es el animal o cultivo del que proviene el residuo. Tradicionalmente se utiliza la majada o el estiércol de vaca por ser el más común. El estiércol de otros animales como chanchos, ovejas, caballos, gallinas, etc., también se puede utilizar solo o mezclado. El sustrato puede combinarse con otro componente de fibra vegetal o cultivos como papa, maíz, soya, fréjol o yuca, prefiriendo aquellos de alto contenido de carbohidratos o grasas. La proporción de la mezcla determina la cantidad de biogás resultante. El excremento humano tiene un rendimiento muy bajo, pero en combinación con residuos de alimentos o animales mejora la producción de biogás. Algunas fuentes de materia orgánica se muestran en la Tabla 9.5. Cantidad total de residuo (T): Es la cantidad de residuo orgánico que produce la fuente en kg por día. Valores promedio de producción de residuo por fuente se muestran en la Tabla 9.5. Contenido total de sólidos (TS): Corresponde a la parte de la materia orgánica seca, sin la humedad. Para determinar el TS de un sustrato se lo debe secar durante 5 horas a 105 ºC y luego pesar el residuo sólido que queda. Valores promedio de TS de algunos sustratos se muestran en la Tabla 9.5. Contenido de sólidos volátiles (VS): Es la parte del total de sólidos que se puede transformar en biogás. Este se puede obtener quemando los sólidos orgánicos (TS) hasta que quede solamente la ceniza. La relación de la cantidad de ceniza respecto de la cantidad total son los VS. Valores promedio de VS de algunos substratos se muestran en la Tabla 9.5. Potencial de producción de metano (BO): Volumen de metano producido por masa de sólidos volátiles en [m3 CH4/kgVS]. Los valores son los siguientes:

Tabla 9.4 Potencial de Producción de Metano (BO) de algunos Residuos Residuo Orgánico BO [m3 CH4/kg VS] Vaca 0,2 Res 0,35 Desecho municipal 0,2 Chancho 0,45 Gallina 0,39 Aguas negras 0,406

El tiempo de retención (RT) y la temperatura (TC) de la reacción ya fueron analizados anteriormente.


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Tabla 9.5 Características de la Materia Orgánica Utilizada en Biodigestión Anaeróbica

No. Fuente W T TS VS N P K TS/T VS/TS1 Vaca 500 86 12 10 0,45 0,094 0,29 14% 83% 2 Toro 500 58 8,5 7,2 0,34 0,092 0,21 15% 85% 3 Becerro 40 62 5,2 2,3 0,27 0,066 0,28 8% 44% 4 Chancho 70 84 11 8,5 0,52 0,18 0,29 13% 77% 5 Oveja 60 40 11 9,2 0,42 0,087 0,32 28% 84% 6 Chivo 50 41 13 0,45 0,11 0,31 32% 0% 7 Caballo 400 51 15 10 0,3 0,071 0,25 29% 67% 8 Gallina 2,2 85 22 17 0,84 0,3 0,3 26% 77% 9 Roedor 2 64 16 12 1,1 0,3 0,4 25% 75% 10 Pavo 8 47 12 9,1 0,62 0,23 0,24 26% 76% 11 Pato 3 110 31 19 1,5 0,54 0,71 28% 61% Fuente: ASAE Standard D384.1 DEC93, American Society of Agricultural Engineers Donde: W = Peso promedio del animal en kg. T = Cantidad total de residuo (estiércol) promedio en kg por cada 1000 kg de peso

del animal. TS = Contenido promedio total de sólidos en kg por cada 1000 kg de peso del animal. VS = Contenido promedio de sólidos volátiles en kg por cada 1000 kg de peso del

animal. N = Contenido promedio de nitrógeno en gramos por kilo de sustancia. P = Contenido promedio de fósforo gramos por kilo de sustancia. K = Contenido promedio de potasio en gramos por kilo de sustancia. TS/T = Porcentaje de TS sobre T. VS/TS = Porcentaje de VS/TS. Volumen de metano producido (VCH4): Es el volumen de metano que se obtiene de un biodigestor alimentado con una masa orgánica para ciertas condiciones de tiempo de retención RT y temperatura TC. Este se obtiene de forma empírica por la aplicación de la fórmula45:

)1

1(4 KRTUKVSBOVCH +−×

−××= (9.2)

VCH4 es en [m3 de metano/día] Donde los factores han sido ya explicados y K y U se obtienen de las expresiones:

)1185,0(0006,06,0 VSeK ××+= (9.3) 129.0013,0 −×= TCU (9.4) K es la descomposición de los sólidos volátiles en el tiempo y es adimensional. U es el crecimiento de producción de metano con el cambio de temperatura por día.

45 Chen, Y.R., "Kinetic Analysis of Anaerobic Digestion of Pig Manure and its Design Implications" Agricultural Wastes 8 (1983) 65-81, y Thomas, M.V. & R.A. Nordstedt,Trans ASAE 36(2)pp537-544.


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Volumen del Digestor (VD): Por cuanto el estiércol o residuo contiene una buena parte de agua (80 a 90%), podemos asumir que 1 kg de residuo equivale a 1 litro. Para formar el sustrato que ingresa al digestor se diluye el estiércol con agua en proporciones de 1 a 1 o 1 a 2 (u otras, dependiendo del residuo) y la cantidad de sustrato es la suma del agua más el estiércol. El volumen del digestor se calcula con la relación:

RTFDTSVD ××= (9.5) Donde:

VD = Volumen del digestor en m3 TS = Contenido total de sólidos que ingresan al digestor en kg o litros por día FD = Factor de dilución del residuo: 2 = 1 de agua + 1 de residuo; 3 = 2 de agua +

1 de residuo, etc. RT = Tiempo de retención en días

Volumen del Tanque de Almacenamiento de Biogás (VG): La cantidad de biogás que se almacena depende del consumo para el cual estará destinado. La relación entre el volumen del digestor y el volumen del tanque de biogás está entre 3:1 a 10:1. Los valores más

frecuentes, para aplicaciones de fincas pequeñas es de 5:1 a 6:1. El tanque de almacenamiento de biogás puede estar dentro del digestor o fuera de él y esta relación se debe mantener.

Para entender mejor el cálculo de la producción de biogás y de metano en un biodigestor, y encontrar el tamaño del biodigestor y del gasificador, realicemos el siguiente ejercicio. Ejercicio 9.1:

El propietario de una granja agrícola tiene 6 vacas y desea construir un digestor anaeróbico de flujo continuo con el residuo del estiércol de estos animales. Encontrar: a) La producción de metano que obtendría para un tiempo de retención de 30 días y temperatura de 25°C. b) Si la composición del biogás es de un 60% CH4 y un 40% CO2 ¿cuáles son las cantidades de biogás, de CH4 y de CO2? c) ¿Si utiliza este metano para la producción de calor,¿cuántos kg de LPG (gas licuado de petróleo) podría reemplazar durante una semana si las pérdidas en el sistema son del 30%? d) Calcular el volumen del digestor para una mezcla de estiércol y agua de 1 a 1, e) ¿Cuál es el volumen del tanque gasificador requerido si la relación de VD/VG = 5?

Fig. 9.11 Relaciones volumen de digestor a volumen de tanque de almacenamiento de biogás para diferentes tipos de digestores


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Utilizar los datos del estándar de la ASAE, American Society of Agridultural Engineers de la Tabla 9.5 del texto. Solución: Peso de cada animal W = 500 kg Peso total de los animales = 6 x 500 kg = 3000 kg Producción de estiércol por día T = 3000 kg x 86 kg/1000 kg de animal = 258 kg / día Total de sólidos por día TS = 3000 kg x 12 kg/1000 kg de animal = 36 kg /día Sólidos volátiles por día VS = 3000 kg x 10 kg/1000 kg de animal = 30 kg /día BO = 0,2 [m3CH4/kgVS] a) Producción de metano Aplicando las fórmulas de VCH4, K y U del texto tenemos: K= 0,6 + 0,0006 . exp (0,1185 x 30) = 0,621 U para 25°C = 0,013 x 25 -0,129 = 0,196 VCH4 para RT = 30 y TC = 25 VCH4,30,25= 0,2 x 30 x (1-(0,621/(0,196 x 30-1+0,621))) = 5,32 [m3CH4/día] b) Cantidades de CH4, CO2 y biogás Cantidad de CH4 = 5,32 [m3CH4/día] Cantidad de CO2 = 5,32 x 0,4/0,6 = 3,54 [m3CO2/día] Cantidad de biogás = CH4 + CO2 = 5,32 + 3,54= 8,86 [m3biogás/día] c) Reemplazo con kg de LPG 1 kg de CH4 equivale a 55 MJ/kg = 38 MJ/m3 1 kg de LPG equivale a 50 MJ/kg Total MJ del CH4 = 5,32 m3/día x 30 MJ/m3 = 159,6 MJ/día Menos las pérdidas = 159,6 x (1-0,3) = 111,72 MJ/día Total kg de LPG/día = 111,72 MJ/día /50 MJ/kg = 2,23 kg/día En una semana = 2,23 x 7 = 15,64 kg Un tanque de LPG tiene 15 kg, por lo que el metano producido por seis vacas en una semana equivale a un tanque de LPG (solo para las condiciones dadas por los parámetros del ejercicio, TC, VS, RT, BO). d) Volumen del digestor TS/día= 36 kg/día Factor de dilución: 1 a 1, es decir uno de agua por uno de residuo, entonces Total sustrato = 2 x 36 kg/día = 72 kg/día, como 1 kg de subtrato ≈ 1 litro, y 1 m3 = 1000 litros, entonces Total sustrato en m3 = 0,072 m3 / día Tiempo de retención = 30 días Volumen del digestor = Total substrato x tiempo de retención = = 0,072 m3 x 30 = 2,16m3


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e) Volumen del tanque de almacenamiento de biogás La relación VD/VG = 5, entonces volumen del VG=VD/5 = 2,16 / 5 [m3] = 0,43 m3

De esta forma hemos abordado el tema del uso de la biomasa como fuente de energía, con particular atención en las tecnologías de gasificación y digestión anaeróbica que consideramos que tienen posibilidades reales de ser aplicadas en el Ecuador y reducirían en gran medida el consumo de diesel para la generación eléctrica y del gas licuado de petróleo que tienen un alto subsidio del Estado. La introducción masiva de sistemas de gasificación en industrias agrícolas y de biodigestores en fincas y granjas para el tratamiento de residuos sólidos, y en otros como basura y desechos industriales reducirá significativamente la contaminación ambiental, mejorará la salud de los habitantes y proporcionará empleos. Adicionalmente, se posibilitará que los consumidores de gas y combustibles destinen ese dinero a actividades productivas o a mejorar sus condiciones de vida, o que habitantes rurales dejen de depender del consumo de leña para sus necesidades de cocina y calor en el hogar, disminuyendo el impacto en los terrenos. A continuación veremos las aplicaciones de la biomasa como combustible para transportación.

Biocombustibles Las energías renovables como la solar y la eólica dependen de la disponibilidad de sol o viento para producir energía y ésta solo puede utilizarse, en ausencia de estas fuerzas naturales, con baterías u otros medios de almacenamiento. En el caso de la biomasa, la energía puede transformarse en combustible líquido para ser usado en sistemas de generación eléctrica o en sistemas de transportación, es decir para motores de combustión interna, en reemplazo de los combustibles tradicionales (fuel oil, gasolina, diesel o bunker).

En la actualidad, los tipos de biocombustible más utilizados son el etanol y el biodiesel. Veamos a continuación sus características y las condiciones de producción y uso de los mismos.

Fig. 9.12 Cultivos de maíz y soya, materia orgánica para la producción de biocombustibles Foto cortesía de NREL


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Etanol El etanol se produce de la fermentación de cultivos que contienen azúcares o aquellos que pueden convertirse en azúcares como los almidones (maíz, papas, caña de azúcar, remolacha, yuca, etc.) o las celulosas (árboles y hierbas). El proceso es similar al que se

emplea en la fabricación de alcohol donde la materia orgánica es primero molida y luego por efecto de la levadura y el calor se rompen las moléculas complejas de azúcares en otras más simples resultando el etanol. El etanol CH3CH2OH o etil alcohol es un líquido claro de un olor característico que puede disolverse en el agua. Al ser mezclado con gasolina, se forma el gasohol que reduce los niveles contaminantes de la gasolina por el alto contenido de oxígeno del etanol. Las concentraciones de gasolina y etanol pueden ser desde 90:10 hasta 15:85. La mezcla de un 10% de etanol en la gasolina (E10) puede reducir las emisiones de CO en un 30%y de CO2 de un 6% a un 10%46 . También se puede mezclar con diesel 2 hasta un 15%. El etanol tiene un octanaje de 100, comparado con la gasolina que varía de 86 a 92. El poder calórico del etanol es de 26,63 MJ/kg, mientras que el de la gasolina varía entre 41,9 a 44,2. A pesar de que el costo del etanol es más caro que el de la gasolina, su uso se compensa si tomamos en cuenta los beneficios de ser un

combustible orgánico que favorece la agricultura y el trabajo locales, y causa una gran disminución de la contaminación. El etanol y el metanol tienen similares características físicas y químicas, pero el metanol no se cataloga realmente como un biocombustible pues se obtiene principalmente del gas natural o del syngas. En los albores del automóvil, el modelo T de Henry Ford del año 1908 fue diseñado para funcionar con etanol y en los años 1930s en el medio oeste de los Estados Unidos existían más de 2.000 estaciones de servicio que ofrecían este combustible obtenido del maíz. Posteriormente, con la llegada del petróleo y debido a su precio más bajo, este sustituyó al gasohol. Países como Brasil utilizan sus producciones de caña para la fabricación de etanol. Actualmente, un 40% de los vehículos brasileños funcionan con un combustible 100% etanol (E100) y el consumo llega a 1.700 millones de galones de etanol por año47. Se puede cuestionar que para producir el etanol las plantaciones agrícolas demandan fertilizantes que en su mayoría provienen de derivados del petróleo y que el beneficio del etanol no se justifica por este hecho. Sin embargo, con la incorporación de fertilizantes naturales, resultado de biodigestores, se puede eliminar la dependencia de los fertilizantes químicos.

46 Asociación de Recursos Renovables del Canadá 47 Soybean Digest Magazine, 1 Agosto 2002, www.soybeandigest.com

Fig. 9.13 Estación de gasohol Foto cortesía NREL


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A nivel mundial hay un gran interés por el uso de etanol para los vehículos tanto de transporte terrestre como marítimo, por lo que se prevé que en las próximas décadas una buena parte del transporte utilizará este combustible. En los Estados Unidos, anualmente se mezclan 1.500 millones de galones de etanol con las gasolinas, siendo el biocombustible más utilizado. En el Ecuador, los ingenios azucareros y las industrias que procesan el maíz podrían destinar una parte de su producción a la fabricación de etanol para aditivo de la gasolina.

Biodiesel El biodiesel es un éster (similar al vinagre) que se produce de los aceites vegetales, grasas animales y grasas comestibles recicladas. Mediante un proceso de transesterificación, los aceites orgánicos de maíz, soya, rapeseed, girasol y otros son combinados con alcohol (etanol o metanol) y alterados químicamente para formar ésteres grasos. El diseño del motor de diesel original de Rudolf Diesel, de inicios del siglo XX funcionaba con aceite de maní, pero al igual que en el caso del etanol, el desarrollo de la industria petrolera reemplazó el diesel vegetal por el diesel fósil. El biodiesel puede mezclarse con diesel convencional o usarse puro (B100) en un motor de diesel, con mínimas modificaciones. La proporción de mezcla de diesel y biodiesel es normalmente de 80:20 (B20) y no se requiere modificaciones en el motor. El biodiesel puede ocasionar un aumento de las emisiones de óxido nitroso pero reduce las de monóxido de carbono, partículas pesadas, hollín, hidrocarburos y emisiones tóxicas propias del diesel fósil. Un vehículo a biodiesel despide un olor a papas fritas, algo más agradable que el olor a hollín y al aceite del diesel convencional.

Algunas de las características del biodiesel son48: a) es más seguro que el diesel fósil porque su punto de inflamación es de 147°C comparado con el del diesel fósil de 51°C; b) reduce significativamente las emisiones de partículas sólidas ya que el oxígeno permite una combustión completa del CO2, eliminando además la fracción de sulfato y como consecuencia, la vida del motor se alarga; c) los gases de escape del motor son menos ofensivos; y, d) no requiere almacenamiento especial con excepción de tanques de

concreto. El mayor inconveniente del biodiesel es su funcionamiento en climas fríos pues aumenta su densidad y se hace necesario precalentarlo.

48 Biocombustibles, http://www.econosur.com/notas/biodiesel2.htm

Fig. 9.14 Bus movido por biodiesel obtenido de la soya Foto cortesía NREL


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Alemania ha venido utilizando biodiesel desde hace una década y en el año 2002 se consumieron 750 millones de galones. En Europa se destinan 1,5 millones de hectáreas de rapeseed para biodiesel. Los Estados Unidos en el año 2000 produjeron 5 millones de galones de biodiesel y existe una capacidad de producción de 50 millones de galones al año. Se ha estimado que la producción de 2000 millones de galones para el año 2003 representará hasta el año 2012 un número de 214000 nuevos empleos y la disminución de importación de 1600 millones de barriles de petróleo49. Países latinoamericanos como Argentina que es uno de los mayores productores del mundo de maíz y soya, y por tanto de aceite vegetal, ha emprendido en proyectos de fabricación de biodiesel50. Existe el cuestionamiento de que la producción masiva de biodiesel en sustitución del diesel puede llevar a la siembra de monocultivos como maíz y soya, descuidando otros cultivos. Países que mantienen un gran nivel de producción actualmente exportan estos cultivos sin que haya llevado al monocultivo. Lo que ocurriría es que el alimento tendría dos usos ya que serviría como alimento, y como fuente de energía. Las ventajas que trae para el ambiente el uso de biodiesel y de biocombustibles en general en reemplazo de los combustibles fósiles son mucho mayores que los temores que puede generar este monocultivo. Las aplicaciones del biodiesel en el Ecuador son muy favorables por la existencia de amplias zonas agrícolas destinadas al cultivo de maíz y de soya. La producción de biodiesel traería grandes beneficios en el fomento de empleo y en la reducción de la contaminación por diesel, al tiempo que reduciría la dependencia en la importación de diesel fósil. El uso de biocombustibles en las Islas Galápagos constituiría un gran avance puesto que, a futuro, se evitaría el riesgo de derrames de combustible y la afectación directa a la salud de sus habitantes y de sus especies.

49 Soybean Digest Magazine, 1 Agosto 2002, www.soybeandigest.com 50 Lechadito, R. ,IV Congreso de Políticas de Ingeniería, Comisión de estudio No. 8. Energía. Argentina. www.cai.org.ar/ivcongreso/biocombustible.html


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CAPÍTULO 10: OTRAS TECNOLOGÍAS La búsqueda de nuevas fuentes de energía que basen su potencial en recursos renovables es permanente y muchas tecnologías se han desarrollado tomando en cuenta propuestas o formas de uso del pasado, en una especie de evolución tecnológica, mientras se han desarrollado también aplicaciones que proponen una revolución tecnológica. Dentro de las primeras, en este capítulo, vamos a analizar las fuentes de hidroelectricidad y geotermia; mientras que para el segundo grupo, trataremos el aprovechamiento de la energía del hidrógeno, y de la que se obtienen del mar (mareomotriz, olas y oceanotérmica). En este capítulo revisaremos también algunas tecnologías de almacenamiento de energía.

Hidroelectricidad La energía potencial del agua ha sido aprovechada por los seres humanos desde los inicios de la civilización y, actualmente, la hidroelectricidad constituye el mayor componente del aporte de energía renovable en el mundo para la producción de electricidad. Se conoce también como una energía renovable convencional, a diferencia de las energías renovables no convencionales que hemos visto en los capítulos previos. La capacidad instalada mundial de generación eléctrica al año 2001 fue de 3.344 GW; de éstos, el 21,1 % corresponde a la hidroelectricidad. Latinoamérica tiene un potencial hidroeléctrico de 591 GW y en las plantas instaladas, aprovecha solo un 38%51. En el Ecuador, se estima que el potencial aprovechable de hidroelectricidad es de 23.467 MW, de lo cual se explota en la actualidad solamente 1.757 MW equivalente al 56,4 % de la capacidad instalada (Hidropaute, 1.075 MW; Hidronación (Daule Peripa), 213 MW; Hidroagoyán, 156 MW; Hidropucará, 76 MW). El aporte de energía de las centrales hidroeléctricas para el consumo del año 2001 fue de 7.071 GWh, equivalente al 64% del total de energía generada52. Las centrales hidroeléctricas pertenecientes al ámbito de las energías renovables, entendidas como una solución energética no convencional para zonas rurales, se clasifican de acuerdo a la potencia de generación en: microcentrales, hasta 50 kW; minicentrales de 50 a 500 kW; y pequeñas centrales hidroeléctricas de 500 a 5,000 kW.

Potencial Hidroeléctrico La energía que se puede obtener de una planta hidroeléctrica viene dada por la relación:

HgQPE ρ5,0= (10.1) Donde:

0,5 = eficiencia aproximada global de la planta de generación desde el reservorio hasta la producción eléctrica.

51 OLADE, Estadísticas Energéticas Año 2001. 52 Ibid


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Q = caudal en [m3/s]. ρ = densidad del agua igual a 1x103 [kg/m3]. g = constante de gravitación igual a 9,8 [m/s2]. H = altura en metros de la cabeza de agua igual a la diferencia de altura vertical

entre la salida de agua del reservorio a la tubería de presión y el rotor de la turbina.

Las dos variables que determinan la potencia de salida son el caudal y la cabeza de agua.

Tipos de Turbinas Dependiendo de la disponibilidad del recurso, sea esta una caída de agua en una región montañosa o una corriente de un río en una zona baja, se pueden utilizar básicamente dos tipos de turbinas:

Turbina de Impulso o Acción: donde la energía potencial prevalece y mientras más alta es la cabeza de agua, más potencia se produce. Una turbina de impulso muy común es la rueda Pelton; otra es la Michell-Banki, de flujo cruzado o axial. En la turbina de impulso el agua choca a través de los inyectores a las cucharas del rotor. Estas cucharas tienen una forma cóncava doble con una pared en la mitad. Turbina de Reacción: donde la energía cinética del agua es la que prevalece y la potencia de salida viene determinada por la cantidad de caudal. La más común es la turbina Francis. Otro tipo es la turbina Kaplan para alturas muy bajas, pero necesita un gran caudal. El agua cae desde la parte superior de la turbina y por el diseño del rotor al momento de salir ocasiona una reacción de movimiento del mismo. El gráfico de la Fig. 10.3 muestra los rangos de aplicación de diferentes tipos de turbinas en función de la altura y del caudal.

Fig. 10.1 Turbina Pelton Fig. 10.2 Turbina Francis


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Instalaciones Existe mucha literatura y experiencia en el tema de la instalación de una central hidroeléctrica. Las aplicaciones de tamaño pequeño, denominadas micro o mini centrales hidroeléctricas, pueden constituirse en soluciones a los requerimientos de energía en zonas alejadas o rurales para el servicio de pequeños poblados, caseríos o incluso pequeñas empresas o industrias. Lo importante cuando se hace el diseño de una central hidroeléctrica es efectuar una detallada y completa evaluación del recurso agua que tome en cuenta el caudal de agua de un río o un lago y un análisis de toda el área para encontrar el aporte a la formación de agua del terreno, de la vegetación y de la atmósfera durante algunos años. Una central hidroeléctrica pequeña tiene tres componentes principales: a) las obras civiles de captación y conducción, conformadas principalmente por la bocatoma, el canal de aducción, el reservorio con su desarenador y la casa de máquinas; b) las obras mecánicas e hidráulicas de tubería de presión, turbina y descarga; y, c) la componente eléctrica, constituida por el generador, control, transformador y las líneas de distribución eléctrica. En el diseño de la potencia de la central hidroeléctrica se debe tomar en cuenta que la potencia efectiva del agua viene dada por la altura dinámica del agua en movimiento por la tubería de presión, que debido a las pérdidas por fricción es menor que la altura estática inicial cuando el sistema está en reposo.

Fig. 10.3 Rangos de aplicación de diferentes tipos de turbinas en función de la altura de la caída de agua y del caudal. Cortesía de Tecnhydro Savioa


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Medición de Caudal Para determinar la potencia que podemos obtener de un río o corriente de agua, debemos medir su caudal durante un período de tiempo prudencial que tome en cuenta las variaciones de volumen en ese período, generalmente al menos de un año. Hay épocas donde el caudal se reduce en la temporada seca y otras en que es mayor de lo normal. Para asegurar un suministro confiable todo el año, la central debe diseñarse con el caudal mínimo evitando así sobredimensionar la turbina. El dato del caudal máximo es también importante por las consecuencias de una inundación en las instalaciones. En función de la cantidad de caudal previsto se puede aplicar uno de los siguientes métodos para encontrar el caudal de diseño: a) Método Simple: Sabemos que el caudal es la cantidad de agua que pasa por una unidad de tiempo. Se deriva toda el agua del cauce a un recipiente y se mide la cantidad de agua que se ha depositado en un tiempo determinado. Este método sirve para caudales pequeños. b) Método del Área: El caudal también se calcula como la velocidad media multiplicada por el área. El agua en el fondo de un cauce es casi cero, por la viscosidad y la fricción; si medimos el tiempo que toma un cuerpo liviano para moverse una distancia en la superficie del agua, encontramos su velocidad. La velocidad media en una sección rectangular es de

Fig. 10.4 Componentes de una pequeña central hidroeléctrica Adaptado de Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile


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aproximadamente el 80% de la velocidad máxima. El área del caudal se mide de acuerdo a la forma del cauce. c) Método del Vertedero: Se interrumpe el cauce con una estructura que permite el paso del agua por una abertura de determinada sección S con un vertedero en su parte superior.

Al impactar el agua en el vertedero, sube la altura h. El caudal Q viene dado por la altura h del agua sobre el vertedero en base de un modelo precalculado para esa sección. Se puede utilizar un vertedero de forma triangular en lugar

del rectangular, para caudales más pequeños. En este caso el caudal se calcula por la relación Q= ¼ h x exp (5/2).

Aplicaciones en el Ecuador El uso de pequeñas centrales hidroeléctricas en el Ecuador solventaría la falta de energía eléctrica en las zonas rurales y compensaría la deficiencia en la calidad del servicio en aquellos usuarios que ya tienen electricidad pero experimentan problemas de variaciones de voltaje o desean aumentar la potencia. Por ejemplo, en las primeras décadas del siglo XX, las industrias textiles de la Sierra ecuatoriana funcionaron con centrales hidroeléctricas pequeñas que pueden ser rehabilitadas. En la actualidad, el problema que se enfrenta es la falta de conocimiento de los usuarios para la instalación de estas soluciones energéticas, así como la ausencia de financiamiento. Sistemas micro o pico hidroeléctricos pueden también ser instalados en los ríos del oriente y de la costa, por su alto caudal.

Energía Geotérmica La Tierra es una enorme olla de presión que guarda en su interior energía térmica que puede ser aprovechada para la producción de electricidad y calor. En todo el mundo existen fuentes de agua caliente que provienen de la Tierra y se las aprovecha para construir piscinas de aguas termales. Son conocidos los sitios de emisión de vapor o géiseres. La geotermia justamente estudia las formas de utilización comercial de la energía de la Tierra y es una tecnología muy desarrollada. En el mundo se producen en la actualidad más de 8.000 MW de electricidad con la geotermia. Zonas volcánicas como la de Los Andes son idóneas para la instalación de centrales de este tipo. Estudios efectuados en los años 1980s por el Instituto Ecuatoriano de Electrificación identificaron 12 sitios potenciales en la zona interandina para la instalación de plantas geotérmicas con una capacidad energética equivalente a 634 millones de GWh, suficiente para proporcionar toda la electricidad del Ecuador por 37 años.

h

Q

Sh

Q

Fig. 10.5 Medición del caudal por medio del método del vertedero.


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Una planta geotérmica es básicamente una planta de vapor convencional donde el vapor se obtiene directamente de la Tierra y no del calentamiento del agua con combustibles fósiles. Se perfora la superficie de la Tierra hasta encontrar una fuente de agua caliente o vapor y el fluido se dirige a una turbina. El agua o vapor condensado utilizado se vuelve a inyectar a la Tierra. Existen tres tipos de aprovechamiento geotérmico dependiendo de la temperatura del

vapor o agua del fluido: a) sistema de vapor seco, que recoge vapor a más de 370°C y lo envía a la turbina; b) sistema de flujo hidrotérmico, que utiliza agua a una temperatura entre 150°C y 370°C y por diferencia de presión la convierte en vapor en un separador; y, c) Una planta binaria o mixta, que opera con agua entre 120°C a 180°C, que pasa por un intercambiador de calor con un líquido como el isopentano que hierve a una temperatura menor que la del agua dentro de un ciclo cerrado y se convierte en vapor. El tipo de planta binaria es de particular interés para el aprovechamiento de la geotermia como fuente energética renovable en plantas de pequeña capacidad (menores a 500 kW). El costo de una planta geotérmica depende del tamaño. Una de 1 MW tiene un costo de USD 1.780/kW, en tanto que una de 100 kW cuesta USD 2.900/kW53. Entre las ventajas que ofrece la energía geotérmica podemos mencionar que: es una energía limpia porque casi no produce emisiones contaminantes; tiene una disponibilidad del 95% pues no depende de las variaciones del clima ni de las sequías; su costo de producción es bajo y varía entre 5 a 8 centavos de dólar por kWh; el área que ocupa es muy pequeña para la capacidad que genera, a diferencia de una central hidroeléctrica que ocupa grandes extensiones para el reservorio; es confiable, ya que es un sistema que ha venido funcionando desde inicios del siglo XX.

El Hidrógeno ¿La Energía del Futuro? Luego de la II Guerra Mundial, la investigación de nuevas armas tomó en cuenta la energía del hidrógeno para bombas de destrucción masiva. El poder destructivo de una bomba de hidrógeno (la bomba H) era 100 veces superior a una bomba nuclear, y se decía que su uso pondría en peligro al planeta. Esto nos da una idea del potencial energético que tiene el hidrógeno: 120,7 MJ/kg, el más alto de cualquier combustible conocido. Los cohetes y transbordadores aeroespaciales utilizan hidrógeno como combustible tanto por su contenido energético como por su alta compresibilidad -en forma líquida el hidrógeno reduce su volumen 700 veces.

53 Rafferty, K. Geothermal Power Generation, Geo Heat Center, 2000.

Fig. 10.6 Planta geotérmica de vapor Adaptado de EREN Geothermal Energy Program, USA


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El uso de hidrógeno como fuente energética no tiene las implicaciones ni menos aún los riesgos que aquellos de una bomba. En realidad la aplicación del hidrógeno vendría a ser una forma de almacenamiento de energía y no precisamente una fuente de energía. Sin embargo, por estar el hidrógeno libre de contaminación y por ser el recurso más abundante en la naturaleza, se lo cataloga como una fuente renovable. Con la invención de las celdas de combustible (que en verdad son celdas de hidrógeno) o pilas de combustible, el uso del hidrógeno se limita a una reacción química lenta en combinación con oxígeno para producir una corriente eléctrica, y el residuo es agua, como veremos más adelante.

La Celda de Hidrógeno o Celda de Combustible En 1842 Sir William Grove descubrió el efecto de la electrolisis inversa: producción de electricidad con hidrógeno y oxígeno en un electrolito. El invento de la celda de hidrógeno o celda de combustible (fuel cell) tuvo su desarrollo real en el proyecto aeroespacial de la NASA en 1960 donde se utilizó para generar electricidad en las naves espaciales. La celda de hidrógeno es un dispositivo de conversión electroquímica que convierte

hidrógeno y oxígeno (aire) en electricidad y calor, sin combustión. La celda de combustible tiene dos electrodos de carbón (el ánodo y el cátodo) inmersos en un electrolito. El ánodo (electrodo de carga positiva) actúa como un enlace entre el combustible (hidrógeno) y el electrolito, cataliza la reacción de combustible y ofrece un camino para la circulación de electrones hacia la carga eléctrica por el circuito externo. El cátodo, en cambio ofrece un camino entre el oxígeno y los electrones libres. El electrolito actúa como una separación física entre el hidrógeno y el oxígeno evitando la mezcla y combustión de los dos gases. Es algo parecido a una batería, con la diferencia de que no libera energía almacenada en la celda sino que la energía se produce por la carga del combustible hidrógeno. Mientras se

alimente el combustible hidrógeno a la celda de combustible producirá electricidad. El mantenimiento de la celda de combustible es casi cero y no tiene partes móviles. Tomando el caso de una celda de combustible tipo PEMFC, o celda de membrana de intercambio de protones, que tiene grandes perspectivas de ser utilizada como fuente de energía eléctrica para vehículos, las reacciones que se produce son:

Ánodo: 2H2 => 4H+ + 4e- Cátodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2 H2O Reacción completa: 2H2 + O2 => 2 H2O

Fig. 10.7 Funcionamiento de la Celda de Hidrógeno

Cortesía de fuelcellonline.com


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Se combina el hidrógeno y el oxígeno del aire para producir electrones y el residuo es agua, por lo que confirmamos que la celda de hidrógeno no produce contaminación. Existen varios tipos de celdas de combustible dependiendo del tipo de electrolito que utilizan. Podemos agrupar estas celdas por la temperatura de funcionamiento en bajas y altas, como sigue: Celdas de baja temperatura, entre 50 a 220°C:

• DMFC: Celda de metanol directo, para uso en teléfonos celulares o equipos electrónicos portátiles.

• AFC: Celda de ácido fosfórico, para vehículos espaciales o submarinos.

• PEMFC: Celda de membrana de intercambio de protones, para vehículos de transporte.

• PAFC: Celda de ácido fosfórico, para almacenamiento de energía local.

Celdas de alta temperatura, entre 650 a 1000 °C:

• MCFC: Celda de carbonato derretido, para generación eléctrica.

• ZAFC: Celda de óxido de zinc, para generación eléctrica.

• ZOFC: Celda de óxido sólido, para grandes plantas de generación eléctrica.

Algunas características de las celdas de combustible se presentan en la Tabla 10.1. Las celdas de alta temperatura pueden ser utilizadas para generar electricidad y también calor para calentamiento de agua o producción de vapor en un proceso industrial, o para un sistema de cogeneración. En estos casos, la eficiencia eléctrica más la térmica puede llegar al 85%, es decir sumamente alta.

Aplicaciones del Hidrógeno como Combustible Se ha creado una gran expectativa en todo el mundo sobre las posibilidades de

aprovechamiento energético del hidrógeno como combustible para transporte, lo cual permitiría reducir las emisiones contaminantes de los vehículos, contar con una fuente de energía renovable para sustituir la dependencia estratégica en los combustibles fósiles y mejorar la eficiencia energética. Se prevé que para fines de la década del 2010 cientos de miles de vehículos funcionarán con celdas de hidrógeno como fuente de electricidad para mover un

Fig. 10.8 Vehículo eléctrico NECAR 4 de Daimler Chrysler con celda de combustible. Autonomía 450 km, velocidad 150 kph.

Foto cortesía de Daimler Chrysler


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motor eléctrico, o directamente como combustible en motores de combustión interna. Estos últimos ya existen en producción comercial54. Sabemos que la electricidad puede transformarse en cualquier otra forma de energía y, justamente, la celda de combustible es una pequeña generadora de electricidad. Al ser modulares, las celdas de combustible pueden proveer calor y electricidad a residencias, edificios o pequeños caseríos, entregar energía a la red eléctrica o como grandes plantas de generación para el sistema eléctrico mediante un sistema de celdas regenerativas que consisten en unos reservorios de electrolito capaces de generar electricidad cuando se lo requiera. Constituyen una manera de almacenamiento químico. La variedad de formas o composiciones del electrolito, como sólido, líquido o gaseoso, abre las posibilidades de uso en todo tipo de proceso. Existen aplicaciones aún en laboratorio con celdas de combustible para equipos electrónicos como teléfonos celulares que en lugar de una pila o batería tendrían una celda de hidrógeno recargable con ampollas de alcohol.

Producción y Almacenamiento del Hidrógeno

En la actualidad, el hidrógeno se utiliza para la industria química y se obtiene mayormente por el método de reducción de vapor de agua con carbono caliente o metano (gas natural). El método de electrólisis del agua utilizando la electricidad de energías renovables como la fotovoltaica o la eólica es una posibilidad muy factible y económica, que será común en el futuro. También se puede obtener el hidrógeno de la biomasa en los procesos de gasificación y digestión anaeróbica.

El hidrógeno puede ser almacenado como gas, líquido o en compuestos químicos. La energía que demanda el proceso de liquefacción del hidrógeno equivale a un 30% de su energía total, lo cual es difícil y costoso, además de que para mantenerlo en ese estado la temperatura debe ser de -253°C, cerca del cero absoluto de -273°C. Enfriar medio kilo de hidrógeno consume 5 kWh.55

La mejor manera de almacenar el hidrógeno para transporte o almacenamiento energético es mediante compuestos hídricos de metales como magnesio, titanio, hierro, o sodio. Se está investigando en otros metales como grafito que permitirían guardar 30 litros de hidrógeno en 1 gramo de grafito, suficiente para mantener un vehículo moviéndose durante 8.000 km. Los temores sobre la inseguridad del uso de hidrógeno como combustible por explosiones o fugas no tienen fundamento pues su poder explosivo es 22 veces menor que el de la gasolina y en caso de fugas, no es tóxico. Cuando se enciende una llama, esta no se propaga como en el caso de otros combustibles, debido a la alta volatilidad y presión del hidrógeno. Se está trabajando en sistemas de almacenamiento de hidrógeno para vehículos que ofrecen una alta confiabilidad.

54 Como el modelo 750h de la BMW, que transforma el agua en hidrógeno utilizando energía fotovoltaica y alimenta un motor de combustión que eroga una potencia de 188 HP, velocidad máxima de 210 kph y una autonomía de 1000 km entre tanqueadas. 55 Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse (EREC) http://www.eren.doe.gov/consumerinfo/refbriefs/a109.html


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Tabla 10.1Características de las Celdas de Combustible

Tipo DMFC AFC PEMFC PAFC MCFC ZAFC SOFC RFC

Nombre Metanol Directo Alcalina

Membrana de intercambio de

protones

Ácido fosfórico

Carbonato derretido Óxido de zinc Óxido sólido Regenerativa

BAJA TEMPERATURA ALTA TEMPERATURA Temperatura de operación °C 50 - 120 65 - 220 80 - 120 150 - 220 650 700 700 - 1000

Electrolito Polímero Hidróxido alcalino de potasio

Polímero Ácido fosfórico

Sales de carbonato derretido

Óxido de zinc (cerámica)

Óxido sólido (cerámica)

Combustible CH2OH (Metanol) H2 H2 H2 CO/CH4 CH4 CO/CH4

Oxidante O2/aire O2/aire O2/aire O2/aire O2/aire/CO2 O2/aire O2/aire

Eficiencia 40% 70% 40 - 50% 40 - 50% 50 - 60% 40 - 50% 45 - 55%

Ión H+ OH- H+ H+ CO3-2 OH- O-2

Aplicación Teléfonos celulares,

electrónica

Vehículos espaciales y bajo el mar

Transportación Almacenamiento de energía

Generación eléctrica

Generación eléctrica Alto voltaje

Ventajas

Uso de combustible líquido lo hace recargable

Bajo costo, baja temperatura

Electrolito sólido (plástico), Arranque rápido, larga vida

Alta eficiencia combinada con producción de calor, construcción simple

Construcción con material estándar, produce calor

Reformado interno de hidrocarbonos, uso cogeneración

Tolera combustibles no puros

Desventajas

Requiere un catalizador de platino que es caro

Requiere oxígeno e hidrogeno puros, Sensible al CO2

Baja temperatura no útil para cogeneración, cuidadoso control de humedad

No útil para cogeneración

Demora en llegar a condiciones de operación

Electrolito no se seca, no hay fugas

Alto costo

Sistema de ciclo cerrado de provisión de combustible permanente en combinación con otras fuentes (solar, eólica, red), Sistema de ciclo cerrado y puede constituir la base de la economía del hidrógeno


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El Siglo XXI: el Siglo del Hidrógeno El uso del hidrógeno para sistemas de combustión directa o a través de una celda de combustible en la producción de electricidad y calor se presenta como una solución energética ideal para el futuro de la civilización. Si el siglo XIX fue el del carbón, y el siglo XX el del petróleo, el siglo XXI puede muy bien ser el siglo del hidrógeno.

La Energía del Mar Para culminar con la exposición de los sistemas energéticos renovables, vamos a revisar brevemente la energía que se puede obtener del mar (olas, mareas y diferencia térmica del océano), aplicable a sistemas energéticos de mediana y baja capacidad.

Energía de las Olas Un cuerpo que rebalsa sobre las aguas del mar tiene un movimiento oscilatorio hacia arriba y hacia abajo, según la fuerza de las olas. Se puede aprovechar esta fuerza para mover una

turbina que, conectada con un generador entregue electricidad. Una forma muy simple de aprovechamiento de las olas es una boya como la de la Fig. 10.9 que flota en el mar. Al momento que llega la ola, o por el movimiento de la boya en el océano, se produce una presión de aire hacia arriba al interior de una columna de agua oscilatoria que mueve la turbina. Cuando la ola baja, se abre una válvula que deja ingresar presión a la columna de agua. La turbina está diseñada para girar siempre en el mismo sentido. La electricidad generada se almacena en una batería para su uso. La potencia de estas boyas no supera los cientos de vatios. Otros sistemas de decenas de kilovatios están siendo desarrollados y consisten en una estructura en hormigón, junto a zonas rocosas de la playa donde las olas chocan y la columna de agua se desplaza de forma horizontal en un ducto56.

Fuerza Mareomotriz Las mareas constituyen un fenómeno permanente, pues se deben a la fuerza gravitacional de la Luna y su interacción con la rotación de la Tierra. Una planta mareomotriz que aprovecha la energía de las mareas para producción eléctrica es muy similar a una central hidroeléctrica. El agua del mar en marea alta pasa a través de un ducto que tiene en su

56 Wavegen, UK

Fig. 10.9 Boya con sistema de generación usando la energía de las

olas


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interior una turbina tipo bulbo cuyas hélices se mueven al paso del agua. El agua llena un embalse y luego en marea baja el agua se devuelve al mar y mueve igualmente la turbina.

Energía Océano Térmica La diferencia de temperatura del agua del mar entre la superficie y su profundidad se puede utilizar para producción de energía. A una profundidad de 1000 m, el agua del mar baja la temperatura entre 20 a 25 grados. Este calor puede dirigirse a un sistema de intercambiador de calor en una planta de ciclo cerrado de amoníaco que se evapora y mueve una turbina. A pesar de que la eficiencia de este sistema es menor al 2%, por la inmensidad del recurso la cantidad de energía que se podría generar sería también enorme. No hay sistemas de generación océano térmico en operación en el mundo.

Medios de Almacenamiento de Energía La energía nos es útil si la tenemos en la cantidad, calidad y oportunidad en que la solicitamos. Hemos visto en los capítulos anteriores las diversas maneras o tecnologías para la producción de energía eléctrica o térmica, y las restricciones que tienen para mantener un suministro constante. El Sol se oculta en las noches; el viento no sopla todo el tiempo; una sequía causa la disminución del caudal de agua para una central hidroeléctrica; y los recursos de la biomasa no son fácilmente controlables. De otra parte, hay momentos en el funcionamiento de un sistema eléctrico por ejemplo, en que la energía se desperdicia, porque la carga está apagada. Un colector solar para calentamiento de agua puede producir mucha más energía de la necesaria y ésta se disipa al ambiente, sin aprovecharse. Es, por tanto, importante ver los medios para almacenar la energía durante las horas o épocas en las que no se usa, para aprovecharlas posteriormente. El costo de la energía depende de su disponibilidad. Si un sistema de computación en un banco, no tuviera un respaldo de baterías para cubrir las fallas de la red eléctrica, su información podría perderse. No nos es útil la energía luego de ocurrido el daño. Los sistemas de almacenamiento de energía, algunos de los cuales ya hemos visto en los capítulos anteriores, se pueden clasificar de acuerdo al medio de almacenamiento en:

Fig. 10.10 Planta mareomotriz Adaptado de Australian Greenhouse Office


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• Combustibles convencionales: gasolina, diesel, gas, carbón. Tienen una densidad energética alta en MJ/kg.

• Químicos: hidrógeno y amoníaco. Densidad energética muy alta.

• Térmicos: agua, hierro fundido, vapor, sales derretidas, piedras.

• Eléctricos: capacitores, ultracapacitores, imanes superconductores, batería, celda de

hidrógeno.

• Mecánicos: bombeo hidráulico, rueda volante, aire comprimido, resorte. De particular atención para sistemas de energías renovables son la bioenergía, el hidrógeno y la batería. Mayor información sobre sistemas de almacenamiento se puede consultar en los textos indicados en la bibliografía57,58.

57 Twidell, J., Weir, T., Renewable Energy Resources, Cap. 16. 58 Khartchenko N., Advanced Energy Systems, Cap. 10.


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CAPÍTULO 11: HACIA UNA POLÍTICA ENERGÉTICA INTEGRAL EN EL ECUADOR

Dependencia e Independencia Energética En los capítulos anteriores incursionamos en algunos conceptos y aplicaciones de las energías renovables utilizadas en la actualidad. Un ejemplo de ello es la energía solar con sus variantes en la generación de electricidad en un panel fotovoltaico o como aprovechamiento térmico en un colector solar. Y otros ejemplos son la fuerza del viento y la biomasa que constituyen una propuesta válida de alternativas de desarrollo energético para saciar en parte la necesidad energética de la civilización y su incontrolable demanda. De allí que mientras más rápido los Estados y los usuarios se familiaricen con la existencia y el uso de estas tecnologías, mejores serán los beneficios que la sustitución de los combustibles fósiles aportará para el equilibrio del planeta. Este equilibrio se daría tanto en el aspecto energético o natural, como en la democratización, despolitización y sociabilización de la energía entre todos los países, sus organizaciones y sus habitantes. La dependencia energética de los países industrializados hacia los países en desarrollo agranda cada vez más la brecha entre ricos y pobres. Países dependientes energéticamente ven tambalear sus economías ante cualquier cambio de precios en el petróleo, destinando una gran parte de sus escuálidos ingresos para pagar “la gasolina” que ponga a mover su motor. Muchos de estos países, y entre ellos el Ecuador, a pesar de ser productor petrolero, no han visto una mejora en su situación debido a la falta de concepción y aplicación de una política energética de largo plazo. Se debe buscar la estructuración de un plan de desarrollo energético que incluya: electricidad, eficiencia y ahorro energético; educación y formación de los usuarios; fuentes alternativas de energía; explotación de recursos energéticos locales; disminución de la contaminación; uso de mano de obra e ingeniería locales, entre otros. En fin, se debe tender hacia la elaboración de un balance energético que tenga como ingresos todas las fuentes de energía convencionales y no convencionales, y como egresos el aprovechamiento económico y social de esos insumos.

Nueva Estructura del Sector Eléctrico El mercado eléctrico ecuatoriano arrojó los siguientes resultados en el año 2001. El total de la generación eléctrica llegó a cerca de 10.300 GWh (millones de kWh). De éstos, el total consumido fue de 7.965 GWh, es decir, vendido por las empresas eléctricas. La diferencia del 22% constituye las pérdidas (técnicas 9% y no técnicas 13%) que al precio de venta promedio de la energía de USD centavos 6,46 por kWh representó 14,6 millones de USD. Por tanto, las pérdidas por instalaciones no autorizadas en el país ese año fueron de 8,65 millones de dólares. Los esfuerzos de organismos de control del estado, liderados por el CONELEC fueron insuficientes para revertir esta situación. El total de ventas de las empresas eléctricas en ese año fue de 515 millones de dólares y sirvió a los 2’503.676 abonados conectados al servicio eléctrico. La zona urbana está atendida en un 96,2%, en tanto que la zona rural llega al 55,6%. Al año 2002 la demanda máxima de potencia fue de 2.133,5 MW (17 diciembre). La zona urbana está atendida en un 96,2%, en tanto que en la zona rural llega al 55,6%. El total de energía proveniente de centrales térmicas en el año 2001 fue de 3’709.632


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MWh que equivale a un 35% del total generado en el año. El consumo de combustibles de estas centrales representó un egreso aproximado de 168 millones de dólares en el año 2001. Existe un déficit crónico de la generación eléctrica, que para cumplir con los estándares técnicos mínimos de confiabilidad llegaría a 800 MW, es decir un 27% de la capacidad efectiva actual. Si se toma en cuenta que por cada kWh que se genera con combustibles fósiles, se ocasiona una emisión de 0,25 kg de CO2, el total de contaminación de las centrales térmicas llegaría a más de 900 mil toneladas en el año. Aplicando las directrices del Protocolo de Kyoto en el tema de intercambio de emisiones, la liberación de este volumen de gas equivaldría a cerca de 14 millones de dólares, calculada al valor mínimo de USD 15 por tonelada de CO2. Algunos países podrían llegar a pagar hasta 5 veces más. Si se llegara a sustituir la generación térmica por fuentes con energías renovables, se podría ahorrar al país los gastos que se originan en el uso de combustibles y efectos de contaminación que suman aproximadamente 150 millones de dólares al año, a más de los beneficios que el uso de fuentes no contaminantes traen al liberar al estado de la dependencia de combustibles fósiles, el desarrollo de tecnologías apropiadas (solar, eólica, biomasa, hidroeléctrica), la generación de empleo y principalmente el desarrollo de las áreas alejadas. Hasta ahora, la electricidad ha sido conceptualizada como un servicio de responsabilidad del estado. La calidad de este servicio no ha sido la más adecuada y ha llevado a las empresas eléctricas en el Ecuador a déficits que el Estado ha debido subsanar. Una nueva política energética nacional podría reconceptualizar el kilovatio hora y tratarlo como cualquier bien o producto de intercambio, ofreciendo electricidad de diferentes precios y calidades. Si bien la calidad (niveles de voltaje y frecuencia) debe cumplir con normas, se podría establecer por contrato el número de kWh al mes que se quiere consumir o comprar. Se puede fomentar el uso de electricidad en horas fuera de pico y restringir las horas de servicio o el nivel de consumo en las horas pico. Puede asignarse al usuario la discrecionalidad en el uso de la energía, mediante una tarjeta de energía, como las tarjetas de prepago de telefonía móvil. Se puede acordar con ciertos usuarios la instalación de sistemas de control remoto desde la misma empresa distribuidora para la desconexión de ciertos circuitos o aparatos eléctricos en horas de alta demanda. En caso de que un usuario necesite utilizar la energía en esas horas el costo sería mayor. El mantenimiento de los sistemas de distribución de energía eléctrica, asignado a la empresa dentro del área de servicio es deficiente en la actualidad por la falta de personal técnico, material, repuestos, herramientas, maquinaria y vehículos para hacerlo de forma oportuna. Se debería estudiar la posibilidad de tercerizar el servicio de mantenimiento de las redes a empresas de contratistas privados por barrio o zona de servicio. Estos serían los responsables de la instalación de los medidores, de revisar la calidad del servicio, de atender los reclamos por fallas en la red, del recambio e instalación de luminarias y del mejoramiento y ampliación de las redes. Las empresas eléctricas se beneficiarían al no incurrir en este alto costo cuando usan sus propios recursos. Se mejoraría la recaudación pues los contratistas zonales podrían controlar de mejor forma las instalaciones no autorizadas o pérdidas negras. Los usuarios verían con agrado que las reparaciones se hagan inmediatamente. Estos mismos contratistas tendrían a su cargo la instalación, operación y mantenimiento de sistemas de generación descentralizada con paneles


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fotovoltaicos, pequeñas centrales hidroeléctricas, biodigestores o generadores eólicos residenciales, por un porcentaje de la tarifa. En zonas rurales que no se dispone de energía eléctrica o donde el costo de las redes de distribución es muy caro o económicamente inviable, deberían instalarse sistemas de generación y distribución locales descentralizados utilizando las energías renovables como son las microrredes de sistemas fotovoltaicos o eólicos, o centrales de generación con biomasa. También se puede aprovechar la orografía característica de la región andina para instalar centrales hidroeléctricas de pequeña capacidad (mini o micro) de pocos kilovatios hasta cientos de kilovatios para uso de residencias, fincas, haciendas o pequeños poblados. Mediante acuerdo con la empresa eléctrica de la zona de concesión, quien por ley es la única que puede entregar energía, se podrían suscribir acuerdos para que una comunidad construya, opere y mantenga su propio sistema eléctrico independiente. La fijación de tarifas y los aspectos administrativos y económicos en la administración del micro sistema eléctrico podrían ser acordados entre la comunidad. La operación y el mantenimiento deberían ser entregados a profesionales especializados en el tema. Los organismos del estado, a cargo de la gestión del sector deberían emitir las regulaciones, normas, estándares, especificaciones, recomendaciones y demás elementos operativos y de gestión para un efectivo manejo de las energías renovables no convencionales y de la generación descentralizada en sistemas aislados o remotos. El déficit de energía puede cubrirse fácilmente y de manera inmediata con la instalación de sistemas propios o locales de centralitas de generación fotovoltaica, eólica o biomasa. Estos sistemas descentralizados aportarían una “carga negativa” en la red, al contrario de lo que ocurre cuando una carga como una ducha eléctrica, un tanque eléctrico, una soldadora o un aire acondicionado se conectan y exigen una mayor demanda a la red. No existen regulaciones para aprovechar la generación local o propia. Los usuarios que opten por esta generación descentralizada deberían tener un apoyo financiero y técnico para la instalación de sus equipos y tarifas preferenciales calculadas para cubrir las inversiones, tomando en cuenta también el ahorro que estas centralitas traen en el diferimiento o no inversión de nuevas redes por parte de las empresas eléctricas. Los sistemas de facturación y medición deberían ser flexibles para permitir períodos de facturación mayores a un mes, consumos convenidos y tarifas horarias.

Integración del Usuario La participación del usuario es muy importante en el desarrollo e implantación de la nueva política energética integral del país. El estado como principal, y en muchos casos único accionista de las empresas eléctricas, la de transmisión y la mayoría de las de generación de energía eléctrica del Ecuador, debería abrir el accionariado a los usuarios. Podrían conformarse asociaciones de consumidores de acuerdo a sus intereses particulares: abonados residenciales de una zona del país, un barrio o una urbanización se agruparían como un solo usuario y negociar en bloque la compra de energía con la empresa eléctrica y regular al interior de su predio el uso de la misma. Varias empresas o industrias podrían agruparse igualmente y conformar bloques de consumidores para poder ser catalogados como grandes consumidores y así tener acceso a la energía más barata de la red de transmisión del sistema nacional interconectado.


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Lo que resultaría muy interesante como alternativa para solventar el déficit de generación en el Ecuador es la integración de varias industrias que disponen de grupos electrógenos de emergencia en una planta de generación eléctrica virtual en la que todos los grupos electrógenos aislados se controlan desde un solo centro de despacho, desde el cual se negocia el suministro de energía al mercado eléctrico nacional. Es común en el país ver sitios turísticos o de comidas agrupados en un área o poblado. Por lo general estos comedores consumen gas LPG en cantidades importantes. Se podría, aprovechando los residuos de los alimentos, con un complemento de estiércol animal o residuos de faenamiento (principalmente chanchos o vacas), instalar una pequeña planta de biogás y mediante una red de gas servir a todos estos usuarios. Esto beneficiaría a la comunidad de una parte por el ahorro de gas, así como también por la disminución de la contaminación ambiental ocasionada por el desecho orgánico.

Basura y Transporte El uso de la basura y los desechos municipales para producción de energía aún no ha sido aplicado en el país. Los sitios de disposición de basura son fuentes de contaminación y causan serios daños en la salud de las poblaciones cercanas, hacen cada vez más costosa la eliminación de los residuos por la distancia hasta el relleno sanitario. Los municipios deben fomentar la instalación de plantas de generación de energía eléctrica utilizando la basura. Para ello, el Estado debería elaborar las regulaciones y los incentivos de tipo económico. No se puede tratar cada tema independientemente, la energía en este caso está ligada a la salud de los habitantes de una ciudad y a la calidad del ambiente. Estamos entonces ante un proyecto multidisciplinario que requiere una solución integral. Por ley, los sistemas de transporte público, incluido taxis, camiones, lanchas y medios marítimos deberían utilizar parcial o totalmente biocombustibles. Esto reduciría la contaminación en las ciudades y en el mar, y traería una diversificación en el uso de los cultivos tradicionales. Podría aprovecharse las participaciones del Estado en empresas agrícolas e industriales como ingenios azucareros y piladoras de arroz para, modificando o instalando nuevas facilidades, fabricar biocombustibles destinados al transporte público y pesado. Es conocido que el petróleo no durará más de cuatro o cinco décadas en el Ecuador, por lo que se debería encaminar esfuerzos al desarrollo de nuevas alternativas tecnológicas, entre ellas las energías renovables.

Eliminación de Barreras a las Energías Renovables Las barreras que impiden el desarrollo de las energías renovables en el Ecuador pueden resumirse en las siguientes:

• Falta de una política nacional de energías renovables (ER).

• Responsabilidad diluida en varias instituciones y organismos.

• Marco legal poco claro e incompleto.

• Inexperiencia en ER.


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• Falta de financiamiento para estudios investigación, ejecución de proyectos piloto.

• Inexistencia de una evaluación de los recursos renovales: mapa solar, mapa eólico, biomasa y mico hidroelectricidad.

• Ausencia de compañías y profesionales locales para dedicar tiempo, dinero y trabajar en las ER.

• Falta de financiamiento para la ejecución de los proyectos.

• Carencia de formación en ER a nivel de colegios y universidades. Las universidades y escuelas politécnicas no dictan esta materia ni forman a profesionales en ER.

Financiamiento Emprender en un proyecto energético renovable requiere de fondos. En el Ecuador se podría aprovechar los siguientes mecanismos de financiamiento para la promoción de las energías renovables:

• FERUM: El Fondo de Electrificación Rural y Urbano Marginal podría obligar a las empresas eléctricas a incluir anualmente un porcentaje de generación con medios renovables, hasta llegar en el término de una década al menos a que un 10% del total de generación sea con fuentes no contaminantes.

• Tarifa Verde: En otros países existe lo que se denomina una “tarifa verde”, que es una contribución opcional que los usuarios preocupados por el ambiente hacen para adquirir su energía de fuentes renovables. Un monto del 5 por mil de la factura sería un gran aliciente para este programa.

• Certificados Verdes: Los equipos que tienen un alto consumo energético como duchas eléctricas, tanques de agua eléctricos, secadoras eléctricas, focos, aires acondicionados o calefones de gas y todo equipamiento que no tenga una certificación verde por no cumplir los requisitos mínimos de eficiencia, deberían pagar una multa por ineficiencia energética.

• Multas por Contaminación: Industrias contaminantes, vehículos de transporte público y pesado que no cumplan las normas de contaminación deberían pagar una multa.

• Intercambio de Emisiones: En sujeción a lo dispuesto por el Protocolo de Kyoto sobre el ambiente, el Estado debe buscar los mecanismos para concretar el intercambio de emisiones con los países desarrollados y los recursos destinarlos a energías renovables.

• Aporte del 25% del Impuesto a la Renta: Según una ley recientemente aprobada, se puede destinar el 25% del impuesto a la renta, entre otras finalidades, a los aspectos de mejoramiento ambiental, por consiguiente también para las energías renovables. La responsabilidad en la gestión y promoción de este fondo podría encargase a los colegios profesionales de ingenieros del Ecuador.


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Aspectos Legales Una política energética integral a favor de las energías renovables debe contemplar la elaboración de regulaciones, estándares y normas con ese propósito. Se hace indispensable la promulgación de una Nueva Ley de Energías Renovables, que establezca las directrices para el fomento y aplicación de estas tecnologías en el Ecuador. Sin pretender llegar a situaciones de países como India donde existe desde hace más de 10 años el Ministerio de Energías Renovables, en el Ecuador se debería dar la debida relevancia al tema y crear una institución u organismo encargado del área a nivel nacional, como medio idóneo en el objetivo de esta política energética integral.

El Dilema del Futuro: Energías Renovables o Fin El mayor dilema que nos trae el inicio del siglo XXI es saber que los recursos energéticos fósiles se acabarán en el transcurso del siglo y si seguimos la tendencia del consumo energético del pasado ya no solamente serán los recursos sino el aire que también se acabará, y con él la vida. Es ahora cuando debemos actuar, por más pequeños o grandes que seamos, todo lo que se haga para mantener el equilibro del planeta tendrá efecto en el futuro. Si no lo hacemos por nosotros, hagámoslo por nuestros hijos y nietos con la esperanza de que vivan en un mundo limpio. Las energías renovables son un factor vital en esta visión, y nosotros los responsables de hacerla realidad.


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ÍNDICE DE MATERIAS acidificación......................................................104 aeróbica .............................................................103 aerogeneradores pequeños conectados a la red

eléctrica ..........................................................94 agitación ............................................................106 aislantes...............................................................30 alcalinidad .........................................................105 almacenamiento de la energía...........................129 almacenamiento del hidrógeno.........................126 altura dinámica del agua ...................................120 altura estática del agua......................................120 altura sobre el nivel del mar ...............................77 ampacidad ...........................................................48 amperio hora .......................................................41 amplitud de la onda.............................................24 Anaeróbico ........................................................103 anemómetro de copas .........................................86 ángulo de ataque .................................................82 ángulo de inclinación del panel ..........................41 Aparatos Eléctricos .............................................43 Aplicaciones de la Energía Solar........................28 aplicaciones del biodiesel en el Ecuador..........117 aprovechamiento energético del hidrógeno......125 área del colector y calor útil ...............................65 arquitectura solar pasiva .....................................73 atmósfera.............................................................27 átomo...................................................................29 balance energético.................................................6 balance energético en el colector........................61 banco de baterías...........................................41, 47 banda de conducción...........................................29 banda de valencia................................................29 barreras que impiden el desarrollo de las

energías renovables......................................134 basura y los desechos municipales ...................134 beneficios de la biomasa...................................101 biocombustible..................................................114 biodiesel ............................................................116 biodigestor.........................................................103 bioenergía............................................................97 Biogás................................................................103 biomasa .........................................................98, 99 Bioproductos .....................................................101 bomba de calor....................................................57 bombeo de agua con viento ................................96 brecha de energía ................................................30 brillo ....................................................................24 brisas marinas.....................................................76 Brush Charles......................................................75 cabeza de agua ..................................................119 Cableado..............................................................43 Cables..................................................................48 cálculo de la energía de un aerogenerador .........93 calentamiento del planeta ...................................97 calentamiento global .....................................18, 19 calidad óptica del colector ..................................63 calor definición ...................................................56

calor específico................................................... 56 cama fluidizada ................................................ 102 cantidad de calor útil QU .................................... 61 cantidad total de residuo .................................. 110 características de la biomasa............................ 100 características de las celdas de combustible .... 125 carbón ................................................................. 16 cargar las baterías ............................................... 42 caudal................................................................ 119 caudal de agua en un colector ............................ 64 celda de combustible ........................................ 124 celda de película delgada o silicón amorfo........ 38 celda monocristalina........................................... 38 celda policristalina.............................................. 38 celdas contrachapadas o multicapa .................... 38 celdas orgánicas.................................................. 39 Centros de Carga o Tableros Eléctricos............. 42 cero absoluto....................................................... 21 Cero grados Kelvin ............................................ 21 Certificados Verdes.......................................... 135 ciclo profundo de descarga ................................ 41 Circuito Equivalente de la Celda Solar.............. 34 cizallamiento del viento ..................................... 90 CO2 ................................................... 18, 20, 98, 99 CO2 neutro......................................................... 98 Cocinas Solares .................................................. 72 Coeficiente de Potencia CP................................. 77 Coeficiente integral de transferencia de calor

del colector .................................................... 62 colector solar ...................................................... 59 colector solar plano ............................................ 60 color de la luz ..................................................... 25 color de la vivienda ............................................ 73 combustibles fósiles ............................... 14, 15, 18 combustión directa ........................................... 101 combustión mixta ............................................. 102 concentración de CO2 en la atmósfera............... 18 concentración de nitrógeno .............................. 105 condiciones estándar de prueba (STC) .............. 27 Conducción......................................................... 58 conductividad térmica ........................................ 58 Conexión a Tierra............................................... 43 conexión en micro red........................................ 53 conexión en serie de una celda solar.................. 39 conexión serie – paralelo.................................... 39 constante solar .................................................... 23 consumo de combustibles de centrales térmicas

en el Ecuador ............................................... 132 consumo de combustibles en el Ecuador........... 15 consumo de combustibles fósiles....................... 14 consumo de energía a nivel mundial ................... 1 consumo mundial de energía ............................. 10 consumo por habitante ....................................... 11 contaminación .................................................... 18 contaminación de las centrales térmicas.......... 132 contenido de humedad de la biomasa .............. 100 contenido de sólidos......................................... 106


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contenido total de sólidos .................................110 Controlador de Carga..........................................41 Convección..........................................................59 corrección de la velocidad del viento por la

altura...............................................................90 corriente alterna ....................................................8 corriente continua .................................................8 corriente de fuga o avalancha .............................39 corriente de generación Ig ..................................33 corriente de generación por fotones IL ...............33 corriente de recombinación Ir.............................33 corriente eléctrica..................................................8 Costos de un sistema solar residencial ...............50 cuerpo negro........................................................25 cultivos agrícolas tradicionales...........................98 Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar ........35 curva CP vs. λ ......................................................84 curva de potencia de un aerogenerador ..............92 curva F-CHART .................................................68 Datos de radiación solar......................................45 déficit de generación.........................................132 Demanda eléctrica...............................................45 densidad del aire .................................................77 dependencia de los combustibles fósiles............97 dependencia energética de los países

industrializados ............................................131 Desalinización de Agua ......................................72 Diesel Rudolf ....................................................116 digestión anaeróbica .........................................103 digestor de flujo continuo .................................104 diodo....................................................................33 diodos puente ......................................................39 diseño de un sistema solar residencial................43 diseño del biodigestor .......................................110 distancia media entre el Sol y la Tierra ..............22 Distribución de Rayleight ...................................92 distribución de Weibull.......................................91 distribución Normal ............................................92 dopar el material .................................................32 ecuación de Stefan – Boltzman ..........................59 efecto fotoeléctrico .............................................30 efecto invernadero...............................................18 eficiencia ...............................................................6 eficiencia de Carnot ............................................57 Eficiencia de la Celda Solar................................37 Eficiencia del Colector Solar Plano....................63 Einstein..................................................................3 el siglo del hidrógeno........................................128 electricidad ............................................................1 electricidad y calor de la biomasa ....................101 electrón................................................................29 electrón voltios....................................................24 emisividad del material ε ....................................64 energía ...................................................................3 energía cinética .....................................................5 energía de la biomasa........................................100 energía del mar..................................................128 energía del Sol.....................................................21 energía del viento................................................85 energía eólica ......................................................75 energía eólica en el Ecuador...............................86

energía hidroeléctrica ....................................... 118 energía interna de un cuerpo .............................. 56 energía nuclear ................................................... 16 energía océano térmica..................................... 129 energía potencial .................................................. 4 energía radiante de un cuerpo ............................ 25 enfermedades contagiosas.................................. 19 era moderna ........................................................ 10 Escala de Beaufort.............................................. 86 Estudio de carga ................................................. 45 etanol ................................................................ 115 etanol en Brasil................................................. 115 evolución tecnológica....................................... 118 factor de cobertura solar..................................... 65 factor de cuadratura............................................ 35 factor de diversidad ............................................ 53 Factor de retención de calor del colector........... 62 factores que afectan la producción de metano. 105 facturación y medición..................................... 133 financiamiento para la promoción de las

energías renovables ..................................... 135 física cuántica ..................................................... 29 formación de metano........................................ 104 formas de la energía ............................................. 5 Formas de la Energía............................................ 5 fotones ................................................................ 23 fotosíntesis.......................................................... 99 frecuencia ....................................................... 8, 23 frecuencia de la onda.......................................... 24 fuentes de energía............................................... 13 fuentes de energía renovables ............................ 13 fuerza de resistencia ........................................... 81 fuerza de sustentación ........................................ 81 fuerza del viento ................................................. 75 Funcionamiento de la Celda Solar ..................... 30 funcionamiento de un aerogenerador................. 81 Galápagos ........................................................... 20 gas natural........................................................... 14 gas natural en el Ecuador ................................... 15 gases invernadero ............................................... 18 gasificación....................................................... 102 gasificación en el Ecuador ............................... 103 gasificación en industrias agrícolas ................. 114 gasohol.............................................................. 115 generación descentralizada ................................ 53 geotermia .......................................................... 122 grados día ........................................................... 68 grandes parques eólicos ..................................... 94 Grove William.................................................. 124 grupo electrógeno............................................... 50 Grupo Electrógeno o Respaldo de Energía

Adicional ....................................................... 42 Hertz ............................................................... 8, 24 hidroelectricidad............................................... 118 hidrólisis ........................................................... 104 Hidropaute ........................................................ 118 iluminación......................................................... 43 incremento de temperatura global...................... 19 índice de absortividad α ..................................... 61 índice de claridad ............................................... 27 Índice de Deformidad de Griggs – Putnam ....... 86


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índice de transmitividad τ ...................................61 inseguridad del uso de hidrógeno.....................126 insolación ............................................................27 instalación deuna central hidroeléctrica ...........120 Intercambio de Emisiones ................................135 intervalos de mediciones del viento ...................89 Inversor ...............................................................42 la Cour Paul.........................................................75 La Energía en el Ecuador....................................11 la fuerza de las olas...........................................128 latitud...................................................................76 Ley de Betz .........................................................77 Ley de Conservación de Energía..........................6 Ley de Planck......................................................25 ley de Stefan-Boltzman.......................................22 Ley del Gas Ideal ................................................59 línea equinoccial ...........................................63, 76 líneas espectrales.................................................25 lluvia ácida ..........................................................19 longitud de onda..................................................23 longitud de rugosidad .........................................90 mantenimiento de los sistemas de distribución 132 máquina de calor .................................................57 mareas ...............................................................128 masa de aire...................................................26, 76 material tipo n .....................................................32 material tipo p .....................................................32 materiales conductores........................................30 materiales de construcción..................................73 medición del caudal ..........................................121 medición del viento.............................................86 medición neta ......................................................54 mediciones de viento ..........................................93 mercado eléctrico ecuatoriano..........................131 metano.................................................................15 método del costo nivelado de energía ................52 NASA..................................................................27 Newton ................................................................25 nivel de contaminación de la biomasa..............101 Nivel de Energía de Fermi..................................31 nivel de pH........................................................105 nivel de radiación solar.......................................12 nivel energético del átomo..................................29 niveles de emisión de CO2..................................19 no renovables ......................................................13 Nueva Ley de Energías Renovables.................136 número de ciclos de carga-descarga...................41 número de palas de un rotor ...............................84 ombustibles .........................................................20 ondas .............................................................23, 24 orientación de la vivienda..................................73 orientación de los paneles fotovoltaicos.............40 Origen de los Vientos .........................................76 panel solar ...........................................................36 Pararrayos............................................................43 pared térmica.......................................................74 paredes térmicas..................................................73 pareja electrón-hueco..........................................29 partes de una central hidroeléctrica .................120 partes del sistema control....................................70 pellets de madera ..............................................102

pequeñas centrales hidroeléctricas en el Ecuador........................................................ 122

pérdidas de calor................................................. 62 pérdidas por convección y radiación ................. 60 pérdidas térmicas en el colector......................... 63 PETROECUADOR.......................................... 134 petróleo ............................................................... 15 piranómetro ........................................................ 23 pirólisis ............................................................. 102 piscinas ............................................................... 70 placa colectora.................................................... 60 planta de generación eléctrica virtual .............. 134 política energética ............................................ 131 potencia................................................................. 7 potencia eléctrica de un aerogenerador.............. 85 Potencia extraíble del viento.............................. 76 potencia instalada mundial................................. 11 potencial de energía solar................................... 12 Potencial de producción de metano ................. 110 potencial energético del Ecuador....................... 12 Primera Ley de la Termodinámica....................... 6 producción de biogás................................ 104, 111 producción máxima de metano ........................ 104 producción mundial de energía.......................... 11 producción mundial de energía eléctrica con

aerogeneradores............................................. 75 punto de máxima potencia ................................. 35 Radiación............................................................ 59 radiación crítica .................................................. 64 radiación de la celda solar.................................. 36 radiación electromagnética .......................... 21, 22 radiación en la superficie del Sol ....................... 22 radiación solar directa ........................................ 27 radiación solar global o total.............................. 26 radio del Sol........................................................ 22 rango de medición .............................................. 94 rastreadores de máxima potencia....................... 41 rastreadores solares ............................................ 41 rayos ultravioleta ................................................ 27 reacción nuclear.................................................. 16 reacciones en la oscuridad.................................. 99 reacciones en luz ................................................ 99 regiones del espectro electromagnético ............. 24 relación de velocidad de punta λ........................ 83 reservas probadas de petróleo en el Ecuador..... 12 resistencia ............................................................. 8 resistencia shunt ................................................. 23 reversible .............................................................. 6 revolución industrial........................................... 10 revolución tecnológica ..................................... 118 RISOE................................................................. 94 rugosidad del terreno.......................................... 89 secado de granos................................................. 71 secador solar directo........................................... 71 segunda ley de la Termodinámica ..................... 57 semiconductores ................................................. 30 serie de velocidad de viento............................... 93 Silicio.................................................................. 30 silicio extrínseco................................................. 32 silicón intrínseco ................................................ 31 sistema de bomba ............................................... 66


145

sistema eólico residencial ...................................95 sistema solar residencial .....................................40 Sistemas Conectados a la Red ............................53 sistemas de transporte público..........................134 Sol..................................................................21, 26 solidez del rotor...................................................84 sólidos volátiles.................................................110 substrato ............................................................110 superficie selectiva..............................................64 sustitución de los combustibles fósiles.............131 sustituir la generación térmica por fuentes con

energías renovables......................................132 tanque de almacenamiento de biogás ...............112 tarifa verde ..........................................................54 Tarifa Verde ......................................................135 temperatura..........................................................56 temperatura de ingreso del agua al colector.......62 temperatura de la celda solar ..............................36 temperatura de la reacción anaeróbica ............105 temperatura de operación de los gasificadores.103 temperatura del Sol .............................................25 Teorema de Bernoulli .........................................81 teoría cuántica .....................................................24 termodinámica.....................................................56 termosifón ...........................................................66 tiempo de retención...................................105, 110 tipos de aerogeneradores.....................................79 tipos de biodigestores .......................................106 tipos de celdas de combustible .........................125 tipos de celdas solares.........................................38 tipos de gasificadores........................................103 tipos de turbinas ................................................119

torque.................................................................. 85 trabajo ................................................................... 3 Turbina de Impulso .......................................... 119 Turbina de Reacción ........................................ 119 turbina Francis.................................................. 119 turbina Pelton ................................................... 119 Unión n-p............................................................ 32 uranio.................................................................. 16 usos del biogás ................................................. 109 usuario aislado.................................................... 53 utilización de la biomasa.................................. 101 valles en la zona de los Andes ........................... 76 vehículos a hidrógeno ...................................... 125 veleta de dirección.............................................. 86 velocidad de arranque ........................................ 92 velocidad de corte............................................... 92 velocidad del viento ..................................... 86, 89 velocidad del viento en las Islas Galápagos ...... 87 ventanas .............................................................. 73 ventas de las empresas eléctricas ..................... 131 viento solar ......................................................... 22 vientos globales .................................................. 76 voltaje ................................................................... 7 volumen del digestor ........................................ 112 volumen del tanque de almacenamiento de

agua................................................................ 69 volumen del tanque de almacenamiento de

biogás........................................................... 112 WASP................................................................. 94 Weibull ............................................................... 91 Young ................................................................... 4 zonas rurales sin energía eléctrica ................... 133


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SOBRE EL AUTOR

Santiago J. Sánchez Miño, nacido en Quito en 1956, es un Ingeniero Eléctrico, especialidad Potencia, graduado en la Escuela Politécnica Nacional en 1980. Cursó una maestría en Ingeniería Eléctrica de Potencia en la Universidad Estatal de Iowa en los Estados Unidos en 1982. En el año 2002 obtuvo un M.Sc. en Energías Renovables en el Programa de Postgrado de Energías Renovables de la Universidad Carl Von Ossieztky de Oldenburg, Alemania. Se ha desempeñado como funcionario público en INECEL y en el Fondo Nacional de Preinversión FONAPRE. Ha trabajado para empresas internacionales como ABB y Sumitomo y ha actuado como consultor y constructor en libre ejercicio durante más de 23 años. Fue Vicepresidente del Colegio de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de

Pichincha y ha participado como miembro de la Directiva de este gremio por tres períodos. Es profesor de la materia de Energías Renovables en la Universidad San Francisco de Quito, ha dictado seminarios de energías renovables en la Escuela Politécnica Nacional. Ha sido profesor de Instalaciones Eléctricas en la facultad de Arquitectura de la Pontificia Universidad Católica de Quito. Su preocupación permanente por el sector eléctrico y energético lo ha llevado a incursionar en el tema de las energías renovables como alternativa viable para solventar los problemas energéticos y ambientales del Ecuador.

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