MEDIO AMBIENTE

ENERGÍA RENOVABLE :

Aplicaciones por sectores

Antes de comenzar un análisis de los sectores de actividad a los que va dirigida la producción de energía originada a partir de fuentes renovables, se ha visto como conveniente mostrar al lector el esquema que define el sistema energético actual:

En la figura no están todas las fuentes de energía disponibles, solo las principales actualmente, pero puede observarse claramente que toda producción energética va dirigida a atender algún uso del que requiere un consumidor final. Pero aunque estos usos siempre son los mismos (iluminación, climatización, transporte…) las particularidades del sector en el que se lleven a cabo condicionará la forma de generar esa energía. Así, a continuación se van a ver los diferentes sectores de actividad y como las tecnologías “limpias” les dan cobertura:
1. Sectores productivos: Abarcarían sector agropecuario, industrial y servicios. En cuanto a las actividades industriales que presentan un consumo de energía térmica constante (alimentación, bebidas, metalurgia, productos químicos…), cabe señalar que una instalación solar térmica de baja temperatura puede proporcionar el calor suficiente para un proceso concreto (lavado de envases al final de la cadena de producción) y, de no ser así, la biomasa puede ser un buen complemento o sustitutivo de la energía solar, en el caso de que se disponga de una fuente cercana (es el caso de las almazaras donde para mantener la temperatura de las mezclas se usan calderas alimentadas con orujillo, huesos de aceituna o restos de poda). De este modo, la biomasa ha adquirido especial importancia en multitud de explotaciones agropecuarias (invernaderos, secaderos, granjas, bodegas, destilerías…).
En cuanto a la demanda de ACS adquiere especial relevancia el sector turístico y de ocio, donde existen actualmente multitud de instalaciones que demandan grandes cantidades de agua caliente (piscinas climatizadas, balnearios, jacuzzis, circuitos SPA, etc.). Las instalaciones de energía solar térmica y las calderas de biomasa para la producción de ACS, empiezan a ser habituales en muchos hoteles, gimnasios y otras instalaciones deportivas.
Otro consumo importante, en este punto, es el eléctrico. Es curioso como multitud de plantas, que inicialmente proporcionaban energía a la propia industria en la que se ubicaban (como es el caso de las almazaras vistas anteriormente), han acabado transformándose en centrales para la producción y venta de electricidad a la red, debido generalmente a unas condiciones económicas ventajosas para las fuentes de energía “limpias”. En otros casos, un subproducto o residuo de la actividad industrial de que se trate ha adquirido un importante valor comercial (como el biogas producido en los digestores anaerobios de las estaciones depuradoras de aguas residuales) y por último, está el negocio de producir energía eléctrica a partir de una fuente renovable, habiendo surgido en el mercado multitud de promotores energéticos que han puesto en marcha grandes instalaciones de generación masiva (parques eólicos, huertos solares, centrales hidroeléctricas…).
2. Sector doméstico: A nivel domiciliario, se han construido en los últimos años multitud de edificios “inteligentes” que además de ser eficientes en cuanto al consumo energético, pueden llegar a ser “autosuficientes” si prevén desde su diseño sistemas de alimentación basados en tecnologías limpias.
Quizá uno de los que mas suene sea la energía solar térmica de baja temperatura, que instalada sobre las cubiertas de las viviendas proporciona ACS y/o calefacción (e incluso refrigeración) a los hogares situados bajo ellas; del mismo modo aparecen en los tejados paneles fotovoltaicos, que proporcionan energía eléctrica a las casas o que permiten a sus habitantes compensar el consumo eléctrico mediante la conexión y venta a la red.
La biomasa se usa desde los orígenes de la humanidad para calentar los hogares y el agua destinada a la higiene personal, esto sigue siendo así pero de modo cada vez más sofisticado, las viejas calderas de gasóleo se sustituyen ahora por otras alimentadas con briquetas o pelets, que cuentan con empresas que los distribuyen puerta a puerta. Menos frecuente es quizá la energía geotérmica en el sector doméstico, aunque en algunos países del norte de Europa sea muy común, con el objetivo de obtener ACS y calor a partir del subsuelo para las épocas de frío, pudiendo invertir el ciclo en verano para bajar la temperatura. Por último, ciertos consumos eléctricos de poca envergadura pueden ser cubiertos con energía minieólica o minihidráulica, que se estudiarán en el apartado dedicado al autoconsumo.
3. Sector transporte: La movilidad de personas y mercancías merece una atención especial y diferenciada, pues el transporte es el mayor productor de gases de efecto invernadero (GEI) a nivel mundial y el uso de tecnologías limpias en este sector es crucial para la lucha contra el cambio climático. Como ya se ha visto, el empleo de combustibles como el biodiesel o bioetanol en la industria del automóvil está alcanzando cierto nivel de implantación en los últimos años, y la escasa autonomía del vehículo eléctrico ha hecho que muchas marcas hayan sacado a la luz prototipos en los que un “techo fotovoltaico” proporciona al vehículo la posibilidad de recorrer más km sin necesidad de recargar sus baterías.
Otro proyecto que está dando sus frutos es la instalación de pilas de combustible en algunos automóviles, que pueden ser alimentadas con biogás (rico en metano) o con hidrógeno procedente del empleo de energías renovables (se está trabajando bastante en la electrolisis del agua mediante el empleo de aerogeneradores). 

Autoconsumo. Pequeñas aplicaciones

En los países desarrollados y en la mayoría de los que se encuentran en vías de desarrollo, el sector terciario y el doméstico son los grandes consumidores energéticos. Esta realidad viene definida por una multitud de consumidores que, en el caso de la electricidad, requieren del sistema pequeñas potencias por lo que se enganchan a la red en baja tensión (=400 V). Esta estructura específica del sector doméstico y terciario ha de tenerse en cuenta a la hora de adoptar medidas concretas que fomenten una mayor penetración de las energías renovables en entornos rurales y urbanos.

En este sentido son ya numerosas las iniciativas a nivel internacional, ya sea gubernamentalmente o no, que están apostando por el desarrollo del autoconsumo y la generación distribuida, para reducir pérdidas en la red, los costes de inversión en infraestructuras, y el impacto de estas instalaciones sobre el territorio y el medio ambiente.

Además, el pequeño tamaño de algunas instalaciones de energías renovables y el conocimiento disponible sobre el sistema de distribución eléctrica en las ciudades, permiten determinar un conjunto de situaciones en las que la conexión a la red es siempre factible sin requerir de costosos estudios o inversiones por parte de las empresas distribuidoras.

Una de las tecnologías renovables que más desarrollo ha tenido desde el punto de vista del autoconsumo ha sido la energía solar fotovoltaica, ya en la década de los 50 se utilizaba para proporcionar suministro eléctrico a satélites y estaciones espaciales, y actualmente pueden verse los módulos solares de silicio en multitud de aplicaciones que van desde los “huertos solares” a los pequeños aparatos electrónicos (teléfonos de emergencia, señales luminosas, boyas y faros, etc.).

Las instalaciones fotovoltaicas aisladas han sido especialmente solventes en entornos rurales, y han permitido llevar la electricidad a zonas muy apartadas de los grandes centros de producción y consumo (como ciertas zonas del tercer mundo o viviendas ubicadas dentro de los grandes parques nacionales). Mediante su conexión a una batería (normalmente de plomo ácido) se ha logrado proporcionar luz eléctrica nocturna a viviendas, centros de salud, explotaciones agrícolas y ganaderas…

En la misma línea se han desarrollado las instalaciones solares térmicas de baja temperatura, inicialmente para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) en viviendas, centros de trabajo y ocio (vestuarios), y posteriormente para calefacción y refrigeración. No en vano, en los países situados en el llamado “cinturón solar” la demanda de ACS de los hogares puede llegar a ser totalmente cubierta por medio de estas instalaciones, incluso en algunos de ellos (como es el caso de España) la legislación exige su instalación en las viviendas de nueva construcción.

Además, se puede climatizar la vivienda u oficina con estos sistemas solares térmicos instalando suelo radiante o fan-coils para calentar el interior de estos habitáculos, o produciendo frío mediante la conexión a un circuito de absorción, cuyo fundamento técnico se explica porque determinadas sustancias absorben mucho calor al pasar de estado líquido al gaseoso, enfriando el aire circundante. El sistema más común es el que utiliza la solución amoniaco – agua (NH3/H2O), donde el amoniaco actúa como refrigerante y el agua como medio de soporte y transporte.

Por último, la termoeléctrica sea quizá la energía solar que menos posibilidades de aplicación presenta a pequeña escala, los helióstatos ocupan bastante espacio y los volúmenes de fluido que hacen falta evaporar para alimentar las turbinas no facilitan su implantación para autoconsumo, no obstante, los discos parabólicos sean quizá los que mayores posibilidades tengan en este sentido si se mejoran los motores Stirling disponibles en la actualidad.

Pero a parte de las pequeñas aplicaciones solares, están adquiriendo especial relevancia en los últimos años otras aplicaciones renovables como la minieólica, que utiliza aerogeneradores de potencia inferior a los 100 kW y con un área de barrido menor o igual a los 200 m2 (según la norma internacional IEC 61400-2). Presenta la particularidad de que puede combinarse con la energía fotovoltaica en instalaciones híbridas, situadas sobre algunos tejados y cubiertas, ayudando a alcanzar los objetivos marcados para estas instalaciones autónomas en lugares aislados. Pero además, frente a las solares presenta la ventaja de ocupar poco espacio y producir un menor impacto visual. Además, funciona con vientos moderados y no requiere de estudios de viabilidad demasiado complejos.

Otra tecnología que está sonando mucho últimamente es la minihidráulica, porque frente al resto tiene la ventaja de que muchas instalaciones tradicionales pueden ser ahora reconvertidas con fines energéticos (como los antiguos molinos de agua). Además, existen multitud de cursos de agua generados por la acción del hombre que pueden ser aprovechados para producir electricidad mediante el empleo de esta tecnología (canales de riego, conducciones de agua potable, depuradoras de aguas residuales, etc.). Asimismo, el mantenimiento del caudal ecológico obligatorio a la salida de ciertos embalses puede favorecer la implantación de minicientrales hidráulicas sin excesivos costes económicos ni complicaciones técnicas.

La biomasa por su parte, se usa tradicionalmente en pequeñas aplicaciones para la producción de calor (chimeneas, calderas, hornos…) y últimamente de manera más sofisticada, para climatizar y producir ACS (al igual que la solar térmica de baja temperatura), mediante el uso de calderas de alto rendimiento que se alimentan con biocombustibles sólidos de fabricación industrial (como los pelets o las briquetas) o líquidos (biodiesel o bioetanol).

En referencia directa al autoconsumo, cabe decir que multitud de explotaciones agrícolas (olivar, vid, árboles frutales…) y ganaderas (avícola, porcina, vacuno…) necesitan calor en sus procesos productivos (destilación vinícola, extracción del aceite de oliva, incubación y alimentación de aves…), calor que pueden obtener directamente de la quema o gasificación de sus residuos. A esto habría que añadir que la biomasa ya presenta aplicaciones bastante desarrolladas en el sector del transporte y la automoción, de las que ya se habló suficientemente en el tema dedicado a biocombustibles.

Otras fuentes de energía que también pueden ser utilizadas en pequeños usos son la geotérmica (para alimentar el suelo radiante de viviendas y oficinas) y la mareomotriz (utilizada tradicionalmente en zonas costeras para mover molinos de grano), además de todas aquellas otras que están surgiendo como consecuencia de la investigación científica (sónica, fotosintética, humana…).

Para la promoción y uso de estas pequeñas aplicaciones destinadas al autoconsumo, se están poniendo en marcha actualmente algunas iniciativas que promueven la implantación de energías renovables en lugares aislados sin posibilidad de engancharse a la red eléctrica. Un ejemplo de esto es el Programa RuralRES desarrollado en el seno de la Unión Europea, que promueve el desarrollo energético renovable de ciertas áreas rurales con gran potencial minieólico y minihidráulico ubicadas en 6 países (España, Grecia, Republica Checa, Rumania, Italia y Suecia).

Avances y mejoras tecnológicas

Más allá de la perspectiva histórica que se ha dado en los primeros temas, en la que se vio como las diferentes fuentes energéticas fueron aprovechadas por el hombre para su empleo en multitud de aplicaciones (molienda, arado, cocina…), se pretende ahora dar una visión de cómo las llamadas tecnologías limpias han ido mejorándose con el paso del tiempo hasta ser más eficientes y comerciales, pero manteniendo el uso conocido (producción de electricidad, ACS y/o climatización).

Véanse los principales tipos:

1. Solar térmica de baja temperatura: A partir los avances del doctor Remington que experimentaba con calentadores solares de agua en su clínica, donde ya separaba el calentador solar en un colector (cajón con tapa de vidrio por cuyo interior circulaba un serpentín) y un depósito de acumulación de agua; el ingeniero William J. Bailey (paciente suyo) mejoró el sistema instalando el acumulador en un punto más alto que el colector, al ser el agua caliente menos densa que el agua fría tiende a elevarse por si sola por las tuberías evitando de este modo tener que poner bomba para impulsar el agua entre el colector y el depósito acumulador (efecto termosifón). aislando el depósito de las inclemencias atmosféricas, logrando así reducir las pérdidas de inercia térmica.

Más tarde se incorporan revestimientos antirreflectantes al captador, para aprovechar al máximo la radiación incidente, juntas de goma o silicona para aislar las conexiones entre los diferentes elementos del sistema… y así hasta llegar a la tecnología actual que sigue mejorándose.

2. Solar termoeléctrica: La multitud de sistemas que aprovechan el poder calorífico de la radiación solar para producir energía eléctrica, y la constante aparición de nuevas tecnologías e instalaciones, hacen muy difícil mencionar aquí todos los avances y mejoras que se han producido en esta materia. Sin embargo, destaca sobremanera la elección del fluido caloportador, que ha destacado como el gran quebradero de cabeza para científicos y tecnólogos especialmente en los sistemas de altísima temperatura, pero que es un problema común a las diferentes variedades sistémicas de estas tecnologías (actualmente se utilizan aceites o siliconas sintéticos, aceites minerales, sales fundidas, agua, líquidos iónicos, aire, otros gases…).

Hablemos de la experiencia adquirida en la Plataforma Solar de Almería (España), construida por iniciativa de la Agencia Internacional de la Energía (AIE). En esta plataforma convivían inicialmente dos tecnologías, colectores cilindroparabólicos y central de torre. En esta última el fluido de trabajo era inicialmente sodio líquido con intercambio térmico a una máquina de vapor de agua, pero debido a una fuga en una de las válvulas de uno de los tanques de sodio se produjo un incendio que paralizó esta línea de investigación (el sodio explosiona al contacto con el agua). Actualmente, el empleo de sales fundidas como fluido de trabajo (utilizado también para almacenamiento térmico) se está imponiendo, aunque hay quién aún defiende el uso del sodio para estos fines.

Consejo: Escribir en el buscador de vídeos “sodio más agua”.

3. Solar fotovoltaica: Los mayores avances en esta tecnología se han producido por la sustitución progresiva del material semiconductor que compone las células fotovoltaicas. El primer captador se consiguió extendiendo una capa de selenio sobre un soporte metálico y recubierta con una fina película de oro transparente (Charles Fritts, 1885), alcanzando el 1% de eficiencia, posteriormente se sustituye el selenio por el silicio (Chapin-Fuller-Pearson, 1954), llegando al 6%, últimamente se ha llegado a superar el 25% de eficiencia en laboratorio y se usan multitud de materiales semiconductores como el arseniuro de galio, el teluro de cadmio o el diseleniuro de indio y cobre.

4. Energía Eólica: El primer aerogenerador “moderno” lo construye el norteamericano Charles F. Brush durante el invierno de 1887 a 1888. Tenía un diámetro de rotor de 17 metros y 144 palas de madera de cedro, funcionó durante 20 años cargando las baterías del sótano de la casa de Brush y su potencia nominal era de tan solo 12 kW pues se trataba de una turbina de giro lento, tipo americano (o rosa de los vientos).

Las turbinas eólicas de giro rápido las descubriría más adelante el danés Poul la Cour, al observar que las turbinas con menos palas de rotor son más eficientes que las de giro lento para la producción de electricidad, siendo así uno de los pioneros de la aerodinámica moderna. A partir de este momento comienza un periodo de ensayos hasta la imposición del llamado “concepto danés” (3 álabes). Finalmente, la turbina tripala con rotor a barlovento, orientación electromecánica y generador asíncrono, fue el diseño pionero de los modernos aerogeneradores.

5. Energía de la biomasa: Hoy en día, las aplicaciones de esta fuente energética son muy numerosas, y esto complica un poco el análisis de todos sus avances ya que actualmente se utiliza desde la materia prima en estado sólido hasta los combustibles líquidos o gaseosos resultantes de su tratamiento, y en multitud de usos que van desde pequeñas aplicaciones (alimentando calderas para calefacción domiciliaria) hasta el nivel industrial (en centrales de ciclo combinado), e incluso en sectores tan dispares como el transporte o la ganadería.

En este sentido, se puede decir que los mayores avances en el aprovechamiento de esta fuente de energía vienen marcados por la elaboración del combustible en búsqueda de la mayor eficiencia posible. Así, en los combustibles sólidos se ha buscado el incremento de la densidad energética (apareciendo las briquetas y los pelets), los líquidos se han purificado hasta poder sustituir o mezclarse con los derivados del petróleo para alimentar motores de combustión (biodiesel y bioetanol), al igual que los gaseosos (el biogás puede sustituir al gas natural en multitud de aplicaciones).

6. Energía hidroeléctrica: Se puede decir que el avance de esta tecnología viene marcado por un hito histórico que le hace posicionarse como fuente de energía alternativa, el descubrimiento del campo magnético rotatorio (base de la corriente alterna) por Nikolá Tesla (1882). Hasta entonces las centrales hidroeléctricas estaban muy limitadas, pues al generar electricidad en corriente continua se producían pérdidas inasumibles si el punto de consumo no era cercano al de generación.

Tras ese descubrimiento aparece la primera central de producción hidroeléctrica a gran escala, la de las Cataratas del Niágara (1896) que da suministro eléctrico a la ciudad de Buffalo (USA), a 30 km de distancia.

El resto de tecnologías se encuentran aún en un estado de experimentación incipiente, y merece mayor atención las perspectivas para el futuro que los avances logrados hasta la fecha a una escala de suministro masivo y comercial.