Curso Básico de Energías Renovables (5)

CURSO ENERGÍAS RENOVABLES  5/20

Amyca escuela de negocios continuamos desplegando este curso gratuito en el blog de AMYCA,  basado en nuestro Master en Ingeniería y Gestión de las Energías Renovables, que, si estás interesado en ampliar o actualizar conocimientos, te facilitará profundizar en las distintas materias que lo forman.

LECCIÓN 5: ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

1. Recurso energético solar

El Sol es la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en nuestro planeta.

La Radiación solar es la energía procedente del Sol en forma de ondas electromagnéticas. La Irradiación es la energía incidente por unidad de superficie sobre un plano dado (MJ/m2 o kWh/m2) y a lo largo de un cierto período de tiempo (hora, día, mes, año). La Irradiancia es  la energía incidente sobre la unidad de superficie en la unidad de tiempo  (J/sm2 o kW/m2).

La combinación de tres factores: la distancia Tierra-Sol, el diámetro solar y la temperatura del Sol, determinan un flujo luminoso, un flujo de energía que incide sobre la superficie terrestre. Consideraremos que el flujo de energía (J/sm2 o W/m2) que emite el Sol es constante, y sobre la atmósfera terrestre incide una cantidad de radiación solar, definida por la constante solar (1.367 W/m2).

Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción y difusión que disminuyen la intensidad final.

La radiación solar global es la suma de la radiación directa, la radiación difusa y la radiación reflejada, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica o eléctrica.

El aprovechamiento energético del Sol, directo o indirecto, de forma natural o artificial, ha sido una constante de la humanidad en sus estructuras agrícola, urbana, industrial, etc.

2. Aprovechamiento de la energía solar pasiva. Arquitectura Bioclimática

El principio consiste en valerse de determinados elementos arquitectónicos para aprovechar el calor del Sol y la ventilación natural.

Los edificios incorporan sistemas de acondicionamiento pasivo que sirven para transformar la propia construcción en un instrumento de captación (a través de los muros, vidrios y cubiertas), acumulación (en su masa térmica, forjados, tabiquería, etc.) y distribución de energía (mediante convección natural).

El diseño de los edificios deben tener en cuenta los aspectos energéticos, con el objetivo de disminuir su demanda energética sin disminuir los niveles de confort, tal y como establece el Código Técnico de la Edificación.

3. Aprovechamiento de la energía solar activa.

3.1 Captación térmica

Es el proceso de transformación de la energía radiante del Sol en energía térmica. Esta energía térmica la podemos aprovechar de dos maneras: para producir calor (empleando captadores térmicos, en los que un fluido recoge el calor que la radiación solar produce en el captador) o para producir electricidad (el fluido mueve una máquina térmica turbina-alternador).

3.2 Clasificación de sistemas solares térmicos

En función del nivel de temperatura requerido (la necesidad de seguimiento y concentración del sol en el captador), los sistemas solares diseñados para suministrar un fluido caliente a una determinada aplicación se clasifican en:

• Baja Temperatura: T < 100 ºC (sin seguimiento y pequeña concentración)
• Media Temperatura: 100 ºC < T < 400 ºC (con seguimiento continuo del Sol en uno de los ejes y concentración de la energía solar en un eje)
• Alta Temperatura: T > 400 ºC (con seguimiento en dos ejes y foco puntual)

4. Aplicaciones sector solar térmico

A partir del Sol obtenemos una energía que podemos utilizar en aplicaciones térmicas para: agua caliente sanitaria (ACS), calefacción y piscinas, usos industriales, sistemas de climatización solar, etc.

En las aplicaciones térmicas de la energía solar es necesario realizar los siguientes procesos:

• Captación y concentración de la energía solar
• Transformación, para su utilización
• Almacenamiento, para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo de autonomía establecido
• Disponer de una fuente de energía suplementaria, utilizable si se supera el tiempo de autonomía
• Transporte de la energía almacenada, para su utilización en los puntos de consumo.

4.1 Aplicaciones de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción y piscinas

La energía incidente, que llega a los captadores en forma de radiación solar, se transforma en energía térmica, que calienta el fluido que circula por su interior (habitualmente mezclas de agua con anticongelante). Esta energía, transferida en forma de agua caliente, es cedida generalmente a otro circuito donde se acumula en un depósito acumulador, que actuará como depósito de inercia térmica hasta que se produzca el uso final de la energía en forma de Agua Caliente Sanitaria, apoyo a la calefacción por suelo radiante, o para la climatización de piscinas.

Las tecnologías existentes son el captador plano sin recubrimiento para aplicación en piscinas, el captador plano con recubrimiento y el captador de tubo de vacío en ACS y calefacción.

4.2 Aplicaciones industriales

El sector industrial presenta un alto potencial por la importancia de su demanda térmica en el rango que pueden producir las instalaciones solares. Se estima que los sistemas solares podrían proporcionar entre el 2 % y el 7,5 % del potencial de demanda total de energía a baja y media temperatura del sector industrial.

Aproximadamente el 41% de la demanda de calor industrial requiere temperaturas por debajo de 250ºC. En muchos sectores industriales como la industria papelera, bebidas, la fabricación de fertilizantes, alimentación como la industria cárnica, bebidas como vinos, industria láctea, etcétera, la demanda de calor a media y baja temperatura se sitúa en torno al 47,7% de la demanda total.

Así pues, se trata de un mercado relevante y muy prometedor para la aplicación de sistemas solares térmicos.

4.3 Sistemas de refrigeración solar

El aumento de aparatos de refrigeración mediante compresores ha sido significativo en los últimos años, provocando con ello un aumento importante de la demanda de energía eléctrica durante el verano.

Como alternativa surgen los sistemas de refrigeración solar, que resultan especialmente interesantes dado que coincide la mayor disponibilidad del recurso solar con el aumento de la demanda de refrigeración.

Existen diferentes sistemas y tecnologías para conseguir la climatización a partir de energía solar térmica. Por un lado los sistemas cerrados que utilizan máquinas de absorción de simple y doble efecto, y máquinas de adsorción, y por otro lado los sistemas abiertos como la desecación y refrigeración evaporativa.

4.4 Calefacción urbana (“District Heating”)

La calefacción urbana o “district heating” es una de las aplicaciones para usos colectivos que requieren instalaciones de mayor superficie de captación solar y que más facilita el uso conjunto de otras fuentes energéticas (fósiles o renovables) incluso en sistemas comunitarios ya existentes.

En Europa actualmente se emplea un 14 % de energías renovables como fuente de energía para este tipo de sistemas. Suecia fue el primer país en instalar un sistema alimentado con energía solar, siendo Dinamarca el país que dispone de la mayor instalación (18.300 m2).

La tecnología existente es el captador de tubo de concentración.

4.5 Desalación solar térmica

Una aplicación muy interesante para los sistemas solares es su incorporación a los procesos de desalación de agua marina, al proporcionar la energía térmica necesaria para el proceso. Es habitual la coincidencia de disponibilidad de recurso solar con la falta de disponibilidad de agua potable y proximidad al agua de mar.

Estos sistemas de desalación mediante energía solar abarcarían desde los sistemas pasivos basados en evaporación (Solar Still) hasta complejos sistemas integrados en plantas termosolares de generación eléctrica.

4.6 Situación del sector solar térmico

4.6.1 Situación actual en el mundo. La superficie instalada en el mundo alcanzaba a finales de 2008 los 151,7 GWt, que corresponden a 217 millones de m2, de los que 131,8 GWt corresponden a captadores planos y tubos de vacío mientras que 18,9 GWt a captadores flexibles no vidriados. China representa el mayor porcentaje, con casi un 66,4 % del Mercado mundial de captadores planos y tubos de vacío.

4.6.2 Situación actual en la UE. La Unión Europea ha adquirido el compromiso de aumentar la cuota global de energía procedente de fuentes renovables hasta un 20% en 2020, según se indica en la Directiva 2009/28/CE. Dado que la demanda de calor representa en torno al 49% de la demanda total de energía, el sector solar térmico representará una gran contribución al cumplimiento de este objetivo.

4.6.3 Situación actual en España. El mercado solar térmico viene experimentando un crecimiento constante en España desde el año 2000. En 2010 se ha alcanzado una capacidad total acumulada en operación de 2,4 millones de m2, es decir 1.657 MWt, siendo la aplicación más extendida la producción de Agua Caliente Sanitaria con un 98 % del total.

4.6.4 Sector industrial. Europa presenta un mercado muy diversificado respecto a las aplicaciones de energía solar térmica. Incluye desde sistemas para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en viviendas unifamiliares y multifamiliares, edificios del sector terciario hasta grandes plantas para calefacción y refrigeración urbana o “Solar district heating and cooling (SDHC)” así como un número creciente de sistemas de climatización solar y aplicaciones industriales.

4.7 Evaluación del potencial

El recurso solar es abundante en España, por lo que la disponibilidad del recurso solar no supone un elemento limitante del potencial solar español.

El crecimiento en el intervalo de 2010 a 2020 se estima: en el sector residencial en 3,4 millones de m2, en el sector industrial en 14,4 millones de m2, y en los sistemas de climatización solar en 140 millones de m2.

Ejercicios propuestos:

L5.E1. ¿Cuál es la relación entre la Irradiancia y la Irradiación? ¿Cual de los dos conceptos expresa una potencia superficial?

L5.E2. Un sistema solar diseñado para suministrar un fluido caliente a una aplicación destinada exclusivamente a producir agua caliente sanitaria ¿en qué rango de temperatura estará incluido?

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