Generalidades 1.1 Introducción

1

La actividad humana consume mucha energía en transporte, iluminación, calefacción, refrigeración e industria, y para ello utiliza en gran parte energías no renovables aportadas por los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural). Estos combustibles son además recursos finitos que se encuentran en vías de extinción, que por tanto se irán encareciendo con el tiempo y que además dañan el medio ambiente, polucionando la atmósfera y las aguas. En contraste, las energías renovables abarcan una serie de fuentes energéticas que se regeneran de manera natural y de forma continua, son respetuosas con el medio ambiente y prácticamente inagotables en el tiempo, tales como la energía eólica y la solar. El sol es la fuente principal de las energías renovables, no solo calienta (energía térmica y fotovoltaica) sino que también da origen a los vientos (energía eólica), evapora el agua que pasa a lluvia o nieve llenando los embalses (energía hidroeléctrica) y hace crecer las plantas (biomasa). El sol conjuntamente con la Luna dan origen a las mareas (energía mareomotriz), con la ayuda del viento genera las olas (energía oleomotriz), al calentar la superficie del mar produce una diferencia de temperaturas entre la superficie y el fondo (energía térmica de los océanos) y es la causa de las corrientes marinas. El hidrógeno es muy abundante en la naturaleza pero tiene gran afinidad con otros elementos (oxígeno para formar agua) de modo que no se encuentra libre y es necesario extraerlo para utilizarlo como combustible o bien para producir electricidad. Las energías renovables permiten un desarrollo sostenible, sin afectar los aspectos ambientales del aire, el agua, la tierra, los recursos naturales y la salud del hombre. Lo contrario ocurre con las energías no renovables (combustibles fósiles) que provocan entre otros el efecto invernadero, producido durante los últimos 20 años por el 75% de las emisiones de CO2.

1 - Biomasa. La biomasa es el conjunto de la materia biológicamente renovable (madera, celulosa, carbón vegetal, etc.) cuya energía procede del Sol y que puede obtenerse en estado sólido por combustión (carbón vegetal) o bien en estado líquido (biocombustible) mediante la fermentación de azúcares, o gaseoso (biogás), a través de la descomposición anaeróbica (en ausencia de oxígeno) de la materia orgánica. 2 - Eólica. Se aprovecha la energía del viento moviendo las palas de un aerogenerador. 3 - Geotérmica. Es producida por el gradiente térmico entre la temperatura del centro de la Tierra y la de la superficie y aprovecha las corrientes de agua

1 Generalidades

Las energías renovables (EU Directive 2001/77/CE) son las siguientes:

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subterráneas que fluyen junto a rocas calientes a profundidades de 3 a 5 km. También puede aprovecharse la inercia térmica de la tierra a profundidades que van de 2 m hasta 150 m con temperaturas del terreno entre 0 y 20ºC. 4 - Hidráulica. Se aprovecha la energía potencial del agua de los ríos mediante presas que permiten almacenarla y descargarla a un nivel mas bajo para generar energía en la planta hidroeléctrica (turbinas y generadores). 5 - Oceánica. Se aprovecha la energía de las mareas, olas, térmica y las corrientes marinas. 6 - Solar con Plantas Fotovoltaicas y centrales Térmicas Solares que aprovechan la radiación solar. En las Plantas Fotovoltaicas, la luz solar (fotones) incide sobre celdas de silicio creando una diferencia de potencial entre los dos polos de la celda, que, al ser conectados, generan una corriente eléctrica.

Energía solar

Oleaje permanente ca

érmi

Geot

C

inas

ar es m

ent orri

Fig. 1.1 Energías renovables. Fuente: ACERA (Chile)

Las centrales termosolares transforman la radiación solar en energía calorífica, bien de forma sencilla exponiendo al Sol una superficie metálica pintada de negro que calienta el agua en contacto térmico con dicha superficie, o bien concentrando la energía solar mediante espejos parabólicos sobre tubos o depósitos de agua o aceite o un fluido orgánico. La energía captada vaporiza el fluido accionando una turbina que genera electricidad.

1.2 Coste

de las energías renovables

El coste normalizado de la energía (levelised energy cost) incluye todos los costes a lo largo de su vida útil, es decir, inversión inicial, operaciones y mantenimiento, coste del combustible, coste del capital y viene definido por la fórmula:

En la que: LEC = coste medio normalizado de generación de electricidad durante la vida útil (Euros/kWh o Euros/MWh) It = gastos de inversión en el año t Mt = gastos de operación y mantenimiento en el año t Ft = gastos de combustible en el año t 12

Et = electricidad generada en el año t r = tasa de interés n = vida del sistema (entre 20 a 40 años) En la tabla 1.1 puede verse una selección de costes normalizados para diferentes tipos de energía, en los que no se incluyen los costes de emisiones de gases de invernadero producidos por diferentes tecnologías y en la tabla 1.2 los costes estimados de producción de electricidad de dichas energías en el año 2010. Coste Euros/MWh

Tecnología

Mínimo

Máximo

Nuclear (proyecto y compra equipo)

27

47

Nuclear instalada y puesta en marcha

50

71

Carbón

19

26

Carbón gasificado ciclo combinado (pulverizado y almacenado)

36

66

Carbón pulverizado (extracción y almacenamiento)

43

71

Turbina de gas de ciclo abierto

68

68

Energía geotérmica de rocas calientes

60

60

Ciclo de gas combinado

25

36

Ciclo de gas combinado + carbón extraído y almacenado

36

63

Pequeña central hidráulica

37

37

Aerogeneradores de alta capacidad

37

50

Energía solar térmica

57

57

Biomasa

59

59

Fotovoltaica

81

81

Termosolar

42

99

Tabla 1.1 Costes normalizados para distintos tipos de energía Fuente: CSIRO - Australia 2006 y NREL 2003

Energía nuclear

Euros/MWh

Céntimos euro/kWh

Mínimo

Máximo

Mínimo

Máximo

107

124

10,7

12,4

Lignito (carbón marrón)

88

97

8,8

9,7

Antracita (carbón negro)

104

107

10,4

10,7

Gas doméstico

106

118

10,6

11,8

Aerogeneradores en tierra

49,7

96,1

4,97

9,61

Aerogeneradores en el mar

35

150

3,5

15

Central hidráulica

34,7

126,7

3,47

12,67

Biomasa

77,1

115,5

7,71

11,55

284,3

391,4

28,43

39,14

46,1

61,3

4,61

6,13

Fotovoltaica Energía termosolar

Tabla 1.2 Coste de producción de electricidad en nuevas plantas construidas en 2010 Fuente: Rheinisch-Westfälischen Institute for Economic Research –RWI y NREL 2003

1 Generalidades

Fuente de energía

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Otro tema de interés son los cambios que se producen como consecuencia de nuevos diseños de equipos, nuevos procesos de fabricación, la evolución de los servicios de soporte y las economías de escala. Estos cambios se representan con el concepto de “Tasa de aprendizaje” (learning rate), que es la tasa a la cual la unidad de coste dobla cada unidad de salida. Tal es el caso de unidades fabricadas, MWh generados o capacidad instalada. Una unidad derivada de la Tasa de Aprendizaje es la Relación de Progresión (PR – Progress Relation) que es el nuevo coste unitario que sigue a la producción doblada. Un PR% de 98% en una instalación, indica que el coste de la unidad disminuye un 2% por cada doblaje de la capacidad instalada. Relación de progresión (PR) (Progression rate) = 1 – Tasa de Aprendizaje Tecnología

Relación de Progresión (PR %)

Aerogeneradores en tierra    Tecnología

92

  Desarrollo del proyecto

90

  Licencia   Operaciones y Mantenimiento (O&M)

110 90

Gas de vertedero    1 MW

92

  0,22 MW

85

  Instalar un tubo extractor

85

  Instalación de tuberías y equipo de extracción

85

  Desarrollo del proyecto

90

  Licencia

100

  Operaciones y Mantenimiento (O&M)

90

Aerogeneradores en el mar

85

Energía solar fotovoltaica

85

Mareas

85

Olas

85

Gasificación de desechos

85

Biomasa

85

Central microhidráulica (< 1,25 MW)

90

Central hidráulica pequeña (1,25 a 20 MW)

90

Central hidráulica > 20 MW

95

Metano

92

Planta termosolar

92

Componentes planta solar (estructura, tubos receptores y espejos)

80

Tabla 1.3 Relaciones de progresión (PR) de 2005 a 2010 Fuente: International institute for Applied System Analysis (IIASA)

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Coste de la instalación (€/kW)

Tecnología

2010 - 2020

Emisiones efecto Sensibilidad Rendimiento invernadero al precio (%) (kg CO2 del petróleo eq/MWh)

Mínimo

Máximo

Turbina de ciclo abierto de gas

600

630

440

40

Muy alta

Turbina de gas de ciclo combinado

790

820

400

50

Muy alta

Combustible pulverizado con desulfurización del gas

1.730

1.800

800

40 - 45

Media

Planta de generación de biomasa

1.500

3.000

30

33

Aerogenerador

1.000

1.200

0

33

Central hidráulica

2.284

2.300

0

38 - 47

Central fotovoltaica

4.120

4.500

0

40

Central termosolar

5.000

7.000

0

15 - 17

Nula

Tabla 1.4 Coste y Rendimiento de tecnologías energéticas renovables Fuente: Plan Tecnológico Energía Estratégica Europea 2007 y otras fuentes

1.3 Energía

termosolar

La preocupación mundial por el abastecimiento de energía y el progresivo consumo y agotamiento a la larga de las energías no renovables (petróleo y gas) obliga a estudiar todas las formas posibles de energía, entre las que sobresale como expectativa en un futuro inmediato, colaborando con las demás energías, la energía termosolar basada en el ciclo Rankine.

1.3.1 Ciclo Rankine El ciclo Rankine es un ciclo de potencia que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde perderá presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador, donde el vapor remanente cambia al estado líquido. Posteriormente, es succionado por una bomba que aumentará la presión del fluido para poder ingresarlo nuevamente a la caldera. Existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar sobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo.

• Proceso 2-3. Calentamiento a presión constante (calentamiento del líquido hasta la temperatura del vapor de saturación, vaporización a temperatura y presión constante y sobrecalentamiento del vapor). Una fuente transmite calor al fluido de trabajo que está a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima, en forma de vapor sobrecalentado.

1 Generalidades

• Proceso 1-2. Bombeo adiabático. La bomba o un compresor, aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor y aportando un pequeño trabajo.

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